莲藕采收机械的研究进展*

2022-02-11李锋霞高国刚武玉柱

南方农机 2022年3期

李锋霞，张佳，黄勇，高国刚，武玉柱，王梦

（1.新疆工程学院机电工程学院，新疆乌鲁木齐 830023；2.中国石油大学（北京）克拉玛依校区工学院，新疆克拉玛依 834000）

莲藕，是一种草本植物，具有很好的药用和食用价值，深受广大人民群众喜爱。其因种植技术和生长管理技术简单、经济效益好，在我国种植分布广泛[1]。然而，莲藕的采收却较为困难，人工挖藕劳动作业繁重，生产效率低，制约了莲藕产业的发展，因此，莲藕机械化采收是关键。我国自20世纪70年代开始对莲藕机械化采收技术进行研究，各大科研机构、相关企业及个人等对莲藕采挖的作业机理、关键技术及设备等进行了研究[2]，对实现高效率、低能耗的莲藕机械化采收具有重要的现实意义。

1 莲藕采收机理

莲藕机械采收实际上是将藕泥分离，目前，根据采收原理不同分为三种方式：机械式、喷流式、机械与喷流结合式。

1.1 机械式

机械式是指通过挖藕机上的采挖机构将莲藕从泥里掘起，使泥藕分离开来，然后再清洗。

1.2 射流式

射流式是指利用水泵抽水，产生高压，通过管道系统将水输送至采收机上的喷头处，然后喷头喷出高压水流，形成射流，将莲藕上的泥土冲洗掉，由于莲藕本身是中空结构，密度比水的密度小，依靠浮力即可自动浮出水面，达到了藕泥分离的效果，完成莲藕收获。

1.3 机械式+射流式

机械式和射流式的结合是指利用车体前端的挖掘机构配合高压水枪将莲藕与淤泥分离。挖掘机构与水枪角度可跟随液压缸进行一定范围内的调整。输送系统安装在车体底盘搭配着冲水系统的二次清洗，可获得干净的莲藕。

目前，在国外日本研究过莲藕采收机，主要利用喷流式原理的采收机有3种类型[3]，喷流式I型挖藕机结构是船体式结构，无牵引装置，可在藕田水深0.1 m~0.2 m的条件下进行作业；宽幅II型挖藕机比I型增加了牵引装置、驱动装置及集藕装置；泵定置式小型（简称III型）挖藕机是浮舟式结构，其采挖作业效率比人工挖藕提高了3~5倍。日东工业设计利用机械式和喷流式结合的采收机[4]，该挖藕机结构简单，操作简便，但由于体积笨重、效率低、价格昂贵、田间适应度不高等原因，目前还未被广大农民接受和使用。

中国现有的挖藕设备的研究中，主要利用的原理是高压射流技术，如陈辉等[5]、何竞飞等[6]、肖科星[7]、李烈[8]研究了喷流式挖藕机，吴昊[9]研制出一种自旋射流式挖藕机。高雪峰等[10]提出了结合了铲掘式和喷流式两种采藕方式的大功率莲藕采收机。

大量研究结果表明：由于藕在水下分布杂乱，易断，机械式收获方式采挖速度慢，损伤率高，应用不广泛。射流式收获方式采用高压水流的方式，解决了机械式挖藕存在的采挖效率和采挖损伤之间的矛盾，应用广泛[11]。机械式+射流式收获方式结合前两者的优点，且能对莲藕实行二次清洗，收获效率高，莲藕破损率小，效果良好。

2 莲藕采收机械装置结构设计的研究

目前，我国研究的莲藕收获机械主要由动力装置、高压水泵、液压系统、分水器和高压喷嘴（喷头）、浮栽装置、操作装置、行走装置等组成。根据采收结构和浮栽装置不同，分为3种形式：手扶式挖藕机、船式挖藕机和浮筒式挖藕机。

2.1 手扶式挖藕机

2018年，中南大学刘向军等[12]研制出一种新型手扶挖藕机，如图1所示，以车架作为载体承载发动机和喷头支架，工作时手扶车架行走底盘进入水田中后，喷头利用高压水射流冲刷粉碎泥土，再进行挖藕作业。试验结果表明，该样机作业稳定性能优良，工作效率比人工单喷枪挖藕提高3.5倍左右，满足不同水深的需要。2021年黄琳等[13]设计了一种手扶水力冲刷式挖藕机，该挖藕机采用“二对二”的配置方式，即2个污水潜水泵分别配置1个喷头，通过液压系统控制污水潜水泵的工作转速和喷头的往复运动，设计的挖藕机冲刷性能达到最优状态，此时挖藕机冲刷深度为302 mm，莲藕浮出率为90%。

图1 手扶式挖藕机

2.2 船式挖藕机

2000年，湖北武汉市农机管理办研发了船式自走式水力莲藕掘取机[14]，该机采收方式为水力式，机体与水泵分离，依靠机械传动使整机能够自动行走，再通过液压控制系统控制喷头的左右摆动冲刷藕泥，实现泥藕分离。

2002年，湖北宜城市农机局张全寿开发的船式自动挖藕机[15]，在船体上固定的动力装置分别与水泵和减速器连接，减速器带动挖头在船体尾部作往复平行移动，水泵通过高压将水输出喷头。工作时排水、挖藕、洗净等环节连续作业，可根据需要全部或部分将藕挖出。

2004—2008年期间，华中农业大学工学院研究团队联合企业研发了4CWO-3.2型船式自动挖藕机[16-18]。采用“水力采挖”方法，通过双螺旋机构驱动喷头往复切割、破碎、冲刷土壤，使整根干净莲藕自动浮现水面。保证采挖工作部件的可靠性和整机平衡性，有利于提高工作效率。

2009年，南京农业大学工学院王维等设计出4SWJ-1型船式水力挖藕机[19]，利用船体上固定的柴油机为水泵提供动力，通过液压系统控制喷头实现左右往复移动。其工作性质稳定，采收效果比较理想。但机器无法自动行走，需要由钢丝绳牵引实现。同年，在该挖藕机基础上研制了4SWO-1.2型船式水力挖藕机[20]。

2009年，山东微山湖挖藕机械制造厂开发了4CW-2.6型船式莲藕采收机[21]。该机是利用铲泥板与高压水枪结合的方式对莲藕进行采收，机械动力带动铲泥板铲除莲藕上的泥土，再利用高压水枪产生的射流冲破泥土、冲刷藕体，实现莲藕采收。该机工作时仍需三人水下辅助作业，机械化程度有待进一步提高。

2.3 浮筒式挖藕机

2010年，武汉兴盛农机技术开发有限公司开发出的浮桶鸭嘴式挖藕机[22]，有3个机型相继出厂，分别为W-FPZ-1200-A型、W-FPZ-1200-B型、W-FPZ-1200C型。以型号为W-FPZ-1200C为例。C型采收机实物图如图2所示。该挖藕机左右两侧安装有密封浮桶，使其依靠浮力漂浮在水面上，在两浮桶之间的工作仓外侧、左右、前后及顶面均有过滤网焊接在地盘架上成为一个整体。整机结构简单，操作灵活、运输方便。

图2 浮桶鸭嘴式挖藕机（W-FPZ-1200C）

2012年，山东省孟庆前设计了一种类似原理的浮筒式挖藕机[23]，该挖藕机在设计基础之上对进水口、工作仓、喷头数量进行了完善，解决了现有技术存在的作业效率低的问题。此类机械适用于深水藕池。

2017年，南京林业大学机械电子工程学院刘鹏等设计了浮筒型液力驱动莲藕收获机[24]，通过汽油机向水泵等输送动力，分别由浮舱、喷射系统、蓄水装置、动力系统和操作系统组成。该类型机械结构紧凑、成本低、工作平稳，目前在市面上流通较为广泛。

经过调研，并对目前市面上典型的挖藕机的机构性能参数和优缺点进行对比，具体数据如表1所示。结果表明：船式挖藕机结构复杂，体型较大，作业可靠，操作稳定，但在作业时需要通过钢丝绳牵引移动，无外延长水管，因此在使用过程中有很大的局限性；浮筒式挖藕机结构简单，体型比较小巧，由人工拖拽移动，需下水作业，但需要一定的吃水深度，在浅水藕田无法进行正常漂浮作业等；手扶式采收机因结构小巧、操作方便、作业效果良好，受到部分藕农的肯定，但是需要有人下水作业，冬季采收极为不便。

表1 典型挖藕机的性能参数表

3 莲藕采收机械装置的行走方式的研究

从上述研究中可以看出，目前的挖藕机机械结构可靠，操作简易。但自动化程度不高，自主行走装置需借助外部装置或人工进行移动，发动机压力有限，劳动强度依然较大。为了提高莲藕采收机械的收获效率、减轻劳动强度，目前，根据采藕机在作业过程中的行进方式的不同，将自走装置分为3种：自走式、螺旋推进式和履带式。

3.1 自走式

1999—2001年期间，华中农业大学、武汉市农机服务总站及南通市江华机械有限公司联合研制了4OZ-3型自走式水压莲藕掘取机[25]，该采藕机由岸边水泵机组和田间自走式水力作业机两部分组成。该挖藕机利用机械传动可在水田自动行走。2015年，郭洋民设计了船式水力自走式莲藕采收机[26]。该机以机耕船为动力机，利用液压传动系统使喷头作往复运动。该机适宜在浅水中作业，作业能力强，但是不适应藕田路太窄的情况。

3.2 螺旋推进式

2010年，山东省微山县孟凡良等设计了一种螺旋推进式挖藕机[27]，该机通过发动机带动艉轴螺旋推进器组成推进装置。液压油泵驱动挖藕机构运动作业。2020年，华中农业大学工学院冯闯闯设计了一种自主行走的螺旋推进式挖藕机[28]，主要结构包括螺旋推进底盘和喷流装置等。其工作时螺旋滚筒转动，利用螺旋叶片对泥土的反作用力驱动整机行走。

3.3 履带式

2021年，山东农业大学肖化超设计了一种履带自走式高效低损伤水力采藕机[29]。其工作时，柴油机提供动力支持；液压系统驱动采藕机行走和喷嘴摆动。履带式行走机构的履带底盘的车轮通过循环履带与地面接触，从而带动整机运动，履带由驱动轮驱动。履带式行走机构的抓地能力强，适应性好，工作稳定，不易打滑[30]。

以上所述莲藕采收机械装置的行走方式中自走式挖藕机适用于浅水藕田。该类机械依靠机械传动和液压控制实现自动行走作业，机械传动系统使挖藕机在水陆行走。不适合复杂恶劣的藕田作业环境，前进不稳定。螺旋推进式适宜在滩涂、沼泽等特殊地形行走。在水中工作时，螺旋滚筒能够起到辅助漂浮作用。螺旋推进式底盘还能应用于水田行走装备等领域的研究。履带式挖藕机能在不同水深的藕田完成莲藕切割和高效低损伤采藕的联合作业，可以显著降低莲藕采收的劳动强度，并提高作业效率。