圆周往复水射流式挖藕试验装置设计与试验

玉苏甫江·艾米都力,张 佳,潘江如,,郭 辉,佟灵茹,朱 军

(1.新疆农业大学 机电工程学院,乌鲁木齐 830052;2.新疆工程学院 机电工程学院,乌鲁木齐 830023;3.新疆鑫力同机械制造有限公司,乌鲁木齐 830000)

0 引言

莲藕属睡莲科,又名藕、荷藕、湖藕等,在我国已有3000多年的种植历史,是我国多个省份和地区广泛种植的水生经济作物之一。根据初步统计,我国莲藕种植面积可达400万hm2多,自然生长面积约占35%,人工种植面积约占65%。随着品种和栽培技术的改良,莲藕在浅水地和旱地种植成功,种植面积呈逐年增长的态势,其种植与采挖问题也逐渐受到关注[1-3]。我国莲藕采挖机械起步较晚,资金投入力度较小,且莲藕的种植与生长过程都在淤泥中完成,采挖作业环境恶劣,难度较大,无法保证完整度,难以实现机械化和智能化,且国内外针对此方面研究较少,市场空白较大,采挖技术和机械装备尚未成熟,目前还在研究阶段[4-7]。

为了减轻莲藕采挖劳动强度,提高采挖效率,国内外已经有了关于莲藕采挖机械的研究[8]。20世纪80年代初期,日本研制出了喷流式Ⅰ型、Ⅱ型和试制的泵定置式小型(Ⅲ型)挖藕机,虽然提高了效率,但工作机动性及适用性较差,造价成本高,不适合规模化种植[9]。国内研制的挖藕机可分为船式水力挖藕机、自走式水力挖藕机和浮筒式水力挖藕机3大类。前两类由于结构复杂、造价高、对操作人员的技术要求高和适应性差等原因,难以推广。目前,藕农自制的单喷头高压水枪和浮筒式水力挖藕机使用得较多,但劳动强度大,操作过程繁琐,会出现重复冲刷或漏冲刷的现象,导致作业效率降低[10-17]。为了能够便捷、有效地进行莲藕采挖部件多种作业模式的试验研究,笔者基于模拟藕池试验台,设计了圆周往复水射流式挖藕试验装置,并进行了试验。

1 结构与工作原理

圆周往复水射流式挖藕试验装置主要由汽油机水泵、模拟藕池、试验台机架、平行双曲柄结构和喷流系统等组成,能够模拟藕田莲藕采挖部件的田间工况,如图1所示。

试验装置中,圆周往复运动结构通过横向导轨架悬挂在试验台机架上,试验台以牵引的方式通过模拟藕池两侧的行走轮直线运动,挖藕系统的喷头与泥土表面的距离可以垂直上下移位调节,通过旋转喷头分水器调节喷头的水射流角度。为了便于更换不同直径的喷头,设计时采用标准法兰。工作时,电动机通过皮带传动驱动两根平行主动轴,两根主动轴分别和双曲柄的一边固定,双曲柄的另一边通过从动轴和喷头分水器连接并做圆周往复运动;同时,启动汽油机水泵,水从喷头高压射出,冲击莲藕上方覆盖的泥土,莲藕受自身空芯浮力作用浮出水面,再进行捡捞,完成莲藕采挖作业。当挖藕机在台架上前进时,喷头随着曲柄结构做螺旋运动(见图2)。前进速度决定螺旋轨迹的螺距,圆周运动实现了一个点冲刷两次的效果,可提高作业效率和莲藕的采净率。挖藕机主要性能参数如表1所示。

表1 挖藕机关键参数Table 1 Keyparametersoflotusrootdiggingmachine

图2 冲刷作业原理Fig.2 Principle of scouring operation

2 关键部件设计

2.1 喷头与泥土表面距离调节机构设计

试验装置的核心是通过平行双曲柄结构、喷头与泥土表面距离调节机构和喷射角度调节机构,实现圆周往复水射流、精确地调节喷头与泥土表面距离和喷射角度。水射流式挖藕机在作业时,水压(冲击压力)和喷射角度不变的情况下,若喷头与泥土表面距离过大,水压在水和泥土的反作用力下挖掘深度达不到莲藕生长深度,导致挖藕机做无用功或作业效率过低等现象;若喷头与泥土表面距离过小,水压会造成泥土里莲藕表面损伤,降低莲藕市场价值等。因此,为了研究喷头与泥土表面距离对挖藕机挖掘深度和莲藕浮出率的影响,设计了喷头与泥土表面距离调节机构。通过试验台机架和曲柄结构机架之间空位调节喷头与泥土表面距离,如图3所示。其垂直方向相邻调节空位之间的距离为50mm,可以在50～300mm范围内调节,满足本文试验喷头与泥土表面距离选用为50、100、150mm调节范围的设计要求。

1.曲柄结构机架 2.试验台机架 3.调节空位图3 喷头与泥土表面距离调节机构Fig.3 Nozzle and soil surface distance adjustment mechanism

2.2 传动结构设计

连杆结构需要满足连杆与机架的长度相等、两曲柄长度相等及曲柄转向相同的条件,故设计采用两根直径为30mm、长度为500mm的驱动轴,且两根轴之间的距离定为450mm。由于V带的传动能力较强、结构简单、噪声小、可吸收震动,且利用打滑现象可保护机器在作业中障碍物对喷头的过载,因此选用V带驱动。为保证电动机输出轴的皮带轮和带动两根驱动轴的皮带轮在同一平面上,同时解决V带的张紧问题,设计了电动机调节器,如图4所示。工作时,通过纵向上下移动调节3个皮带轮在同一平面,横向水平移动调节皮带的张紧。

1.电动机 2.电动机调节器 3.电动机固定架 4.带立式座轴承 5.曲柄 6.驱动轴 7.皮带轮 8.V带图4 调节基架结构图Fig.4 Structural diagram of the adjustment base frame

实现圆周往复运动的平行双曲柄结构中的曲柄,是旋转运动中关键的构件。主动轴与曲柄通过轴套侧面的横向固定螺丝和矩形钢管下方的纵向固定螺丝固定,达到曲柄和主动轴转向相同、转速相等的目的,实现了上下结构的连接和同时旋转的目的;双曲柄转向与转速相同时,可减少喷头分水器对曲柄施加的力,达到圆周运动的稳定性。

2.3 喷头分水器设计

通过多次取样测量,武值二号莲藕平均长度在800～1200mm之间。为了有效莲藕采挖,喷头分水器分布相邻两个喷头之间距离为300mm、水泵分水器到喷头分水器之间选用内径为80mm的消防水带,喷头分水器两侧选用外径为80mm的等径直角弯头。根据国家标准件手册,适合外径80mm的等径直角弯头法兰公称尺寸为DN80(国标号GB/T6070-2007)。调节喷头角度时,需调节喷头分水器进水口与水泵分水器出水口保持在一条直线上,以避免消防水带折叠导致的水压下降等问题。为便于喷头的安装卸载,喷头分水器出水口采用公称尺寸为DN40(国标号GB/T 6070-2007)固定法兰。调节喷射角度时通过喷头分水器和固定架的U型管夹,调节喷头的中轴线与竖直方向的夹角为30°、45°、60°等3个角度。喷头分水器的结构如图5所示。

1.法兰盘 2.等径直角弯头 3.横管 4.喷头 5.U型管夹 6.固定架 7.轴套图5 喷头分水器结构图Fig.5 Nozzle water separator Structure diagram

2.4 喷头设计

喷头设计结构如图6所示。由于喷头分水器出水口固定法兰直径为40mm,为安装方便和减少压力损失,喷头进水口D直径选为40mm,出水口内径d内部截面形状为锥直形,收缩角为α,喷头长度为L2,喷头总长为L,长径比为Cp(喷头圆柱段长度L1/出水口内径d)。为保证好的射流集束性,选取收缩角α= 11°,d1=16mm,d2=20mm,d3=25,长径比Cp=2。根据文献[18]可知

图6 喷头设计结构图Fig.6 Nozzle structure diagram

L2=3.75×d
L=3×L2

(1)

其中,L2为喷头长度(mm);d为喷头出水口内径(mm);L为喷头总长(mm)。因此,喷头长度分为60、75、93.75mm,喷头总长分为180、225、281.25mm。

2.5 喷头运动轨迹分析

为验证圆周往复运动结构设计的可靠性,利用SolidWorks三维绘图软件设计与建立圆周往复运动结构模型;通过SolidWorks Motion功能跟踪运动轨迹,得出喷头在作业时的运动轨迹,如图7所示。由于曲柄的半径为160mm,相邻两喷头之间的距离为300mm,故机器在作业时理论作业幅宽计算公式为

1.喷头 2.喷头运动轨迹图7 理论作业幅宽示意图Fig.7 Diagramof theoreticaloperating width

L=4a-3b

(2)

其中,L为挖藕试验装置理论喷射幅宽(mm);a为喷头圆周轨迹直径(mm);b为相邻的两个喷头圆周轨迹交接宽度(mm)。

2.6 模拟藕池设计与制作

为便于实现莲藕采挖试验装置功能,调节喷头与泥土表面距离、移动速度等,在新疆工程学院室内制作1个深度为1000mm、长度为4300mm、宽度为2200mm的模拟藕池。为提高试验精度的准确性,从新疆五家渠市青格达湖荷花景区土壤和新疆工程学院人工湖土壤取样并测量对比,发现土壤体积密度相差不大,故藕池里的淤泥采用新疆工程学院人工湖土壤。为研究圆周往复水射流式挖藕试验装置在不同条件下莲藕采挖的效果和试验装置的可靠性,把莲藕预埋在250～350mm深度的泥土中,并灌水静止两天,再进行试验。模拟藕池如图8所示。

图8 模拟藕池与莲藕预埋效果图Fig.8 Effect drawing of lotus root embedding in simulated lotus pond

图9 台架试验效果图Fig.9 Effect drawing of bench test

3 台架性能试验

3.1 试验材料

试验地点为新疆工程学院室内,模拟藕池里预埋的莲藕品种为新疆引种多年的武植二号莲藕。

3.2 试验方法

为验证采挖结构设计的合理性,选择喷头直径、喷头与泥土表面的垂直距离和喷射角度(喷头的中轴线与竖直方向的夹角)展开三因素三水平试验,因素水平值如表2所示。其它参数设为恒定值。

表2 因素水平表Table 2 Ffactor level table

试验开始前,先将水泵调至最大功率挡位,检查过滤器,通过涡轮流量计测试水泵出水口流量,使出水口流量保持在30～38m3/h范围内。为了便于试验结果的观察与测量,将挖藕装置安装在台架试验台上,如图10所示。在圆周运动转速为30r/min、水池泥土深度为450mm、水深为300mm、冲刷时间为30s、喷头数量为4个的情况下,进行单点冲刷试验和莲藕浮出率测试试验。

3.3 试验目的

圆周往复水射流式挖藕试验装置,以常见的莲藕养殖深度为参数值,检验设计的挖藕装置是否能挖出埋于泥土下25～35cm位置处的莲藕,还要保证莲藕浮出率及破损率。同时,挑选出较好的区组试验参数,得出各参数对单点挖掘深度与冲刷面积的影响。

3.4 试验指标

鉴于国内外莲藕采挖机械化、智能化研究技术甚少,缺少相关评价指标体系及技术规范[19-20],故结合当前人工莲藕采挖的技术要求,在本挖藕机进行台架性能试验与田间试验时,将挖掘深度、冲刷面积和莲藕浮出率设定为3个评价指标作为考察本挖藕机性能的依据。

1)挖掘深度(H)是指喷头圆周往复冲刷泥土所产生的平均深度。挖掘深度的大小直接反应挖藕机喷头所产生的冲击和破碎泥土的力度,此数值在台架试验完成后将水槽里的水排净,利用测量工具测量喷头冲刷出来的坑深,得到挖掘深度(H)值。

2)冲刷面积(E)是指在作业过程中挖藕机做圆周往复运动完成的单点冲刷称为冲刷面积。冲刷面积的大小直接影响到作业效率,故在台架试验完成后,通过测量单点冲刷所产生的泥坑长度和宽度,计算冲刷面积(E)。挖藕机的单点冲刷面积计算公式为

Es=Ea×Eb

(3)

其中,Es为冲刷面积(m2);Ea为单点冲刷后所产生凹坑长度(m);Eb为单点冲刷后所产生凹坑宽度(m)。

3)莲藕浮出率(F)是指挖藕机在试验区域内开展收获作业,测定自行漂浮的莲藕质量占试验区域埋覆莲藕总质量的百分比。莲藕浮出率(F)计算公式为

(4)

其中,F为莲藕浮出率(m)为试验区作业后自行漂浮的莲藕质量(g);M为试验区埋覆莲藕的总质量(g)。

3.5 试验结果

在不同因素、不同水平试验条件下,圆周往复水射流式挖藕机开展全因素水平台架性能试验,以挖掘深度、单点冲刷面积和莲藕浮出率为试验指标,利用正交设计助手软件设计三因素三水平正交试验,共进行9组试验,每组试验重复3次,取平均值为试验结果,如表3所示。同时,对试验结果进行分析处理,得到最终试验结果,如表4所示。

表3 台架试验结果Table 3 Bench test results

表4 试验结果分析Table 4 Experiment result analysis

由表4可知:①影响挖掘深度的因素主次顺序为:喷头直径>喷射角度>喷头与泥土表面距离;②影响冲刷面积的因素顺序为:喷射角度>喷头与泥土表面距离>喷头直径。当喷头直径为16mm、喷头与泥土表面距离为50mm、喷射角度30°时,试验效果最好,挖掘深度达到362mm,因素水平组合为A1B1C1。对应冲刷面积最优因素水平组合为A2B2C3,喷头直径16mm、喷头与泥土表面距离100mm、喷射角度60°,单点冲刷面积可达0.833m2。在多指标试验分析中,有综合平衡法和综合加权评分法两种,笔者通过综合平衡法选出最优组合。由于挖掘深度在挖藕机性能指标中直接反应挖藕机性能效果的好坏,因此根据各因素水平对挖掘深度的影响、挖掘深度因素水平主次顺序和实践经验,以挖掘深度为重点考察目标,通过多次试验得出喷头直径为16mm时效果较好。喷头与泥土表面距离过小再加上藕田泥土表面的不平衡存在喷头和泥土表面直接接触,导致在往复运动的情况下出现喷头的变形、断裂和堵塞等情况。喷头与泥土表面距离为150mm时影响挖掘深度,故选用喷头与泥土表面距离为100mm效果较好。直径(A)为主因素,从台架试验结果中可知喷射角度对莲藕浮出率的影响大。通过综合评价法,得知最优组序为A1C1B2。

当喷头直径不变时,喷射角度和喷头与泥土表面距离对该挖藕机的挖掘深度有明显影响。喷射角度30°～60°时,喷头的中轴线与竖直方向的夹角越大挖掘深度越浅;反之,喷头的中轴线与竖直方向的夹角越小挖藕机挖掘深度越深。喷头与泥土表面距离50～150mm时,喷头与泥土表面距离越小挖掘深度越深。当喷头直径不变时,喷射角度越大冲刷面积越大,成正比例关系;当喷头直径不变、喷射角度30°～60°时,喷头与泥土表面距离越近、射角度越小情况下莲藕的浮出率越高。

4 结论

1)使用SolidWorks三维设计软件进行挖藕机各部分的结构设计和运动仿真的圆周往复运动结构具有可行性。

2)台架单点冲刷试验表明:单点作业时,当喷头直径为16mm、喷头与泥土表面距离为100mm、喷射角度30°时,挖掘深度和冲刷面积的达到最佳值。喷头直径不变时,喷射角度越小挖掘深度越深、喷头与泥土表面距离越小挖掘深度越深,喷射角度越大冲刷面积越大,成正比例关系,且喷头与泥土表面距离越近、喷射角度越小情况下莲藕的浮出率越高。由于运动结构原因,圆周运动转速高时出现整机的晃摇,因此需对圆周往复运动结构进行进一步调整及改善,以给农户莲藕采挖工作提供方便。

3)试验过程中,由于结构的原因,圆周运动转速高时出现整机的晃摇,水泵吸水口过滤器容易堵塞限制了水泵满负荷供水。该机在圆周往复运动时,冲刷过程中已经漂浮到水面的莲藕和喷头之间碰撞,导致莲藕表面损伤,故在喷头外面包一层橡胶片,可避免此类问题的发生。由于该圆周往复水射流式挖藕试验装置结构还未改善等原因,因此不能进行田间试验,还需要深入研究优化改进。