随着农村经济结构的进一步调整,中国农业部门对特色农产品的高度重视,莲藕的种植面积逐年增长,其种植和管理环节简单,经济效益高,但生长于水下淤泥中的莲藕长期以来主要依靠人工挖掘,劳动强度大、作业环境恶劣、生产效率低、莲藕损伤严重,商品质量差等问题已成为制约莲藕生产的瓶颈。本文在系统分析和总结国内外挖藕机及射流理论相关研究的基础上,针对现有挖藕设备作业效率低、莲藕损伤严重、操作过程繁琐、需要一定经验技术才能掌握的缺陷,创新设计了一种射流自旋式挖藕机。结合水力采挖莲藕的机理,对射流自旋式挖藕机进行了相关探索和研究,主要研究内容如下:(1)根据相关文献和物料特性试验标准,利用图像处理、环刀法、含水率测量仪、坚实度测量仪分别测定泥土的堆积角为42°、体积密度1714 kg/m3、含水率46.7%和0.4 m深度处泥土最大坚实度为1.63 MPa。利用万能材料试验机测定莲藕的抗压强度为2.32 MPa和藕节断裂极限弯矩为6 N·m。通过排水法测定莲藕的体积密度为0.93×103 kg/m3,并计算其在水中上浮所受推力为1.4 N,所处深度0.4 m时的上浮时间为1 s。(2)结合离散元法与有限元法运用EDEM-Fluent流固耦合分析射流破碎挖掘泥土的作用机理,研究喷嘴参数对挖掘深度和挖掘幅宽的影响规律:1挖掘深度随着喷射角度30°至60°范围内的增加而减小,随着射流速度10至20 m/s范围内的增加而增加。挖掘幅宽随喷射角度和射流速度的增大而增大。当射流速度为20 m/s时,能够达到0.43 m的挖掘深度,满足莲藕采挖深度的要求。通过颗粒体所受压力情况的分析,当射流速度为20 m/s时,不会对莲藕产生损伤或者折断。2通过研究耦合仿真过程中颗粒的运动分析,获取了泥土颗粒的速度矢量图,得到了泥土颗粒最大运动速度与时间、颗粒相总体积与时间、颗粒所受最大压力与时间的变化规律,并对射流冲击泥土的作用机理进行分析。3将仿真试验和台架试验对应参数的挖掘深度和挖掘幅宽进行对比,平均误差分别为9.5%和9.2%,表明流固耦合仿真分析的模型可靠性较高,利用该方法可以有效分析喷嘴参数对挖掘泥土的影响效应。同时还说明离散元与有限元流体动力学的耦合仿真应用在研究射流与泥土相互作用机理方面是可行的。但仿真过程中发现,当仿真时间到达0.4 s附近时,射流已经挖掘到0.43 m深度位置,与台架试验中挖掘时间与挖掘深度的关系差异较大,故仿真时间不可作为挖掘速度的分析数据。(3)借助流体动力学分析射流流场结构,通过射流冲击理论明确射流作用范围的影响机制,建立射流冲击作用范围数学模型。利用CFD仿真分析了不同长径比下的喷嘴流场形态,在喷射角度45°条件下,喷嘴口径分别为17 mm、20 mm和25 mm的动压分布情况的流场结构均类似,其对应的长径比分别为1.71、1.45、1.16。长径比最大的17 mm喷嘴产生的流场动压随喷距衰减更慢,即流场集束性更好,这与流场结构分析中的理论一致。并通过测量流场中的流速分布范围,得出了17 mm喷嘴的射流近似半径为0.05 m。采用CFD流体动力学仿真分析旋转管路在水中直线运动所受水流阻力及流场情况,利用Origin2017数据分析处理软件建立管路在水中直线运动的阻力系数模型,得到旋转管路在水中直线运动的阻力系数为14.95 kg/m。(4)进行整机结构设计,包括旋转管路、旋转接头、喷头、机架等关键结构。根据流体力学相关理论及EDEM-Fluent耦合仿真分析结论对旋转管路进行优化设计,设计喷嘴结构的关键参数,校核最小口径17mm喷嘴产生的射流冲击力对莲藕表面的压强为0.20 MPa,不会对莲藕造成损伤。通过对浮圈的浮力校核及Maple工程数学二分法计算设计具有通用性的机架结构,能够适应0.3-0.5 m水深的藕田作业需求。(5)运用力学分析方法结合CFD流场分析及流体动力学分析,通过MATLAB软件求解计算建立旋转管路在水中转速的数学模型,明确喷嘴结构参数对旋转管路转速的影响效应。利用运动学分析方法建立旋转管路转速等结构参数与射流单点冲击频次及作用时间的数学模型,得出射流自旋式挖藕机作业前进速度的数学模型,借助动力学分析方法建立旋转管路损耗功率与其水下转速的数学模型。(6)结合射流自旋式挖藕机工作机理的理论分析与相关参数数学模型开展样机台架试验和田间试验,通过正交试验得出喷嘴结构的最优参数组合,与理论分析结论一致:1通过双因素试验得到挖掘深度与喷射角度呈负相关,与射流速度呈正相关,挖掘幅宽与喷射角度、射流速度呈正相关。当喷射角度为30°时,挖掘深度最大,浮出率较高。但挖掘幅宽较低,不利于提高莲藕收获效率。当喷嘴口径17 mm、喷射角度45°时足以挖掘出泥土深处0.4 m的莲藕,且挖掘幅宽较大,此参数为最优喷嘴结构参数。2通过单因素试验分析了喷嘴安装角对挖掘深度、挖掘幅宽及管路转速的影响规律,当喷嘴安装角为外偏角度60°时,具有最大挖掘幅宽1.42 m和最大挖掘深度0.419 m,实际转速为43 r/min,相比其他角度为最低转速,通过计算得到消耗功率为0.085 k W。3喷嘴最优结构参数下0.4 m挖掘深度所需的单点挖掘时间为1.52 s。将试验测得的最优喷嘴口径17 mm、喷射角度45°、安装角度60°和单点挖掘时间1.52 s,通过理论分析得出的挖藕机前进速度数学模型,计算出挖藕机前进作业速度为0.1m/s。4通过正交试验分析了各因素对响应指标的影响规律,得出的结论与理论分析结论一致。影响挖掘深度的主次顺序为:喷射角度>喷嘴口径>安装角度;影响挖掘幅宽的主次顺序为:喷射角度>安装角度>喷嘴口径。分析了不同泥土坚实度条件下所需的最优参数组合:对于泥土坚实度大于1.6 MPa的藕田莲藕水力采挖,宜选用喷射角度30°,以提高挖掘深度;对于泥土坚实度小于1.6 MPa的藕田莲藕水力采挖,宜选用喷射角度45°,以提高挖掘幅宽增加挖掘效率。5通过样机改进优化,进行田间试验,确认射流自旋式挖藕机的最优结构参数组合和工作参数。射流自旋式挖藕机作业效率为432 m2/h。