【摘 要】
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莲藕是我国重要的水生蔬菜,因其美味可口、富含营养,深受我国人民喜爱,具有很高食用药用价值和广阔的市场前景。莲藕生产全程机械化进程中,机械化收获程度低成为了限制莲藕产业发展的重要因素。目前莲藕收获主要依靠人力辅助一定的射流手段,因莲藕的收获时间集中在10月至来年4月,寒冷的作业环境和繁重的作业任务使得挖藕人成为了最辛苦的职业之一。因此,亟需一种可以有效完成莲藕收获工作的机械,突破莲藕产业发展的瓶颈。
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莲藕是我国重要的水生蔬菜,因其美味可口、富含营养,深受我国人民喜爱,具有很高食用药用价值和广阔的市场前景。莲藕生产全程机械化进程中,机械化收获程度低成为了限制莲藕产业发展的重要因素。目前莲藕收获主要依靠人力辅助一定的射流手段,因莲藕的收获时间集中在10月至来年4月,寒冷的作业环境和繁重的作业任务使得挖藕人成为了最辛苦的职业之一。因此,亟需一种可以有效完成莲藕收获工作的机械,突破莲藕产业发展的瓶颈。针对粘性土壤中莲藕难以挖出的问题,本文基于课题组研制的履带浮筒式挖藕机底盘,采用机械式挖掘和水力射流冲刷相结合的手段,设计了一种射流挖掘装置。运用三维结构设计、计算机模拟仿真、台架试验及田间试验的方法,进行挖掘过程的力学分析,探究泥下射流的机理,对关键部件进行优化。全文主要研究内容如下:（1）射流挖掘装置设计。通过调研莲藕生长环境,分析其生长特性,确定挖掘装置的工作原理,进而确定射流挖掘装置结构参数。建立铲齿挖掘过程的力学模型,分析了挖掘装置内摩擦阻力矩、藕土混合物阻力矩与主动力矩间的动态平衡关系。参考挖掘机反铲挖掘的阻力分析,计算出单个铲齿达到0.5m最大挖深时阻力约为177.715N。运用Ansys软件对铲齿进行瞬态动力学分析,并对铲齿全过程挖掘进行强度校核。（2）水力射流系统设计选型与理论计算。水力射流系统由吸水装置、输水装置和射流装置组成。根据射流系统总体设计方案,对各零部件进行设计选型。吸水装置选用2.5寸止回阀过滤网、2.5寸钢丝软管,采用卡箍对各关节密闭连接,保证吸水环节气密性。输水装置选用BJ-16C水泵作为动力源将藕田蓄水加压,经2.5寸转4分的一分四分水器输送至射流挖掘铲上各喷嘴。射流装置最小单元是4分内丝三通螺纹连接90度弯头,配备1、2、3分规格喷嘴。对射流系统进行流体力学建模,确定能量损失来源并计算,结果表明水力射流系统水头损失37.51m,水泵流量和扬程能满足作业要求。运用Adams软件进行管路柔性体运动学仿真,获得管路在各关节处所需余量,进行管路合理布置。（3）泥下射流机理的耦合仿真分析。运用CFD-DEM流固耦合方法定性定量分析喷嘴泥下射流对土壤的扰动效果,研究射流参数对土壤扰动效果的影响规律。单喷嘴仿真试验结果表明喷嘴口径、角度和埋藏深度对土壤扰动效果影响均极显著,喷嘴内径和喷嘴角度的交互作用对指标影响显著。喷嘴内径减小、角度增大,埋藏深度减小时,水射流对土壤的扰动效果呈增大趋势。各试验组中,喷嘴内径为6mm、角度为45°、埋藏深度为350mm时对土壤的扰动效果最佳,达到29.743%。喷嘴口径对土壤冲扬高度影响显著,6mm、8mm和10mm喷嘴对土壤冲扬高度分别为578.4mm、450.5mm和370.5mm,即喷嘴口径越小,射流对土壤的冲扬高度越高。双喷嘴射流试验中,喷嘴间距直接影响流场的叠加效应,进而影响对土壤的扰动效果,试验表明,喷嘴对土壤的冲扬高度随喷嘴间距增大而减小,喷嘴间距足够大时,可以看作是单喷嘴对土壤扰动效果的平移。（4）莲藕挖掘过程阻力矩台架试验设计。分析铲齿对莲藕的全过程挖掘,设计台架结构,建立台架试验的数学物理模型,进行台架试验,确定实际工况下最优的射流参数。以喷嘴内径和喷嘴个数设计双因素三水平试验,结果表明:喷嘴内径对挖掘阻力矩影响显著（P＜0.05）,喷嘴个数对挖掘阻力矩影响极显著（P＜0.01）。无射流处理的对照组最大挖掘阻力矩85.509N·m,有射流处理的各试验组最大挖掘阻力矩集中于40N·m至70N·m,试验处理为喷嘴个数4个,喷嘴内径10mm时,铲齿对藕土混合物的挖掘阻力矩最小为40.195N·m。结果表明射流处理对土壤扰动能够有效降低挖掘阻力矩,适合于黏性土壤下的莲藕采挖。（5）射流挖掘式莲藕收获机田间试验。测试了射流挖掘式挖藕机试验藕田中的作业性能,统计藕田土壤参数和莲藕生长深度,数据表明莲藕生长深度集中于泥下15～35cm处。田间工作效率为50.4m~2/h,作业幅宽1.4m,莲藕挖净率达89.74%,质量损伤率为11.17%,数量损伤率为13.82%。田间试验中机器运转正常,机具水田适应性和工作可靠性得到验证。
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