水田环境下自走式智能莲藕采收机械的设计研究＊

吴茗宇，徐陶祎，康之讷，徐意皓，廖志杰，严子豪，邓羽彤，黄枭波

（1.武汉城市学院，湖北武汉 430083；2.武汉外语外事职业学院，湖北武汉 430075）

0 引言

莲藕因其丰富的营养价值深受大众喜爱，莲藕种植具有良好的经济效益和广阔的市场前景。莲藕生产涉及种植水田块耕整、莲藕种植、田间管理和莲藕采收4个环节，其中莲藕采收困难的问题始终制约莲藕产业的进一步发展［1］。长期以来，藕农主要依靠人工采挖、采用手持高压水泵进行冲压作业等方式采收莲藕，这些方式对工人的采挖技术要求较高，对莲藕损伤较大，而且采挖效率低。因此，需要研制作业效率高、操作简便、能适应多工况的挖藕机械，才能进一步推动莲藕产业的发展。

20世纪90年代，我国开始研制莲藕采收机械。2017年，刘鹏等［2］设计的浮筒型液力驱动莲藕收获机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，目前应用较为广泛。2018年，刘向军等［3］研制出一种新型手扶挖藕机，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，先用喷头喷射高压水流冲刷粉碎泥土，再进行挖藕作业。2021年，肖化超［4］设计一种履带自走式高效低损伤水力采藕机，该机器工作时，由柴油机提供动力支持，由液压系统驱动采藕机行走和摆动喷嘴。现阶段莲藕采收机械的关键技术仍存在自动化程度低的弊端，大多数的采收机结构较简单，仍需要藕农下水田控制莲藕收获机的移动，并且进行人工收集和上岸卸货，劳动强度大［5］。

本文研制一种水田环境下自走式智能莲藕采收机，对莲藕采收机械进行总体设计与计算，并基于虚拟仿真技术对挖藕机的关键部件展开分析与计算，测试其工作性能。

1 机械结构设计

1.1 整体架构

水田自走式莲藕采收机的机械结构包括双螺旋驱动行走机构、自动升降式水力冲刷机构、多层滑轨摆动式采收机械臂、双丝杆推拉式自卸货货舱，其整体结构如图1所示。

图1 水田自走式智能莲藕采收机整体结构图

1.2 双螺旋驱动行走机构

双螺旋驱动行走机构主要包括用于承载的中央浮水舱、连接支撑浮水舱和双螺旋滚筒的底盘前、后端面支架，其结构如图2所示。双螺旋驱动行走机构前、后端面支架连接于浮水舱，两个旋向相反的螺旋滚筒对称安装于行走底盘两侧，内部为空腔，便于漂浮于水面；行走马达安装于滚筒之中，为其提供转矩；动力系统安装于底盘之上，利用齿轮箱实现动力转向。为了使行走机构能更好地适应水田的湿软黏性地质，降低推进的滑转率并增强推进的平稳性，本文参考螺旋传动理论，设计一种双头螺旋叶片的螺旋滚筒，即以2 条结构、尺寸完全相同的螺旋叶片对称绕在圆柱浮筒上形成双螺旋滚筒。

图2 双螺旋驱动行走机构结构图

1.3 自动升降式水力冲刷机构

水力冲刷机构为莲藕采收机的核心部分，水力冲刷系统的好坏直接影响采收机的工作性能。水力冲刷机构的关键部件为水泵和喷嘴，水泵的性能决定了水力冲刷系统的结构和动力性能；结构较优的喷嘴则可以使水力冲刷系统的性能更佳。

自动升降式水力冲刷机构位于底盘下部的前方，采用双电动推杆升降结构调节喷头与水面的距离。水力冲刷系统主要包括进水管、水泵、流量调节阀、输水管路、喷嘴及喷嘴固定底座等，其结构如图3所示。

图3 自动升降式水力冲刷机构结构图

自动升降式水力冲刷系统工作时，首先根据水田环境确认喷头与水面的合适距离，调整喷头姿态，打开水泵开关后单级双吸离心水泵在发动机的驱动下高速旋转，将水流经进水管→单级离心水泵→流量调节阀→主输水管→变径三通管→金属编织波纹管→分水横管后到达喷嘴，高压射流从喷嘴高速射出，冲击破碎泥土，莲藕在浮力作用下浮出水面时即可进行采收。

1.4 多层滑轨牵引式采收机械臂

多层滑轨牵引式采收机械臂由支座、三层导向滑轨、双向丝杠、排线滑车、牵引滑轮组、线缆、翻折结构、机械排爪和电机等部件组成，其结构如图4所示。

图4 多层滑轨牵引式采收机械臂结构图

三层导向滑轨的两端与支座固定连接，排线滑车包括支座和安装在支座上用于引导绕线方向的牵引滑轮组，以及安装在支座上的第一滑轮架和第二滑轮架。第一滑轮架下端设有第一上滑轮，第一上滑轮下面对应安装有与支座连接的第一下滑轮；第二滑轮架下端设有第二上滑轮，第二上滑轮下面对应安装有与支座连接的第二下滑轮，第二下滑轮位于第一下滑轮和导向滑轮之间。滑轮组与线缆绕线装置配合使用，引导线缆自动均匀地收放，使滑轨伸缩，从而完成机械臂的伸出和回收动作。

机械臂前端通过舵机连接横臂实现翻折动作，横臂上安装机械排爪，通过防水舵机控制爪头开合。当采收系统检测到莲藕漂浮在水面，即可根据机器视觉检测莲藕与采收机的距离，伸出机械臂，翻折连接横臂，对准目标张开机械排爪，抓住莲藕后缩回机械臂并反向翻折，将莲藕收入货舱存储。

1.5 双丝杆推拉式自动卸货货舱

双丝杆推拉式自动卸货货舱安装于底盘后部凹陷处，由丝杆、滑块、推拉杆、自动卸货翻斗、底座轴承座、连杆机构和电机等组成，其结构如图5所示。

图5 双丝杆推拉式自动卸货货舱结构图

装载货物时，翻斗门呈关闭状态，莲藕放置在货舱之中。莲藕载满后需要卸货时，电机转动带动丝杆，丝杆带动推拉杆，将卸货翻斗向船体后方推，由于卸货翻斗底部轴承转动呈倾斜状态，翻斗门在连杆机构带动下自动打开，莲藕向船体后方倾卸。

2 关键部件参数计算

螺旋推进底盘承载机身的全部重量，为设计中的关键部件，主要由支撑架、螺旋式推进浮筒、专项杆、电机等组成，其中推进式浮筒由于内部空心且表面焊有螺纹，因此可以漂浮于水面上且能通过旋转实现集体前进与后退。浮筒用1 mm 不锈钢钣金焊接制作，考虑工作环境对机体的影响，其表面需涂防锈和防水材料。螺旋叶片与淤泥接触较多，因而磨损较多，可采用2～3 mm 厚的不锈钢，以抗磨损。同时，为保证机器人工作时不会因整体重心过高而摇晃或侧翻，浮筒直径取600 mm［6］。假设水田环境中水深为200 mm，可根据公式计算出螺旋式推进浮筒的浮力（如图6所示）。

图6 浮筒浮力计算示意图 （单位：mm）

浮筒有效侧面积：

浮筒的体积：

根据阿基米德定律：以上公式中：S1为螺旋式浮筒的圆心和水田接触面形成的三角形区域，m2；S2为螺旋式浮筒的圆心和水田接触面形成的扇形区域，m2；V为螺旋式浮筒的排水体积，m3；L为螺旋式浮筒长度，m；F为螺旋式浮筒的浮力，N。

现将采收机实际参数代入：r=300 mm，L=1 200 mm，计算得到F=1 970 N；将莲藕采收机机体机械结构重量与所搭载的动力系统重量（包括柴油机、水泵、减速箱等）考虑在内，其总重力约为1 850 N，因此，所设计的螺旋式浮筒可以在水田环境中浮起。

螺旋式浮筒能否在水田环境中顺利行进取决于其底盘参数，螺旋式浮筒参数见表1。

表1 螺旋式浮筒参数

螺旋式浮筒工作时，因转动所产生的速度为

根据旋转角速度和浮筒转速的关系，ω计算公式为

浮筒上螺旋叶片的螺距与螺旋升角应满足：

以上公式中：ω为浮筒转动角速度，rad/s；n为浮筒转速，r/s；P为螺旋叶片的螺距，mm；r1为浮筒半径，mm；r2为螺旋叶片高度，mm。在整个传动过程中，总减速比为24，假设机体搭载的柴油机转速为60 r/s，则螺旋浮筒的转速为2.5 r/s。根据公式（4）～公式（6），可计算螺旋式浮筒速度vt=0.75 m/s。

螺旋式浮筒工作时，除了水平方向运动，受工作环境影响，还会因为重力随着水田中淤泥的压实和下陷发生打滑，其滑转率为

其中，v1为浮筒沿轴向运动的速度，m/s。莲藕采收机由于在泥泞的水田环境中工作，机滑转率较大。经过田间试验，该样机速度可在0.08～0.3 m/s 之间调节，滑转率在50.7%～82.5%。

3 关键部件应力仿真与参数分析

水田自走式莲藕采收机中双螺旋驱动行走机构的螺旋推进器支撑件的承载力决定了螺旋浮筒推进器能否与底盘稳定连接，机械排爪的支架决定了莲藕夹取的支撑力，这2个关键零件决定了整个系统各部分机械结构的稳定性。在软件中对这2个关键零件建模，设置制作材料以及固定约束孔，定义活动孔Z方向的压力为100 N，通过对关键零件的模拟分析得到其受力变形分析图，螺旋推进器支撑件应力变形分析见图7 和表2，机械排爪支架应力变形分析见图8和表3。

图7 螺旋推进器支撑件应力分析图

图8 机械排爪支架应力分析图

4 结语

本文设计的智能莲藕采收机械采用双螺旋推进式浮筒结构作为行走机构，可适应水田环境，行走稳定，工作性能优良。相较市面上已有的莲藕采收设备，该全自动智能莲藕采收机械具备如下创新点。

（1）实现莲藕采收过程自动化操作，可代替水田工作环境下繁重的人工采挖作业，具有广阔的应用前景。

（2）具备双螺旋浮筒行进机构，可控制浮力，在水田或泥泞莲藕采收环境自由行进。

（3）利用射流技术，以水泵抽水再滤除泥沙，高强水流喷入淤泥中，将莲藕表面附着污泥冲掉，使莲藕浮于水面，可降低莲藕采摘时受到损伤。

（4）配备自动卸货翻斗，可在采收满载后，行驶回岸边卸货点，无需人力，以丝杆推动的方式将莲藕卸出货舱。