吳 昊，夏俊芳，張國忠，王培通，勞山峰，張秀梅

0 引 言

蓮藕是一種易種難收的重要水生蔬菜和特色農(nóng)產(chǎn)品，其用途較廣，具有豐富的營養(yǎng)和藥用價(jià)值。中國蓮藕種植約有3 000年歷史，遍布華南、西南、長江流域等地。隨著農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)民與農(nóng)業(yè)企業(yè)種植蓮藕的積極性不斷高漲，蓮藕的種植面積逐年增加[1]。但是每年蓮藕挖出量較少，大部分蓮藕自然爛掉，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失?，F(xiàn)代品種的蓮藕生長在深30～40 cm的泥土中，在田間的分布沒有明顯的規(guī)律，呈隨機(jī)分布[2]。目前藕農(nóng)挖掘蓮藕的主要方法是人工水槍式?jīng)_挖[3]，即手持水槍沖刷覆于蓮藕上方的泥土，再將蓮藕從泥土中抽出，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，作業(yè)效率不高，機(jī)械化程度較低。

經(jīng)查詢相關(guān)資料和實(shí)地考察，近些年國內(nèi)曾有少數(shù)單位和個(gè)人自發(fā)研究過蓮藕采挖機(jī)，如武漢市農(nóng)機(jī)化服務(wù)總站、武漢興盛農(nóng)機(jī)技術(shù)開發(fā)有限公司、重慶市北碚騰龍機(jī)械廠、山東微山湖、山東華盛農(nóng)業(yè)藥械有限責(zé)任公司、武漢市東西湖區(qū)的曹子煒父子、四川省遂寧市桂花鎮(zhèn)大磨村肖志軍等針對湖泊和藕田研制過挖藕機(jī)具，但均未能推廣應(yīng)用。

由于蓮藕采挖難度大，采挖環(huán)境惡劣，影響因素較多，基本無人研究其采挖機(jī)理，目前仍無成熟的技術(shù)和裝備。在國外，日本研究、生產(chǎn)的挖藕機(jī)，生產(chǎn)效率低，作業(yè)機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性差，不適應(yīng)規(guī)?；倪B片種植，且價(jià)位高達(dá)30萬元人民幣以上，很難被我國藕農(nóng)接受，不適合中國的國情。未見到其他國家和地區(qū)關(guān)于蓮藕機(jī)械化收獲技術(shù)裝備的深入研究報(bào)道[4-9]。

中國現(xiàn)有的水力挖藕機(jī)械主要分為兩大類，一種為自走式水力挖藕機(jī)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高、適應(yīng)性差；另一種為浮筒式水力挖藕機(jī)，其操作過程繁瑣，需要人力持續(xù)晃動(dòng)機(jī)器，挖藕效率不及人工手持水槍沖挖，難以推廣[10-20]。上述兩類挖藕機(jī)分為單噴頭和多噴頭兩種類型。單噴頭挖藕機(jī)挖掘幅寬較小，需要設(shè)置噴頭往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)和動(dòng)力機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高。多噴頭挖藕機(jī)在一定程度上提高了挖掘幅寬，但容易造成蓮藕折斷損傷。

針對水田蓮藕采挖對挖藕機(jī)械的需求，以有效提高挖藕效率及降低挖藕操作強(qiáng)度為目標(biāo)，本文結(jié)合傳統(tǒng)水槍挖藕方式，設(shè)計(jì)了一種自旋射流式挖藕機(jī)，并對挖藕機(jī)的關(guān)鍵部件噴頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過離散元軟件進(jìn)行流固耦合仿真分析，詳細(xì)分析了噴頭角度和直徑對挖掘深度和范圍的影響，并進(jìn)行了水槽模擬試驗(yàn)及田間性能試驗(yàn)。

1 挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)

自旋射流式挖藕機(jī)主要由水泵HONDA WB30XH、機(jī)架、浮圈和旋轉(zhuǎn)管路組成，如圖 1所示。浮圈為可充氣橡膠圈，通過控制充氣量調(diào)節(jié)其產(chǎn)生的浮力，調(diào)節(jié)機(jī)器在水中的高度。機(jī)架內(nèi)部設(shè)計(jì)有伸縮支架，可以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)管路與浮圈的距離。機(jī)器底部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)管路，該管路三通連接處為密封可旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，能繞機(jī)器中心軸線旋轉(zhuǎn)。管路兩端裝有出水噴頭，能隨旋轉(zhuǎn)管路作圓周運(yùn)動(dòng)。

圖1 自旋射流式挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of spin-jet flow type of lotus root digging machine

1.2 工作原理

自旋射流式挖藕機(jī)由4 kW的汽油機(jī)水泵驅(qū)動(dòng)，水泵規(guī)定點(diǎn)流量為35 m3/h，揚(yáng)程為17.3 m。機(jī)器底部的旋轉(zhuǎn)管路兩端裝有出水噴頭，噴頭中心距離為1 000 mm，即噴頭旋轉(zhuǎn)圓周直徑為1 000 mm。田間作業(yè)時(shí)，高壓水流從噴頭噴出，沖擊泥土，旋轉(zhuǎn)管路受到反作用力繞機(jī)器中心軸線旋轉(zhuǎn)，當(dāng)機(jī)器前進(jìn)時(shí)，噴頭的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋運(yùn)動(dòng)，如圖 2所示。該機(jī)工作過程中，從噴頭噴射出高壓射流，覆蓋蓮藕上方的泥土受到射流沖擊破碎后被水流帶走，直至蓮藕完全裸露在水底，受自身浮力作用浮出水面，再由人工打撈，完成蓮藕采挖作業(yè)。

圖2 田間作業(yè)原理Fig.2 Field operation principle

2 噴頭參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 旋轉(zhuǎn)管路設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)管路結(jié)構(gòu)如圖 3所示。為減少管路對水泵工況流量及揚(yáng)程的影響，兩根橫管截面面積之和等于水泵出水管截面面積，可得橫管內(nèi)徑與水泵出水管內(nèi)徑關(guān)系式。

式中Dh為橫管內(nèi)徑，mm；Db為水泵出水管內(nèi)徑，mm。

測量水泵出水管內(nèi)徑Db為76 mm，由式（1）得兩橫管內(nèi)徑為53.732 mm。根據(jù)不銹鋼管道標(biāo)準(zhǔn)件手冊查到接近該尺寸的管道內(nèi)徑為54 mm。

圖3 旋轉(zhuǎn)管路結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of rotating pipe

2.2 基于虛擬仿真的噴嘴參數(shù)確定

藕塘中高壓射流沖刷泥土顆粒的過程為流固耦合作用，需要利用 EDEM-CFD耦合進(jìn)行數(shù)值模擬。目前EDEM-CFD耦合模擬分析已大量應(yīng)用于氣固耦合及液固耦合的流場分析，成為研究顆粒運(yùn)動(dòng)及流場分布的有效方法。通過Pro/Engineer 5.0進(jìn)行藕塘三維建模，進(jìn)行固定位置的單噴頭虛擬仿真試驗(yàn)，研究噴頭角度及噴頭直徑對射流沖刷泥土挖掘深度的影響。

2.2.1 建立泥土模型

Hertz-Mindlin with JKR模型是一個(gè)凝聚力接觸模型，考慮顆粒之間范德華力的影響和黏性接觸模型。在這個(gè)模型中法向彈性接觸力的實(shí)現(xiàn)基于Johnson-Kendall-Roberts理論[21-22]。由于藕塘泥土具有一定的黏性，且濕潤的泥土顆粒間具有范德華力的影響，故使用JKR模型對泥土顆粒進(jìn)行建模。

在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)人工種植藕田中測得泥土堆積角平均值為42°。體積密度為1 714 kg/m3，通過EDEM中JKR模型數(shù)據(jù)庫GEMM查得JKR系數(shù)為60?；謴?fù)系數(shù)為0.15，靜摩擦系數(shù)為1.16，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.2。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)查得土壤彈性模量為1 143.2 kPa，泊松比為0.4[23]。由彈性模量與泊松比的關(guān)系

式中v為泊松比；E為彈性模量，kPa；G為剪切模量，kPa。

則剪切模量為408.3 kPa。由于仿真試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱朔治鰢婎^噴射水流流速及噴射角度對挖掘深度的影響，在不改變其他邊界條件的前提下，可以假設(shè)以上物性參數(shù)為近似值。為保證仿真試驗(yàn)可行性及可重復(fù)性，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)及藕田泥土環(huán)境，設(shè)泥土顆粒直徑為3 mm[24]。在EDEM中建立泥土模型[25-27]，長寬高分別為1 000、600、420 mm。

2.2.2 耦合邊界條件

選用的水泵規(guī)定點(diǎn)流量為35 m3/h，旋轉(zhuǎn)管路兩端各有一個(gè)噴頭，根據(jù)流量與管道直徑的關(guān)系式可知[28]，單個(gè)噴頭噴射水流流速與口徑的關(guān)系為

式中d噴頭直徑，mm；V為單個(gè)噴頭噴射水流流速，m/s；Q為水泵額定流量，m3/h。

管路結(jié)構(gòu)及動(dòng)力源保持不變的條件下，僅考慮噴頭直徑及噴射角度對挖掘深度的作用效果，忽略噴頭直徑及噴射角度對水泵工況流量的影響。對比噴頭不同形狀結(jié)構(gòu)對沖刷泥土的效果可以發(fā)現(xiàn)，圓形噴頭的挖掘效果更好[29]。根據(jù)仿真預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴嘴射流速度取5 m/s時(shí)，挖掘效果不好，故設(shè)定噴嘴射流速度為10、15、20 m/s共3個(gè)水平。根據(jù)水泵最大工作流量為35 m3/h，由式（3）得出對應(yīng)噴頭直徑為25、20、17 mm。

圖4為噴頭噴射平面示意圖。如圖4所示，噴頭噴射方向與豎直方向夾角為θ，此噴射平面與噴頭運(yùn)動(dòng)方向相切。為研究噴頭噴射角度θ及噴頭直徑d對挖掘效果的影響規(guī)律，以噴射角度及射流速度兩因素進(jìn)行雙因素仿真試驗(yàn)，分析射流沖刷土壤顆粒的挖掘深度。噴頭角度及射流速度的雙因素水平表如表1所示。

圖4 噴頭噴射平面示意圖Fig.4 Diagram of nozzle jet plane

表1 雙因素水平表Table 1 Double factors level table

2.2.3 仿真結(jié)果分析

通過EDEM-Fluent耦合仿真，得到挖掘1 s過程中最大挖掘深度如表 2所示，其中最大挖掘深度是未被沖開的泥土顆粒距離噴嘴的最大垂直距離。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 2 Test results

由圖 5可知，當(dāng)噴射角度不變時(shí)，隨著射流速度增加，挖掘深度增加。由于藕田蓮藕生長于泥面下400 mm以內(nèi)，為減少仿真時(shí)間，土槽模型泥土顆粒深度設(shè)置為420 mm，土槽模型底部距離噴嘴垂直距離為430 mm，射流速度為20 m/s時(shí)，3種水平的噴射角度仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示，均能挖掘到土槽最底部，即挖掘深度都超過430 mm。當(dāng)射流速度不變時(shí)，隨著噴射角度增大，挖掘深度降低。即挖掘深度與射流速度呈正相關(guān)，挖掘深度與噴射角度呈負(fù)相關(guān)。在不考慮其他因素的前提下，噴射角度越小，射流速度越大，即噴頭直徑越小，越有利于提高挖掘深度。

圖5 噴射角度與射流速度對挖掘深度的影響Fig.5 Influence of jet angle and jet velocity on digging depth

圖6 為9次仿真試驗(yàn)到達(dá)1 s時(shí)刻的截圖。對比圖6c、圖6f和圖6i可知，噴射角度為30°時(shí)，上層泥土顆粒出現(xiàn)回流情況，當(dāng)噴頭旋轉(zhuǎn)離開此噴射位置時(shí)，會導(dǎo)致上層泥土回填覆蓋，不利于蓮藕浮出水面，而噴射角度為45°和 60°時(shí)，上層泥土顆粒被水流帶走，沒有出現(xiàn)回填的情況。即噴射角度越大，破碎的泥土越容易被水流帶走，不易發(fā)生泥土回填現(xiàn)象。由于射流速度是影響蓮藕收獲質(zhì)量的決定因素，流速過大會對蓮藕表面及藕節(jié)產(chǎn)生損傷，當(dāng)射流速度為20 m/s，噴射角度為45°時(shí)，能夠達(dá)到430 mm的挖掘深度，滿足蓮藕采挖深度的要求，故選擇噴頭直徑17 mm，噴射角度45°為最優(yōu)組合參數(shù)，理論上可以有效地沖開覆蓋于蓮藕上方的泥土。

圖6 EDEM-Fluent耦合仿真剖面圖Fig.6 Clipping of EDEM-Fluent simulation

2.3 挖掘幅寬

理論作業(yè)幅寬如圖 7所示，最大深度挖掘范圍所形成的圓周直徑就是該機(jī)作業(yè)幅寬，最大深度挖掘范圍直徑B與噴頭旋轉(zhuǎn)圓周直徑A的關(guān)系為

圖7 理論作業(yè)幅寬示意圖Fig.7 Diagram of theoretical operating width

圖7中最大挖掘深度位置到噴頭的水平距離即為L，從圖中測量得到L值如表3所示。

表3 挖掘深度及挖掘范圍Table 3 Digging depth and digging range

表 3表明作業(yè)幅寬隨著噴射角度和射流速度的增加而增加。當(dāng)噴射角度為45°、射流速度為20 m/s時(shí)，作業(yè)幅寬達(dá)到1 340 mm。

3 挖掘性能試驗(yàn)

3.1 材料與方法

試驗(yàn)地點(diǎn)為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)室外水槽，將人工種植藕田中的泥土倒入水槽中。預(yù)埋蓮藕試驗(yàn)品種為鄂蓮一號，每次將10根蓮藕埋入泥土下40 cm位置后，將泥土壓實(shí)，靜置一天。為評判蓮藕損傷情況，選用無損傷主藕均為3節(jié)。拆卸挖藕機(jī)浮圈，將該機(jī)置于試驗(yàn)臺架上，推動(dòng)機(jī)器前進(jìn)模擬田間挖藕過程，如圖 8所示。推動(dòng)前進(jìn)速度約0.1 m/s。

圖8 樣機(jī)性能試驗(yàn)臺Fig.8 Prototype performance test bench

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證理論分析的合理性，選擇噴頭直徑和噴射角度2個(gè)因素，噴頭直徑分別取17 、20 、25 mm共3個(gè)水平，噴射角度分別取30°、45°、60° 3個(gè)水平，其他各參數(shù)保持恒定。將水泵調(diào)至最大功率檔位，經(jīng)過超聲波流量計(jì)測得工作過程中，水泵出口流量維持在 32～36 m3/h范圍內(nèi)波動(dòng)。試驗(yàn)?zāi)康脑谟诳疾焖O(shè)計(jì)的挖藕機(jī)能否挖出埋于泥土下40 cm位置處的蓮藕，以及挖掘深度和蓮藕是否有損傷。試驗(yàn)均以挖掘深度、蓮藕浮出率、破損率為試驗(yàn)指標(biāo)，各因素水平的每種組合進(jìn)行五次試驗(yàn)取指標(biāo)平均值。

3.3 結(jié)果與分析

圖 9為不同噴射角度與噴頭直徑對挖掘深度和浮出率的影響。由圖9a可知，隨噴射角度與噴頭直徑的減小，挖掘深度呈上升趨勢，即挖掘深度與噴射角度呈負(fù)相關(guān)，挖掘深度與射流速度呈正相關(guān)，這與仿真試驗(yàn)結(jié)果一致。由圖9b可知，當(dāng)噴射角度為30°時(shí)，浮出率較高。根據(jù)仿真試驗(yàn)分析，不改變其他因素的條件下，當(dāng)噴射角度為30°時(shí)挖掘深度最大，但會出現(xiàn)泥土顆?；靥畹那闆r，而在臺架試驗(yàn)中觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)蓮藕上方泥土被沖散后，蓮藕迅速上浮，并未受到泥土顆?；靥畹挠绊?。

圖9 臺架試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Result of bench test

表4為臺架試驗(yàn)結(jié)果。由表4可知，當(dāng)噴射角度為30°，噴頭直徑為17 mm時(shí)，挖掘深度最大，浮出率達(dá)到100%。臺架試驗(yàn)過程中，未見蓮藕折斷及表皮損傷的情況發(fā)生。將臺架試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)對應(yīng)參數(shù)的挖掘深度進(jìn)行對比，平均誤差為9.5%。

表4 臺架試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of bed test

4 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證自旋射流式挖藕機(jī)工作性能，以水泵HONDA WB30XH為射流驅(qū)動(dòng)力，規(guī)定點(diǎn)流量為35 m3/h，規(guī)定點(diǎn)揚(yáng)程為17.3 m，自吸高度為5 m，于2017年10月16日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地開展了田間挖藕試驗(yàn)，如圖10所示。

圖10 田間挖藕試驗(yàn)Fig.10 Field-digging lotus root test

田間作業(yè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)前進(jìn)速度約為0.1 m/s，噴射角度為30°，噴頭直徑為17 mm能夠有效挖出埋于泥土中的蓮藕，經(jīng)測量平均挖掘深度可以達(dá)到420 mm，存在泥土回填情況，挖掘幅寬大于1.2 m。

5 結(jié)論與討論

1）本文使用離散元法和有限元流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了EDEM-Fluent耦合仿真，建立了泥土顆粒土槽模型，模擬噴射水流沖刷泥土的過程，分析了挖藕機(jī)射流沖刷泥土的作用機(jī)理，即挖掘深度隨著噴射角度30°至60°范圍內(nèi)的增加而減小，隨著射流速度10至20 m/s范圍內(nèi)的增加而增加。通過分析仿真射流過程發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射角度為30°時(shí)，會出現(xiàn)泥土回填的情況，對比臺架試驗(yàn)，泥土回填并未影響蓮藕的浮出率，可知蓮藕上層泥土被沖散后，蓮藕依靠自身浮力便可浮出水面，觀察試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，蓮藕浮出水面速度較快。

2）臺架試驗(yàn)表明，噴射角度為30°，射流速度為20 m/s，即噴頭直徑為17 mm，選用水泵HONDA WB30XH，可以完全將泥下400 mm內(nèi)的蓮藕挖出。通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證的該機(jī)的工作性能，挖掘深度可以達(dá)到420 mm，挖掘幅寬大于1.2 m。

仿真試驗(yàn)與臺架試驗(yàn)的挖掘深度平均誤差為9.5%，表明離散元與有限元流體動(dòng)力學(xué)的耦合仿真應(yīng)用在研究泥土-射流相互作用機(jī)理方面是可行的。由于蓮藕水力采挖過程中射流對泥土的作用過程在水下不易觀察，本文提出EDEM-Fluent耦合仿真運(yùn)用于蓮藕水力采挖設(shè)備對泥土作用機(jī)理的研究方法，為蓮藕水力采挖設(shè)備的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)。該方法還能應(yīng)用于江河湖泊清淤、管道清理等其他水力作業(yè)的領(lǐng)域。

當(dāng)噴射角度越大時(shí)，管路旋轉(zhuǎn)速度越快，符合流體力學(xué)規(guī)律。當(dāng)噴頭直徑越大時(shí)，管路旋轉(zhuǎn)速度越快，表明大直徑噴頭噴射水流對管路反作用力更大。對比浮出率與管路轉(zhuǎn)速可以看出，轉(zhuǎn)速越小，浮出率越高。由于管路結(jié)構(gòu)原因，不能進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)試驗(yàn)，還需優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)，進(jìn)行深入研究。

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