【摘要】：隨著農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構(gòu)的進一步調(diào)整,中國農(nóng)業(yè)部門對特色農(nóng)產(chǎn)品的高度重視,蓮藕的種植面積逐年增長,其種植和管理環(huán)節(jié)簡單,經(jīng)濟效益高,但生長于水下淤泥中的蓮藕長期以來主要依靠人工挖掘,勞動強度大、作業(yè)環(huán)境惡劣、生產(chǎn)效率低、蓮藕損傷嚴重,商品質(zhì)量差等問題已成為制約蓮藕生產(chǎn)的瓶頸。本文在系統(tǒng)分析和總結(jié)國內(nèi)外挖藕機及射流理論相關(guān)研究的基礎(chǔ)上,針對現(xiàn)有挖藕設(shè)備作業(yè)效率低、蓮藕損傷嚴重、操作過程繁瑣、需要一定經(jīng)驗技術(shù)才能掌握的缺陷,創(chuàng)新設(shè)計了一種射流自旋式挖藕機。結(jié)合水力采挖蓮藕的機理,對射流自旋式挖藕機進行了相關(guān)探索和研究,主要研究內(nèi)容如下:(1)根據(jù)相關(guān)文獻和物料特性試驗標準,利用圖像處理、環(huán)刀法、含水率測量儀、堅實度測量儀分別測定泥土的堆積角為42°、體積密度1714 kg/m3、含水率46.7%和0.4 m深度處泥土最大堅實度為1.63 MPa。利用萬能材料試驗機測定蓮藕的抗壓強度為2.32 MPa和藕節(jié)斷裂極限彎矩為6 N·m。通過排水法測定蓮藕的體積密度為0.93×103 kg/m3,并計算其在水中上浮所受推力為1.4 N,所處深度0.4 m時的上浮時間為1 s。(2)結(jié)合離散元法與有限元法運用EDEM-Fluent流固耦合分析射流破碎挖掘泥土的作用機理,研究噴嘴參數(shù)對挖掘深度和挖掘幅寬的影響規(guī)律:1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。挖掘幅寬隨噴射角度和射流速度的增大而增大。當(dāng)射流速度為20 m/s時,能夠達到0.43 m的挖掘深度,滿足蓮藕采挖深度的要求。通過顆粒體所受壓力情況的分析,當(dāng)射流速度為20 m/s時,不會對蓮藕產(chǎn)生損傷或者折斷。2通過研究耦合仿真過程中顆粒的運動分析,獲取了泥土顆粒的速度矢量圖,得到了泥土顆粒最大運動速度與時間、顆粒相總體積與時間、顆粒所受最大壓力與時間的變化規(guī)律,并對射流沖擊泥土的作用機理進行分析。3將仿真試驗和臺架試驗對應(yīng)參數(shù)的挖掘深度和挖掘幅寬進行對比,平均誤差分別為9.5%和9.2%,表明流固耦合仿真分析的模型可靠性較高,利用該方法可以有效分析噴嘴參數(shù)對挖掘泥土的影響效應(yīng)。同時還說明離散元與有限元流體動力學(xué)的耦合仿真應(yīng)用在研究射流與泥土相互作用機理方面是可行的。但仿真過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)仿真時間到達0.4 s附近時,射流已經(jīng)挖掘到0.43 m深度位置,與臺架試驗中挖掘時間與挖掘深度的關(guān)系差異較大,故仿真時間不可作為挖掘速度的分析數(shù)據(jù)。(3)借助流體動力學(xué)分析射流流場結(jié)構(gòu),通過射流沖擊理論明確射流作用范圍的影響機制,建立射流沖擊作用范圍數(shù)學(xué)模型。利用CFD仿真分析了不同長徑比下的噴嘴流場形態(tài),在噴射角度45°條件下,噴嘴口徑分別為17 mm、20 mm和25 mm的動壓分布情況的流場結(jié)構(gòu)均類似,其對應(yīng)的長徑比分別為1.71、1.45、1.16。長徑比最大的17 mm噴嘴產(chǎn)生的流場動壓隨噴距衰減更慢,即流場集束性更好,這與流場結(jié)構(gòu)分析中的理論一致。并通過測量流場中的流速分布范圍,得出了17 mm噴嘴的射流近似半徑為0.05 m。采用CFD流體動力學(xué)仿真分析旋轉(zhuǎn)管路在水中直線運動所受水流阻力及流場情況,利用Origin2017數(shù)據(jù)分析處理軟件建立管路在水中直線運動的阻力系數(shù)模型,得到旋轉(zhuǎn)管路在水中直線運動的阻力系數(shù)為14.95 kg/m。(4)進行整機結(jié)構(gòu)設(shè)計,包括旋轉(zhuǎn)管路、旋轉(zhuǎn)接頭、噴頭、機架等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論及EDEM-Fluent耦合仿真分析結(jié)論對旋轉(zhuǎn)管路進行優(yōu)化設(shè)計,設(shè)計噴嘴結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù),校核最小口徑17mm噴嘴產(chǎn)生的射流沖擊力對蓮藕表面的壓強為0.20 MPa,不會對蓮藕造成損傷。通過對浮圈的浮力校核及Maple工程數(shù)學(xué)二分法計算設(shè)計具有通用性的機架結(jié)構(gòu),能夠適應(yīng)0.3-0.5 m水深的藕田作業(yè)需求。(5)運用力學(xué)分析方法結(jié)合CFD流場分析及流體動力學(xué)分析,通過MATLAB軟件求解計算建立旋轉(zhuǎn)管路在水中轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型,明確噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對旋轉(zhuǎn)管路轉(zhuǎn)速的影響效應(yīng)。利用運動學(xué)分析方法建立旋轉(zhuǎn)管路轉(zhuǎn)速等結(jié)構(gòu)參數(shù)與射流單點沖擊頻次及作用時間的數(shù)學(xué)模型,得出射流自旋式挖藕機作業(yè)前進速度的數(shù)學(xué)模型,借助動力學(xué)分析方法建立旋轉(zhuǎn)管路損耗功率與其水下轉(zhuǎn)速的數(shù)學(xué)模型。(6)結(jié)合射流自旋式挖藕機工作機理的理論分析與相關(guān)參數(shù)數(shù)學(xué)模型開展樣機臺架試驗和田間試驗,通過正交試驗得出噴嘴結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合,與理論分析結(jié)論一致:1通過雙因素試驗得到挖掘深度與噴射角度呈負相關(guān),與射流速度呈正相關(guān),挖掘幅寬與噴射角度、射流速度呈正相關(guān)。當(dāng)噴射角度為30°時,挖掘深度最大,浮出率較高。但挖掘幅寬較低,不利于提高蓮藕收獲效率。當(dāng)噴嘴口徑17 mm、噴射角度45°時足以挖掘出泥土深處0.4 m的蓮藕,且挖掘幅寬較大,此參數(shù)為最優(yōu)噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)。2通過單因素試驗分析了噴嘴安裝角對挖掘深度、挖掘幅寬及管路轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律,當(dāng)噴嘴安裝角為外偏角度60°時,具有最大挖掘幅寬1.42 m和最大挖掘深度0.419 m,實際轉(zhuǎn)速為43 r/min,相比其他角度為最低轉(zhuǎn)速,通過計算得到消耗功率為0.085 k W。3噴嘴最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下0.4 m挖掘深度所需的單點挖掘時間為1.52 s。將試驗測得的最優(yōu)噴嘴口徑17 mm、噴射角度45°、安裝角度60°和單點挖掘時間1.52 s,通過理論分析得出的挖藕機前進速度數(shù)學(xué)模型,計算出挖藕機前進作業(yè)速度為0.1m/s。4通過正交試驗分析了各因素對響應(yīng)指標的影響規(guī)律,得出的結(jié)論與理論分析結(jié)論一致。影響挖掘深度的主次順序為:噴射角度噴嘴口徑安裝角度;影響挖掘幅寬的主次順序為:噴射角度安裝角度噴嘴口徑。分析了不同泥土堅實度條件下所需的最優(yōu)參數(shù)組合:對于泥土堅實度大于1.6 MPa的藕田蓮藕水力采挖,宜選用噴射角度30°,以提高挖掘深度;對于泥土堅實度小于1.6 MPa的藕田蓮藕水力采挖,宜選用噴射角度45°,以提高挖掘幅寬增加挖掘效率。5通過樣機改進優(yōu)化,進行田間試驗,確認射流自旋式挖藕機的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合和工作參數(shù)。射流自旋式挖藕機作業(yè)效率為432 m2/h。
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：S225
【圖文】：
射流自旋式挖藕機工作機理與試驗研究分單位已停止相關(guān)研究，目前仍無成熟的的挖藕機由除草滅茬機構(gòu)、沖渣螺旋推進置、驅(qū)動裝置、傳動裝置、船體、駕駛室，各工作部件的升降由液壓控制。該挖藕接觸土表，用葉片輪驅(qū)動前進，水深超過正常工作（郭義波和陳斯容 2000）。大學(xué)工學(xué)院和江蘇南通江華機械有限公司機試制成功，如圖 1.1 所示。該挖藕設(shè)備的采挖及行走，具有機電一體化結(jié)構(gòu)。在到 85 m2/ h，每畝采挖可節(jié)約人工成本 5
該機運行穩(wěn)定，操作方便，能夠提高蓮藕采挖效率，減輕作業(yè)勞動強度（孟凡亮等 2010）。2010年武漢興盛農(nóng)機技術(shù)開發(fā)有限公司研發(fā)了一種浮桶鴨嘴式挖藕機，如圖1.3所示，主要結(jié)構(gòu)包括底盤、水泵、水管、高壓噴嘴。整機輕巧、靈活、造價低，操作簡單、故障率低，運輸方便（曹子煒和曹強 2011）。
中利用噴嘴噴出的水流，將蓮藕從藕塘中挖出，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在作業(yè)效率低的問題（孟慶前 2012）。2015年華中農(nóng)業(yè)大學(xué)郭洋民設(shè)計了一種以船式拖拉機為動力的挖藕機，如圖1.4所示。該設(shè)備由水力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和采挖系統(tǒng)組成。通過田間試驗得出該挖藕機的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)的優(yōu)化改進措施，并對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。挖藕作業(yè)幅寬約為1.32 m，挖凈率為 76.5%，蓮藕損傷率為 12.6%，作業(yè)效率約為 151.49 m2/h（郭洋民2015）。圖 1.4 船式挖藕機Fig.1.4 Boat type of digging lotus root machine中國目前現(xiàn)有的挖藕設(shè)備主要利用高壓射流破碎、沖刷泥土，使蓮藕依靠自身浮力浮出水面，相比機械式挖藕能有效減少蓮藕的破損率。但現(xiàn)有的水力挖藕設(shè)備主要使用多級固定噴嘴結(jié)構(gòu)或往復(fù)移動式噴嘴結(jié)構(gòu)，前者需要人力晃動機器實現(xiàn)均勻挖掘的效果
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