4BZ-800型荸薺收獲機設計與試驗

張國忠，董昭，陳立明，劉浩蓬，張妮，陳龍，張清洪

華中農業大學工學院/農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢430070

荸薺（Eleocharis dulcis）是我國南方地區種植的一種特色水生蔬菜，具有食用和藥用功效，經加工后可用于制作蜜餞、罐頭等，具有較高經濟價值［1-2］。荸薺果實埋于地下，導致其收獲難度大，限制了荸薺產業發展［3］。我國主要依靠人工方式采收荸薺，可以分為旱地收獲和帶水收獲兩大類型［4］。旱地收獲主要依靠人工使用平板鐵鍬挖掘采收，這種收獲方式存在破損率高、損失大、勞動強度大、效率低等問題［5］。帶水收獲則是先放水將田間土壤浸泡松軟，隨后用水槍沖刷，使得荸薺與土壤分離，進而進行采收。這種收獲方式的破損率和損失率相對旱地收獲低，但同樣存在勞動強度大、效率低的問題，且收獲的果實保存時間短的問題至今難以解決［6］。國外荸薺種植面積較小，在采收方面研究甚少。套襯網荸薺栽培技術（http：//www.raingarden.us/waterchest?nut.pdf.），即在荸薺的種植區池底鋪放網狀塑料材料，然后鋪放培養土，收獲時通過水槍沖刷覆蓋在果實上的泥土并拽拉塑料網，待泥水通過網狀空隙漏掉后，露出荸薺果實，實現節省采收所需勞動力以及成本的效果。

為實現高效、低損采收荸薺，近年來國內學者也開展了多種荸薺機械化收獲技術與裝備研究。陳子林［7］設計了一種牽引式荸薺收獲機，需要配合拖拉機使用，該機采用三點式懸掛，無自主動力，無荸薺果實收集功能，需人工撿拾，機械自動化程度不高。王川等［8］設計了一種具備清洗、收集功能的牽引式荸薺收獲機，完成了樣機設計和加工試制，該機能夠完成部分田間環境下的荸薺收獲工作，但適應性稍差。李旭等［9］設計了一種無人駕駛分層式荸薺收獲機，該機采用土壤液化原理分離泥土和果實，更適用于在田間長期積水的田塊使用，對其他田間環境適應性不佳。從原理上來看，現有的荸薺機械化收獲研究可以分為3個大類，旱地收獲多采用沖擊和振動來分離泥土和荸薺果實，帶水收獲則可進一步分為水力沖刷式和利用土壤振動液化原理分離泥土和荸薺果實2種，基于這3種原理設計的荸薺收獲機械都存在一定的不足，因此本研究結合荸薺種植模式和農藝要求，以人工帶水收獲方式為基礎，提出了一種全新的機械擾動式荸薺收獲方法，該方法利用桿齒擾動水和土壤，使兩者充分混合以降低土壤粘附力，達到分離土壤和荸薺的效果，根據該方法設計了一種4BZ-800型荸薺收獲機并開展了相關試驗，以期為荸薺機械化收獲技術與裝備研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 設計需求和總體結構設計

荸薺帶水收獲時會在田間灌入一定深度的水并浸泡1周左右，導致收獲時土壤含水率較高，作業環境復雜，要求收獲機行走系統在作業過程中底盤接地比壓小、離地間隙高、轉彎半徑小和一定的脫困能力。根據農藝要求，荸薺果實生長深度分布于泥下20 cm深度處，對于收獲部件而言，要求其挖掘深度達到20 cm以上且能夠調整挖掘深度以適應不同的田間環境。同時按照荸薺市場供應需求，收獲部件應能完成荸薺果實和泥土的分離、果實的收集等工作并能盡量減少對荸薺果實的損傷。

4BZ-800型荸薺收獲機由行走系統、傳動系統、旋轉擾動裝置、提升分離裝置、收集裝置等組成，可一次性完成荸薺的挖掘、果土分離、升運、收集等工作，整機總體結構和主要工作部件結構如圖1所示，其主要技術參數為：整機外形尺寸（長×寬×高）為2 400 mm×1 500 mm×1 250 mm，配套動力功率為16.2 kW，樣機采用履帶底盤驅動，作業幅寬800 mm；設計最大行駛速度0.8 m/s。

圖1 4BZ-800型荸薺收獲機結構示意圖Fig.1 Structural diagram of 4BZ-800 water chestnut harvester

1.2 工作原理

4BZ-800型荸薺收獲機底盤采用全液壓驅動，液壓泵將發動機輸出的機械能轉化為液壓能，液壓能通過管路傳遞至行走馬達，驅動履帶輪轉動，完成前進、后退及轉向動作。工作部件的動力來源于另一路液壓回路，液壓泵將動力傳遞至液壓馬達后由鏈傳動對動力進行二次分配。整機的工作原理示意圖如圖2所示。作業時，借助調整液壓缸控制挖掘深度，保證足夠的挖掘深度，依靠履帶行走系統，推動機器前進。三級旋轉擾動輥通過機械擾動將水、土壤和荸薺果實充分混合，使土壤水分達到過飽和，混合物呈現流動狀態。帶提升分離鏟的升運鏈隨即將混合物鏟起提升，在此過程中土壤和水從鏟齒間漏下，完成荸薺的提升分離，升運鏈將荸薺果實輸運至后部收集板，完成荸薺的收獲。

圖2 4BZ-800型荸薺收獲機工作原理Fig.2 Working principle of 4BZ-800 water chestnut harvester

1.3 傳動系統

傳動系統由液壓傳動系統和機械傳動系統組成。液壓傳系統為機器的行走、工作部件運轉和工作部件的升降提供動力。機械傳動將液壓馬達輸出的動力按設計的傳動比分配給各工作部件。整個傳動系統采用分路傳動的方式。動力由發動機輸出分4路，經發動機輸出軸輸出，通過帶傳動驅動各液壓回路對應的液壓泵轉動，兩路經手動換向閥的調節分別為兩側行走液壓馬達提供動力，一路經手動換向閥的調節為工作部件驅動馬達提供動力，最后一路通過手動換向閥的調節為工作部件的升降提供動力。具體動力傳動系統及各級傳動比如圖3所示。

圖3 4BZ-800型荸薺收獲機動力傳動示意圖Fig. 3 Schematic diagram of 4BZ-800 water chestnut harvester power transmission

1.4 履帶底盤設計與分析

1）履帶底盤的結構設計。履帶底盤具有接地比壓小、附著性能優、轉彎半徑小、越障能力強等優點［10-11］，成為4BZ-800型荸薺收獲機驅動底盤的首選，其底盤結構如圖4示。由于該型荸薺收獲機的工作部件安置于2條履帶內側，為提升工作效率和生產率，在滿足田間行駛性能要求下盡量使用寬度較窄的履帶。

圖4 底盤結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of chassis structure

履帶式底盤在水田土壤條件下的許用接地比壓一般在15～25 kPa［12］。履帶接地長度、履帶寬度以及接地比壓的關系如式（1）所示［13］。

式（1）中：L為接地長度，m；G為整機重力，取12 000 N；［p］為許用接地比壓，15～25 kPa；b為履帶寬度，在比較市面上常見的履帶后選擇了寬度為180 mm的履帶作為該機使用的履帶。代入式（1）中計算可得，L≥1.33 m或者L≤2.22 m，即該型荸薺收獲機的履帶接地長度為1.33～2.22 m?？紤]到工作部件的尺寸和整機結構設計，取履帶接地長度為1.6 m。

履帶接地長度L與軌距B的比值L/B應為1.2～1.5，比值如果超過1.5則履帶底盤轉向困難；如果比值小于1.2則會導致直線行駛穩定性較差［14-15］。為使得履帶底盤具有更好的轉向性能，L/B的值應盡量取小，結合工作部件和整機結構設計，此處軌距取1.32 m，接地長度L與軌距B的比值為1.21，符合要求。經計算可得樣機履帶底盤的結構參數為：軌距1 320 mm、履帶寬度180 mm、履帶接地長度1 600 mm、接近角45°、離去角40°、底盤最小離地間隙450 mm。

2）履帶底盤驅動系統設計?？紤]到田間環境與條件，所設計的荸薺收獲機液壓驅動系統需要提供較大扭矩，以滿足荸薺收獲機低速大扭矩、工作阻力大、行走和轉向阻力大等需求，且需要較高響應速度，以降低駕駛員的操作難度，提高作業效率。液壓驅動系統的基本設計目標是要實現機具的行走和轉向功能。為此，設計了該型荸薺收獲機的液壓驅動系統。系統采用單個定量雙聯泵驅動2個定量液壓馬達的設計。左右兩側的2個液壓行走馬達工作回路相互獨立，互不干涉，采用2個換向閥單獨控制，可實現2個液壓馬達的獨立運動，通過等排量的雙聯泵驅動，可保證2個液壓馬達在直行時的同步性。

液壓驅動系統關鍵部件選項如下，收獲機在爬坡工況下運轉阻力最大，此時最大阻力為［16］：

式（2）中：Fz為爬坡阻力，N；m為整機質量，1 200 kg；α為設計最大爬坡角度，20°；f1為履帶與地面間滾動阻力系數，取值范圍為0.02～0.15，本研究取最大值0.15；f2為履帶底盤內部摩擦阻力系數，取值為0.1；g為重力加速度，取9.8 m/s2。

液壓行走馬達所受扭矩為：

式（3）中：Mm為單個液壓行走馬達所受扭矩，N·m；R為驅動輪半徑，0.2 m；n為液壓行走馬達數量，2；η1為液壓行走馬達機械效率，0.9；η2為履帶輪效率，0.9。

液壓行走馬達理論排量為：

式（4）中：Vm為液壓行走馬達理論排量，mL/r；Pm為系統工作壓力，20 MPa；η3為液壓行走馬達容積效率，0.94。

液壓行走馬達應滿足該型荸薺收獲機設計最大行駛速度的要求，因此，液壓行走馬達最大轉速為：

式（5）中：nmax為液壓行走馬達最大轉速，r/min；vmax為收獲機設計最大行駛速度，2.88 km/h。

將設計參數代入式（2）～（5）可得液壓行走馬達理論排量Vm=287.26 mL/r，最大轉速nmax=38.20 r/min。通過查詢液壓馬達產品手冊，確定液壓行走馬達選用BMT-310，其主要參數如表1所示。

表1 液壓行走馬達主要參數Table 1 Main parameters of hydraulic walking mtor

在確定了液壓馬達的型號后，選擇配套液壓泵的型號，液壓泵輸出流量為：

式（6）中：Qp為液壓泵輸出流量，L/min；kp為泄露系數，1.1。

液壓泵理論排量為：

式（7）中：Vp為液壓泵理論排量，mL/r；nf為液壓泵轉速，2 200 r/min；η4為液壓泵容積效率，0.94。

將設計參數代入式（6）和式（7）計算可得，液壓泵輸出流量Qp=12.10 L/min，理論排量Vp=5.84 mL/r。通過查詢液壓泵產品手冊，確定選用CBNE-306/306雙聯齒輪液壓泵，其主要參數如下：公稱排量6 mL/r、額定壓力20 MPa、最高壓力25 MPa、最高轉速3 000 r/min。

3）履帶底盤轉向性能分析?？紤]部分種植田塊較小以及田間路徑較窄等實際條件，4BZ-800型荸薺收獲機底盤轉向方式采用差速轉向和原地轉向2種。差速轉向時2條履帶以不同轉速差運動時，即可完成不同半徑的轉向。當單邊履帶制動，另一邊履帶轉動時，具有最小的轉彎半徑。樣機原地轉向時兩側履帶以相等轉速反向運動，樣機繞幾何中心旋轉，完成機具原地轉向。

由幾何分析可得，差速轉向最小轉彎半徑為：

式（8）中：Rmin為最小轉彎半徑，mm；B為履帶軌距，mm；Lz為履帶軸距，mm。

同理可得，原地轉向轉向半徑為：

式（9）中：R'原地轉向轉向半徑，mm；B履帶軌距，mm；Lz軸距，mm。

4BZ-800型荸薺收獲機底盤履帶輪距B為1 320 mm，履帶軸距Lz為1 600 mm，代入式（8），求得差速轉向最小轉彎半徑為1 543.50 mm，代入式（9），求得原地轉向半徑為1 037.11 mm。該履帶底盤的轉向半徑較小，轉向性能優秀，能夠滿足荸薺收獲作業和田間轉運需求。

4）履帶底盤穩定性分析。履帶底盤的穩定性對駕駛員的安全性和底盤的操縱性能都有較大的影響。由于4BZ-800型荸薺收獲機主要在平坦地面上作業，只有在上下田和翻越田埂等少數情況下需要上下坡，且上下坡時基本為縱向行駛。因此，本研究僅針對底盤縱向極限傾覆狀態進行分析，以縱向極限傾覆角衡量整機的行駛穩定性。當該型荸薺收獲機勻速行駛上坡時，極限傾覆狀態如圖5A所示，忽略空氣阻力和履帶彈性形變，建立樣機上坡極限傾覆狀態力學平衡方程：

圖5 4BZ-800型荸薺收獲機底盤縱向極限傾覆受力分析Fig.5 Analysis of longitudinal limit pverturning force of 4BZ-800 water chestnut harvester chassis

式（10）中，FT為地面對履帶的切向作用力，N；FN為地面對履帶的法向作用力，N；G為整機重力，N；αlim為上坡極限傾覆角，（°）；L1為整機履帶接地長度，mm；L2為重心到履帶后接地點的距離，mm；h為整機重心至地面的垂直高度，mm。

4BZ-800型荸薺收獲機的上坡極限傾覆狀態為樣機繞履帶后接地點旋轉的臨界狀態，此時土壤對樣機的支撐力FN作用于履帶后接地點即旋轉中心點，樣機重力沿坡面和垂直坡面方向的分力與對應力臂的乘積相等，可得上坡極限傾覆角為：

分析式（11）可知，機具的縱向傾覆角與重心位置有關，上坡時當重心位于履帶后輪受力點前時，即可避免向后傾覆。同理，下坡極限傾覆角受力分析如圖5B所示，此時機具下坡極限傾覆角為：

通過上述分析可知，機具重心越低，穩定性越好，抗傾覆能力越強，在保證足夠的離地間隙的前提下應盡量降低機具重心，同時要合理配置機具重心位置。運用SolidWorks軟件對機具重心位置進行測定，得到機具重心至履帶后端接地點距離L2為808.33 mm，機具重心至地面垂直高度h為552.79 mm，機具履帶接地長度為1 600 mm，將上述參數代入式（11）和式（12）中，可得機具上下坡極限傾覆角αlim和α'lim分別為55.63°和55.08°。與普通履底盤相比較，該履帶底盤雖然離地間隙較高，但由于其工作部件均布置在較低的位置，因此重心比普通底盤低，使得底盤縱向極限翻傾角較大，能夠滿足最大爬坡角度為20°的設計要求，能夠保證4BZ-800型荸薺收獲機在坡面作業時的穩定性。

1.5 主要結構設計及參數選擇

1）旋轉擾動輥。4BZ-800型荸薺收獲機配備有三級旋轉擾動輥，在相同挖掘深度的前提下，相較于單級擾動輥，能夠有效降低旋轉輥所受的阻力，同時減小收獲過程中對荸薺的損傷。旋轉擾動輥其結構與水稻聯合收割機桿齒式脫粒滾筒的結構類似（圖6）。其由主軸、端蓋、橫桿和桿齒組成，橫桿沿端蓋均勻分布，桿齒按一定間距焊接在橫桿上，相鄰兩橫桿上的桿齒交錯排列。由于該型荸薺收獲機的挖掘深度需要達到20 cm方可確保收獲絕大部分的荸薺果實，故設計擾動輥桿齒長度為7 cm，保證足夠的挖掘深度；設計桿齒間距為2倍的荸薺長軸直徑以保證荸薺能夠順利從桿齒間通過，通過測量可知荸薺直徑大多分布于45 mm附近，故選擇桿齒間距為90 mm。

圖6 旋轉擾動輥結構示意圖Fig.6 Structural diagram of rotating disturbance roller

2）提升分離鏟。4BZ-800型荸薺收獲配備的挖掘鏟是齒形挖掘鏟，其主要功能是收集荸薺果實，在工作過程中，挖掘鏟首先將泥土、水和荸薺的混合物鏟入，隨后在提升過程中，受重力作用泥水從鏟齒間漏出，而荸薺果實被輸運至后部收集起來。根據提升分離鏟實際工作情況、外形特點和荸薺果實物料特性，結合前人對挖掘鏟的研究，可確定鏟斗張角、鏟齒尺寸、齒間間距、工作幅寬等是影響提升分離鏟工作性能的主要參數，如圖7所示為提升分離鏟的結構示意圖。由于鏟斗張角β的常見取值范圍在30°～60°，且鏟斗的填充量隨鏟斗張角的增大而增大［17-18］，故選擇提升分離鏟鏟斗張角為60°。經測量，荸薺厚度大多分布于22 mm附近，故選擇鏟齒間距為15 mm，可保證荸薺不會從鏟齒間漏出。

圖7 提升分離鏟結構示意圖Fig.7 Structure diagram of lifting and separating shovel

1.6 樣機試驗

1）試驗條件。2022年1月在湖北省黃岡市團風縣方高坪鎮進行了田間試驗（圖8）。試驗儀器設備有卷尺、角度儀、秒表、水分測定儀、土壤堅實度儀等。試驗前參照GB/T 5256—2008《農業機械試驗條件 測定方法的一般規定》，對田間環境參數進行了測定，結果顯示：試驗田淺層土壤平均含水率為47.76%、深層土壤平均含水率為37.76%、試驗田淺層土壤平均土壤堅實度為2.95 kPa、深層土壤平均土壤堅實度為36.56 kPa。

圖8 田間試驗Fig.8 Field experiment

2）底盤性能試驗。參照GB/T 5667—2008《農業機械生產試驗方法》對4BZ-800型荸薺收獲機樣機底盤的行駛速度、轉向半徑和爬坡角度等指標進行測量。行駛速度：選取長度大于30 m的田間道路，測定樣機走過30 m測定區所需時間，重復3次，計算行駛速度。轉向半徑：讓樣機在田間以低速平穩行駛，一側履帶輪制動，另一側履帶輪前進，待平穩行駛360°后駛離測試區，利用卷尺測量履帶在地面留下的軌跡圓半徑，得到差速轉向最小轉向半徑；讓樣機一側履帶前進，一側履帶后退，待整機旋轉360°后駛離測試區，利用卷尺測量履帶在地面留下的軌跡圓半徑，得到原地轉向的轉向半徑。爬坡角度：利用帶有可傾斜平板的道路清障車，駕駛樣機朝平板行駛，逐漸增大平板傾斜角度直至樣機無法駛上平板，測量此時平板傾斜角度即可得到機具最大爬坡角度。

3）收獲性能試驗。由于當前國內外關于荸薺收獲方面的研究較少，沒有相關的評價技術規范，故以同為塊根、塊莖類作物的國家行業標準NY/T648—2002 《馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》為參照，設計荸薺收獲機收獲性能試驗。在試驗中測定該型荸薺收獲機挖凈率、損失率和傷果率等3個指標，作為該型荸薺收獲機收獲性能的評價標準。挖凈率和損失率：可將試驗區域內全部荸薺果實的質量m劃分為3類，收獲機掘出并收集的荸薺質量m1，收獲機掘出但未順利收集的荸薺質量m2，收獲機未掘出的荸薺質量m3，挖凈率即為m1與m的百分比，損失率即為m2、m3之和與m的百分比。損傷率：將試驗區域內收集到的所有果實中有損傷的果實集中，單獨測量其質量m4，損失率即為m4與m的百分比。

2 結果與分析

試驗結果顯示，4BZ-800型荸薺收獲機田間道路行駛速度為0.97 m/s，差速轉向最小轉彎半徑為2.1 m，原地轉向的轉向半徑為1.3 m，最大爬坡角度為24.2°。由于發動機全油門運轉時轉速大于液壓系統額定轉速，故實測行駛速度大于理論行駛速度，但在實際使用中應適當減小油門避免損壞液壓系統。受土壤滑移等因素的影響，機具實際轉向半徑大于理論轉向半徑，但均能滿足實際生產需求。

在試驗區域內，收獲到荸薺的全部質量m為14.72 kg，其中，由收獲機掘出并收集的荸薺質量m1為7.83 kg，收獲機掘出但未順利收集的荸薺質量m2為4.52 kg，收獲機未掘出的荸薺質量m3為2.37 kg，有損傷的果實質量m4為0.62 kg，即可計算出該型荸薺收獲機挖凈率為53.19%，損失率為46.81%，損傷率為4.21%。結果表明，該型收獲機挖凈率偏低，損失率偏高，分析收獲的荸薺各個部分的質量占比可以發現，收獲機掘出但未順利收集的荸薺質量m2的占比較高，若此部分能夠順利收集，則該型荸薺收獲機的挖凈率可提高至83.90%。通過試驗觀察，發現導致m2占比較高的主要原因是大量荸薺順著水流飄走，導致無法順利收集。

3 討論

根據荸薺種植田土壤條件和現有人工收獲方式，提出了一種全新的基于帶水收獲的機械擾動式荸薺收獲方法，研制了4BZ-800型荸薺收獲機。整機采用全液壓驅動，可實現差速轉向和原地轉向，配套動力功率為16.2 kW，最小離地間隙450 mm，履帶寬度180 mm，滿足荸薺收獲作業過程對底盤的性能要求；樣機配備有三級旋轉擾動輥構成旋轉擾動裝置和帶挖掘鏟的升運鏈構成了提升分離裝置，兩者共同構成了4BZ-800型荸薺收獲機的主要工作部件，能夠完成荸薺的收獲工作。4BZ-800型荸薺收獲機樣機田間性能試驗結果顯示，該型荸薺收獲機底盤田間道路行駛速度為0.97 m/s，差速轉向最小轉向半徑為2.1 m，原地轉向半徑為1.3 m，最大爬坡角度為24.2°，挖凈率、損失率和損傷率分別為53.19%、46.81%、4.21%，表明該型收獲機底盤性能能夠滿足田間工作需求。同時，受試驗條件、手段和環境等因素的影響，樣機的損失率較高，還需要進一步研究與提高。