新型莲藕机械化采收系统开发设计研究_刘岸卓.pdf

模 具 制 造 2 0 2 4 年 第 1 1 期 工 业 设 计 Development and Design of A New Type of Mechanized Lotus Root Harvesting System Liu Anzhuo Yang Chensheng School of Mechanical Engineering Heilongjiang University of Science and Technology Harbin Heilongjiang 150020 CHN Abstract Manual lotus root digging has high labor intensity and low production efficiency while the development level of lotus root harvesting mechanization is low and there are big problems So far the development of lotus root mining mechanization technology at home and abroad is seriously lagging behind and its applicable equipment is still blank Based on this the fluid finite element analysis is used to analyze the working conditions of lotus root fields Developed an independent intellectual property rights lotus root mechanized harvesting system suitable for China s national conditions Key words finite element lotus root mechanization picking system research and development 1 引 言 人 工 挖 藕 劳 动 强 度 较 大 且 生 产 效 率 低 下 而 莲 藕 采 收 机 械 化 发 展 水 平 低 存 在 很 大 问 题 鉴 于 至 今 国 内 外 莲 藕 采 收 作 业 机 械 化 自 动 化 智 能 化 不 高 价 格 仍 然 不 适 合 我 国 的 潜 在 用 户 其 本 土 适 应 能 力 较 低 针 对 以 上 问 题 设 计 出 这 台 莲 藕 采 收 系 统 结 构 简 单 价 格 低 廉 研 究 开 发 适 合 我 国 莲 藕 种 植 情 况 的 先 进 技 术 及 装 备 具 有 重 要 的 战 略 意 义 2 研 究 内 容 和 过 程 2 1 整 体 结 构 该 机 器 人 有 3 个 不 同 的 模 块 组 成 即 行 走 模 块 采 摘 模 块 收 集 模 块 本 机 器 人 自 动 化 程 度 较 高 可 以 首 先 通 过 YOLO2 模 型 对 播 种 季 藕 田 的 航 拍 照 片 进 行 识 别 自 动 判 断 藕 的 位 置 在 收 获 季 采 收 时 以 S 形 轨 迹 在 藕 田 里 巡 航 在 经 过 先 前 录 入 的 藕 的 位 置 时 停 留 进 行 更 为 精 细 的 采 集 作 业 该 机 器 人 还 可 以 由 esp32 cam 进 行 5G 遥 控 同 时 兼 顾 图 传 任 务 或 者 由 PS2 手 柄 进 行 遥 控 作 业 大 大 简 化 了 操 作 的 简 便 性 莲 藕 采 收 机 器 人 三 维 图 如 图 1 所 示 2 2 机 器 人 各 主 要 部 分 的 设 计 1 行 走 模 块 第 一 行 走 系 统 行 走 系 统 采 用 履 带 具 有 良 好 的 稳 定 性 和 少 需 人 工 干 预 的 特 点 为 了 应 对 藕 塘 等 特 殊 环 境 履 带 设 计 较 宽 减 少 负 重 轮 数 量 并 采 用 高 碳 钢 制 造 负 重 轮 轮 缘 包 裹 橡 胶 以 提 升 承 载 能 力 驱 动 轮 布 置 在 机 体 中 心 偏 上 位 置 既 能 避 免 水 面 接 触 损 坏 内 部 设 备 也 便 于 连 接 变 速 箱 的 动 力 输 入 端 1 第 二 悬 挂 系 新 型 莲 藕 机 械 化 采 收 系 统 开 发 设 计 研 究 刘岸卓 杨晨升 黑龙江科技大学机械工程学院 黑龙江哈尔滨 150020 摘 要 人 工 挖 藕 劳 动 强 度 较 大 且 生 产 效 率 低 下 而 莲 藕 采 收 机 械 化 发 展 水 平 低 存 在 很 大 问 题 至 今 国 内 外 莲 藕 采 挖 机 械 化 技 术 发 展 严 重 滞 后 其 适 用 装 备 尚 属 空 白 基 于 此 通 过 流 体 有 限 元 分 析 对 藕 田 的 工 况 进 行 分 析 研 发 出 适 合 我 国 国 情 的 自 主 知 识 产 权 莲 藕 机 械 化 采 收 系 统 关 键 词 有 限 元 莲 藕 机 械 化 采 摘 系 统 研 发 中 图 分 类 号 S223 9 文 献 标 识 码 B DOI 10 13596 ki 44 1542 th 2024 11 073 225 模 具 制 造 2 0 2 4 年 第 1 1 期 工 业 设 计 统 机 器 人 的 前 悬 挂 采 用 可 变 式 设 计 摇 臂 和 轮 子 通 过 轴 承 连 接 在 机 体 外 壳 上 能 绕 固 定 轴 转 动 前 悬 挂 的 齿 圈 半 埋 入 机 体 外 壳 由 电 机 驱 动 的 齿 轮 控 制 摇 臂 的 运 动 以 实 现 越 障 功 能 弹 簧 装 置 在 可 变 部 件 和 前 悬 挂 套 筒 中 抬 起 时 自 动 伸 出 以 支 撑 履 带 同 时 摇 臂 的 旋 转 提 供 减 震 作 用 由 于 机 体 后 部 选 择 了 简 单 且 价 格 低 廉 的 板 簧 悬 挂 连 接 后 摇 臂 2 该 设 计 能 够 承 载 大 量 重 量 尽 管 悬 挂 质 地 较 硬 减 震 性 能 不 高 但 鉴 于 机 体 后 部 设 备 对 减 震 性 能 要 求 不 高 这 并 不 是 主 要 问 题 第 三 变 速 系 统 变 速 系 统 采 用 双 流 传 动 直 行 动 力 输 入 端 由 两 台 大 功 率 电 机 驱 动 主 轴 每 端 连 接 行 星 架 在 直 行 模 式 下 行 星 架 锁 定 外 齿 圈 使 两 侧 行 星 轮 同 步 公 转 和 自 转 以 保 持 两 侧 驱 动 轮 的 同 步 转 速 转 向 动 力 输 入 端 由 一 台 高 速 电 机 驱 动 两 根 细 转 向 轴 采 用 锥 齿 轮 传 动 2 采 摘 模 块 第 一 动 力 系 统 该 机 器 人 采 用 价 格 较 为 低 廉 的 铸 铁 水 泵 考 虑 到 机 体 后 部 承 载 力 强 所 以 选 择 安 置 在 机 体 后 部 的 搁 板 上 水 泵 由 一 台 功 率 为 8HP 的 电 机 驱 动 使 水 泵 输 水 量 可 达 到 0 02m3 s 以 上 3 4 能 够 供 应 大 量 水 流 满 足 高 压 水 枪 的 需 求 水 泵 进 水 口 位 于 左 侧 通 过 连 接 管 道 吸 水 出 水 口 位 于 上 端 通 过 管 道 与 水 枪 系 统 进 水 口 连 接 使 其 喷 射 高 压 水 流 水 泵 及 电 机 示 意 图 如 图 2 所 示 出 水 口 进 水 口 图 2 水 泵 及 电 机 示 意 图 第 二 水 枪 系 统 该 系 统 由 机 架 传 感 器 和 水 枪 喷 头 总 成 组 成 水 泵 将 水 流 引 入 水 枪 喷 头 总 成 的 容 器 容 器 底 部 设 有 十 个 喷 头 以 确 保 水 量 均 匀 分 布 扩 大 工 作 面 积 提 高 挖 掘 效 率 减 少 浪 费 机 架 两 侧 内 设 凹 槽 与 水 枪 喷 头 总 成 配 合 可 调 整 离 地 高 度 机 架 中 空 上 部 连 接 进 水 管 道 下 部 支 架 直 通 水 底 利 用 水 泵 的 吸 力 集 中 挖 出 的 莲 藕 方 便 后 续 采 集 作 业 传 感 器 监 测 水 枪 喷 头 距 离 池 底 的 高 度 并 通 过 视 觉 模 块 监 测 莲 藕 挖 掘 情 况 见 图 2 第 三 水 枪 系 统 有 限 元 分 析 通 过 Solidworks 建 立 挖 藕 模 型 使 用 插 件 Solidworks Flow Simulation 进 行 有 限 元 分 析 的 方 法 来 确 定 水 枪 的 最 佳 离 地 高 度 和 倾 斜 角 度 水 力 挖 藕 的 物 理 模 型 的 建 立 在 莲 藕 种 植 中 由 于 莲 藕 生 长 在 水 深 30 cm 的 水 层 上 方 并 且 根 部 伸 入 30 cm 左 右 的 泥 土 层 中 因 此 可 以 将 流 场 简 化 为 两 个 部 分 上 部 分 是 高 度 30 cm 的 水 层 蓝 色 下 部 分 是 高 度 60cm 的 泥 土 层 黄 色 莲 藕 模 型 红 色 装 配 在 泥 土 层 中 间 30 cm 的 位 置 选 取 鄂 莲 七 号 为 莲 藕 的 代 表 为 了 简 化 模 型 将 整 根 莲 藕 的 四 段 藕 身 部 分 简 化 为 四 根 相 同 大 小 的 椭 圆 体 模 型 总 长 600mm 最 大 直 径 60mm 最 小 直 径 30 mm 模 型 如 图 3 所 示 图 3 流 体 模 型 与 莲 藕 模 型 a 条 件 说 明 在 查 阅 了 大 量 的 文 献 后 发 现 喷 口 大 小 为 20mm 上 下 最 为 合 适 4 考 虑 到 市 场 上 的 产 品 通 用 性 选 用 20mm 的 带 万 向 转 头 的 水 枪 设 定 总 进 水 流 量 为 0 02m 3 s 喷 头 个 数 为 10 个 藕 池 尺 寸 为 2 2 1m 先 测 定 喷 头 最 佳 离 地 高 度 然 后 模 拟 得 出 在 最 佳 离 地 高 度 的 情 况 下 喷 头 的 最 佳 偏 转 角 度 b 结 果 分 析 不 同 高 度 对 藕 塘 淤 泥 的 侵 彻 能 力 在 仿 真 中 首 先 排 除 了 莲 藕 的 影 响 确 保 喷 头 垂 直 于 淤 泥 层 进 行 1 秒 钟 的 喷 射 通 过 观 察 喷 射 区 域 内 单 位 区 域 内 水 体 积 分 量 的 云 图 来 评 估 侵 彻 效 果 分 别 计 算 了 距 离 为 206mm 106mm 和 6mm 时 的 云 图 分 析 后 发 现 206mm 距 离 效 果 均 匀 但 侵 彻 能 力 不 足 106mm 距 离 作 用 效 果 均 匀 但 侵 彻 效 果 不 理 想 而 6mm 距 离 侵 彻 能 力 强 但 作 用 不 均 匀 导 致 顶 层 淤 泥 未 被 完 全 冲 开 不 利 于 莲 藕 上 浮 在 6mm 到 采 摘 模 块 行 走 模 块 收 集 模 块 图 1 莲 藕 采 收 机 器 人 三 维 图 226 模 具 制 造 2 0 2 4 年 第 1 1 期 工 业 设 计 106mm 范 围 内 进 行 多 组 数 据 测 试 后 最 终 确 定 距 离 56 8mm 处 具 有 理 想 效 果 这 个 距 离 具 备 强 的 淤 泥 侵 彻 能 力 并 且 作 用 效 果 均 匀 同 时 该 位 置 没 有 大 块 淤 泥 阻 挡 莲 藕 上 浮 空 间 淤 泥 含 量 控 制 在 50 以 下 这 组 数 据 显 著 提 高 了 莲 藕 的 采 集 质 量 效 率 和 准 确 度 因 此 决 定 采 用 此 数 据 进 行 后 续 实 验 云 图 如 图 4 所 示 图 4 不 同 高 度 对 藕 塘 淤 泥 的 侵 彻 能 力 实 验 云 图 不 同 喷 射 角 度 对 莲 藕 的 采 收 效 果 在 仿 真 中 首 先 确 保 喷 头 与 淤 泥 层 保 持 56mm 的 距 离 并 且 喷 头 的 内 径 圆 始 终 与 其 相 切 然 后 调 整 水 泵 喷 头 的 纵 截 面 与 莲 藕 中 心 轴 线 的 角 度 以 改 变 喷 射 角 度 仿 真 2s 内 对 莲 藕 的 挖 掘 效 果 评 判 挖 掘 效 果 的 标 准 包 括 水 流 是 否 覆 盖 到 莲 藕 周 围 莲 藕 周 边 是 否 有 厚 重 的 淤 泥 影 响 其 上 浮 以 及 莲 藕 上 方 是 否 有 足 够 的 空 间 供 其 上 浮 首 先 测 试 了 0 喷 射 角 度 发 现 莲 藕 上 浮 的 空 间 受 限 且 存 在 向 下 的 强 水 流 整 体 采 收 效 果 不 佳 随 后 尝 试 了 多 组 数 据 发 现 在 20 之 前 水 流 对 淤 泥 的 侵 彻 能 力 过 强 可 能 会 破 坏 底 部 淤 泥 层 但 开 辟 的 空 间 不 足 以 支 持 莲 藕 上 浮 相 反 在 22 度 之 后 水 枪 的 侵 彻 能 力 显 著 减 弱 虽 然 提 供 了 更 大 的 上 浮 空 间 但 莲 藕 的 上 浮 效 果 不 理 想 随 后 在 20 度 到 22 之 间 进 行 了 多 次 实 验 后 最 终 确 定 在 20 2 角 度 时 水 枪 系 统 具 有 强 大 的 淤 泥 侵 彻 能 力 并 且 提 供 了 足 够 的 上 浮 空 间 这 对 莲 藕 的 采 集 效 果 非 常 理 想 云 图 示 意 图 如 图 5 所 示 3 收 集 模 块 第 一 输 送 系 统 该 模 块 采 用 宽 幅 柔 性 传 送 带 表 面 覆 盖 粗 糙 处 理 的 橡 胶 柔 性 多 孔 收 集 板 收 集 板 设 计 端 部 硬 根 部 软 确 保 与 传 送 带 呈 90 角 固 定 莲 藕 并 提 供 足 够 摩 擦 力 将 不 同 特 征 的 莲 藕 带 到 传 送 带 上 板 上 的 孔 洞 帮 助 甩 掉 附 着 的 水 和 泥 浆 减 轻 收 集 斗 重 量 提 高 空 间 利 用 率 模 块 由 顶 端 两 台 高 速 电 机 驱 动 配 置 双 电 机 提 高 承 载 能 力 和 采 集 效 率 产 生 离 心 力 加 速 淤 泥 和 水 的 分 离 支 撑 部 件 采 用 H 形 空 心 方 钢 架 和 高 边 缘 带 轮 确 保 在 高 速 旋 转 时 传 送 带 不 会 脱 落 第 二 收 集 斗 该 模 块 由 薄 钢 板 制 成 的 空 心 梯 形 货 箱 和 连 接 架 构 成 紧 密 贴 合 主 体 部 分 收 集 斗 设 计 较 高 靠 近 输 送 模 块 顶 端 莲 藕 投 入 背 篓 时 斜 坡 设 计 确 保 安 全 滚 落 而 非 摔 落 斗 型 背 篓 减 少 对 莲 藕 的 碰 撞 有 助 于 保 持 其 质 量 顶 端 预 留 开 口 给 传 送 带 通 过 防 止 收 集 板 反 复 弯 折 而 断 裂 3 结 束 语 该 莲 藕 采 收 系 统 结 构 简 单 价 格 低 廉 对 各 种 藕 塘 地 形 都 有 很 好 的 适 应 性 通 过 多 种 传 感 器 和 设 计 时 的 有 限 元 分 析 大 幅 提 升 了 莲 藕 采 集 的 效 率 质 量 和 准 确 度 同 时 操 作 简 便 自 动 化 程 度 高 同 时 还 可 以 化 身 莲 藕 种 植 的 多 面 手 兼 具 撒 药 巡 检 和 除 草 功 能 参 考 文 献 1 陈 强 钱 孟 波 虞 浪 等 基 于 EDEM Fluent 耦 合 仿 真 的 射 流 式 挖 藕 机 设 计 与 优 化 J 中 国 农 机 化 学 报 2024 45 04 18 22 38 2 李 维 华 焦 伟 李 永 武 等 莲 藕 收 获 机 械 研 究 现 状 及 发 展 趋 势 J 农 业 装 备 与 车 辆 工 程 2023 61 02 66 68 168 3 焦 俊 基 于 EDEM FLUENT 耦 合 的 莲 藕 主 藕 体 水 力 冲 刷 过 程 仿 真 与 试 验 D 华 中 农 业 大 学 2021 4 吴 茗 宇 徐 陶 祎 康 之 讷 等 水 田 环 境 下 自 走 式 智 能 莲 藕 采 收 机 械 的 设 计 研 究 J 企 业 科 技 与 发 展 2023 11 36 40 第 一 作 者 简 介 刘 岸 卓 男 2004 年 9 月 生 汉 族 江 苏 徐 州 人 本 科 在 读 研 究 方 向 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化 通 讯 作 者 杨 晨 升 收 稿 日 期 2024 06 28 DMM 图 5 20 2 度 时 的 云 图 227