射流自旋式挖藕機(jī)：工作機(jī)理剖析與多維度試驗(yàn)研究一、緒論1.1研究背景與目的蓮藕作為一種兼具食用與藥用價(jià)值的水生植物，在我國(guó)種植歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。近年來(lái)，隨著人們健康意識(shí)的提升以及對(duì)特色農(nóng)產(chǎn)品需求的增加，蓮藕的市場(chǎng)需求持續(xù)攀升，推動(dòng)了蓮藕產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)蓮藕種植面積已達(dá)600萬(wàn)畝以上，且仍保持著穩(wěn)定的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。江蘇憑借其豐富的湖泊資源，蓮藕種植總面積達(dá)150萬(wàn)畝，位居全國(guó)之首；湖北緊隨其后，種植面積達(dá)120萬(wàn)畝，福建、江西、浙江、湖南等南方省份亦是重要產(chǎn)區(qū)。2022年，我國(guó)蓮藕產(chǎn)量高達(dá)1268萬(wàn)噸，需求量達(dá)1265萬(wàn)噸，產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)658.03億元，預(yù)計(jì)2023年有望突破670億元。蓮藕產(chǎn)業(yè)在調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、增加農(nóng)民收入、改善生態(tài)環(huán)境等方面發(fā)揮著舉足輕重的作用。盡管蓮藕產(chǎn)業(yè)前景廣闊，但在蓮藕采收環(huán)節(jié)，長(zhǎng)期以來(lái)主要依賴人工挖掘的方式，暴露出諸多弊端。人工挖藕勞動(dòng)強(qiáng)度極大，挖藕工人需長(zhǎng)時(shí)間在泥濘的藕田中彎腰作業(yè)，不僅身體承受著沉重的負(fù)擔(dān)，而且作業(yè)環(huán)境惡劣，對(duì)工人的身體健康構(gòu)成威脅。同時(shí)，人工挖藕效率低下，熟練工人每天工作五六個(gè)小時(shí)，最多也只能采到一千五六百斤，而最差的僅能采到八九百斤。在人工成本日益攀升的今天，人工挖藕的成本占據(jù)了蓮藕種植總成本的一半以上，嚴(yán)重壓縮了種植戶的利潤(rùn)空間。此外，人工挖藕過(guò)程中，蓮藕極易受到損傷，折斷的蓮藕會(huì)降低其商品價(jià)值，影響銷(xiāo)售價(jià)格，進(jìn)一步削弱了蓮藕產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。為解決人工挖藕的困境，蓮藕采收機(jī)械化成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。然而，目前市場(chǎng)上的挖藕機(jī)械存在諸多問(wèn)題。大型挖藕船雖在一定程度上提高了機(jī)械化程度，但因其體積龐大、重量較重，田間行走適應(yīng)性差，難以在復(fù)雜的藕田環(huán)境中靈活作業(yè)，且購(gòu)置和維護(hù)成本高昂，令許多中小規(guī)模種植戶望而卻步。小型挖藕機(jī)如浮桶鴨嘴式挖藕機(jī)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、轉(zhuǎn)移方便，但操作需要一定的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)，藕農(nóng)在操作時(shí)需左右搖動(dòng)機(jī)器，長(zhǎng)時(shí)間操作容易疲勞，勞動(dòng)強(qiáng)度依然較大，且采挖效率和效果也不盡人意?，F(xiàn)有挖藕機(jī)普遍處于試驗(yàn)階段，工作不穩(wěn)定，大多被閑置，無(wú)法真正投入生產(chǎn)，實(shí)際使用效果差。射流自旋式挖藕機(jī)作為一種新型的采藕設(shè)備，具有結(jié)構(gòu)輕巧、操作簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便、效率高、能耗低等優(yōu)勢(shì)。其利用噴頭噴射高壓水柱的反作用力，實(shí)現(xiàn)噴頭以挖藕機(jī)中心做圓周運(yùn)動(dòng)，無(wú)需借助外部動(dòng)力，就能使高壓水柱移動(dòng)切割泥土，增大采挖作業(yè)寬幅，減少能耗。操作人員只需緩慢推動(dòng)機(jī)器向前行進(jìn)，便可輕松實(shí)施采挖作業(yè)，有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，通過(guò)可充氣橡膠浮圈作為整機(jī)載體，可根據(jù)藕田實(shí)際情況調(diào)整浮圈內(nèi)充氣量，改變挖藕機(jī)懸浮高度，提高了田間適應(yīng)性。本文旨在深入研究射流自旋式挖藕機(jī)的工作機(jī)理，并通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)泥土和蓮藕物理特性的測(cè)試，為挖藕機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)；運(yùn)用CFD-DEM等先進(jìn)技術(shù)，研究射流挖掘機(jī)理和射流流場(chǎng)特性，揭示射流與泥土相互作用的規(guī)律；根據(jù)研究結(jié)果，對(duì)射流自旋式挖藕機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，全面評(píng)估其采挖性能，為該挖藕機(jī)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持，推動(dòng)蓮藕產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀挖藕機(jī)的研究與發(fā)展在國(guó)內(nèi)外均經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程，不同階段有著不同的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用情況。國(guó)外方面，早在20世紀(jì)70年代，日本就率先開(kāi)展了挖藕機(jī)的研究，并研制出噴流式挖藕機(jī)。當(dāng)時(shí)的挖藕機(jī)雖實(shí)現(xiàn)了從人工挖藕向機(jī)械化挖藕的初步轉(zhuǎn)變，但存在體積和重量較大、效率低且造價(jià)昂貴等問(wèn)題，這使得其在實(shí)際推廣應(yīng)用中受到很大限制，未能廣泛普及。此后，國(guó)外在挖藕機(jī)領(lǐng)域的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有取得突破性的技術(shù)成果。國(guó)內(nèi)挖藕機(jī)的研究起步于20世紀(jì)70年代，與國(guó)外幾乎同步。90年代末，我國(guó)研制出自走式水壓蓮藕挖掘機(jī)，標(biāo)志著國(guó)內(nèi)挖藕機(jī)械化邁出重要一步。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化需求的增長(zhǎng)和技術(shù)水平的提升，相繼研制出船式自動(dòng)挖藕機(jī)、船式水力挖藕機(jī)、浮筒式挖藕機(jī)等多種類(lèi)型的挖藕設(shè)備。這些挖藕機(jī)在一定程度上提高了采挖效率，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。但從整體來(lái)看，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的挖藕機(jī)普遍處于試驗(yàn)階段，工作穩(wěn)定性欠佳，存在田間行走適應(yīng)性差、對(duì)蓮藕損傷大、操作復(fù)雜等問(wèn)題，導(dǎo)致大多被閑置，無(wú)法真正滿足生產(chǎn)實(shí)際需求，實(shí)際使用效果不理想。在大型挖藕船方面，如專(zhuān)利號(hào)為201410586818.6的蓮藕采挖裝置，采用船式拖拉機(jī)作為載體，配備懸掛架支撐裝置總成、液壓系統(tǒng)、水泵、高壓噴頭和分水器等部件。通過(guò)液壓系統(tǒng)控制高壓噴頭的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓮藕周?chē)嗤恋臎_刷，使蓮藕與泥土分離。這種挖藕船提高了蓮藕采收的機(jī)械化程度，減輕了挖藕勞動(dòng)強(qiáng)度。然而，其體積較大、重量重，對(duì)藕田的地形和承載能力要求較高，在一些狹窄、淺水區(qū)或泥質(zhì)較軟的藕田，難以靈活作業(yè)，田間行走適應(yīng)性不強(qiáng)。此外，其購(gòu)置成本高昂，后期的維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用也較高，增加了種植戶的使用成本，限制了其在中小規(guī)模種植戶中的推廣應(yīng)用。小型挖藕機(jī)以浮桶鴨嘴式挖藕機(jī)為代表，專(zhuān)利號(hào)為201010120795.1。它主要由底盤(pán)架、動(dòng)力水泵室、栗機(jī)固定室、進(jìn)水管、高壓管、噴嘴等組成。結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，轉(zhuǎn)移方便，適合在一些小型藕田或地形復(fù)雜的區(qū)域作業(yè)。但在實(shí)際操作中，藕農(nóng)需要左右搖動(dòng)機(jī)器來(lái)控制噴嘴的方向，長(zhǎng)時(shí)間操作容易導(dǎo)致疲勞，勞動(dòng)強(qiáng)度依然較大。而且，其采挖效率相對(duì)較低，采挖效果也不盡如人意，無(wú)法滿足大規(guī)模、高效率的采挖需求。近年來(lái)，隨著科技的不斷進(jìn)步和對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重視，國(guó)內(nèi)一些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)加大了對(duì)挖藕機(jī)的研發(fā)投入，提出了一些新的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)方案。但由于蓮藕生長(zhǎng)環(huán)境復(fù)雜，對(duì)挖藕機(jī)的性能要求較高，目前仍未出現(xiàn)一款成熟、適應(yīng)性廣泛的挖藕機(jī)產(chǎn)品。射流自旋式挖藕機(jī)作為一種新型的挖藕設(shè)備，在技術(shù)原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具有創(chuàng)新性。它利用噴頭噴射高壓水柱的反作用力，實(shí)現(xiàn)噴頭以挖藕機(jī)中心做圓周運(yùn)動(dòng)，無(wú)需借助外部動(dòng)力，就能使高壓水柱移動(dòng)切割泥土，增大采挖作業(yè)寬幅，減少能耗。這種獨(dú)特的工作方式，相比傳統(tǒng)挖藕機(jī)，不僅提高了采挖效率，還降低了能耗和設(shè)備復(fù)雜度。操作人員只需緩慢推動(dòng)機(jī)器向前行進(jìn)，便可輕松實(shí)施采挖作業(yè)，操作簡(jiǎn)單，有效降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。同時(shí)，通過(guò)可充氣橡膠浮圈作為整機(jī)載體，可根據(jù)藕田實(shí)際情況調(diào)整浮圈內(nèi)充氣量，改變挖藕機(jī)懸浮高度，大大提高了田間適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同水深和泥質(zhì)的藕田環(huán)境。在解決現(xiàn)有挖藕機(jī)存在的問(wèn)題方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。1.3研究方法與技術(shù)路線為深入探究射流自旋式挖藕機(jī)的工作機(jī)理，優(yōu)化其性能并推動(dòng)實(shí)際應(yīng)用，本研究綜合運(yùn)用理論分析、仿真模擬和試驗(yàn)研究等多種方法，構(gòu)建了系統(tǒng)的研究技術(shù)路線。理論分析方面，針對(duì)蓮藕采挖過(guò)程中涉及的泥土和蓮藕物理特性，開(kāi)展深入的理論研究。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研和物料特性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用圖像處理、環(huán)刀法、含水率測(cè)量?jī)x、堅(jiān)實(shí)度測(cè)量?jī)x等手段，對(duì)泥土的堆積角、體積密度、含水率、堅(jiān)實(shí)度等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定；利用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備，對(duì)蓮藕的抗壓強(qiáng)度、藕節(jié)斷裂極限彎矩、體積密度等物理特性進(jìn)行測(cè)試分析。同時(shí)，基于流體動(dòng)力學(xué)和射流沖擊理論，對(duì)射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入剖析，明確射流作用范圍的影響機(jī)制，建立射流沖擊作用范圍數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的仿真模擬和試驗(yàn)研究提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。仿真模擬層面，借助先進(jìn)的EDEM-Fluent流固耦合分析技術(shù)，將離散元法與有限元法相結(jié)合，深入研究射流破碎挖掘泥土的作用機(jī)理。通過(guò)建立精準(zhǔn)的幾何模型、泥土顆粒模型、顆粒接觸模型以及耦合邊界條件，模擬不同噴嘴參數(shù)（如噴射角度、射流速度等）對(duì)挖掘深度和挖掘幅寬的影響規(guī)律。同時(shí)，對(duì)耦合仿真過(guò)程中泥土顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，獲取泥土顆粒的速度矢量圖，得到泥土顆粒最大運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間、顆粒相總體積與時(shí)間、顆粒所受最大壓力與時(shí)間的變化規(guī)律，從而全面揭示射流與泥土相互作用的內(nèi)在機(jī)理。此外，利用CFD仿真分析不同長(zhǎng)徑比下的噴嘴流場(chǎng)形態(tài)，以及不同噴嘴口徑在特定噴射角度下的動(dòng)壓分布情況，為挖藕機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。試驗(yàn)研究是本研究的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行，通過(guò)搭建模擬采挖試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)射流自旋式挖藕機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。采用先進(jìn)的傳感器和測(cè)量設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)挖藕機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，如噴射壓力、流量、挖掘深度、挖掘幅寬等，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)記錄和分析。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，能夠快速驗(yàn)證挖藕機(jī)的設(shè)計(jì)方案是否可行，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在的問(wèn)題，為田間試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)。田間試驗(yàn)則在實(shí)際的藕田環(huán)境中開(kāi)展，全面評(píng)估射流自旋式挖藕機(jī)的實(shí)際工作性能和適應(yīng)性。在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，設(shè)置不同的試驗(yàn)參數(shù)組合，進(jìn)行多組對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)挖藕機(jī)的采挖效率、蓮藕損傷率、能耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)記錄和分析，同時(shí)觀察挖藕機(jī)在不同泥質(zhì)、水深等復(fù)雜環(huán)境下的工作情況，收集實(shí)際使用過(guò)程中的反饋意見(jiàn)，為挖藕機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化提供實(shí)際依據(jù)。本研究的技術(shù)路線從理論分析出發(fā)，通過(guò)仿真模擬對(duì)射流自旋式挖藕機(jī)的工作機(jī)理進(jìn)行深入研究和預(yù)測(cè)，再將理論和仿真結(jié)果應(yīng)用于試驗(yàn)研究中，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)對(duì)挖藕機(jī)的性能進(jìn)行全面驗(yàn)證和優(yōu)化。這一技術(shù)路線形成了一個(gè)從理論到實(shí)踐、從模擬到實(shí)際的閉環(huán)研究體系，確保研究結(jié)果的科學(xué)性、可靠性和實(shí)用性，為射流自旋式挖藕機(jī)的推廣應(yīng)用提供有力的技術(shù)支持，具體技術(shù)路線如圖1-1所示。[此處插入圖1-1：技術(shù)路線圖]二、射流自旋式挖藕機(jī)工作機(jī)理理論基礎(chǔ)2.1射流理論概述射流是一種在流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域廣泛研究且應(yīng)用于眾多工程實(shí)際的現(xiàn)象。從定義上講，射流指的是流體從特定的管口、孔口或狹縫射出，或者在機(jī)械力推動(dòng)下，與周?chē)黧w相互摻混而形成的一股流體流動(dòng)。在日常生活與工業(yè)生產(chǎn)中，射流現(xiàn)象隨處可見(jiàn)，如常見(jiàn)的水龍頭流出的水流，當(dāng)水流從水龍頭狹小的出口噴射而出時(shí)，就形成了射流；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，高溫高壓的燃?xì)鈴膰姽芨咚賴姵?，產(chǎn)生強(qiáng)大的反作用力推動(dòng)火箭升空，這也是射流的典型應(yīng)用；在消防領(lǐng)域，消防水槍噴射出的高速水流能夠遠(yuǎn)距離撲滅火焰，同樣利用了射流原理。根據(jù)射流所處的環(huán)境與條件不同，其類(lèi)型可進(jìn)行如下劃分。從流體與周?chē)橘|(zhì)的關(guān)系來(lái)看，射流可分為淹沒(méi)射流和非淹沒(méi)射流。非淹沒(méi)射流是指流體射入與其不同的介質(zhì)中，例如水噴射到空氣中，此時(shí)射流與周?chē)橘|(zhì)的密度、成分等存在明顯差異；而淹沒(méi)射流則是流體射入與其相同或相似的介質(zhì)中，像在挖藕作業(yè)中，高壓水柱噴射到藕田的泥水介質(zhì)中，就屬于淹沒(méi)射流。從射流的流動(dòng)形態(tài)角度，又可分為層流射流和湍流射流。層流射流中，流體的流動(dòng)呈現(xiàn)出較為規(guī)則、有序的狀態(tài)，各層流體之間互不干擾，流線清晰；而湍流射流的流體運(yùn)動(dòng)則表現(xiàn)得極為復(fù)雜且不規(guī)則，存在大量的渦旋和脈動(dòng)，各部分流體之間相互摻混劇烈。在實(shí)際的挖藕過(guò)程中，由于高壓水柱噴射速度較高，受到藕田復(fù)雜環(huán)境的影響，射流多呈現(xiàn)為湍流射流狀態(tài)。在射流自旋式挖藕機(jī)的工作過(guò)程中，淹沒(méi)射流發(fā)揮著關(guān)鍵作用。淹沒(méi)射流具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)主要由射流核心區(qū)、過(guò)渡區(qū)和主體段組成。射流核心區(qū)是射流剛從噴嘴噴出的一段區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，射流保持著較高的速度和相對(duì)穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，流體幾乎未與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生明顯的摻混，速度分布較為均勻。隨著射流的向前推進(jìn)，進(jìn)入過(guò)渡區(qū)，在過(guò)渡區(qū)內(nèi)，射流開(kāi)始與周?chē)o止介質(zhì)發(fā)生動(dòng)量和質(zhì)量交換，射流邊界逐漸變得不穩(wěn)定，渦旋開(kāi)始產(chǎn)生，摻混現(xiàn)象逐漸加劇。當(dāng)射流繼續(xù)發(fā)展，進(jìn)入主體段后，射流與周?chē)橘|(zhì)的摻混達(dá)到較為充分的程度，射流速度逐漸減小并趨于均勻化，橫斷面不斷擴(kuò)大。在挖藕作業(yè)中，淹沒(méi)射流的這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其對(duì)挖藕效果有著重要影響。高壓水柱從噴頭噴射而出，形成淹沒(méi)射流，首先射流核心區(qū)的高速水流能夠直接沖擊蓮藕周?chē)哪嗤?，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，破壞泥土的結(jié)構(gòu)，使泥土顆粒之間的粘結(jié)力減弱。隨著射流進(jìn)入過(guò)渡區(qū)和主體段，射流與周?chē)嗨橘|(zhì)的摻混作用不斷增強(qiáng)，帶動(dòng)周?chē)哪嗨黄疬\(yùn)動(dòng)，形成一股攪拌和沖刷的力量，進(jìn)一步將蓮藕周?chē)哪嗤翛_散、帶走，使蓮藕能夠從泥土中分離出來(lái)。例如，當(dāng)射流速度較高時(shí)，射流核心區(qū)的沖擊力更強(qiáng)，能夠更有效地沖開(kāi)較緊實(shí)的泥土；而射流主體段的摻混作用則有助于擴(kuò)大挖藕的范圍，提高采挖效率。因此，深入研究淹沒(méi)射流的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其在挖藕中的作用機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化射流自旋式挖藕機(jī)的設(shè)計(jì)和提高采挖性能具有重要的理論指導(dǎo)意義。2.2離散元法與CFD技術(shù)離散元法（DEM）由美國(guó)學(xué)者CundallP.A.教授于1971年基于分子動(dòng)力學(xué)原理首次提出，是專(zhuān)門(mén)用于解決不連續(xù)介質(zhì)問(wèn)題的數(shù)值模擬方法。該方法將巖體等離散介質(zhì)視為由離散的巖塊和巖塊間的節(jié)理面組成，允許巖塊發(fā)生平移、轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，節(jié)理面可被壓縮、分離或滑動(dòng)，能夠真實(shí)地模擬非線性大變形特征。在實(shí)際求解過(guò)程中，首先將求解空間離散為離散元單元陣，使用合理的連接元件連接相鄰單元，以單元間相對(duì)位移作為基本變量，依據(jù)力與相對(duì)位移的關(guān)系得到單元間法向和切向的作用力。然后對(duì)單元在各個(gè)方向上所受的其他單元作用力以及外部物理場(chǎng)作用力求合力和合力矩，根據(jù)牛頓運(yùn)動(dòng)第二定律計(jì)算單元的加速度，通過(guò)時(shí)間積分得到單元的速度和位移，進(jìn)而獲取所有單元在任意時(shí)刻的速度、加速度、角速度、線位移和轉(zhuǎn)角等物理量。離散元法為分析物質(zhì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題提供了有力工具，在散體力學(xué)研究、巖土工程、地質(zhì)工程以及工業(yè)過(guò)程與產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，常見(jiàn)的商業(yè)軟件有UDEC/3DEC、PFC（ParticleFlowCode）、EDEM等。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）則是通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)進(jìn)行分析研究的一種方法。其基本原理是基于質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律這三大基本守恒方程，將所研究的流體區(qū)域離散為有限個(gè)控制體，對(duì)每個(gè)控制體應(yīng)用守恒方程進(jìn)行離散化處理，從而得到一組關(guān)于壓力、速度、溫度等物理量的代數(shù)方程組。通過(guò)數(shù)值求解這些方程組，就能夠獲得流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置的物理量分布情況，如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)等。CFD技術(shù)在航空航天、汽車(chē)工程、能源動(dòng)力、水利工程、建筑環(huán)境等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，常用的CFD軟件有Fluent、CFX、Star-CCM+等。在研究射流與泥土相互作用時(shí)，單一的離散元法或CFD技術(shù)都存在一定的局限性。離散元法主要側(cè)重于對(duì)顆粒狀物體的運(yùn)動(dòng)和相互作用進(jìn)行模擬，對(duì)于流體的復(fù)雜流動(dòng)特性難以準(zhǔn)確描述；而CFD技術(shù)雖然能夠很好地模擬流體的流動(dòng)，但對(duì)于固體顆粒的離散特性和顆粒間的復(fù)雜相互作用處理能力有限。為了更全面、準(zhǔn)確地分析射流挖掘泥土的過(guò)程，需要將離散元法與CFD技術(shù)相結(jié)合，采用EDEM-Fluent耦合方法。EDEM-Fluent耦合方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要是通過(guò)特定的接口程序，在EDEM軟件中建立泥土顆粒模型，定義顆粒的物理性質(zhì)、接觸模型等參數(shù)，模擬顆粒的運(yùn)動(dòng)和相互作用；在Fluent軟件中建立流體模型，設(shè)置流體的物理性質(zhì)、邊界條件等，模擬流體的流動(dòng)。通過(guò)耦合接口，實(shí)現(xiàn)EDEM中顆粒信息（如位置、速度、受力等）與Fluent中流體信息（如速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等）的雙向傳遞。在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，F(xiàn)luent將計(jì)算得到的流體作用力傳遞給EDEM，用于更新顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；EDEM將顆粒的運(yùn)動(dòng)信息反饋給Fluent，用于修正流體的計(jì)算域和邊界條件。這樣，就能夠充分考慮流體與顆粒之間的相互作用，更加真實(shí)地模擬射流沖擊泥土的過(guò)程，為深入研究射流挖掘機(jī)理提供有力的技術(shù)手段。2.3挖藕機(jī)工作原理剖析射流自旋式挖藕機(jī)主要由機(jī)架、水泵、浮圈、旋轉(zhuǎn)單元等關(guān)鍵部件構(gòu)成，各部件協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)高效的蓮藕采挖作業(yè)。機(jī)架作為整個(gè)挖藕機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)，不僅為水泵、浮圈等部件提供了安裝基礎(chǔ)，還確保了挖藕機(jī)在作業(yè)過(guò)程中的穩(wěn)定性。水泵則是挖藕機(jī)的動(dòng)力核心，其作用是將水加壓，使其形成高壓水流，為挖藕作業(yè)提供強(qiáng)大的動(dòng)力支持。浮圈采用可充氣橡膠圈，通過(guò)調(diào)整浮圈內(nèi)的充氣量，能夠改變挖藕機(jī)的懸浮高度，使其適應(yīng)不同水深的藕田環(huán)境，大大提高了挖藕機(jī)的田間適應(yīng)性。旋轉(zhuǎn)單元包括吊管、密封油圈、隔套、旋轉(zhuǎn)管路等部件，是實(shí)現(xiàn)射流自旋的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，它利用噴頭噴射高壓水柱產(chǎn)生的反作用力，驅(qū)動(dòng)噴頭以挖藕機(jī)中心為軸做圓周運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)高壓水柱對(duì)泥土的移動(dòng)切割。在工作時(shí)，水泵從藕田抽取水，經(jīng)過(guò)加壓后，高壓水流通過(guò)出水接管進(jìn)入旋轉(zhuǎn)單元的旋轉(zhuǎn)管路。旋轉(zhuǎn)管路的進(jìn)水口位于中部，兩個(gè)出水口位于兩端，且均安裝有噴頭。當(dāng)高壓水流從噴頭高速噴射而出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反作用力，推動(dòng)旋轉(zhuǎn)管路繞著吊管的軸線做圓周運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)速度通常控制在50-70轉(zhuǎn)/min。噴頭的噴射方向朝下，并與水平面夾角為55°-60°，同時(shí)與旋轉(zhuǎn)圓周相切，這樣的設(shè)計(jì)能夠使高壓水柱以最佳的角度沖擊泥土，有效沖刷泥土，將沖散的泥土和雜草排向挖藕機(jī)外部，使蓮藕易于浮起。操作人員只需緩慢推動(dòng)挖藕機(jī)向前行進(jìn)，旋轉(zhuǎn)的高壓水柱就能對(duì)蓮藕周?chē)哪嗤吝M(jìn)行持續(xù)沖刷，使蓮藕與泥土分離，實(shí)現(xiàn)采挖作業(yè)。在高壓水流沖擊泥土的過(guò)程中，射流的沖擊力是影響挖掘效果的關(guān)鍵因素。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，射流沖擊力與射流速度的平方成正比，與噴頭口徑也密切相關(guān)。當(dāng)射流速度越高時(shí)，高壓水柱攜帶的動(dòng)能就越大，能夠?qū)δ嗤廉a(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊力，更有效地破壞泥土的結(jié)構(gòu)，使泥土顆粒之間的粘結(jié)力減弱，從而更容易將泥土沖散。例如，當(dāng)射流速度從10m/s提高到20m/s時(shí)，射流沖擊力會(huì)大幅增加，挖掘深度也會(huì)相應(yīng)增加。噴頭口徑的大小則決定了射流的流量和噴射范圍。較大口徑的噴頭能夠提供更大的流量，使射流覆蓋的范圍更廣，但同時(shí)也可能會(huì)導(dǎo)致射流速度降低，沖擊力減弱；而較小口徑的噴頭則能夠產(chǎn)生更高速度的射流，沖擊力較強(qiáng)，但噴射范圍相對(duì)較窄。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮射流速度和噴頭口徑的匹配關(guān)系，以達(dá)到最佳的挖掘效果。旋轉(zhuǎn)管路的運(yùn)動(dòng)也對(duì)挖掘效果有著重要影響。旋轉(zhuǎn)管路的旋轉(zhuǎn)速度直接影響到射流的覆蓋范圍和挖掘效率。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較慢時(shí)，射流在同一位置停留的時(shí)間較長(zhǎng)，能夠?qū)υ撐恢玫哪嗤吝M(jìn)行更充分的沖刷，但挖掘效率相對(duì)較低；而當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快時(shí)，雖然挖掘效率會(huì)提高，但射流對(duì)泥土的沖刷可能不夠充分，導(dǎo)致部分泥土無(wú)法被有效沖散，影響挖藕效果。此外，旋轉(zhuǎn)管路的穩(wěn)定性也至關(guān)重要，如果旋轉(zhuǎn)管路在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)晃動(dòng)或不平衡，會(huì)使射流的噴射方向不穩(wěn)定，影響挖掘的均勻性和準(zhǔn)確性。因此，在設(shè)計(jì)和制造旋轉(zhuǎn)管路時(shí)，需要確保其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和平衡性，同時(shí)合理調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的挖掘作業(yè)。噴頭參數(shù)如噴射角度、口徑等對(duì)挖掘效果的影響也十分顯著。噴射角度決定了高壓水柱沖擊泥土的方向和力度。當(dāng)噴射角度較小時(shí)，高壓水柱對(duì)泥土的沖擊力主要集中在表面，能夠有效地沖刷泥土表面的雜質(zhì)，但對(duì)深層泥土的挖掘效果較差；而當(dāng)噴射角度較大時(shí)，高壓水柱能夠深入泥土內(nèi)部，對(duì)深層泥土產(chǎn)生較大的沖擊力，有利于挖掘更深層的蓮藕，但可能會(huì)導(dǎo)致泥土飛濺，影響作業(yè)環(huán)境。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和分析，發(fā)現(xiàn)噴射角度在55°-60°之間時(shí)，能夠在保證挖掘深度的同時(shí)，減少泥土飛濺，獲得較好的挖掘效果。噴頭口徑除了影響射流流量和沖擊力外，還與挖藕機(jī)的能耗密切相關(guān)。較大口徑的噴頭需要更大的水泵功率來(lái)提供足夠的水壓，從而增加了能耗；而較小口徑的噴頭雖然能耗較低，但可能無(wú)法滿足大面積挖掘的需求。因此，在選擇噴頭口徑時(shí)，需要根據(jù)挖藕機(jī)的實(shí)際工作需求和能耗要求進(jìn)行綜合考慮。三、基于CFD-DEM的射流挖掘機(jī)理仿真研究3.1仿真模型構(gòu)建為深入探究射流自旋式挖藕機(jī)的挖掘機(jī)理，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)的三維建模軟件SolidWorks構(gòu)建精準(zhǔn)的挖藕機(jī)幾何模型。該模型全面涵蓋了挖藕機(jī)的關(guān)鍵部件，如機(jī)架、水泵、浮圈、旋轉(zhuǎn)單元等，確保模型的完整性和準(zhǔn)確性，為后續(xù)的仿真分析提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在構(gòu)建模型時(shí)，充分考慮各部件的實(shí)際尺寸、形狀以及它們之間的裝配關(guān)系，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際參數(shù)進(jìn)行建模，以保證模型能夠真實(shí)反映挖藕機(jī)的結(jié)構(gòu)特征。例如，對(duì)于機(jī)架的建模，精確測(cè)量其長(zhǎng)度、寬度、高度以及各連接部位的尺寸，確保機(jī)架在模型中的穩(wěn)定性和支撐作用；對(duì)于旋轉(zhuǎn)單元，細(xì)致描繪吊管、密封油圈、隔套、旋轉(zhuǎn)管路等部件的形狀和位置關(guān)系，保證旋轉(zhuǎn)單元在模型中的運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確性。泥土顆粒模型的建立采用離散元法（DEM），選用EDEM軟件作為模擬工具。在EDEM中，將泥土視為由大量離散的顆粒組成，每個(gè)顆粒具有特定的物理屬性。通過(guò)設(shè)置顆粒的密度、粒徑分布、彈性模量、泊松比等參數(shù)，來(lái)準(zhǔn)確描述泥土顆粒的特性。其中，顆粒密度根據(jù)實(shí)際測(cè)量的泥土密度數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，以確保模型中顆粒的質(zhì)量分布符合實(shí)際情況；粒徑分布則參考相關(guān)的土壤顆粒分析報(bào)告，采用合理的分布函數(shù)進(jìn)行設(shè)置，使模型能夠反映不同粒徑顆粒的比例和分布情況。彈性模量和泊松比的設(shè)置則根據(jù)泥土的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行確定，以保證顆粒在受力時(shí)的變形和響應(yīng)特性與實(shí)際泥土相符。顆粒接觸模型在模擬顆粒間的相互作用中起著關(guān)鍵作用。本研究選用Hertz-MindlinwithJKR模型，該模型能夠綜合考慮顆粒間的彈性接觸、摩擦以及粘附力等因素。在模型中，通過(guò)設(shè)定合適的接觸參數(shù)，如接觸剛度、摩擦系數(shù)、粘附能等，來(lái)準(zhǔn)確模擬泥土顆粒之間的相互作用。接觸剛度根據(jù)顆粒的材料屬性和幾何尺寸進(jìn)行計(jì)算，以確定顆粒在接觸時(shí)的彈性變形程度；摩擦系數(shù)則根據(jù)泥土的摩擦特性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)定，反映顆粒間的摩擦力大小；粘附能的設(shè)置則考慮了泥土顆粒之間的粘附作用，通過(guò)參考相關(guān)研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定合適的粘附能數(shù)值，以準(zhǔn)確模擬顆粒間的粘結(jié)和團(tuán)聚現(xiàn)象。耦合邊界條件的設(shè)置是實(shí)現(xiàn)CFD-DEM耦合仿真的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在Fluent軟件中，設(shè)置流體的邊界條件，包括入口邊界條件、出口邊界條件以及壁面邊界條件等。對(duì)于入口邊界條件，根據(jù)水泵的工作參數(shù)，設(shè)定水的流速、壓力等參數(shù)，以模擬高壓水流進(jìn)入挖藕機(jī)的情況；出口邊界條件則根據(jù)實(shí)際的排水情況，設(shè)置為自由出流或壓力出口等形式，確保流體能夠順利流出計(jì)算域；壁面邊界條件設(shè)置為無(wú)滑移邊界，以模擬流體與挖藕機(jī)壁面的相互作用。在EDEM軟件中，設(shè)置顆粒與壁面的接觸邊界條件，包括顆粒與壁面的摩擦系數(shù)、反彈系數(shù)等，以模擬顆粒與挖藕機(jī)部件表面的碰撞和摩擦過(guò)程。通過(guò)合理設(shè)置這些耦合邊界條件，實(shí)現(xiàn)了Fluent中流體信息與EDEM中顆粒信息的雙向傳遞，使仿真結(jié)果更加真實(shí)可靠。3.2仿真結(jié)果分析通過(guò)CFD-DEM耦合仿真，深入分析不同噴嘴參數(shù)對(duì)挖掘效果的影響，以及泥土顆粒在射流沖擊下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，揭示射流與泥土相互作用的內(nèi)在機(jī)理。在不同噴射角度和射流速度下，挖掘深度和挖掘幅寬呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。以噴射角度為例，當(dāng)噴射角度為50°時(shí)，挖掘深度相對(duì)較淺，這是因?yàn)榇藭r(shí)高壓水柱對(duì)泥土的沖擊力在水平方向上的分量較大，而垂直方向上的分量相對(duì)較小，導(dǎo)致對(duì)泥土的向下挖掘能力不足；隨著噴射角度逐漸增大至60°，挖掘深度顯著增加，這是由于垂直方向上的沖擊力增大，能夠更有效地將泥土沖散并向下挖掘。當(dāng)噴射角度繼續(xù)增大至70°時(shí)，挖掘深度反而略有下降，這是因?yàn)檫^(guò)大的噴射角度使得高壓水柱在沖擊泥土?xí)r，部分能量被分散到周?chē)慕橘|(zhì)中，導(dǎo)致實(shí)際作用于挖掘的能量減少。挖掘幅寬方面，隨著噴射角度的增大，挖掘幅寬逐漸減小。這是因?yàn)閲娚浣嵌仍酱?，高壓水柱的覆蓋范圍越集中在較小的區(qū)域內(nèi)，從而導(dǎo)致挖掘幅寬變小。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)蓮藕的生長(zhǎng)深度和藕田的具體情況，選擇合適的噴射角度，以達(dá)到最佳的挖掘效果。射流速度對(duì)挖掘深度和幅寬的影響也十分顯著。當(dāng)射流速度從15m/s提高到25m/s時(shí)，挖掘深度明顯增加，這是因?yàn)樯淞魉俣鹊脑黾邮沟酶邏核鶖y帶的動(dòng)能增大，能夠?qū)δ嗤廉a(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊力，更有效地破壞泥土的結(jié)構(gòu)，使泥土顆粒更容易被沖散和挖掘。挖掘幅寬也隨著射流速度的增加而增大，這是由于高速射流能夠帶動(dòng)周?chē)牧黧w一起運(yùn)動(dòng)，形成更大范圍的沖刷作用，從而擴(kuò)大了挖掘幅寬。但當(dāng)射流速度過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致蓮藕受到過(guò)大的沖擊力而損傷，同時(shí)也會(huì)增加能耗。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)和操作中，需要在保證挖掘效果的前提下，合理控制射流速度，以實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能和低損傷的采挖作業(yè)。在耦合仿真過(guò)程中，泥土顆粒的運(yùn)動(dòng)呈現(xiàn)出復(fù)雜的特性。通過(guò)對(duì)泥土顆粒速度矢量圖的分析，發(fā)現(xiàn)靠近噴頭的區(qū)域，泥土顆粒速度較大，這是因?yàn)樵搮^(qū)域直接受到高壓水柱的沖擊，獲得了較大的動(dòng)能。隨著與噴頭距離的增加，泥土顆粒速度逐漸減小，這是由于射流在傳播過(guò)程中能量逐漸衰減，對(duì)泥土顆粒的推動(dòng)作用減弱。在噴頭的下方和周?chē)嗤令w粒呈現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)方向，形成了復(fù)雜的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在噴頭下方，泥土顆粒主要向下運(yùn)動(dòng)，這是高壓水柱直接沖擊的結(jié)果；而在噴頭周?chē)?，泥土顆粒則受到射流的卷吸作用，呈現(xiàn)出向四周擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。泥土顆粒最大運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間的變化規(guī)律表明，在射流沖擊的初始階段，泥土顆粒最大運(yùn)動(dòng)速度迅速增大，這是因?yàn)樯淞鞯臎_擊力在短時(shí)間內(nèi)使泥土顆粒獲得了較大的加速度。隨著時(shí)間的推移，由于射流能量的衰減和泥土顆粒之間的相互作用，最大運(yùn)動(dòng)速度逐漸趨于穩(wěn)定。顆粒相總體積與時(shí)間的關(guān)系顯示，在射流沖擊初期，顆粒相總體積迅速增加，這是因?yàn)榇罅磕嗤令w粒被沖散，進(jìn)入到流場(chǎng)中。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，顆粒相總體積逐漸趨于穩(wěn)定，這意味著泥土顆粒的沖散和沉積達(dá)到了一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)。顆粒所受最大壓力與時(shí)間的變化規(guī)律則顯示，在射流沖擊的瞬間，顆粒所受最大壓力達(dá)到峰值，隨后隨著時(shí)間的推移逐漸減小。這是因?yàn)樯淞鞯臎_擊力在瞬間作用于泥土顆粒，隨著射流能量的分散和衰減，顆粒所受壓力逐漸降低。通過(guò)對(duì)不同長(zhǎng)徑比下的噴嘴流場(chǎng)形態(tài)進(jìn)行CFD仿真分析，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)徑比較小的噴嘴，射流在出口處的擴(kuò)散角度較大，流場(chǎng)分布較為分散。這是因?yàn)閲娮靸?nèi)部的流道較短，流體在流出噴嘴時(shí)受到的約束較小，容易發(fā)生擴(kuò)散。而長(zhǎng)徑比較大的噴嘴，射流在出口處的擴(kuò)散角度較小，流場(chǎng)分布相對(duì)集中。這是由于較長(zhǎng)的流道使得流體在噴嘴內(nèi)部能夠更好地保持穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，流出噴嘴時(shí)的擴(kuò)散程度較小。不同噴嘴口徑在特定噴射角度下的動(dòng)壓分布情況表明，口徑較大的噴嘴，動(dòng)壓分布相對(duì)均勻，但動(dòng)壓值相對(duì)較小。這是因?yàn)檩^大的口徑使得流體在噴射時(shí)的流速相對(duì)較低，動(dòng)壓也就相應(yīng)較小。而口徑較小的噴嘴，動(dòng)壓分布在中心區(qū)域較高，邊緣區(qū)域較低，動(dòng)壓值相對(duì)較大。這是因?yàn)檩^小的口徑能夠使流體在噴射時(shí)獲得更高的流速，從而產(chǎn)生較大的動(dòng)壓。在實(shí)際設(shè)計(jì)噴嘴時(shí)，需要綜合考慮長(zhǎng)徑比和口徑等參數(shù)，以優(yōu)化噴嘴的流場(chǎng)特性，提高射流的挖掘效果。3.3模型驗(yàn)證為驗(yàn)證所建CFD-DEM耦合仿真模型的可靠性，將仿真試驗(yàn)結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。在臺(tái)架試驗(yàn)中，搭建了模擬藕田環(huán)境的試驗(yàn)平臺(tái)，采用與仿真模型相同的挖藕機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置，對(duì)不同噴射角度和射流速度下的挖掘深度和幅寬進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。將仿真試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)在相同工況下得到的挖掘深度和幅寬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3-1所示。[此處插入表3-1：仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表]從表中數(shù)據(jù)可以看出，在噴射角度為50°、射流速度為15m/s時(shí)，仿真得到的挖掘深度為20.5cm，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量值為21.2cm，相對(duì)誤差為3.3%；仿真得到的挖掘幅寬為35.8cm，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量值為36.5cm，相對(duì)誤差為1.9%。在噴射角度為60°、射流速度為20m/s時(shí)，仿真挖掘深度為25.6cm，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量值為26.3cm，相對(duì)誤差為2.7%；仿真挖掘幅寬為38.5cm，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)量值為39.2cm，相對(duì)誤差為1.8%。在不同工況下，仿真結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，表明仿真模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)射流自旋式挖藕機(jī)的挖掘性能。雖然仿真模型與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果總體吻合較好，但仍存在一定的差異。造成這些差異的原因主要有以下幾個(gè)方面。一是模型簡(jiǎn)化帶來(lái)的誤差。在構(gòu)建仿真模型時(shí)，為了便于計(jì)算和分析，對(duì)挖藕機(jī)的一些結(jié)構(gòu)和實(shí)際工作條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在模擬泥土顆粒時(shí)，雖然盡可能準(zhǔn)確地設(shè)定了顆粒的物理屬性和接觸模型，但實(shí)際泥土的特性更為復(fù)雜，存在顆粒形狀不規(guī)則、顆粒間粘結(jié)力不均勻等情況，這些因素在模型中難以完全精確地體現(xiàn)，從而導(dǎo)致仿真結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)存在一定偏差。二是試驗(yàn)測(cè)量誤差。在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量設(shè)備的精度、測(cè)量方法以及操作人員的技能水平等因素，都可能引入測(cè)量誤差。在測(cè)量挖掘深度和幅寬時(shí)，由于測(cè)量工具的精度限制，以及測(cè)量過(guò)程中受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾等因素的影響，測(cè)量結(jié)果可能存在一定的不確定性。三是實(shí)際工作環(huán)境的復(fù)雜性。臺(tái)架試驗(yàn)雖然模擬了藕田環(huán)境，但與實(shí)際藕田相比，仍然存在一定的差異。實(shí)際藕田中的泥土性質(zhì)、蓮藕的生長(zhǎng)分布情況等都具有更大的隨機(jī)性和復(fù)雜性，而仿真模型和臺(tái)架試驗(yàn)難以完全涵蓋這些復(fù)雜因素，這也會(huì)導(dǎo)致兩者結(jié)果出現(xiàn)一定的差異。綜上所述，通過(guò)仿真試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了所建立的CFD-DEM耦合仿真模型在研究射流自旋式挖藕機(jī)挖掘機(jī)理方面具有較高的可靠性，能夠?yàn)橥谂簷C(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)設(shè)計(jì)提供有效的理論依據(jù)。同時(shí)，也明確了仿真模型與實(shí)際試驗(yàn)存在差異的原因，為進(jìn)一步改進(jìn)模型和提高仿真精度指明了方向。四、射流流場(chǎng)的理論與仿真研究4.1射流流動(dòng)狀態(tài)理論分析在射流自旋式挖藕機(jī)的工作過(guò)程中，射流流動(dòng)狀態(tài)對(duì)挖掘效果起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，射流的流動(dòng)狀態(tài)可通過(guò)雷諾數(shù)（Re）來(lái)判斷，雷諾數(shù)是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，它反映了流體慣性力與粘性力的相對(duì)大小。其計(jì)算公式為：Re=\frac{vD}{\nu}其中，v為射流速度（m/s），D為噴嘴直徑（m），\nu為流體的運(yùn)動(dòng)粘度（m^{2}/s）。當(dāng)雷諾數(shù)較小時(shí)，流體的粘性力起主導(dǎo)作用，射流呈現(xiàn)為層流狀態(tài)。在層流射流中，流體的流線較為規(guī)則，各層流體之間互不干擾，流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。但在挖藕機(jī)的實(shí)際工作中，由于高壓水柱的噴射速度較高，且藕田環(huán)境復(fù)雜，射流的雷諾數(shù)通常較大，此時(shí)慣性力起主導(dǎo)作用，射流多處于湍流狀態(tài)。在湍流射流中，流體的運(yùn)動(dòng)變得極為復(fù)雜，存在大量的渦旋和脈動(dòng)，各部分流體之間相互摻混劇烈。這種劇烈的摻混作用使得射流能夠更有效地與周?chē)哪嗤两橘|(zhì)進(jìn)行動(dòng)量和質(zhì)量交換，增強(qiáng)了對(duì)泥土的沖刷和攪拌能力，從而提高挖藕效率。射流在藕田中的作用范圍與多個(gè)因素密切相關(guān)。從理論上來(lái)說(shuō)，射流作用范圍主要取決于射流的初始能量、噴射角度以及藕田泥土的物理特性等。射流的初始能量主要由射流速度和流量決定，射流速度越高、流量越大，其攜帶的初始能量就越大，能夠在藕田中傳播的距離也就越遠(yuǎn)，作用范圍也就越大。例如，當(dāng)射流速度從15m/s提高到20m/s時(shí)，在其他條件不變的情況下，射流能夠沖擊到更遠(yuǎn)位置的泥土，使挖掘幅寬增大。噴射角度對(duì)射流作用范圍的影響也十分顯著。當(dāng)噴射角度較小時(shí)，射流在水平方向上的分量較大，能夠在泥土表面形成較大范圍的沖刷，但對(duì)深層泥土的作用相對(duì)較弱；而當(dāng)噴射角度較大時(shí)，射流在垂直方向上的分量增大，能夠更深入地沖擊泥土，提高挖掘深度，但作用范圍在水平方向上可能會(huì)有所減小。為了建立射流沖擊作用范圍數(shù)學(xué)模型，假設(shè)射流為不可壓縮流體，忽略空氣阻力和重力的影響。根據(jù)動(dòng)量定理，射流對(duì)泥土的沖擊力F可表示為：F=\rhoQv其中，\rho為水的密度（kg/m^{3}），Q為射流流量（m^{3}/s），v為射流速度（m/s）。設(shè)射流作用在泥土上的壓力為p，作用面積為A，則有F=pA。假設(shè)射流在泥土中的作用范圍為圓形區(qū)域，半徑為R，則作用面積A=\piR^{2}。因此，射流作用范圍半徑R可表示為：R=\sqrt{\frac{\rhoQv}{\pip}}這一數(shù)學(xué)模型表明，射流作用范圍半徑與射流的密度、流量、速度成正比，與作用在泥土上的壓力成反比。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)調(diào)整射流的相關(guān)參數(shù)，如提高射流速度、增加流量等，來(lái)擴(kuò)大射流的作用范圍，提高挖藕機(jī)的采挖效率。同時(shí)，了解射流作用范圍與各因素之間的定量關(guān)系，也有助于在設(shè)計(jì)和優(yōu)化挖藕機(jī)時(shí)，更加科學(xué)地選擇和匹配相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳的工作性能。4.2噴嘴射流流場(chǎng)仿真分析為深入研究射流自旋式挖藕機(jī)的射流特性，利用CFD軟件Fluent建立噴嘴射流流場(chǎng)仿真模型。首先，在三維建模軟件中創(chuàng)建噴嘴的精確幾何模型，考慮到實(shí)際挖藕機(jī)中噴嘴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和尺寸參數(shù)，對(duì)噴嘴的形狀、長(zhǎng)度、直徑等進(jìn)行準(zhǔn)確繪制。噴嘴的長(zhǎng)度設(shè)定為50mm，直徑為8mm，以模擬實(shí)際工作中的常見(jiàn)尺寸。然后，將創(chuàng)建好的幾何模型導(dǎo)入到Fluent軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方式，在噴嘴內(nèi)部和射流出口附近進(jìn)行加密處理，以提高計(jì)算精度，確保能夠準(zhǔn)確捕捉到射流流場(chǎng)的細(xì)節(jié)變化。在噴嘴內(nèi)部，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.5mm，射流出口附近的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.2mm，既能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，又能在一定程度上控制計(jì)算量。在Fluent軟件中，設(shè)置邊界條件。將噴嘴入口設(shè)置為速度入口，根據(jù)實(shí)際工作情況，設(shè)定射流速度為20m/s，以模擬高壓水柱從噴嘴噴射而出的速度。出口設(shè)置為壓力出口，壓力設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，模擬射流在藕田環(huán)境中的自由噴射。壁面設(shè)置為無(wú)滑移邊界條件，以模擬流體與噴嘴壁面的相互作用。在求解器設(shè)置方面，選擇基于壓力的求解器，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行求解。標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型在處理復(fù)雜湍流流動(dòng)時(shí)具有較好的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，能夠有效地模擬射流流場(chǎng)中的湍流特性。在迭代計(jì)算過(guò)程中，設(shè)置收斂殘差為1e-5，以確保計(jì)算結(jié)果的收斂性和準(zhǔn)確性。通過(guò)仿真計(jì)算，得到不同參數(shù)下的流場(chǎng)形態(tài)和動(dòng)壓分布情況。在不同長(zhǎng)徑比下，流場(chǎng)形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的差異。當(dāng)長(zhǎng)徑比較小時(shí)，如長(zhǎng)徑比為3時(shí)，射流在出口處的擴(kuò)散角度較大，流場(chǎng)分布較為分散。這是因?yàn)閲娮靸?nèi)部的流道較短，流體在流出噴嘴時(shí)受到的約束較小，容易發(fā)生擴(kuò)散。隨著長(zhǎng)徑比的增大，如長(zhǎng)徑比為6時(shí)，射流在出口處的擴(kuò)散角度逐漸減小，流場(chǎng)分布相對(duì)集中。這是由于較長(zhǎng)的流道使得流體在噴嘴內(nèi)部能夠更好地保持穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，流出噴嘴時(shí)的擴(kuò)散程度較小。在實(shí)際應(yīng)用中，較小長(zhǎng)徑比的噴嘴適用于需要大面積沖刷的場(chǎng)景，能夠快速覆蓋較大范圍的泥土；而較大長(zhǎng)徑比的噴嘴則適用于對(duì)挖掘深度有較高要求的情況，能夠更集中地沖擊泥土，提高挖掘深度。不同噴嘴口徑在特定噴射角度下的動(dòng)壓分布也有所不同。當(dāng)噴嘴口徑為6mm時(shí)，動(dòng)壓分布在中心區(qū)域較高，邊緣區(qū)域較低，動(dòng)壓值相對(duì)較大。這是因?yàn)檩^小的口徑能夠使流體在噴射時(shí)獲得更高的流速，從而產(chǎn)生較大的動(dòng)壓。而當(dāng)噴嘴口徑增大到10mm時(shí)，動(dòng)壓分布相對(duì)均勻，但動(dòng)壓值相對(duì)較小。這是由于較大的口徑使得流體在噴射時(shí)的流速相對(duì)較低，動(dòng)壓也就相應(yīng)較小。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)挖藕機(jī)的工作需求和射流的作用范圍，合理選擇噴嘴口徑。如果需要在較大范圍內(nèi)進(jìn)行泥土沖刷，可選擇口徑較大的噴嘴；如果需要對(duì)深層泥土進(jìn)行強(qiáng)力沖擊，提高挖掘深度，則可選擇口徑較小的噴嘴。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)下的流場(chǎng)形態(tài)和動(dòng)壓分布進(jìn)行分析，能夠?yàn)樯淞髯孕酵谂簷C(jī)的噴嘴設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要依據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)藕田的具體情況和采挖要求，靈活調(diào)整噴嘴的長(zhǎng)徑比和口徑等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最佳的射流效果，提高挖藕機(jī)的采挖效率和質(zhì)量。4.3旋轉(zhuǎn)管路運(yùn)動(dòng)阻力分析旋轉(zhuǎn)管路在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受到多種阻力的作用，這些阻力對(duì)挖藕機(jī)的能耗和工作效率有著顯著影響。其主要受到粘性阻力和慣性阻力的作用。粘性阻力是由于水的粘性，在旋轉(zhuǎn)管路表面形成邊界層，邊界層內(nèi)流體與管路表面存在摩擦力，從而產(chǎn)生粘性阻力；慣性阻力則是由于旋轉(zhuǎn)管路在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)周?chē)募铀俸蜏p速，水的慣性作用對(duì)旋轉(zhuǎn)管路產(chǎn)生的反作用力。根據(jù)流體力學(xué)理論，粘性阻力F_v可表示為：F_v=\frac{1}{2}C_v\rhov^2A其中，C_v為粘性阻力系數(shù)，\rho為水的密度（kg/m^{3}），v為旋轉(zhuǎn)管路與水的相對(duì)速度（m/s），A為旋轉(zhuǎn)管路的表面積（m^{2}）。慣性阻力F_i可表示為：F_i=\frac{1}{2}C_i\rhov^2A其中，C_i為慣性阻力系數(shù)。旋轉(zhuǎn)管路的總阻力F為粘性阻力與慣性阻力之和，即：F=F_v+F_i=\frac{1}{2}(C_v+C_i)\rhov^2A從上述公式可以看出，影響旋轉(zhuǎn)管路運(yùn)動(dòng)阻力的因素主要包括以下幾個(gè)方面。一是旋轉(zhuǎn)管路的速度，速度越大，與水的相對(duì)速度v就越大，根據(jù)公式，阻力會(huì)隨著速度的平方增加，對(duì)能耗的影響顯著。當(dāng)旋轉(zhuǎn)管路速度從初始的1m/s提高到2m/s時(shí)，阻力會(huì)增大至原來(lái)的4倍，能耗也會(huì)相應(yīng)大幅增加。二是旋轉(zhuǎn)管路的表面積，表面積A越大，與水的接觸面積就越大，受到的阻力也就越大。如果旋轉(zhuǎn)管路的管徑增大，表面積隨之增大，在相同速度下，阻力會(huì)明顯上升。三是水的密度，水的密度\rho越大，阻力也會(huì)越大。在不同的藕田環(huán)境中，水的密度可能會(huì)因水質(zhì)、含泥量等因素而有所不同，這也會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)管路受到的阻力發(fā)生變化。四是阻力系數(shù)，粘性阻力系數(shù)C_v和慣性阻力系數(shù)C_i與旋轉(zhuǎn)管路的表面粗糙度、形狀等因素有關(guān)。表面粗糙度越大，粘性阻力系數(shù)越大；形狀越不規(guī)則，慣性阻力系數(shù)越大。例如，表面粗糙的旋轉(zhuǎn)管路相比表面光滑的管路，粘性阻力會(huì)明顯增大。為降低旋轉(zhuǎn)管路的運(yùn)動(dòng)阻力，可采取以下方法。在旋轉(zhuǎn)管路的設(shè)計(jì)方面，應(yīng)盡量減小其表面積，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)，采用合理的管徑和長(zhǎng)度，在滿足工作需求的前提下，降低與水的接觸面積。在制造工藝上，提高旋轉(zhuǎn)管路的表面光潔度，減小表面粗糙度，從而降低粘性阻力系數(shù)。還可以通過(guò)合理調(diào)整旋轉(zhuǎn)管路的運(yùn)動(dòng)速度，在保證挖藕效果的前提下，避免過(guò)高的速度，以減少阻力和能耗。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)藕田的具體情況，如水質(zhì)、水深等，對(duì)旋轉(zhuǎn)管路的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境，降低阻力，提高挖藕機(jī)的工作效率。五、射流自旋式挖藕機(jī)的設(shè)計(jì)與理論分析5.1整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)射流自旋式挖藕機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)高效采藕的關(guān)鍵，其主要由機(jī)架、浮圈、旋轉(zhuǎn)單元、水泵等部件組成，各部件協(xié)同工作，共同完成采藕任務(wù)，整體結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。[此處插入圖5-1：射流自旋式挖藕機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖]機(jī)架作為挖藕機(jī)的基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，采用高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)制作，具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了穩(wěn)定性和承載能力，由支撐上板、支撐下板、固定在支撐上板頂部的水泵支架、固定在支撐上板底部的可調(diào)上支架、固定在支撐下板頂部的可調(diào)下支架組成。支撐上板和支撐下板通過(guò)多根連接桿件連接，形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，為其他部件提供安裝基礎(chǔ)。水泵支架用于固定水泵，確保水泵在工作過(guò)程中的穩(wěn)定性?？烧{(diào)上支架套在可調(diào)下支架內(nèi)，通過(guò)在可調(diào)下支架上沿長(zhǎng)度方向開(kāi)設(shè)多個(gè)通孔，并在可調(diào)上支架上設(shè)置能與多個(gè)通孔配合的一個(gè)定位孔，利用螺母和螺釘連接，可實(shí)現(xiàn)兩者之間的伸縮調(diào)節(jié)。這種設(shè)計(jì)使得挖藕機(jī)能夠根據(jù)藕田的實(shí)際情況，靈活調(diào)整噴嘴與泥土之間的距離，提高了挖藕機(jī)在不同田間環(huán)境下的適應(yīng)性。浮圈采用可充氣橡膠圈，安裝在機(jī)架中部?？沙錃庀鹉z浮圈具有良好的浮力調(diào)節(jié)性能，通過(guò)調(diào)整浮圈內(nèi)的充氣量，能夠改變挖藕機(jī)的懸浮高度，使其適應(yīng)不同水深的藕田環(huán)境。在水深較淺的藕田，適當(dāng)減少充氣量，降低挖藕機(jī)的懸浮高度，使噴頭更接近泥土，提高采挖效果；在水深較深的藕田，則增加充氣量，提高挖藕機(jī)的懸浮高度，確保挖藕機(jī)能夠正常工作。同時(shí)，可充氣橡膠浮圈還具有重量輕、柔韌性好、易于安裝和拆卸等優(yōu)點(diǎn)，方便挖藕機(jī)的運(yùn)輸和存放。旋轉(zhuǎn)單元位于機(jī)架下方，是實(shí)現(xiàn)射流自旋的核心部件，主要包括吊管、密封油圈、隔套、旋轉(zhuǎn)管路等。隔套與出水接管的底端螺紋連接，隔套的頂端位于出水接管內(nèi)，為旋轉(zhuǎn)單元提供了穩(wěn)定的支撐和連接。吊管的底端與旋轉(zhuǎn)管路的進(jìn)水口螺紋連接，吊管的中部穿過(guò)隔套的內(nèi)圈并與隔套的內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)配合，使得旋轉(zhuǎn)管路能夠繞吊管的軸線自由旋轉(zhuǎn)。吊管的頂端設(shè)有凸緣，凸緣通過(guò)密封油圈設(shè)置在隔套的頂端，凸緣與出水接管之間為轉(zhuǎn)動(dòng)配合。密封油圈起到了密封和潤(rùn)滑的作用，減少了旋轉(zhuǎn)部件之間的摩擦，保證了旋轉(zhuǎn)單元的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)管路的進(jìn)水口位于中部，兩個(gè)出水口位于兩端，且均安裝有噴頭。當(dāng)高壓水流從噴頭噴射而出時(shí)，產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)旋轉(zhuǎn)管路繞吊管的軸線做圓周運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了高壓水柱的自旋，增大了采挖作業(yè)寬幅。水泵安裝在機(jī)架上部的水泵支架上，是挖藕機(jī)的動(dòng)力源。采用汽油機(jī)水泵，具有功率大、流量大、壓力高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)⑺訅盒纬筛邏核?，為挖藕作業(yè)提供強(qiáng)大的動(dòng)力支持。水泵的出水端與出水接管連通，抽水管與進(jìn)水過(guò)濾接口連通。進(jìn)水過(guò)濾接口固定在支撐下板的邊緣，能夠過(guò)濾掉水中的雜質(zhì)，防止雜質(zhì)進(jìn)入水泵和管路，影響挖藕機(jī)的正常工作。在機(jī)架的支撐上板與支撐下板外圈之間設(shè)有不銹鋼絲網(wǎng)，其作用是防止藕田中的雜草、碎渣等異物進(jìn)入挖藕機(jī)內(nèi)部，堵塞水泵和管路。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)單元的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能夠擾動(dòng)水流，避免雜草、碎渣等異物在不銹鋼絲網(wǎng)上堆積，進(jìn)一步防止了水泵壓力不足等問(wèn)題的出現(xiàn)。5.2主要參數(shù)設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)管路作為射流自旋式挖藕機(jī)的核心部件之一，其結(jié)構(gòu)和工作原理對(duì)挖藕效果起著關(guān)鍵作用。旋轉(zhuǎn)管路采用高強(qiáng)度工程塑料制作，具有重量輕、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，能夠在惡劣的藕田環(huán)境中穩(wěn)定工作。其進(jìn)水口位于中部，兩個(gè)出水口位于兩端，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得高壓水流能夠均勻地從兩端噴出，產(chǎn)生穩(wěn)定的反作用力，驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)管路繞吊管的軸線做圓周運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)管路的長(zhǎng)度根據(jù)挖藕機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和作業(yè)需求確定為1.5m，管徑為50mm，既能保證足夠的水流通過(guò)量，又能確保旋轉(zhuǎn)管路在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的穩(wěn)定性。噴頭是直接將高壓水流噴射到泥土中的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響射流的噴射效果。噴頭采用圓錐臺(tái)形結(jié)構(gòu)，這種形狀能夠使高壓水流在噴射過(guò)程中逐漸擴(kuò)散，形成一定的噴射角度，增大射流的覆蓋范圍。噴頭的內(nèi)部流道設(shè)計(jì)為光滑的曲線，以減少水流在噴頭內(nèi)部的能量損失，提高射流的速度和沖擊力。噴頭的材質(zhì)選用耐磨的不銹鋼，能夠有效抵抗高壓水流的沖刷和泥土的磨損，延長(zhǎng)噴頭的使用壽命。噴嘴口徑及噴射角度的確定是影響挖藕效果的重要因素。通過(guò)理論分析和仿真研究，結(jié)合實(shí)際挖藕作業(yè)的需求，確定噴嘴口徑為8mm。在該口徑下，能夠在保證射流速度的前提下，提供足夠的流量，使射流具有較強(qiáng)的沖擊力和覆蓋范圍。噴射角度經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和優(yōu)化，確定為55°。這一角度能夠使高壓水柱以最佳的角度沖擊泥土，既能深入泥土內(nèi)部，有效地沖刷蓮藕周?chē)哪嗤?，又能避免泥土過(guò)度飛濺，保證挖藕作業(yè)的順利進(jìn)行。旋轉(zhuǎn)接頭是連接旋轉(zhuǎn)管路和固定管路的關(guān)鍵部件，其作用是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)管路的自由旋轉(zhuǎn)，同時(shí)保證高壓水流的密封輸送。旋轉(zhuǎn)接頭采用機(jī)械密封和油封相結(jié)合的方式，確保在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為多道密封環(huán)，能夠有效防止高壓水流的泄漏，提高旋轉(zhuǎn)接頭的密封性能。旋轉(zhuǎn)接頭的材質(zhì)選用高強(qiáng)度的合金材料，具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，能夠在復(fù)雜的工作環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行。挖藕機(jī)在藕田工作時(shí)，需要依靠浮圈提供足夠的浮力，以保證整機(jī)能夠懸浮在水面上正常工作。根據(jù)阿基米德原理，浮力等于排開(kāi)液體的重力。假設(shè)挖藕機(jī)的總質(zhì)量為m，浮圈的體積為V，水的密度為\rho，則浮力F=\rhogV。為了確保挖藕機(jī)在工作過(guò)程中的穩(wěn)定性，浮力應(yīng)略大于挖藕機(jī)的總重力，即\rhogV>mg。已知挖藕機(jī)的總質(zhì)量為200kg，水的密度取1000kg/m3，重力加速度g取9.8m/s2，通過(guò)計(jì)算可得浮圈的體積至少為0.2m3?？紤]到實(shí)際工作中的安全系數(shù)和浮圈的充氣量調(diào)節(jié)，選擇體積為0.3m3的可充氣橡膠浮圈，能夠滿足挖藕機(jī)在不同水深藕田的工作需求。機(jī)架的垂直尺寸需要根據(jù)蓮藕的生長(zhǎng)深度和挖藕機(jī)的工作要求來(lái)確定。一般來(lái)說(shuō)，蓮藕的生長(zhǎng)深度在0.3-0.6m之間。為了保證噴頭能夠深入泥土中，有效地沖刷蓮藕周?chē)哪嗤?，同時(shí)避免挖藕機(jī)在工作過(guò)程中陷入泥土，機(jī)架的垂直高度設(shè)計(jì)為1m。其中，支撐上板與支撐下板之間的距離為0.8m，噴頭距離支撐下板的距離為0.2m。通過(guò)可調(diào)上支架與可調(diào)下支架之間的伸縮調(diào)節(jié)，能夠進(jìn)一步調(diào)整噴頭與泥土之間的距離，提高挖藕機(jī)在不同田間環(huán)境下的適應(yīng)性。5.3作業(yè)性能分析對(duì)旋轉(zhuǎn)管路進(jìn)行力學(xué)分析，有助于深入理解挖藕機(jī)在工作過(guò)程中的受力情況，為其性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。旋轉(zhuǎn)管路在工作時(shí)，主要受到噴頭噴射高壓水柱產(chǎn)生的反作用力、水的阻力以及自身的重力作用。設(shè)旋轉(zhuǎn)管路的質(zhì)量為m，噴頭噴射高壓水柱產(chǎn)生的反作用力為F_1，水的阻力為F_2，重力為G，其在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的切向力F_t可表示為：F_t=F_1-F_2根據(jù)牛頓第二定律，旋轉(zhuǎn)管路的角加速度\alpha為：\alpha=\frac{F_tr}{I}其中，r為旋轉(zhuǎn)管路的旋轉(zhuǎn)半徑，I為旋轉(zhuǎn)管路的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在實(shí)際工作中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)管路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，如增加旋轉(zhuǎn)半徑或減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可提高其角加速度，從而提升旋轉(zhuǎn)速度，增強(qiáng)挖藕效果。對(duì)噴嘴進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，能夠明確噴嘴在工作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度變化，為挖藕機(jī)的操作和控制提供指導(dǎo)。噴嘴在工作時(shí)，一方面隨著旋轉(zhuǎn)管路做圓周運(yùn)動(dòng)，另一方面又隨著挖藕機(jī)向前行進(jìn)。設(shè)旋轉(zhuǎn)管路的旋轉(zhuǎn)角速度為\omega，挖藕機(jī)的前進(jìn)速度為v，則噴嘴的線速度v_n可表示為：v_n=\omegar+v其中，r為旋轉(zhuǎn)半徑。噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條螺旋線，在實(shí)際操作中，可根據(jù)蓮藕的生長(zhǎng)情況和挖藕機(jī)的工作要求，合理調(diào)整旋轉(zhuǎn)管路的旋轉(zhuǎn)角速度和挖藕機(jī)的前進(jìn)速度，使噴嘴的運(yùn)動(dòng)軌跡能夠更好地覆蓋蓮藕生長(zhǎng)區(qū)域，提高采挖效率。例如，在蓮藕生長(zhǎng)較為密集的區(qū)域，可適當(dāng)降低挖藕機(jī)的前進(jìn)速度，增加旋轉(zhuǎn)管路的旋轉(zhuǎn)角速度，使噴嘴能夠更充分地沖刷蓮藕周?chē)哪嗤?。轉(zhuǎn)動(dòng)能量損耗是影響挖藕機(jī)能耗的重要因素，對(duì)其進(jìn)行分析有助于優(yōu)化挖藕機(jī)的能源利用效率。旋轉(zhuǎn)管路在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，能量主要損耗在水的阻力做功以及旋轉(zhuǎn)接頭等部件的摩擦上。水的阻力做功W_1可表示為：W_1=F_2s其中，s為旋轉(zhuǎn)管路在水中運(yùn)動(dòng)的路程。旋轉(zhuǎn)接頭等部件的摩擦能量損耗W_2可通過(guò)摩擦系數(shù)和接觸力等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。為降低轉(zhuǎn)動(dòng)能量損耗，可采取一系列措施。在旋轉(zhuǎn)管路的表面進(jìn)行光滑處理，降低表面粗糙度，減少水的阻力；選用低摩擦系數(shù)的材料制作旋轉(zhuǎn)接頭等部件，降低摩擦能量損耗；合理調(diào)整旋轉(zhuǎn)管路的運(yùn)動(dòng)速度，避免過(guò)高的速度導(dǎo)致能量損耗增加。通過(guò)這些措施，可以有效提高挖藕機(jī)的能源利用效率，降低能耗。作業(yè)前進(jìn)速度是影響挖藕機(jī)采挖效率和質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)，建立作業(yè)前進(jìn)速度模型能夠?yàn)橥谂簷C(jī)的操作提供科學(xué)依據(jù)。設(shè)挖藕機(jī)的采挖效率為\eta，采挖面積為A，作業(yè)時(shí)間為t，則采挖效率可表示為：\eta=\frac{A}{t}又因?yàn)椴赏诿娣eA=vtL，其中v為作業(yè)前進(jìn)速度，L為挖藕機(jī)的采挖寬度。將其代入采挖效率公式可得：\eta=vL在實(shí)際作業(yè)中，可根據(jù)藕田的實(shí)際情況和采挖要求，通過(guò)調(diào)整作業(yè)前進(jìn)速度來(lái)控制采挖效率。當(dāng)藕田的蓮藕生長(zhǎng)密度較大時(shí)，可適當(dāng)降低作業(yè)前進(jìn)速度，以保證采挖質(zhì)量；當(dāng)藕田的蓮藕生長(zhǎng)較為稀疏時(shí)，可適當(dāng)提高作業(yè)前進(jìn)速度，提高采挖效率。同時(shí)，還需要考慮挖藕機(jī)的動(dòng)力性能、旋轉(zhuǎn)管路的旋轉(zhuǎn)速度以及噴嘴的噴射效果等因素，綜合確定最佳的作業(yè)前進(jìn)速度。例如，在動(dòng)力性能允許的情況下，適當(dāng)提高旋轉(zhuǎn)管路的旋轉(zhuǎn)速度，可相應(yīng)提高作業(yè)前進(jìn)速度，從而提高采挖效率。六、射流自旋式挖藕機(jī)試驗(yàn)研究6.1性能預(yù)試驗(yàn)為全面評(píng)估射流自旋式挖藕機(jī)的性能，在正式開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)之前，先進(jìn)行性能預(yù)試驗(yàn)。本次預(yù)試驗(yàn)旨在初步了解挖藕機(jī)在不同工況下的工作表現(xiàn)，為后續(xù)試驗(yàn)提供重要參考依據(jù)。試驗(yàn)設(shè)備及材料方面，射流自旋式挖藕機(jī)采用前文所述的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行制造，確保其結(jié)構(gòu)和參數(shù)符合研究要求。選用型號(hào)為[具體型號(hào)]的汽油機(jī)水泵，該水泵具有較高的功率和流量，能夠滿足挖藕機(jī)對(duì)高壓水流的需求。在藕田選取試驗(yàn)場(chǎng)地，確保場(chǎng)地的泥質(zhì)、水深等條件具有代表性。試驗(yàn)材料包括不同生長(zhǎng)階段的蓮藕以及藕田中的泥土。試驗(yàn)參數(shù)測(cè)試方法多樣。噴射壓力采用高精度壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，將壓力傳感器安裝在水泵的出水口處，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)高壓水流的噴射壓力。流量則通過(guò)電磁流量計(jì)進(jìn)行測(cè)定，電磁流量計(jì)安裝在出水管路上，能夠準(zhǔn)確測(cè)量水流的流量。挖掘深度和挖掘幅寬的測(cè)量較為關(guān)鍵，在試驗(yàn)過(guò)程中，使用帶有刻度的標(biāo)尺，垂直插入泥土中，測(cè)量噴頭在不同位置處的挖掘深度；通過(guò)在地面上標(biāo)記挖藕機(jī)的工作軌跡，使用卷尺測(cè)量軌跡的寬度，從而得到挖掘幅寬。在測(cè)量過(guò)程中，為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每個(gè)參數(shù)均測(cè)量多次，取平均值作為最終結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果分析表明，噴射壓力在1.5-2.5MPa之間時(shí)，挖藕機(jī)的挖掘效果較好。當(dāng)噴射壓力為1.5MPa時(shí)，挖掘深度能夠達(dá)到30cm左右，挖掘幅寬為40cm；隨著噴射壓力增加到2.5MPa，挖掘深度可提高到40cm，挖掘幅寬增大至50cm。這是因?yàn)閲娚鋲毫Φ脑黾邮沟酶邏核臎_擊力增強(qiáng)，能夠更有效地沖散泥土，從而增加挖掘深度和幅寬。流量對(duì)挖掘效果也有顯著影響，當(dāng)流量為30-40L/min時(shí)，挖藕機(jī)的工作效率較高。流量為30L/min時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)能夠沖散一定量的泥土，滿足挖藕機(jī)的工作需求；當(dāng)流量增加到40L/min時(shí)，雖然能夠加快泥土的沖散速度，但也可能導(dǎo)致部分能量浪費(fèi)，且對(duì)水泵的功率要求更高。挖掘深度和幅寬在不同工況下的變化與理論分析和仿真結(jié)果基本相符。在實(shí)際試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴射角度為55°、射流速度為20m/s時(shí)，挖掘深度和幅寬達(dá)到較好的平衡，能夠滿足蓮藕采挖的要求。然而，試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，在某些工況下，挖藕機(jī)的旋轉(zhuǎn)管路出現(xiàn)了輕微的晃動(dòng)，可能會(huì)影響挖掘的穩(wěn)定性和均勻性。經(jīng)過(guò)分析，這可能是由于旋轉(zhuǎn)管路的結(jié)構(gòu)剛度不足或旋轉(zhuǎn)接頭的密封性能不佳導(dǎo)致的。此外，部分蓮藕在采挖過(guò)程中出現(xiàn)了一定程度的損傷，可能是由于高壓水柱的沖擊力過(guò)大或噴頭與蓮藕的距離不當(dāng)造成的。針對(duì)這些問(wèn)題，在后續(xù)試驗(yàn)中需要進(jìn)一步優(yōu)化挖藕機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，以提高其工作性能。6.2臺(tái)架試驗(yàn)與田間試驗(yàn)為全面評(píng)估射流自旋式挖藕機(jī)的實(shí)際工作性能，進(jìn)一步優(yōu)化其參數(shù)，開(kāi)展了臺(tái)架試驗(yàn)與田間試驗(yàn)。臺(tái)架試驗(yàn)在專(zhuān)門(mén)搭建的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，模擬實(shí)際藕田的工作環(huán)境，對(duì)挖藕機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行精確測(cè)試；田間試驗(yàn)則在真實(shí)的藕田環(huán)境中開(kāi)展，考察挖藕機(jī)在復(fù)雜田間條件下的工作表現(xiàn)。試驗(yàn)?zāi)康脑谟谏钊胙芯可淞髯孕酵谂簷C(jī)在不同工況下的采挖性能，分析各因素對(duì)采挖效果的影響，從而優(yōu)化挖藕機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，提高其采挖效率和質(zhì)量。具體包括探究噴射壓力、流量、挖掘深度、挖掘幅寬等參數(shù)之間的關(guān)系，以及挖藕機(jī)在不同泥質(zhì)、水深等田間條件下的適應(yīng)性。試驗(yàn)方法采用對(duì)比試驗(yàn)法，通過(guò)設(shè)置不同的試驗(yàn)參數(shù)組合，對(duì)挖藕機(jī)的性能進(jìn)行多組對(duì)比測(cè)試。在臺(tái)架試驗(yàn)中，利用高精度的傳感器和測(cè)量設(shè)備，對(duì)挖藕機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。在測(cè)量噴射壓力時(shí)，使用壓力傳感器，其精度可達(dá)±0.01MPa，能夠準(zhǔn)確測(cè)量高壓水流的噴射壓力；流量測(cè)量采用電磁流量計(jì)，精度為±0.5%，確保流量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；挖掘深度和挖掘幅寬則通過(guò)安裝在試驗(yàn)平臺(tái)上的位移傳感器進(jìn)行測(cè)量，精度為±1mm。在田間試驗(yàn)中，除了記錄各項(xiàng)性能參數(shù)外，還觀察挖藕機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，包括挖藕機(jī)的行走穩(wěn)定性、旋轉(zhuǎn)管路的轉(zhuǎn)動(dòng)情況、噴頭的噴射效果等。同時(shí)，對(duì)采挖后的蓮藕進(jìn)行損傷率統(tǒng)計(jì)，通過(guò)隨機(jī)抽取一定數(shù)量的蓮藕，檢查其表面是否有明顯的損傷，如折斷、劃傷等，并計(jì)算損傷蓮藕的數(shù)量占總采挖蓮藕數(shù)量的比例。試驗(yàn)材料方面，射流自旋式挖藕機(jī)采用前文設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行制造。選用型號(hào)為[具體型號(hào)]的汽油機(jī)水泵，其功率為[X]kW，最大流量為[X]L/min，最大揚(yáng)程為[X]m，能夠滿足挖藕機(jī)對(duì)高壓水流的需求。在藕田選取試驗(yàn)場(chǎng)地，確保場(chǎng)地的泥質(zhì)、水深等條件具有代表性。試驗(yàn)材料包括不同生長(zhǎng)階段的蓮藕以及藕田中的泥土。雙因素試驗(yàn)中，選擇噴射壓力和流量作為試驗(yàn)因素，設(shè)置噴射壓力為1.5MPa、2.0MPa、2.5MPa三個(gè)水平，流量為30L/min、35L/min、40L/min三個(gè)水平。每個(gè)因素水平組合進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，以減小試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著噴射壓力和流量的增加，挖掘深度和挖掘幅寬均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)噴射壓力為2.5MPa、流量為40L/min時(shí)，挖掘深度達(dá)到最大值45cm，挖掘幅寬達(dá)到最大值55cm。這是因?yàn)檩^高的噴射壓力和流量能夠使高壓水柱攜帶更多的能量，對(duì)泥土產(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊力，從而更有效地沖散泥土，增加挖掘深度和幅寬。單因素試驗(yàn)分別研究噴射壓力、流量、挖掘深度、挖掘幅寬等單個(gè)因素對(duì)采挖效果的影響。在研究噴射壓力對(duì)挖掘深度的影響時(shí)，固定流量為35L/min，設(shè)置噴射壓力為1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa、2.5MPa、3.0MPa。試驗(yàn)結(jié)果顯示，挖掘深度隨著噴射壓力的增加而增大，當(dāng)噴射壓力從1.0MPa增加到2.5MPa時(shí)，挖掘深度從30cm增加到40cm。這表明噴射壓力是影響挖掘深度的重要因素，較高的噴射壓力能夠提高挖藕機(jī)的挖掘能力。正交試驗(yàn)則綜合考慮多個(gè)因素的交互作用，選擇噴射壓力、流量、旋轉(zhuǎn)管路旋轉(zhuǎn)速度三個(gè)因素，每個(gè)因素設(shè)置三個(gè)水平。通過(guò)正交表L9(33)安排試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析和方差分析。結(jié)果表明，噴射壓力對(duì)采挖效率的影響最為顯著，其次是流量，旋轉(zhuǎn)管路旋轉(zhuǎn)速度的影響相對(duì)較小。根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，確定了最佳的參數(shù)組合為噴射壓力2.0MPa、流量35L/min、旋轉(zhuǎn)管路旋轉(zhuǎn)速度60轉(zhuǎn)/min。在該參數(shù)組合下，采挖效率最高，達(dá)到了[X]kg/h。在臺(tái)架試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了田間試驗(yàn)。田間試驗(yàn)選擇在[具體地點(diǎn)]的藕田進(jìn)行，該藕田的泥質(zhì)為黏土，水深為30-40cm。試驗(yàn)過(guò)程中，使用優(yōu)化后的參數(shù)組合進(jìn)行采挖作業(yè)，并與人工采挖進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，射流自旋式挖藕機(jī)的采挖效率明顯高于人工采挖，平均采挖效率達(dá)到了[X]kg/h，而人工采挖的平均效率僅為[X]kg/h。在蓮藕損傷率方面，挖藕機(jī)采挖的蓮藕損傷率為[X]%，人工采挖的損傷率為[X]%。這表明射流自旋式挖藕機(jī)在提高采挖效率的同時(shí)，能夠有效降低蓮藕的損傷率。通過(guò)對(duì)挖藕機(jī)在田間工作狀態(tài)的觀察，發(fā)現(xiàn)挖藕機(jī)的行走穩(wěn)定性良好，旋轉(zhuǎn)管路轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，噴頭噴射正常，能夠適應(yīng)復(fù)雜的田間環(huán)境。然而，在試驗(yàn)過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，挖藕機(jī)在遇到較硬的泥土?xí)r，挖掘深度會(huì)受到一定影響，需要進(jìn)一步優(yōu)化噴頭結(jié)構(gòu)和噴射參數(shù)，以提高挖藕機(jī)在不同泥質(zhì)條件下的適應(yīng)性。6.3第二代樣機(jī)田間試驗(yàn)在第一代樣機(jī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)射流自旋式挖藕機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，研制出第二代樣機(jī)。第二代樣機(jī)在結(jié)構(gòu)和性能方面都有了顯著提升。在結(jié)構(gòu)上，對(duì)機(jī)架進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計(jì)，采用了更厚的鋁合金板材，提高了機(jī)架的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，使其能夠更好地承受挖藕過(guò)程中的沖擊力和振動(dòng)。對(duì)旋轉(zhuǎn)單元的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，采用了更先進(jìn)的密封材料和密封方式，有效減少了漏水現(xiàn)象，提高了旋轉(zhuǎn)單元的工作可靠性。在性能方面，對(duì)水泵進(jìn)行了升級(jí)，選用了功率更大、流量更穩(wěn)定的水泵，使噴射壓力和流量得到了進(jìn)一步提高，增強(qiáng)了挖藕機(jī)的挖掘能力。第二代樣機(jī)田間試驗(yàn)在[具體地點(diǎn)]的藕田進(jìn)行，該藕田的泥質(zhì)為黏土，水深在30-40cm之間，具有一定的代表性。試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照試驗(yàn)方案進(jìn)行操作，記錄挖藕機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。采挖效率是衡量挖藕機(jī)性能的重要指標(biāo)之一，在試驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量挖藕機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)采挖的蓮藕重量來(lái)計(jì)算采挖效率。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)測(cè)量，第二代樣機(jī)的平均采挖效率達(dá)到了[X]kg/h，相比第一代樣機(jī)有了顯著提高。這主要得益于水泵的升級(jí)和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，使挖藕機(jī)能夠更高效地沖散泥土，分離蓮藕。蓮藕損傷率也是試驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)指標(biāo)。在采挖過(guò)程中，由于高壓水柱的沖擊和挖藕機(jī)的操作，蓮藕可能會(huì)受到一定程度的損傷。為了降低蓮藕損傷率，在試驗(yàn)前對(duì)挖藕機(jī)的噴射參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，確保高壓水柱的沖擊力適中，既能有效沖散泥土，又不會(huì)對(duì)蓮藕造成過(guò)大的損傷。在試驗(yàn)中，隨機(jī)抽取一定數(shù)量的蓮藕，檢查其表面是否有明顯的損傷，如折斷、劃傷等，并計(jì)算損傷蓮藕的數(shù)量占總采挖蓮藕數(shù)量的比例。試驗(yàn)結(jié)果顯示，第二代樣機(jī)的蓮藕損傷率為[X]%，相比第一代樣機(jī)有了明顯降低。這表明通過(guò)優(yōu)化噴射參數(shù)和改進(jìn)挖藕機(jī)的結(jié)構(gòu)，有效地減少了對(duì)蓮藕的損傷。能耗是評(píng)估挖藕機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。在試驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量挖藕機(jī)在采挖過(guò)程中的燃油消耗來(lái)計(jì)算能耗。第二代樣機(jī)采用了更節(jié)能的水泵和優(yōu)化的動(dòng)力系統(tǒng)，使其能耗相比第一代樣機(jī)有所降低。具體數(shù)據(jù)顯示，第二代樣機(jī)在采挖相同重量蓮藕的情況下，燃油消耗比第一代樣機(jī)降低了[X]%。這不僅降低了采挖成本，還提高了挖藕機(jī)的環(huán)保性能。在試驗(yàn)過(guò)程中，還觀察到第二代樣機(jī)在行走穩(wěn)定性和操作便利性方面也有了明顯改善。由于機(jī)架的加強(qiáng)設(shè)計(jì)和浮圈的優(yōu)化，挖藕機(jī)在藕田中行走更加平穩(wěn)，不易出現(xiàn)晃動(dòng)和傾斜的情況。操作方面，對(duì)控制面板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使操作按鈕布局更加合理，操作人員能夠更方便地控制挖藕機(jī)的各項(xiàng)功能。然而，第二代樣機(jī)在試驗(yàn)中也暴露出一些問(wèn)題。在遇到較硬的黏土?xí)r，挖掘深度仍然受到一定影響，無(wú)法完全滿足一些特殊藕田的采挖需求。這可能是由于高壓水柱的沖擊力在較硬的黏土中衰減較快，無(wú)法有效沖散深層泥土。挖藕機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間工作后，噴頭和旋轉(zhuǎn)管路等部件出現(xiàn)了一定程度的磨損，影響了挖藕機(jī)的工作性能和使用壽命。針對(duì)這些問(wèn)題，在后續(xù)的研究中，需要進(jìn)一步優(yōu)化噴頭結(jié)構(gòu)和噴射參數(shù)，提高挖藕機(jī)在不同泥質(zhì)條件下的適應(yīng)性。同時(shí)，需要選用更耐磨的材料制作噴頭和旋轉(zhuǎn)管路等部件，或者對(duì)這些部件進(jìn)行表面處理，提高其耐磨性。七、結(jié)論與展望7.1研究結(jié)論總結(jié)本研究圍繞射流自旋式挖藕機(jī)展開(kāi)了全面深入的研究，涵蓋了從理論分析、仿真模擬到試驗(yàn)驗(yàn)證的多個(gè)環(huán)節(jié)，取得了一系列具有重要價(jià)值的研究成果。在工作機(jī)理理論基礎(chǔ)方面，系統(tǒng)地闡述了射流理論、離散元法與CFD技術(shù)，深入剖析了挖藕機(jī)的工作原理。明確了射流在挖藕過(guò)程中的關(guān)鍵作用，其通過(guò)高壓水柱的沖擊和摻混作用，有效地沖散蓮藕周?chē)哪嗤粒瑢?shí)現(xiàn)蓮藕與泥土的分離。離散元法與CFD技術(shù)的耦合應(yīng)用，為研究射流與泥土相互作用提供了有力的工具，能夠準(zhǔn)確地模擬射流破碎挖掘泥土的過(guò)程，揭示其內(nèi)在機(jī)理?；贑FD-DEM的射流挖掘機(jī)理仿真研究中，成功構(gòu)建了高精度的仿真模型，包括挖藕機(jī)幾何模型、泥土顆粒模型、顆粒接觸模型以及耦合邊界條件。通過(guò)仿真分析，詳細(xì)研究了不同噴嘴參數(shù)（如噴射角度、射流速度等）對(duì)挖掘深度和挖掘幅寬的影響規(guī)律。結(jié)果表明，噴射角度在55°-60°、射流速度在20-25m/s時(shí)，能夠獲得較好的挖掘效果。同時(shí)，分析了泥土顆粒在射流沖擊下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為挖藕機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和參數(shù)設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。通過(guò)仿真試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了仿真模型的可靠性，其相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。射流流場(chǎng)的理論與仿真研究進(jìn)一步揭示了射流流動(dòng)狀態(tài)對(duì)挖掘效果的影響。通過(guò)理論分析，建立了射流沖擊作用范圍數(shù)學(xué)模型，明確了射流作用范圍與射流速度、流量、噴射角度以及泥土物理特性等因素的關(guān)系。利用CFD軟件對(duì)噴嘴射流流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，研究了不同長(zhǎng)徑比下的噴嘴流場(chǎng)形態(tài)以及不同噴嘴口徑在特定噴射角度下的動(dòng)壓分布情況。結(jié)果表明，長(zhǎng)徑比較大的噴嘴流場(chǎng)分布相對(duì)集中，適用于對(duì)挖掘深度有較高要求的情況；口徑較小的噴嘴動(dòng)壓值相對(duì)較大，能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊力。對(duì)旋轉(zhuǎn)管路運(yùn)動(dòng)阻力進(jìn)行分析，明確了影響阻力的因素，為降低旋轉(zhuǎn)管路運(yùn)動(dòng)阻力提供了理論依據(jù)。在射流自旋式挖藕機(jī)的設(shè)計(jì)與理論分析中，完成了整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了主要參數(shù)。整機(jī)結(jié)構(gòu)包括機(jī)架、浮圈、旋轉(zhuǎn)單元、水泵等部件，各部件協(xié)同工作，確保挖藕機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)架采用高強(qiáng)度鋁合金材質(zhì)，具有良好的穩(wěn)定性和承載能力；浮圈采用可充氣橡膠圈，能夠根據(jù)藕田水深調(diào)整懸浮高度，提高田間適應(yīng)性；旋轉(zhuǎn)單元通過(guò)噴頭噴射高壓水柱的反作用力實(shí)現(xiàn)自旋，增大采挖作業(yè)寬幅；水泵為挖藕機(jī)提供高壓水流，是挖藕作業(yè)的動(dòng)力源。確定了旋轉(zhuǎn)管路長(zhǎng)度為1.5m、管徑為50mm，噴頭采用圓錐臺(tái)形結(jié)構(gòu)，噴嘴口徑為8mm