水下收草裝置的設計

張威，許俊軍，徐成章，趙俊林，陳偉明

（江南大學機械工程學院，江蘇無錫 214122）

0 引言

隨著工業的發展和傳統農業工作方法的改變，近年來大量的化學物質進入湖泊。湖泊內營養鹽的增加使我國的湖泊處于富營養化狀態，水生植物生長過快，堵塞湖泊河道，形成水下空間，覆蓋率幾乎可以達到100%。水草的價值體現在以下3 個方面：1）養殖價值，水草可以作為魚類等的飼料；2）生態價值，水草能夠進行光合作用供氧，凈化水質；3）景觀價值，水草能夠裝飾湖面，作為一種景觀，給人一種賞心悅目的感覺。

正因為水草有如此多的價值，所以才有很多人去種植。但是種植量過大，且缺乏相應的管理，會導致水草發展到瘋長的狀態。為了恢復水體的良性循環，還人類一個美好的環境，必須采取一定的措施治理水草。通常情況下，治理水草有3 種方法：1）生態治理。該方法效果良好，環境污染小，符合綠色觀念，但是周期較長，見效慢，不適合大水域水草的治理；2）化學治理。該方法會破壞環境，影響水中其他生物的生長，不符合綠色環保觀念；3）物理治理。該方法包括人工打撈和機械打撈，對環境的影響比較小，但是人工打撈效率低，而且費時費力，所以機械打撈治理已經逐漸成為治理水草的主要方式。為了解決水草的污染問題，同時兼顧環境保護需要以及提高工作效率等方面的實際情況，符合國家發展戰略，水草治理必須依賴于機械打撈。因此，積極研制水草收割機成為管理水草的一個重要方向。國內外已有多種水草收割機械，但是現有的水草收割裝置還存在著很多的不足，針對這個情況，本課題設計了一種新型水下收割裝置。現對其主要技術指標、工作原理和結構部件的設計進行介紹，以期為景觀水域水草的收割治理提供技術支持［1-5］。

1 水草收割裝置應用機理

1.1 凸輪機構

現代工業中大量采用凸輪機構，凸輪機構結構緊湊、靈巧，控制準確、有效，與其他機構配合，可以實現復雜的運動要求。凸輪機構由凸輪、從動件或從動件系統和機架組成，凸輪通過直接接觸將預定的運動傳給從動件。凸輪機構是典型的常用機構之一，它廣泛用于輕工機械、紡織機械、包裝機械、印刷機械、內燃機等各種機械中［6］。

1）凸輪結構。水下收草裝置正是利用凸輪結構的靈活、緊密等運動功能，作為手爪控制結構引入的。凸輪機構的基本組成部分由主動件、從動件和支架3 部分組成，水下收草裝置中，主動件、從動件及支架分別為導軌、手爪和手爪軸，三者組成凸輪機構，從而實現水草的抓取和裝卸（如圖1）。

運動原理：手爪、導軌桿及滾輪作為一體裝置在鏈條的帶動下，沿著鏈條的運動方向運動，導軌運動軌跡及鏈條運動軌跡組成基本凸輪結構，手爪在凸輪結構作用下抓緊與放松，從而實現水草抓取動作。

圖1 手爪凸輪結構

2）凸輪結構設計及相關計算。該水下收草裝置凸輪結構中，其中凸輪為固定件（導軌），而NX 運動分析中畫出凸輪輪廓曲線，應使凸輪相對靜止，即凸輪固定不動，故該裝置凸輪結構可基于NX 系統進行凸輪計算分析。機架和從動件一方面以角速度-ω 繞O 轉動，同時從動件又以原有運動規律S 相對機架運動。由于尖底始終與凸輪輪廓接觸，所以反轉后尖底的運動軌跡就是凸輪輪廓曲線。圖2 為凸輪反轉法繪圖原理。根據這種關系，可通過NX 運動分析模塊建立相應的約束關系來獲得上述的運動關系，并使用ToolspackagingTrace 功能建立從動件與凸輪接觸點在運動過程中每一步的位置點，然后使用NX 建模功能中InsertCurvesSplineThrough Points功能，即可擬合出凸輪輪廓曲線［7］。

圖2 反轉法原理圖及運動簡圖

1.2 多邊形效應

鏈傳動是中間撓性件的嚙合傳動。一般結構的鏈條與鏈輪的嚙合屬非共扼嚙合，其鏈條中心線位置存在著周期性變化，而且每個鏈節與鏈輪的接觸與脫離是在一瞬間完成。圖3 示出鏈條中心線隨著各個鏈節往相應的輪齒上纏繞時上下移動的情形。從圖中看出，鏈條中心線與鏈輪上以r 為半徑的圓在運動中交替地呈相切和相割的位置，這一運動特性稱多邊形效應。當主動輪等速轉動時，由于多邊形效應，使鏈條的線速度和從動輪的角速度呈周期性變化［8］。

由此可知，鏈輪的截距越大，齒輪越少，鏈速的變化也就越大。如圖4是水草收割裝置的整體傳動結構及多邊形效應利用簡圖。

工作原理：鏈輪1 為主動輪，鏈輪半徑較大，鏈輪2、3 為從動輪，鏈輪半徑較小，因此鏈輪1 與鏈輪2之間存在多邊形效應。水草被手爪從鏈輪3 處抓取，隨手爪運動到鏈輪2，此時手爪在凸輪結構作用下逐漸放松，進入多邊形效應軌道，利用多邊形效應的振動將剩余水草從手爪上振落。

圖3 多邊形效應描述

圖4 多邊形效應分布

鏈傳動多邊形效應是引起鏈傳動不平穩的主要因素，水草收割裝置正是利用了多邊形效應的傳動不穩定及其導致的鏈傳動振動，在裝置卸草部分利用傳動振動將水草從手爪中振落，從而實現水草的裝卸。

2 手爪結構及功能實現

1）圖5 為手爪結構，是一種簡易五指水下撈草機構，其特征在于：

從動手指1、3、5及主動手指2、4 分別與5 個指體固定件7固定連接，再依次相隔與軟軸聯接，手指和軟軸的聯接體與軟軸連接件8 聯接安裝在循環運動體上。滾子架9 連接指體固定件7，軸10 連接滾子架9，滾子11 聯接軸10，曲線槽12固定在相應循環體運動的機架上，滾子11 在曲線槽12上的運動相應為凸輪機構的運動原理。

在軟軸6 上聯接從動手指1、3、5 及主動手指2、4，若干個手指主從依次相隔聯接。每個連桿機構的驅動桿6連接在內置受力環上，內置受力環鑲嵌于車輪外胎和車輪內胎之間，每個連桿機構的驅動桿連接在車輪上，驅動桿的驅動力由地面對重力的反作用力產生，變形由橡膠輪胎完成產生位移，從而產生重力作功的過程，通過連桿機構的輸出桿驅動盤產生力矩，從而達到輔助驅動車輪的目的。

2）在軟軸6 上聯接從動手指1、3、5 及主動手指2、4，若干個手主從依次相隔聯接。

3）軟軸6 的安裝構成了一個弧度。

4）曲線槽12 與主動手指2、4 構成運動凸輪機構。

圖5 手爪結構

3 具體實施方式

如圖6 所示，水草收割裝置是一種簡易五指水下撈草機構。水草收割裝置的工作原理如下：軟軸連接件8 隨循環體運動驅動包括從動手指1、3、5 及主動手指2、4、軟軸6、指體固定件7、滾子架9、軸10、滾子11 作同步運動，同時依靠滾子11 與曲線槽12 構成的凸輪機構強制主動手指2、4 擺動。主動手指2、4 通過軟軸6 同時驅動從動手指1、3、5 運動，從而實現5 個手指的抓放功能。

圖6 手爪結構實施

4 結語

水下水草收割裝置采用的模仿人手五指進行水草抓取。其結構簡單、緊湊、合理，不破壞環境，可以減輕人體的勞動，抑制水草的瘋長。

［1］吳文慶，洪淵楊，秦雙亭，等.水葫蘆治理技術的初步研究［J］.上海環境科學，2003（增刊1）：146-149.

［2］張麗珍，陳金穩，李俊.水草收割機的研究現狀［J］.上海水產大學學報，2008，17（4）：1-5.

［3］尚士友，申慶泰，杜健民，等.內蒙古烏梁素海沉水植物的收割工程技術［J］.湖泊科學，2007，16（2）：169-176.

［4］屠清瑛，章永泰，楊賢智，等.北京什剎海生態修復試驗工程［J］.湖泊科學，2004，16（1）：61-67.

［5］尚士友，杜建民.草型湖泊沉水植物收割工程對生態改善的試驗［J］.農業工程學報，2003，19（6）：95-100.

［6］葛正浩，楊芙蓮，彭國勛，等.凸輪機構運動學研究綜述［J］.機械設計，2001（3）：4-5.

［7］趙健.基于NX 運動分析的凸輪設計方法及其誤差分析［J］.機械研究與應用，2010（4）：64-66.

［8］朱賢華.淺談鏈傳動多邊形效應［J］.涪陵師范學院學報，2003，19（1）：1-2.