水面清潔設備研究及設計

陳文彬

摘 要：現(xiàn)在市場上有多種水草切割船，但并不適合于小型水域的淡水養(yǎng)殖，而且水草切割船體積大、消耗高，購買需要花費較大資金。針對這種情況，淡水養(yǎng)殖人員需要一種可以安裝在普通船只的切割器，而且具備裝拆方便，簡單廉價的特點。在對淡水養(yǎng)殖地區(qū)進行調研后，本著以簡單實用、可靠廉價為目的，設計了一種能用于養(yǎng)殖戶現(xiàn)有小型船只的水草切割裝置。本文介紹了可拆卸組合式水草切割裝置的方案、結構、尺寸和材料，并用Solid Works軟件對該裝置進行了三維建模，用Adams軟件進行了運動學分析，分析了割刀在運行過程中的受力和碰撞，以對割刀進行進一步改進。

關鍵詞：水面清潔設備 水草切割船 刀 動力

中圖分類號：U67 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（a）-0123-03

1 課題研究的背景

目前市場上有多種水草切割機，它們的切割裝置各有優(yōu)缺點。因此對于不同的水域和水生植物，有其合適的切割裝置。許多研發(fā)者致力于水草切割裝置的優(yōu)化和改進以提高其性能。隨著研究的深入和發(fā)展，水草切割裝置越來越成熟，性能越來越優(yōu)良。隨著水域生態(tài)景觀的開發(fā)和養(yǎng)殖事業(yè)的迅猛發(fā)展，水草切割裝置在中國小型水域中具有廣泛的應用前景，因此水草切割裝置的研究和發(fā)展也越來越重要。

因為專門的水草切割船體型大、消耗高、不適合在小型水域工作且一般的養(yǎng)殖戶無法承擔水草切割船的費用。針對這種情況，需要專門設計可快速拆卸式水草切割裝置。

2 初步設計方案

2.1 研究目標

設計一種簡單、廉價、可靠的小型便攜可拆卸式水草切割設備，可安裝在養(yǎng)殖戶的普通船只上，當池塘需要割草時，可以實現(xiàn)快速安裝；當不需要割草時，可以快速拆卸，以免切割裝置在露天環(huán)境中被侵蝕破壞，延長使用壽命。

在可以快速拆卸組合的基礎上，通過調節(jié)刀架的高度，可以實現(xiàn)刀的上下移動，這樣就可以在不同的水域，根據所要的水草高度，進行切割。

2.2 研究內容

（1）切割器的類型和選擇。

（2）切割裝置在水中的工作特性，包括用Solid Works軟件進行建模后，導入Fluent軟件進行水中模擬，得出切割器在水中的受力情況；綜合水的阻力與水草的阻力，在Adams軟件中進行受力分析，查看割刀運行過程是否穩(wěn)定，有無較大碰撞力。

2.3 主要問題

環(huán)保、割刀形式的選擇和盡可能降低產品的成本。

2.4 關鍵技術

實現(xiàn)割刀上下調節(jié)，以適應不同水域。

2.5 解決方案

動力初步擬定為汽油機，汽油機體積小、振動低、啟動簡單，最重要的是萬一有泄漏汽油易揮發(fā)，不會污染水域。

刀具初步擬定為往復式割刀，采用兩動刀片的方式進行切割，刀片安置在托刀盒內，托刀盒焊接在刀架上。

支撐結構盡量采用型材，通過改造型材，刀架可以實現(xiàn)上下移動。

傳動軸采用可拉伸花鍵軸，以實現(xiàn)刀的移動。

在本設計中，刀配體材料初步擬定為不銹鐵，它具有良好的力學性能和耐腐蝕性能，刀架采用不銹鋼，其焊接性良好，適用于作結構材料。

3 設計過程

3.1 船

池塘的一般水深為500mm，最深處可達800mm，擬定船高為400mm，無載荷時吃水深度為50mm，船寬900mm。其Solid Works三維設效果圖如圖1所示。

3.2 刀

選擇往復式切割器則能避免切割器被纏繞和堵轉的問題，即使遇到強度、韌性比較大的水草，切割器的刀片也能依靠高速運動將水草割斷。在參考大量切割器資料后，最適宜的可直接購買的切割器刀具長度為1100mm。比船稍寬，以保證船前面的水草切割干凈。其Solid Works三維效果圖如圖2所示。

因為往復式割刀的動刀片在速度為0.7m/s時最穩(wěn)定，按照廠家生產的刀具，切割部分寬a=30.89mm，刀長b=1m，擬定輸入轉速n=500r/min：

8小時割=8=22.2畝

船的適合速度v=2a×500/60=0.5m/s。

為了提高效率，暫擬定切割部分寬35mm，8小時割=8=25畝；

刀的移動速度=0.58m/s；

船的適合速度v=2a×500/60=0.58m/s；

因為受力不大，材料初步擬定為301不銹鋼，它具有良好的力學性能和耐腐蝕性能。

平板是最簡單的構件，當平板被順著平行來流方向安置時，由于水的粘滯性引起的水動力僅為摩擦阻力。而平板與來流成角度時，會受到形狀阻力等。因此擬定本設計中刀平面與來流方向平行，以減少水的阻力。

3.3 刀架

初步擬定刀片焊接在刀架上，為了實現(xiàn)刀的高度調節(jié)，刀架和支撐部分要同時設計。支撐部分初步設計為開有槽的鋼板，刀架可以裝配在鋼板的槽中以上下進行高度調節(jié)。為了加強刀架的穩(wěn)定性，同時阻止刀架旋轉，初步設計刀架為三角形鋼管焊接件。其Solid Works三維效果圖如圖3。

刀架整體均是由直徑20mm的鋼管焊接，垂直距離為230mm，因為受力不大，材料初步擬定為316不銹鋼，其焊接性良好，適用于作結構材料。

3.4 支撐部分

8號槽鋼高80mm，寬43mm，厚8mm。根據上面設計的刀架，其垂直距離為230mm，那么可以設計第一個槽口圓形中心據離頂部為80+80+350-230=280mm。那么刀架的移動范圍可達80×5=400mm，完全可以滿足池塘水草的切割。其Solid Works三維效果圖如圖4。

3.5 動力部分

由于汽油機體積小，容易啟動的特點，擬定動力部分為汽油機，轉速為1500r/mim。配合減速比為1∶3的單級齒輪減速器。

3.6 偏心輪

由于設計采用一定刀片一動刀片的形式，刀片中刀齒間距為35mm，為了使刀片在運行過程中盡可能的增大切割面積，設計偏心半徑為35mm。這樣偏心輪運轉一周，動刀片完成一個往復動作。

3.7 受力分析

割刀承受的力F主要由摩擦力、切割阻力、慣性力和流體阻力組成。

慣性力F=m×a=0.52×19.3=10N。

鋼與鋼的摩擦系數(shù)：靜摩擦無潤滑劑0.15，有潤滑劑0.1～0.12；動摩擦無潤滑劑0.15，有潤滑劑0.05～0.10。這里取動摩擦無潤滑劑0.15。

刀片之間的摩擦力f=0.15mg=0.15×5.2=0.78N。

3.8 系統(tǒng)建模與仿真分析

3.8.1 割刀裝配體基于ADAMS仿真分析及輸出結果

在這個Adams模擬中，要輸出動刀片的速度和加速度曲線，驗證動刀片速度是否滿足設計要求，看加速度曲線是否平滑，以驗證刀的運行時平穩(wěn)的。最后要輸出動刀片與刀盒的接觸力曲線，驗證動刀片與刀盒之間是否有異常沖擊力。

3.8.2 輸出結果分析

由動刀片和托刀盒的碰撞曲線可以看出，在動刀片在運行過程中，與托刀盒無明顯異常碰撞，說明偏心輪和連桿的設計基本符合設計要求。

綜上Adams軟件運動學分析，可以得出本文所設計的可快速拆卸組合式水草切割裝置基本滿足要求，有些地方還需要進一步的改進。

3.9 方案確定

汽油機型號的選擇，由3.7節(jié)受力分析可知，偏心輪每轉一周，耗費時間0.12s，割刀前進0.12×0.58=0.0696m，W=306.64×0.0696+10.78×0.035×2=22J，功率P=22/0.12=0.2kW。雖然托刀盒中有潤滑，但偏心輪與連桿的摩擦會消耗部分功率。

4 結語

通過受力分析和模擬，切割裝置基本滿足設計要求。有動刀片的加速度曲線可知，存在較大沖擊力，說明偏心輪的設計還存在問題，需要進一步修正改進。還有很多方面需要進行試驗測試。

本文對水草切割進行了基礎研究，進行了初步的探索，并主要針對可快速拆卸組合式水草切割裝置進行了深入研究，同時概述了其控制系統(tǒng)。由于各條件的限制，可快速拆卸組合式水草切割裝置還存在大量問題，如傳動系統(tǒng)不穩(wěn)定，接下來我們應該把重點放在可快速拆卸組合式水草切割裝置的傳動系統(tǒng)研究上，這樣將對我們了解傳動系統(tǒng)如何避開水草纏繞問題和甩動幅度大等問題有很大幫助，對水草切割裝置的具體工作過程有一個更深層次的認識。正是由于我國在養(yǎng)殖業(yè)機械化技術方面的落后，我們更加應該花費人力物力去研究學習，并最終實現(xiàn)水草切割裝置的國產化。讓我們?yōu)橹圃斐鲎约旱膿碛凶灾髦R產權并且簡單可靠廉價的可快速拆卸組合式水草切割裝置而努力。

參考文獻

[1] 尚士友，杜健民，李旭英，等.草型湖泊沉水植物收割工程對生態(tài)改善的試驗[J].農業(yè)工程學報，2003，19（6）：95-100.

[2] 王志國，尚士友，韓青松.基于Pro/E的水草切割裝置特征建模及運動仿真[J].農機化研究，2006（7）：89-92.

[3] 趙國興.9SCGC-1.5型水草收割船的研制[J].農業(yè)科技與裝備，2010（12）：33-34.

[4] 王攀峰，尚士友，劉海亮，等.9GSCC-1.4H水草收割機切割裝置改進設計[J].農機化研究，2010，23（9）：69-73.

[5] 趙武云，劉祝英.基于ADAMS的4UX-550型馬鈴薯收獲機仿真研究[J].甘肅農業(yè)大學學報，2007，42（2）：116-119.

[6] 朱聰玲，劉江龍，盧偉.聯(lián)合收割機往復式割刀傳動機構動力學分析[J].佳木斯大學學報：自然科學版，2004，22（1）：123-126.

[7] 朱新民，尹安東.收割機往復式切割裝置節(jié)能的研究[J].農機與食品研究，1995（5）：9-11.

[8] 李建平，趙勻，饒秀勤.小型收割機切割機構運動學和動力學分析及慣性力平衡[J].浙江農業(yè)大學學報，1997，23（3）：234-236.

[9] 杜健民，尚士友，丁海泉.沉水植物收獲機械設計學的研究.內蒙古農牧學院學報，1995，15（3）：79-82.

[10] 吳宗澤.機械零件設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[11] 李軍，陶永忠.MSC.ADAMS FSP基礎培訓教程[M].北京：清華大學出版社，2004.

[12] Yung-Lien Wang.Modular design process for a micro motion actuator[J].Mechatronics， 2005（15）：793，806.