基于機械自動化的水葫蘆清理刀具結構設計

賀敏超 趙新業 黃淑芳 農田友 陳偉珍 陳炳森 梁建和 陳國麗

【摘 要】水葫蘆的瘋狂繁殖，嚴重破壞了生態環境。目前，常見的水葫蘆清理方法是機械設備打撈。但是，這些機械設備只是簡單的拖拽式打撈，導致所需能耗大、設備體積龐大。文章通過分析水葫蘆根系特點，以及現有打撈裝置存在的不足，提供了一種特殊設計的刀具群結構的水葫蘆清理刀具，能輕松地清理水葫蘆等水生植物，并將其一次性切碎。

【關鍵詞】水葫蘆;清理;刀具結構

【中圖分類號】S225 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）12-0056-02

0 前言

近幾年，南方地區發現有大量的水葫蘆，由于其瘋狂地繁殖，嚴重破壞了生態平衡，對生態文明建設造成了極大影響。各地紛紛采取各種措施清理水葫蘆，也出現了各種打撈方法的研究，例如水陸聯動機械快速打撈法等[1]，但還是存在費時費力、勞動強度大、效率低等缺點。不少商家也紛紛研發出打撈水葫蘆的設備，雖然大大降低了勞動強度，但是也存在設備體積大、成本高、清除不徹底等缺點。分析部分商家的水葫蘆機械清理設備，其清除刀具部分都有一些共性[2]。

（1）機械抓斗進入水中打撈水葫蘆，然后將其轉運到裝載機上，抓斗轉向進行打撈或卸貨時需要消耗大量動能。

（2）抓斗在打撈水葫蘆時會將水葫蘆中夾帶的水、泥沙和金屬等雜物一同打撈進運載機中。

（3）傳統打撈機械只能進行簡單的打撈，未粉碎，堆積在岸邊有再生可能性。為了既能簡便打撈水葫蘆又能徹底清除水葫蘆，本文提供一種新型水葫蘆收割刀具的設計方案。

1 方案設計

由于水葫蘆生長在水里，根系發達且可能相互纏繞，長度也較長，所以其繁殖區域往往是呈現連片分布。人工拖拽往往無法將其分開，從而無法清理或導致勞動強度加大。所以，機械收割應考慮將即將收割部分與其他部分分離，以“化整為零”的思想，逐級收割，步步蠶食。故刀具結構應具備如下功能。

1.1 刀具結構功能

（1）分割功能。即要有刀片將水葫蘆互相纏繞的根系分割，以便于進行下一步動作。要實現這個功能，刀具的刀刃部分應在“分割”過程中，切割力的方向應盡可能地垂直于水葫蘆根系，且本部分刀具主要分割縱向根系。

（2）防纏繞功能。水葫蘆根系發達且互相纏繞，通過縱向分割之后，還需要橫向分割，類似于“切碎”功能，但由于水葫蘆根系具有韌性等特點，所以還要考慮刀具及其轉軸的防纏繞功能，故刀具結構要設計成“鐮刀”形結構，而且至少兩個刀片在同一個回轉面上的切割軌跡形成“X”形交叉結構。

（3）如果把刀片旋轉所形成的回轉體近似一個圓柱體，那么刀片在軸向的設置在軸向方向上是錯開的，而且“鐮刀”的開口方向是“背對背”或“面對面”錯開，讓其在旋轉軌跡上剛好形成一個“X”形結構。

（4）把這個圓柱體軌跡的刀片集合體分割為若干段圓柱體，而且這些圓柱體軌跡相互之間在同一個軸向剖面上相互干涉（除兩端外），保證在分割作業面上完全有刀片切除而不發生纏繞現象。

（5）所有刀口切削刃方向一致，統一設置為刀片從水中旋出水面的方向。

1.2 刀片布置

基于以上分析刀具應具有的功能要求，需要在刀具旋轉軸上布置若干刀片，其布置如下。

（1）刀具旋轉軸兩端分別設置兩片用于縱向分割的直刀片，兩刀片以180°對稱分布。以便先將大片相連的水葫蘆分割為小塊。

（2）從該直刀片兩端向中間排列設置一對“鐮刀”形刀片，兩刀片同樣是以180°對稱分布，但該兩刀片的連線與上述兩直刀片的連線形成垂直關系。該對“鐮刀”刀片彎曲方向是“背對背”設置的。同時，“鐮刀”刀片與旋轉軸的連接處不在同一個旋轉平面內，而是有一定量的錯位，使刀具在旋轉軌跡形成“X”形軌跡，以防水葫蘆纏繞。

（3）在上述該對“鐮刀”刀片的安裝點軸線連線的中間位置再設置一對直刀片，同樣是以180°對稱分布，其安裝點連線與“鐮刀”刀片安裝點連線呈垂直關系。也就是說，在此處有一對“鐮刀”形刀片和一對直刀片，分別布置在一個回轉體的4個90°角上，而且“鐮刀”的彎曲方向剛好是相反的，類似于“X”形。需要指出的是，直刀片的長度比彎刀片在徑向方向要長，比如50 mm，以便在切割工作時優先進行縱向切割，減少彎刀片切割時根系纏繞阻力。

（4）從旋轉軸兩端往中間，依次布置上述的刀具群，為了讓水葫蘆在軸向方向都能被切到，每兩個刀具群之間的距離也不能太長，具體間距以兩個刀具群在旋轉軌跡上形成的兩個“X”形軌跡之間無間隙為準。

（5）通過以上特殊的刀具設置，使水葫蘆在收割過程中經過“切片→切碎”，但有些韌性強的根系可能還是無法被切碎。基于此，本方案在刀具群正上方設置一個防護罩，但不是起到防護作業，而是用于幫助切碎水葫蘆。設置要求如下：該防護罩覆蓋整個刀具群旋轉體1/4回轉面，大致位置為在旋轉軸正上方順旋轉方向90°。防護罩在旋轉軸線方向上型面與刀具群旋轉時形成的軌跡對應，刀具刀尖位置距離防護罩10～20 mm。此處就相當于形成一個“粉碎機”，將刀具初始階段未切碎的水葫蘆再次切碎，之后再從防護罩的下端出來，掉到設置在防護罩下方的傳送帶上。

2 本結構刀具的優點

本結構刀具與現有水葫蘆收割刀具對比，有以下優點。

（1）本結構刀具在工作時先對大片的水葫蘆進行小塊分割，減少了不分割而導致拖拽所消耗的能量，所配的機械設備體積相對較小。而現有的水葫蘆清理刀具沒有進行分割，僅是通過拖拽打撈，能耗大、體積大。

（2）本結構刀具在打撈時就將水葫蘆切碎，防止水葫蘆“復活”。而現有的水葫蘆打撈設備僅僅是打撈，未切碎，“復活”可能性大，即使拉上岸也可能“復活”。

（3）本結構刀具配合相應的傳輸設備，將切碎的水葫蘆壓縮后上岸處理，不污染河道，不讓水葫蘆再生。

3 本結構刀具的缺點

本結構刀具存在以下的缺點。

（1）結構相對復雜，對直刀片和“鐮刀”刀片的位置要求較高，如果布置不正確，防纏繞功能失效，可能就會被卡死。

（2）刀具的切削刃要求比較鋒利，保證在工作過程中將水葫蘆切斷、切碎。

（3）刀片與旋轉軸的連接采用焊接的方式，對焊接技術要求較高。

（4）對旋轉軸轉數要求較高，過低的轉數無法有效切斷、切碎水葫蘆，過高的轉數能量損失大，對電機等相關零部件的壽命有一定的影響。

4 結語

本文通過對水葫蘆及其根系分布情況進行分析，結合現有的水葫蘆清理設備及其工作過程，以及現有的水葫蘆處理的相關方法，提出了新型的水葫蘆清理刀具結構，其特殊的刀具群分布結構，讓該刀具能在能耗較少的情況下，實現水葫蘆清理、切碎功能，同時防止水葫蘆“復活”。該刀具結構不僅適用于水葫蘆清理，也適用于其他類似的水生植物的清理和打撈水面垃圾等，配合相應的動力傳輸設備，能完成多項水面清理工作，應用非常廣泛。

參 考 文 獻

[1]吳世銘.“水陸聯動機械快速打撈法”在水口庫區水葫蘆集中整治中的應用[J].福建農業學報，2007（1）.

[2]趙達境，占向輝.水葫蘆自動清理壓縮船結構設計及其仿真[J].科技與創新，2016（14）.

[3]廈門泛海恒業環境科技有限公司.福建水口電站：“鬧心”的水葫蘆[EB/OL].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_

a7e9cb0e01011dsu.html，2012-07-14.