沙灘滸苔清理機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用

劉 星 ，殷鏡波 ，呂慶龍

（山東水利職業(yè)學(xué)院，山東 日照 276826）

滸苔屬綠藻門石莼科大型綠藻，由單層細(xì)胞組成，圍成管狀或粘連為帶狀[1]。主要分布在遼寧、山東、江蘇和福建等省近海。目前，國內(nèi)外還沒有專用的沙灘滸苔清理設(shè)備，只能靠人工清理，主要設(shè)備為鏟車和輸送機(jī)。這些設(shè)備只能完成沙灘滸苔的基本清理，無法完成滸苔內(nèi)沙石的分離和滸苔的脫水，既破壞了沙灘的地形，也影響了清理效率。為了解決這些亟待解決的難題，本研究研制了沙灘滸苔清理機(jī)，它能高效地完成滸苔和沙石的自動(dòng)分離以及滸苔脫水和有效撿拾，填補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

滸苔又細(xì)又長，好像蓬亂的絲線，當(dāng)滸苔到達(dá)海灘時(shí)會(huì)成片地互相交織堆積在沙灘上，清理起來非常困難。針對這一難題，通過分析總結(jié)提出了沙灘滸苔機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：

1）能夠自動(dòng)地拾取沙灘上的滸苔；

2）在收集滸苔的同時(shí)，不破壞沙灘；

3）能夠?qū)崿F(xiàn)滸苔與沙石的分離；

4）能夠降低滸苔的含水量；

5）能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)作業(yè)；

6）能夠?qū)崿F(xiàn)滸苔的自動(dòng)裝卸。

本設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵技術(shù)是：

1）自動(dòng)撿拾。滸苔在沙灘上大面積堆積，如何用機(jī)器把滸苔從沙灘上自動(dòng)撿拾起來，并在撿拾過程中將滸苔和沙分離、避免滸苔在撿拾和輸送過程中的纏繞，是項(xiàng)目研發(fā)和試制中的關(guān)鍵問題。

2）撿拾仿形。在撿拾滸苔時(shí)，撿拾裝置要能隨地面的高低起伏作上下自動(dòng)調(diào)整，既要防止撿拾裝置帶沙，又要防止漏撿。同時(shí)，也要解決前懸掛裝置重量對動(dòng)力機(jī)械前輪加載，而造成前輪下陷和行駛阻力增加的問題。

3）滸苔輸送脫水。撿拾滸苔后，通過輸送裝置，把它輸送到存儲(chǔ)箱的過程，也是一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)。在輸送的過程中，要進(jìn)行輸送幅寬的變換，即將撿拾的寬幅輸送變?yōu)樵趧?dòng)力機(jī)械一側(cè)的窄幅輸送[2]，并在輸送過程中對滸苔進(jìn)行脫水，也要防止輸送過程中滸苔的纏繞。同時(shí)，由于滸苔傳輸時(shí)需要把滸苔兩次升高，即寬幅輸送提升和窄幅輸送提升，如何克服滸苔的滑落也是一個(gè)問題。

2 設(shè)備簡介

2.1 工作原理

沙灘滸苔清理機(jī)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 沙灘滸苔清理機(jī)結(jié)構(gòu)

它的基本工作原理：1）在動(dòng)力裝置的帶動(dòng)下，仿形裝置在地面滑行，隨地面的高低起伏變化；2）撿拾裝置固定在仿形裝置上，從而保證對地的相對高度不變，撿拾裝置的釘齒把滸苔從沙灘上撿拾起來，實(shí)現(xiàn)與沙石的分離，同時(shí)向后拋送到輔助推送裝置；3）輔助推進(jìn)裝置把滸苔推送到寬幅輸送裝置的拖板上，實(shí)現(xiàn)脫水處理，再由寬幅輸送裝置的刮板將滸苔送入到螺旋推進(jìn)裝置的料斗；4）螺旋推進(jìn)裝置的螺旋葉輪把滸苔橫向推進(jìn)并匯集到窄幅輸送裝置中；5）滸苔由窄幅輸送裝置的刮板經(jīng)長距離的輸送，最后被送到存儲(chǔ)箱中，完成滸苔的收集作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了對沙灘滸苔的清理。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)

沙灘滸苔清理機(jī)作業(yè)面寬度為1 m，撿拾速度為2.23 km／h～28.47 km／h，撿拾裝置的轉(zhuǎn)速不低于19.75 r/min。存儲(chǔ)箱容積為4 m3，作業(yè)沙灘厚度一般需大于60 mm（撿拾裝置插入沙中深度50 mm），撿拾裝置的撿拾率>90%；撿拾滸苔的含沙量<5%。

2.3 結(jié)構(gòu)

沙灘滸苔清理機(jī)主要由撿拾裝置、仿形裝置、輔助推進(jìn)裝置、寬幅輸送裝置、螺旋推進(jìn)裝置、窄幅輸送裝置、存儲(chǔ)箱以及動(dòng)力機(jī)械、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等部分組成。

2.3.1 撿拾裝置

撿拾裝置是整個(gè)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)裝置，它的作用好壞關(guān)系到沙灘滸苔清理機(jī)設(shè)計(jì)的成敗。滸苔被海浪送到海邊，堆積在海岸，平鋪到沙灘上。為了能撿拾起滸苔而不帶起沙石，本研究經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，最終確定采用凸輪帶動(dòng)撥齒來進(jìn)行滸苔的撿拾。

本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的溝槽凸輪來滿足撿拾需要，該機(jī)構(gòu)由1個(gè)溝槽凸輪和4個(gè)滾動(dòng)從動(dòng)件組成[3]，具體如圖2、圖3所示。

圖2 溝槽凸輪

圖3 撿拾裝置

在滾動(dòng)從動(dòng)件上安裝了彈簧撥齒，當(dāng)撿拾裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)滾動(dòng)從動(dòng)件，滾動(dòng)從動(dòng)件在預(yù)設(shè)的溝槽凸輪上滾動(dòng)，帶動(dòng)撥齒做旋轉(zhuǎn)伸縮運(yùn)動(dòng)。實(shí)際撿拾作業(yè)中，撥齒在作復(fù)合運(yùn)動(dòng)[4]，保證對滸苔的抬起和后拋。

當(dāng)撥齒旋轉(zhuǎn)到撿拾器下方時(shí)，此時(shí)撥齒垂直于地面并前傾30°入沙，且逐漸伸出。撥齒插入沙中，然后撿拾器旋轉(zhuǎn)，當(dāng)繼續(xù)轉(zhuǎn)過60°時(shí)，此時(shí)撥齒和地面夾角為0°，并將滸苔抬起。隨撿拾裝置的旋轉(zhuǎn)，撥齒和地面夾角增大，當(dāng)撥齒旋到上方時(shí)開始回縮，完成對滸苔的抬起和后拋，然后進(jìn)行下一次伸縮。

2.3.2 仿形裝置

由于沙灘的不平整，滸苔的分布也是不平整的。為了能夠更好地?fù)焓皾G苔，這就要求撿拾器能夠跟隨著沙灘起伏平穩(wěn)行走，從而保證撿拾器對地的高度恒定，為此專門設(shè)計(jì)了仿形裝置。同時(shí)，沙灘滸苔清理機(jī)前部分的重量由仿形裝置的滑靴來支撐。

滑靴的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 滑靴結(jié)構(gòu)圖

工作原理如下：

當(dāng)?shù)孛孀兊蜁r(shí)，滑靴在撿拾裝置重量的作用下，以后軸為支點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)下降，貼在沙灘上。當(dāng)?shù)孛孀兏邥r(shí)，滑靴被沙子托起，以后軸為支點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)上升，帶動(dòng)撿拾裝置上升，從而使撿拾裝置隨地形的起伏自動(dòng)調(diào)整。

2.3.3 輔助推進(jìn)裝置

撿拾裝置的撥齒回縮致使?jié)G苔不能全部送入寬幅輸送裝置，造成撿拾裝置和寬幅輸送裝置之間形成一個(gè)死區(qū)。滸苔很容易在該死區(qū)堆積，對滸苔的收集和傳輸都造成一定的影響。為此，在這個(gè)位置安裝一個(gè)輔助推進(jìn)裝置，解決滸苔在該區(qū)域堆積的問題。

2.3.4 螺旋推進(jìn)裝置

進(jìn)行滸苔撿拾的時(shí)候，需要有足夠的撿拾寬度，以便收集更多的滸苔，提高滸苔撿拾的效率。但在滸苔輸送到存儲(chǔ)箱的過程中，需要通過動(dòng)力機(jī)械機(jī)構(gòu)，同時(shí)為了不影響駕駛員的視野，必須采用窄幅輸送裝置進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大高度的輸送。在本設(shè)備中采用水平螺旋推進(jìn)器，實(shí)現(xiàn)寬幅輸送到窄幅輸送的變換，螺旋推進(jìn)裝置如圖5所示。

圖5 螺旋推進(jìn)裝置

2.3.5 傳送機(jī)構(gòu)

由于采用背負(fù)式傳動(dòng)方式，滸苔的輸送路徑變得很長，同時(shí)高度也很大，造成窄幅輸送裝置很陡峭。如果采用普通的傳送帶，滸苔很容易滑落，為此，選用了同寬幅輸送裝置類同的鏈條刮板式輸送方式，該窄幅傳輸送器具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 窄幅傳輸送器

2.3.6 存儲(chǔ)箱

為了保證沙灘滸苔清理機(jī)的連續(xù)作業(yè)時(shí)間和效率，應(yīng)該選取足夠容積的存儲(chǔ)箱。但要考慮到動(dòng)力機(jī)械的后部支撐不允許存儲(chǔ)箱有過大的承載量，同時(shí)還要考慮自卸對液壓油缸的舉升要求，包括舉升高度和重量。

2.3.7 動(dòng)力機(jī)械

動(dòng)力機(jī)械12 h功率25.7 kW；變速箱前進(jìn)檔8個(gè)，倒退檔2個(gè)；前后輪距可調(diào)；帶氣剎；帶差速鎖；單作用離合器；力、位調(diào)節(jié)提升器，Ⅰ類三點(diǎn)式懸掛；機(jī)械轉(zhuǎn)向；雙速動(dòng)力輸出，動(dòng)力輸出為嚙合套換檔；輪胎前5.0~15，后11.2~24；帶前、后配重；新型流線型全封閉覆蓋件；組合燈具，最小使用重量為1 450kg。

3 應(yīng)用效果

滸苔的暴發(fā)具有明顯的季節(jié)性，短時(shí)間召集大量的人力很是困難，有時(shí)不得不動(dòng)用預(yù)備役等警力進(jìn)行應(yīng)對。本項(xiàng)目樣機(jī)試制成功后，經(jīng)過在日照市山海天浴場和第三浴場進(jìn)行了多次試驗(yàn)，收到了良好的撿拾效果。一臺(tái)沙灘滸苔清理機(jī)5 h撿拾滸苔20余t，只需配備3人就可以完全清理沙灘上的滸苔，一臺(tái)拖拉機(jī)就能把清理的滸苔送到滸苔處理場地，利用日曬和風(fēng)干的方法進(jìn)行處理，可以作為肥料，也可以作為垃圾進(jìn)行沼氣處理。每個(gè)浴場每天按兩臺(tái)機(jī)械（沙灘滸苔清理機(jī)和拖拉機(jī)）計(jì)算，15個(gè)海水浴場需要配置30臺(tái)，滸苔暴發(fā)期按一個(gè)月計(jì)算，每年共需要900臺(tái)次機(jī)械，每天油耗按平均80元計(jì)算，使用機(jī)械清理滸苔的費(fèi)用為72 000元，是前一年人工清理滸苔機(jī)械費(fèi)用的49.94%。每個(gè)海水浴場按配置5人計(jì)算，15個(gè)海水浴場每天需要配置75人，一個(gè)月共需人工2 250人次，是前一年人工清理滸苔所需人力的44.73%。近3年來人工清理滸苔的人力和機(jī)械消耗費(fèi)用與采用沙灘滸苔清理機(jī)后的效益分析如表1所示。

表1 近3年日照市海水浴場人工清理滸苔與沙灘滸苔清理機(jī)清理滸苔分析表

4 結(jié)論

沙灘滸苔清理機(jī)試制成功后，先后在日照市、青島市海水浴場、森林公園等地進(jìn)行測試。經(jīng)過3年的運(yùn)行實(shí)踐證明，沙灘滸苔清理機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，運(yùn)行良好，大大提高了海水浴場對滸苔的清理速度，保護(hù)了沙灘，節(jié)省了大量的人力和物力。現(xiàn)在，該設(shè)備已經(jīng)推廣到其他海水浴場。