自動(dòng)拖拽轉(zhuǎn)掛式海帶采收船的設(shè)計(jì)

譚永明， 諶志新， 楚樹坡， 樓上游， 江 濤

(1 中國機(jī)械科學(xué)研究總院，北京 100044； 2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；3 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

中國海藻資源豐富，養(yǎng)殖海帶約占全世界產(chǎn)量的一半，是世界上最大的海帶生產(chǎn)和食用的國家[1]。山東半島是國內(nèi)最大的海帶養(yǎng)殖地區(qū)，約占國內(nèi)養(yǎng)殖量的70%[2-3]。采收海帶是一項(xiàng)高強(qiáng)度的體力勞動(dòng)，采收工需要在凌晨三、四點(diǎn)進(jìn)入采收區(qū)[4-5]，人工搖動(dòng)舢板進(jìn)入筏架繩之間，將苗繩撈起，解開或割斷苗繩兩端的吊繩，將苗繩及苗繩上的海帶拖到舢板上，連接海底木樁的綆繩和浮球仍然留在養(yǎng)殖區(qū)，留給下次接種時(shí)繼續(xù)使用。采收工需要控制舢板，不停地更換位置解繩子，然后將解下的帶有苗繩的海帶拖拽到舢板上，舢板空間有限，需要不時(shí)回岸卸下采收的海帶。遠(yuǎn)的采收區(qū)離卸貨碼頭甚至超過30海里，有的舢板每天只能完成采收2次。后期的晾曬也都是通過人力單個(gè)伸展、翻曬和打包入庫，勞力較多，效率低下。由于海帶附加值低，利潤低，機(jī)械自動(dòng)化研發(fā)受限，設(shè)備研發(fā)和推廣受到一定限制。隨著時(shí)代的發(fā)展，年輕勞動(dòng)力的減少和人們生活水平的提高以及國家提出的海洋強(qiáng)國科技興國戰(zhàn)略，藻類養(yǎng)殖業(yè)和加工業(yè)的機(jī)械化也必將帶來新的發(fā)展。

研究了自動(dòng)拖拽轉(zhuǎn)掛式海帶采收船的設(shè)計(jì)方法、工作原理和后續(xù)工序的實(shí)現(xiàn)等，提出了海帶機(jī)械化采收過程的關(guān)鍵設(shè)備自動(dòng)拖拽轉(zhuǎn)掛式海帶采收船的設(shè)計(jì)方案，為深入開展筏式養(yǎng)殖海帶機(jī)械化研究，以及海帶育苗、種植和海帶增值加工配套設(shè)備設(shè)計(jì)應(yīng)用提供參考。

1 國內(nèi)外海帶采收船現(xiàn)狀

海帶采收船一般分為2種：一種是用于海面清理的大型野生藻類清理船，主要采用機(jī)械格柵將漂浮在海平面上的海帶還有滸苔等一些野生藻類拖入大型船內(nèi)上岸處理，以達(dá)到凈化海水的目的，不適合筏式養(yǎng)殖海帶的采收[6](圖1)；另一種是根據(jù)筏架特點(diǎn)設(shè)計(jì)制作的專用采收船(圖2)。國外海帶養(yǎng)殖和采收方式與國內(nèi)差別很大，很多歐美國家還僅僅是食用少量野生海帶[7]，需求量較低，沒有在海上形成大面積的海帶養(yǎng)殖，一般作為生態(tài)鏈副產(chǎn)品和貝類分層混合養(yǎng)殖，筏架成本高，空間利用低，專用設(shè)備自動(dòng)化程度較高，對(duì)養(yǎng)殖空間利用和投入成本考慮少。在日本和韓國，海帶是直接在一根根綆繩上養(yǎng)殖的，養(yǎng)殖空間利用低，但采收簡單方便，通過采收船和簡單的絞車就可以實(shí)現(xiàn)采收。由于國情和海域環(huán)境的不同，國內(nèi)的海帶筏式養(yǎng)殖不能照搬國外的養(yǎng)殖模式和配套機(jī)械化設(shè)備。

圖1 大型野生藻類清理船

圖2 海帶浮管筏式養(yǎng)殖設(shè)備

針對(duì)國內(nèi)海帶的養(yǎng)殖方式，國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)和使用單位也對(duì)海帶采收船進(jìn)行過研發(fā)，但在設(shè)備實(shí)用性、穩(wěn)定性和工藝合理性等方面還存在進(jìn)一步研究探討的空間，目前仍都停留在研發(fā)試制階段，沒有得到市場推廣，人工采收仍然是海帶采收的主要方式[8-15]。最具代表性的海帶采收船是鏈驅(qū)動(dòng)式海帶采收船[16-20](圖3)，利用鏈輪勾住浮球拖動(dòng)綆繩將海帶苗繩拖入船艙，再利用兩側(cè)切刀將苗繩切斷。由于海況復(fù)雜，瞬間受力大，易導(dǎo)致僅有5mm厚的高密度聚乙烯(HDPE)浮球破損；切斷后的苗繩不利于回收使用；且采收過程中兩側(cè)綆繩松緊不同導(dǎo)致船不正向行駛，使采收受阻等問題不能解決，最終設(shè)備沒有實(shí)現(xiàn)市場化。

圖3 鏈驅(qū)動(dòng)式海帶采收船

2 自動(dòng)拖拽轉(zhuǎn)掛式海帶采收船設(shè)計(jì)

以往的采收設(shè)備研發(fā)嘗試給本設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，研發(fā)的自動(dòng)拖拽轉(zhuǎn)掛式海帶采收船是在分析先前存在問題的基礎(chǔ)上，對(duì)采收中遇到的筏架結(jié)構(gòu)尺寸不標(biāo)準(zhǔn)；筏架上長滿野生藻類影響設(shè)備采收使用；風(fēng)浪及涌流影響船的行駛方向和采收的穩(wěn)定性等問題從設(shè)計(jì)角度分析解決，采用船體增加側(cè)推控制，復(fù)制筏架拖拽式采收的方式，避免和解決了海帶筏式養(yǎng)殖現(xiàn)狀而帶來無法穩(wěn)定采收的問題。

養(yǎng)殖筏架采用綆繩為主繩，兩端用木樁固定在海底，綆繩之間掛有苗繩，在海帶苗繩上種植海帶，每架海帶采用2根綆繩，苗繩間隔約1.5 m，每架海帶連有100根左右的苗繩，兩根苗繩連接在一起，連接結(jié)掛有小浮漂，剩余端連接到綆繩上，這樣的結(jié)構(gòu)方式既提高了空間利用效率，又降低了單根苗繩上海帶的重量，保證采收時(shí)可以人工拉到船上。相鄰兩架海帶交錯(cuò)放置，每架可生產(chǎn)5 t左右鮮海帶，這種養(yǎng)殖布局雖然能最大限度地利用水體空間，但也增加了采收的難度(圖4)。海帶采收要求在6級(jí)風(fēng)以下完成，浪級(jí)、風(fēng)級(jí)、暗流等海況也是海帶采收船設(shè)計(jì)考慮的必要因素。

圖4 國內(nèi)海帶養(yǎng)殖布置圖

2.1 海帶采收系統(tǒng)組成及采收船工作流程

在國內(nèi)海帶采收后主要有三個(gè)去向，第一個(gè)去向，也是到目前用的較多的方式就是風(fēng)干儲(chǔ)存，在空曠處或沙灘上晾曬1～2 d后儲(chǔ)存；另一個(gè)去向是上岸后直接加工成各種海帶副食品[21-22]；還有少量的海帶采用烘房烘干制成精致干海帶，這些都需要先完成海帶采收上岸，并且海帶間需要有順序的放置。

海帶采收的整套系統(tǒng)由采收船和運(yùn)輸船組成(圖5)，采收船又由海帶拖拽轉(zhuǎn)掛設(shè)備、吊車、船體和液壓控制裝置組成，負(fù)責(zé)海帶的專用采收，運(yùn)輸船用于將采收后的海帶輸送到岸。海帶拖拽轉(zhuǎn)掛設(shè)備是海帶采收船的主要設(shè)備，由前繩導(dǎo)向、鏈輪組件、綆繩夾緊組件、機(jī)架組件、鏈接繩絞車以及液壓馬達(dá)組成(圖6)。而綆繩夾緊組件是設(shè)備的核心部件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)海帶綆繩的夾緊及松放。

圖5 海帶采收整套系統(tǒng)組成

圖6 海帶采收船組成

自動(dòng)拖拽轉(zhuǎn)掛式海帶采收船的工作流程：1)人工將一架海帶兩側(cè)綆繩一端從海中勾起并夾入第一個(gè)綆繩夾緊組件中；2)在液壓馬達(dá)和鏈輪的輸送下將海帶逐漸拖入采收船，采收設(shè)備前端的前繩導(dǎo)向組件可以確保拉入的綆繩不偏離導(dǎo)軌，不間斷地順利進(jìn)入綆繩夾緊組件；3)工人將拖上船的海帶苗繩兩端解下，并順手轉(zhuǎn)掛到串在鏈接繩的掛鉤上；4)收滿海帶后將鏈接繩兩端系起，掛到吊車上；5)吊車將海帶吊到運(yùn)輸船上，運(yùn)至岸上用于后續(xù)風(fēng)干或加工。

2.2 自動(dòng)拖拽轉(zhuǎn)掛式海帶采收船設(shè)計(jì)

自動(dòng)拖拽轉(zhuǎn)掛式海帶采收船在調(diào)頭和航行時(shí)整個(gè)設(shè)備由螺旋槳驅(qū)動(dòng)，海帶采收時(shí)通過海帶拖拽轉(zhuǎn)掛設(shè)備的液壓馬達(dá)拉動(dòng)綆繩帶動(dòng)采收船前進(jìn)，可以避免因船行駛與采收不同步而導(dǎo)致海帶采收不順暢，船設(shè)計(jì)有側(cè)推功能，左右兩側(cè)液壓馬達(dá)可以單獨(dú)控制速度，保證采收船在筏架中及時(shí)靈活地調(diào)整行駛方向。采收船的設(shè)計(jì)解決了風(fēng)浪流聯(lián)合作用及低速航行下操作性、船舶型款受限條件下安全隱性以及防搖減搖等問題，還可以減少因海況復(fù)雜而導(dǎo)致的采收穩(wěn)定性問題。采收船設(shè)計(jì)參數(shù)：總長22 m，設(shè)計(jì)平均吃水1 m，設(shè)計(jì)水線長22 m，設(shè)計(jì)排水量85 t，主機(jī)功率79 kW，型寬6 m，設(shè)計(jì)航速8 km，使用海況為6級(jí)。

采收船工作的主要功能模塊海帶拖拽轉(zhuǎn)掛設(shè)備的組成及設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 海帶拖拽轉(zhuǎn)掛設(shè)備組成

2.2.1 前繩導(dǎo)向和傳動(dòng)設(shè)計(jì)

海帶采收船在海里工作時(shí)，隨著波浪起伏晃動(dòng)比較大，海帶綆繩進(jìn)入綆繩夾緊組件前，需要初步找正，前繩導(dǎo)向由導(dǎo)繩輪、軸承、軸組成，為無動(dòng)力從動(dòng)導(dǎo)向，可以保證綆繩與行駛角度小于45°時(shí)的順利導(dǎo)入。傳動(dòng)裝置采用鏈輪傳動(dòng)，綆繩夾緊組件安裝在鏈條上，夾緊組件的兩側(cè)裝有滾輪，通過滾輪和導(dǎo)軌的配合，可以確保其橫向直線運(yùn)動(dòng)，并支撐其縱向受力。鏈輪機(jī)構(gòu)主要由鏈條、主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、張緊裝置、軸承座組件和聯(lián)軸器組成。主動(dòng)鏈輪和液壓馬達(dá)通過聯(lián)軸器相連，驅(qū)動(dòng)主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)。另一端安裝有從動(dòng)鏈輪，主動(dòng)鏈輪與從動(dòng)鏈輪通過鏈條相連，鏈輪通過軸承和軸承座固定在機(jī)架上，從動(dòng)鏈輪裝有張緊裝置，可以調(diào)節(jié)主動(dòng)鏈輪與從動(dòng)鏈輪之間的輪距，可使鏈條始終處于張緊狀態(tài)。設(shè)計(jì)傳動(dòng)速度按照工人扯拽繩扣時(shí)間設(shè)定。采收時(shí)筏架和苗繩上附著有野生藻類，會(huì)影響到解扣效率(圖8)。經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證根據(jù)狀況的不同，解1根苗繩大約用時(shí)2～10 s，設(shè)計(jì)功效采收量為20 t/h。100 kg海帶在綆繩間跨距1.5 m，效率為50%，每秒鐘扯拽運(yùn)行0.18 m，液壓馬達(dá)每分鐘轉(zhuǎn)速為7～12 r/min。

圖8 采收時(shí)筏架狀況

風(fēng)力計(jì)算公式[23]：

(1)

式中：Fw—風(fēng)力，N；Cw—風(fēng)力系數(shù)；Cs—形狀系數(shù)；Ch—高度系數(shù)；Ai—每個(gè)受風(fēng)面的投影面積，m2；Vw—設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。

海流力計(jì)算公式[23]：

(2)

式中：Fcx—首向流力，N；Cc—流力系數(shù)；S—包括附體的船體濕表面積，m2；Vc—設(shè)計(jì)流速，m/s。

平面輸送力計(jì)算公式[24]：

(3)

式中：Fs—輸送力，N；L—輸送機(jī)長度，m；m—鏈條每米質(zhì)量，kg/m；mv—輸送物料每米的質(zhì)量，kg/m；f—物料的內(nèi)摩擦系數(shù)；f1—物料的外摩擦系數(shù)；h′—輸送物料的料層高度，m；B—機(jī)槽寬度，m；g—重力加速度，m/s2；F0—最小張緊系數(shù)；n—物料對(duì)機(jī)槽兩側(cè)的側(cè)壓系數(shù)。

綜合以上各受力因素，采收船所需的最大傳動(dòng)力為49.6 kN。

2.2.2 海帶綆繩夾緊裝置設(shè)計(jì)

海帶采收時(shí)通過綆繩夾緊組件(圖9)將海帶綆繩夾住并傳送上船。兩邊的導(dǎo)向桿一方面保證綆繩順利進(jìn)入夾塊，另一方面當(dāng)遇到所夾位置為浮球時(shí)，導(dǎo)向桿可以將直徑大的浮球推到夾塊一側(cè)，避免將浮球夾傷。夾塊機(jī)構(gòu)一側(cè)為固定夾塊，固定在導(dǎo)桿上，另一側(cè)為滑動(dòng)夾塊，夾緊處加工有齒牙，牢固抓緊綆繩?；瑒?dòng)夾塊和固定夾塊夾緊時(shí)交錯(cuò)夾緊抵消牽引向受力。通過上側(cè)小滾輪推動(dòng)，導(dǎo)桿和下側(cè)小滾輪導(dǎo)向?qū)⒔幚K夾緊，下側(cè)的氮?dú)鈴椈勺尰顒?dòng)夾塊始終保持張開受力。兩側(cè)滾輪在架體組件的導(dǎo)軌上滾動(dòng)，為綆繩夾緊組件承擔(dān)縱向載荷和牽引方向的導(dǎo)向作用。設(shè)計(jì)采用的是對(duì)綆繩的夾緊，通過抓緊綆繩拖動(dòng)采收船前行，連續(xù)完成海帶扯拽采收，可以避免因采用鏈爪勾掛浮球拖動(dòng)綆繩而導(dǎo)致浮球損壞問題。

圖9 綆繩夾緊組件

2.2.3 海帶轉(zhuǎn)掛設(shè)計(jì)

海帶采收上岸后要進(jìn)行晾曬或直接加工，為便于拆分，都需要海帶在采收時(shí)有序放置。目前人工采收是在已鋪設(shè)好的網(wǎng)包上，分少量成捆整齊排放打包起吊，這樣展放時(shí)便于小捆拿取。

使用自動(dòng)拖拽轉(zhuǎn)掛式海帶采收船，采收工將海帶苗繩從綆繩上解下后，順手通過掛鉤轉(zhuǎn)掛到鏈接繩上，鏈接繩的一端固定在架體組件上，另一端纏繞在鏈接繩絞車上，采收工將綆繩夾緊組件扯拽上來的海帶苗繩，從靠近船尾處開始掛起，并將轉(zhuǎn)掛后的海帶按順序依次放置，慢慢推動(dòng)鏈接繩絞車走向船前端，采滿后將鏈接繩兩端收緊連接，通過吊車吊入運(yùn)輸船進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

采收時(shí)借助鉤掛順序的不同可以實(shí)現(xiàn)平行排放方式和直線連接方式(圖10)，其中直線連接方式適合于烘房加工。平行排放方式便于通過鏈接繩依次展開和收集，適用于自然風(fēng)干和直接加工成海帶副食品，方式上取代手工采收海帶的小捆捆綁，采收效率及后續(xù)的工序處理與手工采收相比可以提高一倍以上。

圖10 海帶轉(zhuǎn)掛設(shè)計(jì)

3 結(jié)論

人工浮筏采收海帶需要2～3人，平均每人每天采收5 t，而通過自動(dòng)拖拽轉(zhuǎn)掛式海帶采收船，在操作人數(shù)不變的情況下，每小時(shí)采收量可達(dá)15～20 t，每天工作8 h，是人工采收效率的8～11倍。海帶采收過程中，最為耗費(fèi)體力的是將海帶從海水中拖入船上和運(yùn)輸時(shí)裝運(yùn)工序，通過采收船的拖拽功能和吊車，極大地減少了勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了勞動(dòng)力成本，合理的轉(zhuǎn)掛方式也為海帶上岸后的加工自動(dòng)化做好準(zhǔn)備。

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