自走式灘涂貝類采捕機研究設(shè)計與試驗

陸 建，周 宇，申 誠，盧少穎，涂 莉，薛愛海

(1 南通市農(nóng)機化技術(shù)推廣中心，江蘇 南通 226006；2 南通淳泰農(nóng)業(yè)機械有限公司，江蘇 如東 226400)

中國沿海灘涂有著豐富貝類資源，多分布在大河入?？诟浇^平坦潮間帶、淺海區(qū)域細(xì)沙和泥沙灘中，埋棲深度因水溫和個體大小而異,現(xiàn)主要由人工圍養(yǎng)[1-3]。在養(yǎng)殖區(qū)域，人工耙取方式采捕能力約20～30 kg/h，以產(chǎn)量估算不足0.005 hm2/h，費時費力，直接造成采捕作業(yè)成本占比過高[4-6]。受潮汐時間變化及路途遙遠(yuǎn)等影響，采捕作業(yè)人員往返途中需借助下海拖拉機人貨混裝，存在安全隱患。

灘涂養(yǎng)殖區(qū)域定期散放新貝苗。散放前，常選用機械對灘涂淺表耕翻疏松作業(yè)，方便散放于灘涂表面貝類鉆入土層埋棲生長。灘涂生態(tài)系統(tǒng)比較單一，自我修復(fù)能力差，作業(yè)過程應(yīng)避免擾動深層，以防對底層生態(tài)環(huán)境造成破壞[7]。

國外最早于20世紀(jì)40年代對貝類采捕機進(jìn)行研究，先后開發(fā)了拖耙采捕機[8]、旋齒采捕機[9]、機槳采捕機[10]、水力采捕機[11]、抽吸采捕機[12]及振動采捕機[13]等不同類型的采捕機械投入生產(chǎn)應(yīng)用。國內(nèi)最早于20世紀(jì)70年代開始研發(fā)貝類采捕機，如水力采捕機[14]、泵吸采捕機[15]等。近年來，申屠留芳等[16-17]學(xué)者也對機械及重要部件進(jìn)行了研究設(shè)計。多數(shù)采捕機采用處理沙土后收集貝類作業(yè)模式，但清理沙土?xí)r多直接或間接借助水沖洗，能適應(yīng)無水灘涂環(huán)境下的貝類采捕機械并不多見，在日益重視生產(chǎn)作業(yè)安全及灘涂生態(tài)環(huán)境保護的今天，對適應(yīng)無水灘涂作業(yè)的貝類采捕機的需求越來越迫切[18-21]。

隨著采捕從業(yè)人員的老齡化趨勢日益明顯，灘涂養(yǎng)殖企業(yè)面臨越來越嚴(yán)重的用工荒，先進(jìn)適用的貝類采捕機械對提高生產(chǎn)效益，促進(jìn)整個產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義[22-25]。本研究設(shè)計自走式采捕機械，可用于無水灘涂貝類采捕作業(yè)，取大留小將符合規(guī)格貝類采捕，保證良性生態(tài)循環(huán)，同時還可對灘涂進(jìn)行機械化疏松。

1 總體要求

采捕作業(yè)通常選擇落潮后漲潮前時間段進(jìn)行，此時灘涂表面無積水或僅為10 cm以下淺水層。南通沿海灘涂多為黏性土壤[26-28]。經(jīng)海水浸泡過的沙土與貝類混在一起，僅通過振動方式處理難以分離；采用高壓水流沖洗處理，需攜帶大容量水箱，且易使貝類嗆沙影響口感。為此創(chuàng)新設(shè)計采捕過程中沙土兩段處理方式：即在傳輸過程中通過清理輥輪對灘涂貝類表面沙土進(jìn)行清理；隨后通過振動篩板作進(jìn)一步處理。

自走式灘涂貝類采捕機械工作環(huán)境為沿海灘涂，直接接觸海水。整機特別是關(guān)鍵部件應(yīng)采用電鍍鋅及噴涂防銹漆等方式，進(jìn)行防海水腐蝕處理[29-31]，每班次作業(yè)結(jié)束后，需用清水將機體沖洗干凈,延長整機使用壽命。灘涂貝類采捕關(guān)系海洋生產(chǎn)安全，機械需配備定位儀，駕駛操作人員需身著救生衣，并攜帶安全裝備。

2 工作原理

采捕作業(yè)時，自走式灘涂貝類采捕機通過液壓油缸控制承接拉桿，調(diào)節(jié)鏟齒板至合適作業(yè)深度。隨著采捕機向前行進(jìn)，鏟齒板將含有貝類的沙土鏟起，由輸送鏈網(wǎng)向后輸送，設(shè)計有4道高速旋轉(zhuǎn)的清理輥輪，在輸送過程中對貝類表面沙土進(jìn)行清理，大量沙土從輸送鏈網(wǎng)輻條間隙落回灘涂表面，少量貝類表面混帶的泥沙繼續(xù)向后輸送至振動篩板上處理。經(jīng)過兩級處理過程，泥沙和小規(guī)格灘涂貝類掉至沙灘，符合采捕規(guī)格的灘涂貝類進(jìn)入收集框，實現(xiàn)灘涂貝類采捕作業(yè)。

3 整機設(shè)計

整機設(shè)計由行走牽引裝置及采捕作業(yè)裝置兩部分組成(圖1)。行走牽引部分，以柴油發(fā)動機為配套動力，選配無級變速箱，采用橡膠履帶行走裝置；采捕作業(yè)裝置設(shè)計采捕機架總成，與行走部采用承接拉桿聯(lián)接，通過承接拉桿下方的液圧油缸伸縮來控制采捕機架與灘涂表面相對位置，采捕機架總成上布置有鏟齒板、輸送鏈網(wǎng)、清理輥輪、振動篩安裝板和貝類收集框安裝板等部件。為簡化傳動機構(gòu)，采捕作業(yè)轉(zhuǎn)動部件由液壓泵驅(qū)動。采捕機架總成后側(cè)設(shè)計支承輪，保持采捕機作業(yè)時深度一致。

圖1 自走式灘涂貝類采捕機結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure composition of the self-propelled beach shellfish harvester

3.1 行走牽引裝置

3.1.1 動力選擇

灘涂貝類采捕機發(fā)動機動力供行走牽引、傳輸鏈網(wǎng)、振動篩板、清理輥輪等運動部件工作，選配渦輪增壓柴油發(fā)動機，功率60 kW。

3.1.2 履帶接地強度校核

圖2 自走式灘涂貝類采捕機折疊設(shè)計Fig.2 Folding design of self-propelled beach shellfish havester

此理論接地壓強值，能保證采捕機械正常行走作業(yè)[32-33]。

3.2 采捕作業(yè)裝置

3.2.1 鏟齒板

鏟齒板位于采捕機架前端最下方，與機架合為一體，對鏟齒板進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，斷面近似楔形，齒尖加工處理成弧形，避免與貝類硬接觸造成損傷[34]。鏟齒板齒間留合適間隙，間隙寬度略小于符合采捕規(guī)格灘涂貝類正常厚度，一方面盡可能漏土，減少進(jìn)入輸送鏈網(wǎng)的沙土量，提高輸送鏈網(wǎng)傳輸效率；另一方面保證不遺漏符合采捕規(guī)格貝類。鏟齒板的作業(yè)深度可以通過液壓油缸伸縮控制承接拉桿來調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同季節(jié)溫度下的采捕作業(yè)要求。

圖3 鏟齒板三維結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.3 Three dimensional structure design of spade plate

鏟齒板工作時應(yīng)避免前端堆積土，保證含有貝類的沙土在齒板表面順利滑升，同時將其所受阻力控制在合理范圍之內(nèi)。鏟齒板在行走裝置水平方向牽引力作用下，克服沙土對其的阻力前進(jìn)。將鏟齒板受力分解至沿上表面方向及垂直于上表面方向，如圖4所示。

圖4 鏟齒板上表面受力分析Fig.4 Stressanalysis of upper surface of the spade plate

圖4中所示γ為鏟齒板下表面與灘涂表面夾角，保證下表面不與灘涂表面接觸。

建立鏟齒板上表面簡單受力模型，對鏟齒板上表面進(jìn)行受力分析，采捕機械正常作業(yè)過程中，應(yīng)滿足：

Gsinβ+Fcosβ=f(沿上表面一致方向)

(1)

Fsinβ+Gcosβ=N(與上表面垂直方向)

(2)

f=μN(滑動摩擦力公式)

(3)

根據(jù)采捕作業(yè)深度不同，設(shè)計鏟齒板上表面與灘涂表面夾角變化范圍β∈(20°，30°)，下表面與灘涂表面夾角變化范圍γ∈(10°，15°)[35]。

3.2.2 輸送鏈網(wǎng)

采捕機架內(nèi)設(shè)計輸送鏈網(wǎng)，前端與鏟齒板延伸過渡。采捕機架內(nèi)前后側(cè)壁從左到右依次轉(zhuǎn)動安裝有四道傳輸支承輥，輸送鏈網(wǎng)由液壓泵鏈輪聯(lián)接的傳輸支承輥驅(qū)動。傳輸輥依次增高，中間兩道傳輸輥對整個鏈網(wǎng)輸送起支承作用，保證傳輸過程平穩(wěn)。采捕作業(yè)時，含有沙土的灘涂貝類沿輸送鏈網(wǎng)向上傳輸，避免泥沙堆積。

3.2.3 清理輥輪

采收機架內(nèi)輸送鏈網(wǎng)上方安裝有4道清理輥輪，輥輪軸線所在平面與輸送鏈網(wǎng)近似平行，清理輥輪轉(zhuǎn)動方向與輸送鏈網(wǎng)運動方向相反。清理輥輪表面為光滑柔軟彈性梳刷齒(如圖5所示)，在轉(zhuǎn)動過程中實現(xiàn)自凈，避免表面黏土。梳刷齒頂端與輸送鏈網(wǎng)接觸，可將輸送鏈網(wǎng)上貝類表面附著的沙土打散后從輸送鏈網(wǎng)輻條間掉落。

圖5 清理輥輪三維設(shè)計Fig.5 Three dimensional design of cleaning roller

3.2.4 振動篩板

采收機架內(nèi)后側(cè)振動篩安裝板上安裝兩級振動篩板，篩板底端面左側(cè)與采收框內(nèi)底部側(cè)壁之間固定連接減振彈簧。安裝架上裝配振動電機，功率0.16 kW、振動頻率50 Hz。振動電機通電工作，帶動振動篩板以一定頻率上下振動。振動篩板內(nèi)置輻條，根據(jù)灘涂貝類采捕規(guī)格，輻條間留合適間隙，保證沙土及小規(guī)格貝類順利撒漏(圖6所示)。振動篩板上方置攔網(wǎng)(圖7所示)，防止貝類受振彈出機外，通過振動篩板處理后，進(jìn)入收集框的貝類較為清潔。

圖6 振動篩板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of vibrating screen plate

圖7 兩級振動篩板及處理效果Fig.7 Two-stage vibrating screen plate and treatment effect

4 實地試驗

4.1 試驗點基本情況

實地采捕試驗于2020年9月22日進(jìn)行，試驗地點設(shè)在如東縣三聯(lián)灘涂養(yǎng)殖公司的文蛤養(yǎng)殖基地，位于南通市如東縣長沙鎮(zhèn)中隔堤路與海堤路交匯處西北灘涂。

4.2 試驗過程

試驗地平坦、無障礙物，保證機具正常作業(yè)，考慮采捕機械調(diào)頭耗時影響；選擇灘涂地塊長度100 m，兩端穩(wěn)定長度70 m，寬度10.5 m，為作業(yè)幅寬的8倍，試驗地塊四周做明顯標(biāo)記。

在規(guī)定的作業(yè)速度下作業(yè)，測定并記錄作業(yè)速度、工作幅寬、工作距離、工作深度等[36]。樣機在測試區(qū)內(nèi)往返作業(yè)，試驗完成后測定和記錄采捕貝類個數(shù)、漏挖貝類個數(shù)和破碎貝類個數(shù)。

4.3 試驗數(shù)據(jù)

在測試區(qū)內(nèi)，沿機組前進(jìn)方向每2 m測1個點，各測10次，計算最大作業(yè)深度平均值。

采捕率、破碎率計算公式如下：

FC=100%×WC/(WC+WL)

(4)

FP=100%×Wp/(WC+WL)

(5)

式中：FC—采捕率，%；FP—破碎率，%；WC—采捕貝類個數(shù)(樣機工作兩個行程后，匯總收集機具內(nèi)采集的貝類，并匯總出其數(shù)量)；WL—漏采貝類個數(shù)(人工找出相應(yīng)測區(qū)內(nèi)符合當(dāng)?shù)夭刹兑螅珯C具沒有挖掘出來的遺留貝類，并匯總其數(shù)量)；WP—破碎貝類個數(shù)(從采捕和漏捕貝類中收集所有破碎貝類，并匯總其數(shù)量)。

4.4 數(shù)據(jù)處理

按照預(yù)先設(shè)計試驗方法進(jìn)行試驗，記錄整個作業(yè)時間及直線行駛純作業(yè)時間，收集所有采捕貝類數(shù)WC、漏采貝類個數(shù)WL、破碎貝類個數(shù)WP，測量10處作業(yè)深度取平均值，并對相關(guān)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，情況如下表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Test data record

從試驗情況可知，自走式灘涂貝類采捕機各技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，在養(yǎng)殖區(qū)域貝類高密度分布情況下，作業(yè)效率超人工10倍以上，表明了本自走式灘涂貝類采捕機設(shè)計試驗取得初步成功，但采捕貝類的清潔度低于帶水作業(yè)的采捕機械。本采捕機破碎率僅為2.1%，遠(yuǎn)小于設(shè)計值，表明機具在控制貝類破損方面有較為滿意效果；本機最大行駛速度達(dá)1.67 m/s，一方面大大縮短機械在灘涂轉(zhuǎn)場時間，另一方面，作業(yè)現(xiàn)場出現(xiàn)意外情況時，人機可迅速撤離保證安全。

4.5 試驗分析

本研究設(shè)計的自走式灘涂貝類采捕機，可用于灘涂無水情況下的貝類采捕作業(yè)。與吳澎等[37]設(shè)計的海灘貝類起捕機沙土液壓分離結(jié)構(gòu)相比，本機很好實現(xiàn)沙土清理效果，無需水流沖洗裝置，結(jié)構(gòu)簡單，減輕自重，減少功耗。但本機械作業(yè)時總長度超6 m，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎半徑較大、調(diào)頭時間較長，實際作業(yè)效率低于純作業(yè)效率，對生產(chǎn)作業(yè)影響，今后將做進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計。

5 結(jié)論

針對南通沿海灘涂貝類多為人工采捕作業(yè)實際，設(shè)計了自走式灘涂貝類采捕機械，采用兩段沙土處理方式，試驗結(jié)果各技術(shù)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期。傳統(tǒng)的采收由釘耙尖銳的耙釘頻繁刨動，易對貝類造成損傷，本采捕機將鏟齒前端加工成弧形，采用光滑柔軟彈性梳刷齒處理沙土，使采捕破損率僅為2.1%，有效減少了采捕過程的損耗。實際作業(yè)深度74.3 mm，保證正常氣候條件下的采捕作業(yè)要求，同時不會對灘涂底層土壤擾動，保護灘涂生態(tài)環(huán)境。與人工耙取式作業(yè)效率相比，機械作業(yè)效率大幅提高，減輕勞動強度，可大幅減少采捕從業(yè)人員數(shù)量，對整個灘涂貝類養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極意義。

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