母 剛， 段 富 海， 張 國 琛， 李 秀 辰， 祝 春 柳， 張 倩

( 1.大連理工大學 機械工程學院， 遼寧 大連 116024；2.大連海洋大學 機械與動力工程學院， 遼寧 大連 116023 )

0 引 言

菲律賓蛤仔作為一種重要的海水養(yǎng)殖貝類，一般生活在潮間帶中潮區(qū)至潮下帶區(qū)域的海底，埋棲深度為3～15 cm．多年來我國一直是菲律賓蛤仔最主要的養(yǎng)殖生產國，2015年產量超過400×104t，占全球產量的98%[1]．采捕是菲律賓蛤仔養(yǎng)殖生產的重要環(huán)節(jié)．傳統采捕方法一般采取蛤耙、翻灘和挖撿等人工作業(yè)方式，存在勞動強度大、效率低、人力成本高、在較深水域無法作業(yè)等問題，制約了蛤仔大規(guī)模采捕．隨著養(yǎng)殖生產規(guī)模的不斷擴大，捕撈方式也由人工采捕過渡到機械化采捕．國內外常見的采捕設備以水力噴射式采捕為主[2-5]，也有泵吸式采捕法[6]，該類采捕方法主要采用高壓水沖擊海底，疏松海底土壤呈流態(tài)進行采捕，從而降低工作阻力．該方式激起的大量泥沙導致收獲的貝類含沙量大、成活期縮短、海水透明度下降、捕后留下溝痕滯留時間長等問題，影響貝類生產的可持續(xù)發(fā)展[7-10]．疏松和軟化海底土壤作為蛤仔采捕的關鍵技術，可有效降低土壤硬度和采捕設備的牽引力[11]．振動技術廣泛應用于農業(yè)生產和建筑工程等領域的松土作業(yè)，利用機械、液壓、電磁等方式激振，降低挖掘過程的阻力，提升工作效率．例如Shahgoli等[12]將不同頻率和振幅的振動犁與固定犁進行了對比，振動挖掘可減少27%的功率；董向前等[13]采用低頻振動松土鏟對草原土壤進行疏松作業(yè)，牽引力減少了40%；張永華等[14]設計并虛擬試驗了液壓激振馬鈴薯挖掘裝置，證明該裝置可在4～10 Hz正常挖掘；付威等[15]利用研制的偏心連桿式蘿卜收獲振動裝置進行松土試驗，并確定了機器前進速度、激振頻率和振幅等最佳參數組合；張士璽[16]利用土壤液化原理進行荸薺采收，對含水量較高的土壤進行激振流化，使原本固結的土壤變成流質狀態(tài)，減小了采收阻力，降低了整機功率．

在加拿大和美國的西部沿海灘涂地區(qū)，養(yǎng)殖戶利用機械振動式采捕機收獲蛤類，速度是傳統人工采捕的10倍，且成本降低70%，取得了良好的經濟和生態(tài)效益[17-19]，在意大利也有相關研究[20]，但相關技術在國內尚未見報道．振動不僅可以疏松埋棲貝類的土壤，有利于采捕作業(yè)并降低牽引設備功率，而且振動波的傳導還可以促使菲律賓蛤仔采捕時提前閉殼，從而減少沙土進入其內臟，降低產品含沙量．

本文為解決菲律賓蛤仔采捕時土壤軟化疏松問題，降低設備的牽引力，設計和仿真優(yōu)化采捕機前置振動裝置，通過樣機的試驗研究，探討振動頻率、牽引速度和振幅對樣機牽引力和土壤貫入力的影響，以期確定合理的技術參數，在蛤類采捕時疏松和軟化土壤，降低設備的牽引力，進而為菲律賓蛤仔生態(tài)采捕整機的研發(fā)提供重要參考．

1 振動裝置設計與仿真

1.1 結構設計

菲律賓蛤仔采捕振動裝置的結構如圖1所示，該裝置可作為菲律賓蛤仔采捕設備的前置機構，輔助采捕作業(yè)．工作時由電動機6驅動與換向器5連接的偏心輪4進行一定頻率的旋轉，帶動連桿3、搖桿2及耙齒1繞機架7做往復擺動，同時在拖曳裝置的牽引和滑靴8的支撐下于海床上前進，進行菲律賓蛤仔養(yǎng)殖土壤疏松作業(yè)．整個裝置外形尺寸為1 110 mm×640 mm×720 mm，根據蛤仔埋棲深度，耙齒入土深度150 mm，直徑16 mm，齒間距115 mm．耙齒工作時由如圖2所示的曲柄(偏心輪)搖桿機構帶動振動，該機構曲柄長度(偏心距)為0～50 mm可調，機架、連桿、搖桿和耙齒的長度分別為595、350、500和417 mm，耙齒固定端距振動中心c(搖桿與機架鉸接點)為150 mm．

1 振動耙齒; 2 搖桿; 3 連桿; 4 偏心輪; 5 T形換向器; 6 電動機; 7 機架; 8 滑靴; 9 耙齒架

圖1 蛤仔采捕機振動松土裝置結構圖

Fig.1 Structure diagram of oscillation device of scarification for clam dredger

1.2 振動耙齒運動學分析與軌跡仿真

應用多體動力學仿真軟件ADAMS對振動機構及耙齒進行幾何建模(圖2)，對曲柄長度e參數化，在各構件上施加相應的轉動副、移動副和固定副等約束，并在曲柄和機架上分別加載旋轉和平移運動．在耙齒頂端添加一個標記點(MARKER38)，點運動可視為沿x軸負方向的水平移動和搖桿上的耙齒繞振動中心c的往復擺動的合成，因擺動振幅A相比振動半徑R小且擺動角較小，可以將振動圓弧簡化成斜置的往復直線擺動，再疊加水平直線移動構成一個傾斜的正弦振動[14]．耙齒的運動軌跡可用坐標方程表示為

x=-v0t+v′xt=-v0t+Acosφsinωt

(1)

y=v′yt=-Asinφsinωt

(2)

將上式對時間求導可得速度方程：

vx=-v0+Aωcosφcosωt

(3)

vy=-Aωsinφcosωt

(4)

進一步求導得加速度方程：

ax=-Aω2cosφsinωt

(5)

ay=Aω2sinφsinωt

(6)

式中：x、y為水平和豎直位移，m；vx、vy為水平和豎直速度，m/s；ax、ay為水平和豎直加速度，m/s2；v0為裝置水平牽引速度，m/s；v′x、v′y為無前進速度時水平和豎直速度，m/s；A為振幅，mm；φ為振動角，(°)；ω為曲柄轉動角速度，rad/s；t為時間，s．

1 曲柄; 2 機架; 3 耙齒頂端點運動軌跡; 4 振動耙齒; 5 搖桿; 6 連桿

圖2 振動耙齒運動分析

Fig.2 Motion analysis of oscillation tine

由式(1)和(2)可知，振動耙齒的軌跡與振幅A、曲柄角速度ω(曲柄轉動頻率f)、裝置水平牽引速度v0以及振動角φ密切相關，可用式(3)中裝置無牽引速度時的最大水平分速度vx(max)與裝置牽引速度v0之比λ進行描述：

(7)

速度比λ是控制振動效果最重要的參數，當λ>1時可有效減小牽引力[12-13]．通過調節(jié)曲柄轉動頻率f、牽引速度v0以及耙齒振幅A改變速度比，其中參數f可由變頻器控制電動機實現，v0的調節(jié)取決于牽引設備，而A可通過改變曲柄長度e調節(jié)．為獲得耙齒相應的振幅，常采用解析法或圖解法求解e，但計算量相對較大．本設計利用ADAMS/View的參數化分析方法中試驗設計工具(design of experiments，DOE)，將曲柄長度e作為設計變量，以耙齒頂點MARKER38的振動幅值為研究對象進行仿真設計并不斷縮小曲柄長度e的取值范圍，直到確定振幅為5、10和15 mm所對應的曲柄長度(偏心距)分別為8.5、17.0和34.0 mm．

在不同條件下，選擇5、10和15 Hz曲柄轉動頻率f，裝置牽引速度v0根據實際工作牽引船速選取0.13 m/s(0.25 kn)、0.51 m/s(1 kn)和0.90 m/s(1.75 kn)，取振幅A分別為5、10和15 mm[19,21]，在ADAMS/View環(huán)境中仿真不同組合下耙齒頂點MARKER38的運動軌跡，同時創(chuàng)建一個測量函數f(t)，測量耙齒MARKER38點振動時的合速度角，該角度可通過式(8)求出，并選取最小值γ．最后可通過ADAMS/Postprocessor模塊繪制相應的x-y位移軌跡圖(圖3)．

(8)

式中：vr為耙齒頂點MARKER38的合速度，mm/s；vx為耙齒頂點MARKER38的水平速度，mm/s．

如圖3(a)所示，當牽引速度和振幅一定時，隨著曲柄轉動頻率的增加，耙齒運動的速度比λ逐漸增加，同時最小速度角γ逐漸減?。旑l率為10和15 Hz時，速度比λ>1且γ<90°，此時耙齒的運動軌跡在水平方向的投影有重疊部分，在一個振動周期內的土壤受到的擾動次數大于1，重復挖掘對土壤軟化有積極影響．另外耙齒振動前行時有向后切削和壓縮土壤的分力，同樣裝置會受到與牽引力方向一致的土壤前向反作用力，從而有利于減小牽引力．同樣，當其他條件固定時，速度比λ隨牽引速度加快而減小(圖3(b))，隨著振幅的增加而增大(圖3(c))，當頻率為15 Hz，牽引速度為0.13 m/s，振幅為15 mm時可獲得比其他條件更大的速度比(λ=5.66)和更小的速度角(γ=60°)，牽引力相對較?。甋hahgoli等[12]的研究表明，雖然增加λ有利于降低牽引力，但整機消耗功率在速度比較大時卻有所增加．為取得最佳的減阻及土壤軟化效果，并確定相應的參數水平及速度比，進行了試驗研究．

(a) v0=0.13 m/s, A=5 mm

(b)f=15 Hz,A=15 mm

(c)f=15 Hz,v0=0.13 m/s

圖3 不同因素水平下耙齒的運動軌跡

Fig.3 Oscillation pathways of tine tip with different factors and levels

2 試驗研究

2.1 材料、設備與方法

2.1.1 試驗材料與設備 試驗地點選取大連市一個菲律賓蛤仔養(yǎng)殖潮間帶區(qū)域(39.02°N，121.48°E)，土壤密度為(1.91±0.09)g/cm3，土壤質地為砂土類．作業(yè)前土壤貫入力為(57±12)N．試驗設備包括經仿真優(yōu)化設計的蛤仔采捕振動松土裝置(質量m=130 kg)、X680型變頻器、8 t 牽引設備、WG-N型土壤貫入力測定儀和DL-W1型無線數顯拉力計．

2.1.2 試驗方法 采用重復(n=3)單因素試驗法和三因素三水平重復(n=2)正交試驗法，檢驗各因素對土壤軟化和樣機牽引力的影響．正交試驗的因素及水平如表1所示．土壤貫入力是反映土壤軟化程度的一項重要指標[22]，為研究裝置對土壤的疏松軟化效果，測定試驗前后同一區(qū)域6個點位貫入深度為150 mm的土壤貫入力(N)，作為土壤軟化評價指標．振動減阻效果采用裝置行進時的平均最大牽引力(kN)進行評價．數據處理采用Origin9.0和SPSS22軟件，顯著性水平設為95%(p<0.05)，極顯著性水平設為99%(p<0.01)．

表1 正交試驗因素水平表

2.2 單因素試驗結果與分析

(1)振動頻率對裝置牽引力和土壤貫入力的影響

如圖4(a)所示，在振幅為5 mm，牽引速度為0.13 m/s條件下，振動松土裝置行進時最大牽引力隨頻率增加而持續(xù)下降．頻率從5 Hz提高到10和15 Hz，最大牽引力分別下降了1.81%和4.84%，加快振動頻率可提高速度比，從而減少牽引力，與之前的仿真結果以及董向前等[13]的研究結果一致．但在此試驗條件下，牽引力下降的幅度有限，可能與該蛤仔養(yǎng)殖區(qū)域土壤砂性有關，粒徑較大的砂土黏結性和塑性較小[23-24]，經低頻振動已受迫松散，進一步提高頻率，減阻效果有限．

經各頻率振動后，土壤貫入力下降明顯，隨著頻率的升高，振動后的土壤貫入力呈下降趨勢，但5和10 Hz頻率振動后的土壤貫入力降幅相差較小，分別下降了24.86%和27.63%，而經15 Hz頻率振動后的土壤貫入力下降了66.95%，較振動前軟化效果顯著．表明提高振動頻率可以使單位體積的土壤受循環(huán)荷載次數增加，飽和土壤的動彈性模量將隨著振動次數的增加有所降低，土壤應變軟化[25]．

(a) v0=0.13 m/s, A=5 mm

(b)f=15 Hz,A=15 mm

(c)f=15 Hz,v0=0.13 m/s

注：圖中虛線為振動前土壤貫入力

圖4 不同因素水平下振動對土壤貫入力和裝置牽引力的影響

Fig.4 The effect of different factors and levels on penetration force of soil and draft force of device

(2)牽引速度對裝置牽引力和土壤貫入力的影響

當振動頻率為15 Hz，振幅為15 mm時，牽引速度對土壤貫入力和裝置牽引力的影響如圖4(b) 所示．最大牽引力隨著牽引速度的增加而明顯增大，牽引速度為0.90 m/s的最大牽引力相比0.13 m/s時增加了近2倍，結果與李霞等[26]采用深松機松土時，牽引力隨前進速度加快而增大的結論一致．牽引速度為0.13 m/s時，牽引力最小，該條件下裝置的速度比(5.66)遠大于其他兩種牽引速度條件速度比(1.42和0.81)，仿真結果與試驗結果一致．

3種牽引速度條件下，與振動前相比，振動后土壤貫入力都明顯下降，振動后土壤貫入力隨牽引速度增加而略有增加．牽引速度為0.13 m/s時，振動前后土壤貫入力下降幅度最大，達到65.65%，牽引速度為0.51和0.90 m/s時，土壤貫入力分別下降了64.04%和61.26%．在試驗中觀察到，牽引速度越快，裝置前端壅土現象越嚴重，表明過快的牽引速度不利于土壤的疏松和牽引力的減?。?/p>

(3)振幅對裝置牽引力和土壤貫入力的影響

由圖4(c)可知，在頻率15 Hz和牽引速度0.13 m/s條件下，振幅為5和10 mm時裝置的最大牽引力變化不大，平均值均為2.36 kN，但10 mm振幅時牽引力較為穩(wěn)定．當振幅增加到15 mm時，最大牽引力較前兩種振幅下降了16.74%．在相同頻率和牽引速度條件下，較大的振幅可獲得較大的速度比，裝置的牽引力減小，與仿真結果一致．

經振幅5、10和15 mm的擾動后土壤貫入力均明顯降低，分別下降了59.07%、59.65%和65.65%．與振幅對牽引力的影響類似，經5和10 mm振幅振動后，土壤貫入力區(qū)別不大，平均值在23～24 N，當振幅進一步增大到15 mm時，土壤貫入力較前兩種振幅下降了15%左右．表明振動挖掘可明顯降低土壤的硬度，通過加大耙齒對土壤的往復切削幅度，降低土粒之間黏結強度，促使土壤軟化疏松，有利于蛤仔的采捕．

2.3 正交試驗結果與分析

正交試驗設計及結果如表2所示，極差分析如表3所示，其中ki(i=1,2,3)為各因素在i水平時因變量的均值，由ki可見，牽引速度(C)與裝置牽引力呈正相關性．根據極差R值的大小排列可知，影響裝置牽引力主次因素為：牽引速度(C)>振幅(B)>曲柄轉動頻率(A)．綜合各因素的水平，當作業(yè)條件為牽引速度0.13 m/s(C1)、振幅15 mm(B3)和頻率15 Hz(A3)時，該裝置的牽引力最?。?/p>

表2 裝置牽引力與土壤貫入力正交試驗結果

Tab.2 Orthogonal experimental results of draft force of device and penetration force of soil

試驗號A曲柄轉動頻率水平B振幅水平C牽引速度水平平均最大牽引力/kN振動后平均貫入力/N11112．4842．1721223．4515．1731332．7811．7542133．2321．4252212．6121．0862323．249．9273122．3025．5883233．7621．1793311．9719．58

裝置牽引力與土壤貫入力方差分析如表4所示，在該試驗條件下，3個因素中只有牽引速度(C)對牽引力影響顯著(p<0.05)，振幅對于牽引力的影響(p=0.094)大于頻率對其的影響(p=0.491)，與極差分析的結果一致．酒井憲司等[27]的試驗結果也表明振幅比頻率對牽引力的影響更大，而孫亞朋等[28]的研究結果則相反．這種差異不僅可能與土壤的自然特性和作業(yè)條件如土壤類型、固有頻率、容積密度、含水率和作業(yè)深度等有關[29]，也與不同因素組合條件下的速度比有關[30]．

土壤貫入力的極差分析結果(表3)表明：振幅(B)與土壤貫入力呈負相關性，且為影響土壤貫入力的主要因素．牽引速度(C)是次要影響因素，影響程度最小的是曲柄轉動頻率(A)．振動后土壤貫入力最小的組合條件為振幅15 mm(B3)、牽引速度0.51 m/s(C2)和頻率10 Hz(A2)．通過方差分析結果(表4)可知，振幅和牽引速度對振動后土壤貫入力的影響極其顯著(p<0.01)，而頻率的影響并不顯著(p>0.05)．綜合考慮各因素的顯著性、單因素試驗結果并兼顧采捕作業(yè)效率，降低土壤貫入力和裝置牽引力的最優(yōu)作業(yè)條件為振幅15 mm、牽引速度0.51 m/s和曲柄轉動頻率15 Hz．

表3 裝置牽引力與土壤貫入力極差分析

表4 裝置牽引力與土壤貫入力方差分析

3 結 論

(1)設計了曲柄搖桿式菲律賓蛤仔采捕前置松土裝置，對其工作耙齒進行了運動學分析，應用ADAMS軟件對振動機構進行建模和計算，得出耙齒頂點的振幅為5、10和15 mm時對應偏心距為8.5、17.0和34.0 mm．在不同頻率、牽引速度和振幅條件下仿真耙齒頂端運動軌跡并求解了速度比λ和最小速度角γ，當λ>1，γ<90°時，振動對減小牽引力有積極影響．

(2)樣機的單因素試驗結果表明，提高頻率和振幅、降低牽引速度有利于軟化蛤仔養(yǎng)殖土壤，降低裝置牽引力，與仿真結果一致，但本試驗條件下加快頻率對降低裝置牽引力的效果不明顯．

(3)正交試驗方差分析表明，牽引速度對土壤貫入力和裝置牽引力影響顯著，耙齒的振幅對土壤貫入力有極其顯著的影響．綜合考慮各因素，確定振幅15 mm、牽引速度0.51 m/s和曲柄轉動頻率15 Hz為菲律賓蛤仔養(yǎng)殖土壤軟化和裝置減阻的最佳條件，該條件下的仿真結果顯示其速度比λ為1.42，最小速度角γ為73°，振動試驗后土壤貫入力較之前下降了64.04%．

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