張問采，張 翔

(福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

中國是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖第一大國，水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展對保障中國糧食安全發(fā)揮了重要作用[1]?？O蟶(Sinonovaculaconstricta)有較高的營養(yǎng)及藥用價(jià)值，在我國沿海地區(qū)有著相當(dāng)可觀的養(yǎng)殖面積。其中，福建、江浙地區(qū)憑借其廣闊的灘涂資源優(yōu)勢，近幾年縊蟶養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為這些地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)[2]。由于縊蟶自身穴居、殼薄等特點(diǎn)，導(dǎo)致我國沿海大面積蟶田采收仍然采用勞動強(qiáng)度大，工作效率低下的傳統(tǒng)手工作業(yè)。目前國內(nèi)沒有專門用于縊蟶自動化采收的設(shè)備，國外貝類采捕設(shè)備也多以采捕牡蠣、文蛤等硬殼貝類設(shè)計(jì)制造，利用高壓氣體產(chǎn)生真空將貝類和沙土吸取后再分離，設(shè)備復(fù)雜、投資大，同時(shí)也不適用于薄殼貝類[3-6]。

因此，研制縊蟶采收設(shè)備對提高捕撈效率和農(nóng)民收入具有重要意義?？O蟶采收設(shè)備研制的核心是收獲機(jī)構(gòu)與清洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定了采收機(jī)的適應(yīng)性與效率。本研究創(chuàng)新了收獲方法，在一次工作中完成采收、分選和收集工序，在適應(yīng)以縊蟶為代表的薄殼貝類采收的同時(shí)，有效提升了勞動效率，降低勞動強(qiáng)度。

1 縊蟶采收機(jī)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

縊蟶采收機(jī)[7]如圖1所示。主要由4部分組成：采收清洗裝置，升降水泵裝置，底盤牽引裝置和挖掘鏟。既可適用于縊蟶機(jī)械化采收，同時(shí)也兼顧以文蛤?yàn)榇淼挠矚へ愵惒墒铡Ｍ诰蜱P通過鉸鏈安裝在采收清洗裝置上，在采收時(shí)降下進(jìn)行挖掘采收，在清洗時(shí)收起作為擋水板使用。

圖1 縊蟶采收機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

1.2 工作原理

以專門設(shè)計(jì)的灘涂輪式底盤[8]作為載體，當(dāng)縊蟶采收機(jī)開至需要作業(yè)的灘涂地時(shí)，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)并調(diào)整挖掘鏟入泥角度。再次啟動，當(dāng)挖掘鏟掘起灘涂泥輸送至采收清洗裝置直至填滿，而后收起挖掘鏟，收起的挖掘鏟作為擋水板使用。此時(shí)停止行進(jìn)，啟動升降水泵裝置，根據(jù)灘涂地水位高低調(diào)整水泵將水經(jīng)過輸水管抽至采收清洗裝置內(nèi)，進(jìn)行清洗。清洗結(jié)束，打開收集閘門，水流沖出已清洗干凈的縊蟶至網(wǎng)兜。上述過程結(jié)束后可再次作業(yè)。整套設(shè)備由1臺柴油機(jī)提供動力，經(jīng)分動器輸送至各部分機(jī)構(gòu)。

2 采收清洗裝置設(shè)計(jì)

縊蟶采收機(jī)采收清洗裝置[9]是本設(shè)計(jì)的核心之處，主要由3部分組成(圖2)：連桿機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和收集清洗裝置。該部分通過后連桿與車架相連。

圖2 采收清洗裝置簡圖

2.1 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到縊蟶采收機(jī)作業(yè)環(huán)境惡劣，這部分設(shè)計(jì)應(yīng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)較簡單的前提下滿足鏟、轉(zhuǎn)、擋作業(yè)要求。該連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本參數(shù)包括各桿桿長、挖掘鏟轉(zhuǎn)角范圍、挖掘鏟與連桿鉸接位置、液壓元件安裝位置。為了確保采收機(jī)挖掘深度可以達(dá)到設(shè)定要求，必須選定下列合適的參數(shù)：(1)挖掘鏟在不同工作狀態(tài)下與地面夾角不同，采收時(shí)挖掘鏟與地面法向夾角為120o，清洗時(shí)與地面法向夾角為0o，挖掘鏟轉(zhuǎn)角范圍在0o～120o。(2)挖掘鏟與擋板連桿鉸接位置≤400 mm。(3)挖掘鏟與擋板連桿間夾角在確保運(yùn)動軌跡完整實(shí)現(xiàn)的同時(shí)，盡可能選取較小值，減小有害分力。(4)受實(shí)際結(jié)構(gòu)限制，液壓缸活塞桿不可避免地要承受部分徑向外力。為此，液壓缸活塞長度必須適當(dāng)，一般取活塞桿外徑的0.7～1.0倍。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一種符合本機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的連桿機(jī)構(gòu)，其關(guān)鍵點(diǎn)、結(jié)構(gòu)尺寸與三維模型對照如圖3所示，取O與N為挖掘鏟、連桿的支點(diǎn)，AO為挖掘鏟，AB與BC為連桿。工作過程如下：清洗時(shí)挖掘鏟需要收起作擋水板，此時(shí)液壓桿伸長，鉸鏈C以固定在收集清洗裝置上支點(diǎn)N為圓心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動至C1位置，通過連桿帶動鉸鏈B移動至B1位置，鉸鏈A同樣以固定在收集清洗裝置上支點(diǎn)O為圓心帶動挖掘鏟順時(shí)針轉(zhuǎn)動至A1位置；采收時(shí)挖掘鏟需要放下，此時(shí)液壓桿收縮即可。

圖3 連桿機(jī)構(gòu)關(guān)鍵點(diǎn)、結(jié)構(gòu)尺寸圖與鉸鏈實(shí)物對照圖

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓控制系統(tǒng)原理[10]如圖4所示。該液壓系統(tǒng)由液壓缸、電磁換向閥、單向閥、液壓泵、電機(jī)、過濾器、油箱及溢流閥等組成。液壓缸伸縮可以調(diào)節(jié)與挖掘鏟鉸接連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，從而保證挖掘鏟與地面角度和深度的要求，實(shí)現(xiàn)挖掘鏟的兩個功能。采用耳環(huán)安裝方法的液壓缸是液壓系統(tǒng)核心元件。根據(jù)所求系統(tǒng)動力學(xué)模型[11]：

F0=N0sinα+μ1N0cosα+CScosα

(1)

式中：F0-牽引阻力，N；N0-作用于鏟面法向載荷，N；μ1-土壤與挖掘面摩擦系數(shù)；α—入泥角度，°；C-土壤附著力因數(shù)，N/m2；S-挖掘鏟面積，m2。

計(jì)算牽引阻力為16 640 N。根據(jù)該連桿機(jī)構(gòu)長度及運(yùn)動范圍，確定液壓缸安裝位置。初選液壓泵工作壓力為8 Mpa，依據(jù)公式：

(2)

(3)

d=0.7D

(4)

式中：A—有效工作面積，m2；F1—主液壓缸工作負(fù)載，N；P1—液壓泵工作壓力，N；D—主液壓缸直徑，m；d—活塞桿直徑，m。

計(jì)算液壓缸有效工作面積與主液壓缸直徑，根據(jù)液壓缸標(biāo)準(zhǔn)直徑尺寸系列(GB/T 2348-2001)將其圓整后選其型號為HSG-125/90·E3911-1500的工程用液壓缸。

圖4 液壓控制原理圖

驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)和挖掘鏟正常工作時(shí)液壓系統(tǒng)原理如下:(1)從分選工序到采收工序。電磁換向閥處于左位，液壓泵有桿腔進(jìn)油、無桿腔回油，液壓缸收縮，挖掘鏟與地面法向夾角增大，直到滿足設(shè)定挖掘深度要求。(2)采收工序。電磁換向閥處于中位，液壓缸不動作，挖掘鏟滿足深度設(shè)定夾角要求。(3)從采收工序到分選工序。電磁換向閥位于右位，液壓缸無桿腔進(jìn)油、有桿腔回油，液壓缸伸長，挖掘鏟與地面法向夾角減小，直到滿足設(shè)定夾角要求。(4)分選工序。電磁換向閥處于中位，液壓缸不動作，挖掘鏟滿足深度設(shè)定夾角要求。

2.3 收集清洗裝置設(shè)計(jì)

該裝置利用鋼板焊接，盡可能避免采用機(jī)械結(jié)構(gòu)以適應(yīng)惡劣工作環(huán)境，由清洗噴淋面和篩孔面等組成如圖5所示。

該裝置呈梯形，上下由四個呈平行清洗噴淋面兩隔板與篩孔面兩隔板組成，其后端為收集裝置閘門與觀察孔，最寬面開口為入泥口，其余部分封閉、中空，通過連桿、鉸接孔與車架相連接。工作時(shí)，灘涂泥隨挖掘鏟喂入該裝置，通過觀察孔確定灘涂泥與縊蟶混合物是否填滿收集清洗裝置，確認(rèn)填滿后水流通過注水口進(jìn)入噴淋面，水流經(jīng)過噴淋面小孔分流流出，將灘涂泥與縊蟶分離并清洗，縊蟶留在篩孔面上而泥水混合物經(jīng)過篩孔面從排水孔流出，當(dāng)排水孔流出的水與抽水泵抽入水顏色一致時(shí)，表明縊蟶清洗干凈，打開收集閘門，由于收集清洗裝置呈梯形收縮，縊蟶隨著水流通過收集閘門進(jìn)入收集袋中，完成一次收集，循環(huán)往復(fù)工作。這樣在一次工作過程中就完成縊蟶采收、清洗和收集。

3 采收清洗裝置基本設(shè)計(jì)參數(shù)確定

3.1 工作高度與入泥口寬度

采收清洗裝置工作高度是指鉸接孔到地面的距離，計(jì)算公式如下[11]：

K=L+M

(5)

M=Ssinα-h

(6)

式中：K—工作高度，mm；L-鉸鏈孔至排水底面距離，mm；M—有效排水距離，mm；S—設(shè)計(jì)鏟長，mm；h—土壤擾動深度(挖掘深度)，mm。

如圖6，確定工作高度K=791.1 mm，同時(shí)有效排水距離M=45.1 mm滿足排水順暢的要求。

圖5 收集清洗裝置示意圖

圖6 采收清洗裝置工作高度示意圖

入泥口吞入泥土寬度，即入泥口寬度可以由挖掘深度來計(jì)算[12-16]。

圖7所示梯形面積可以假定是由挖掘部件所支持。土壤擾動深度(挖掘深度)和入泥口寬度(吞入泥土寬度)關(guān)系由式(7)決定：

(7)

式中：H-入泥口寬度(吞入泥土寬度)，mm；β-前失效面傾角，deg。計(jì)算可得：H≥474 mm。

依據(jù)上述計(jì)算，確定入泥口寬度為500 mm，即可確保挖掘鏟掘起的灘涂泥全部喂入裝置達(dá)到設(shè)定要求。

圖7 挖掘深度與吞入泥土寬度幾何關(guān)系圖

3.2 篩孔直徑

篩孔篩分貝類是貝類機(jī)械化采收最常選用的分選方式。篩面設(shè)計(jì)中篩孔直徑選擇對縊蟶篩分效果有著至關(guān)重要的影響，直接決定了篩分效果。但由于縊蟶穴居深度與體長成正比，一般穴居深度為體長的3～6倍[17]。所以縊蟶采收機(jī)篩孔直徑選擇應(yīng)從如下兩方面考慮：(1)采收機(jī)吞入灘涂泥深度接近500 mm，在該深度下縊蟶個體大小有差異；(2)灘涂泥蟶混合物在噴淋清洗與收集過程中縊蟶在泥水混合物中姿態(tài)不停變化。

依據(jù)上述考慮，進(jìn)行縊蟶限深養(yǎng)殖試驗(yàn)。采用限定縊蟶下探深度的方法確定不同深度縊蟶大小，從而得出最佳篩孔設(shè)計(jì)參數(shù)。

試驗(yàn)地點(diǎn)在福建省福州市長樂區(qū)梅花鎮(zhèn)梅新村養(yǎng)殖基地。選用40 m2養(yǎng)殖池塘。利用縊蟶底鋪網(wǎng)養(yǎng)殖技術(shù)[18-20]分別按深度300 mm、400 mm和500 mm進(jìn)行聚乙烯網(wǎng)片鋪設(shè)，鋪好后重新覆蓋泥土。水質(zhì)培育合格后投放縊蟶苗四組，幼苗規(guī)格為2 900粒/kg，約950粒/m2。在試驗(yàn)養(yǎng)殖期間，塘內(nèi)水質(zhì)透明度保持淺黃色至黃綠色，做好水質(zhì)監(jiān)測與常規(guī)環(huán)境因子檢測，并依據(jù)變化不定期進(jìn)行施肥，保證縊蟶生長情況良好。播種養(yǎng)殖5個月后進(jìn)行人工采收，以縊蟶殼長、殼高和殼寬作為測量數(shù)據(jù)(圖8)。從每層試驗(yàn)樣本中隨機(jī)選取100粒，用游標(biāo)卡尺對縊蟶進(jìn)行測量計(jì)算平均值，結(jié)果見表1。

圖8 樣本殼高、殼寬、殼長測量示意圖

表1 縊蟶殼長、殼高和殼寬統(tǒng)計(jì)表

分析可知，縊蟶在不同泥層殼長、殼高和殼寬差異明顯，生長姿態(tài)也有不同。在進(jìn)行機(jī)械化采收時(shí)，如果篩孔直徑過大會導(dǎo)致漏貝率居高不下，同時(shí)沖洗分選時(shí)縊蟶姿態(tài)變化也會引起篩孔漏貝問題，篩孔過小又會導(dǎo)致泥沙阻塞。所以篩孔直徑最大值的選擇應(yīng)以殼長、殼高和殼寬中最小值確定。同時(shí)用于中等粒級物料篩分，通?？讖綖?0～50 mm[21]。綜上，采用篩孔分選縊蟶的采收設(shè)備篩孔直徑選擇應(yīng)為10～12 mm。

4 結(jié)論

縊蟶采收機(jī)采收清洗裝置利用連桿機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和收集清洗裝置實(shí)現(xiàn)縊蟶機(jī)械化采收，可滿足挖掘鏟在不同工作狀態(tài)下不同功能夾角變化要求，同時(shí)在一次工作中完成采收、分選和收集3個工序，提高了工作效率，降低工人勞動強(qiáng)度。通過設(shè)計(jì)計(jì)算與試驗(yàn)分析，確定了該裝置包括液壓缸選型(HSG-25/90·E 3911-1500)、工作高度(791.1 mm)、入泥口寬度(500 mm)和篩孔直徑范圍(10～12 mm)的基本設(shè)計(jì)參數(shù)，為縊蟶類采收裝置的開發(fā)和應(yīng)用提供參考。

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