江 濤 ,諶志新,朱 燁 ,洪 揚(yáng),鄒海生 ,譚永明,言 偉
(1 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; 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;3 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室,青海 266237)
海帶是一種在低溫海水中生長的大型海生褐藻,中國北部沿海及浙江、福建沿海大量栽培,產(chǎn)量居世界第一[1-3]。北方一般在11月上旬開始分苗,來年收獲期從5月中旬延續(xù)到7月上旬[4]。南方如福建霞浦一般4、5月份即可成熟收獲。2018年山東省榮成市海帶養(yǎng)殖面積共1萬hm2(15萬畝),海帶養(yǎng)殖面積、產(chǎn)量均居全國縣級(jí)市第一位,產(chǎn)量約占山東省80%、全國50%[5]。海帶收獲模式主要依賴傳統(tǒng)大規(guī)模人工作業(yè)[6],海帶收獲人員凌晨4:00出海,平均每天往返4次,每次2 h,下午15:00多上岸[7]。一旦錯(cuò)過收獲季節(jié),海帶就會(huì)爛在海中。因此,海帶收獲季節(jié)性強(qiáng)、生產(chǎn)規(guī)模大、勞動(dòng)強(qiáng)度高。當(dāng)前從事海帶收獲的勞動(dòng)力資源日趨緊缺,勞動(dòng)力成本不斷上升。為了確保海帶規(guī)模化健康養(yǎng)殖和可持續(xù)發(fā)展,國內(nèi)對(duì)海帶收獲機(jī)械化裝置做了大量的研究并取得了一定的成果。部分裝置安裝在船上已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲作業(yè),將海帶從筏架收獲至收獲船上,并在船上實(shí)現(xiàn)分割與漂燙[8-9]。但是,由于收獲船本身結(jié)構(gòu)龐大,影響了船操縱的機(jī)動(dòng)性;帶有海帶綆繩導(dǎo)向裝置的收獲船,收獲過程中,在水流速度較大的情況下,船體容易偏離筏架收獲位置;而且導(dǎo)向裝置過分拖拽綆繩,會(huì)使綆繩上的浮子被壓碎,影響筏式養(yǎng)殖海帶機(jī)械化收獲過程的設(shè)施完整性和作業(yè)連續(xù)性,降低收獲效率。目前研發(fā)的收獲船大多為收獲、暫存一體船[10-14],未將收獲船與運(yùn)輸船分離,因此每條船都需要安裝機(jī)械化收獲裝置,總體上增加了造船成本,減少了海帶存放空間,成果難以推廣。
筏架養(yǎng)殖海帶收獲模式及裝備研究是一項(xiàng)工程化技術(shù)研究,即筏架養(yǎng)殖設(shè)施[15-17]、夾苗設(shè)備[18-20]、日常管理運(yùn)維裝備、收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝備實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、模塊化、規(guī)范化的一個(gè)過程。本研究探討了一種輕簡化的新型海帶回轉(zhuǎn)伸縮齒爪式收獲轉(zhuǎn)運(yùn)方式及裝置,通過對(duì)現(xiàn)有海帶養(yǎng)殖筏架進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝備進(jìn)行設(shè)計(jì)與陸上臺(tái)架試驗(yàn),是海上海帶收獲試驗(yàn)前的重要環(huán)節(jié)。
海帶全人工筏式養(yǎng)殖設(shè)施形式主要有平養(yǎng)和垂養(yǎng)[21-23],海帶平養(yǎng)筏架具有海域利用率高和產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn),在北方海帶養(yǎng)殖中得到廣泛應(yīng)用。由于海帶平養(yǎng)筏架每根苗繩的兩端通過吊繩連接在兩側(cè)綆繩上,在機(jī)械化收獲時(shí),收獲船兼具收獲和暫存的功能。此外,船體過于龐大,在水流速度較大情況下進(jìn)入筏架內(nèi)無法靈活控制,容易偏移筏架位置,難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)性收獲及轉(zhuǎn)運(yùn)。
為解決上述問題,實(shí)現(xiàn)海帶連續(xù)機(jī)械化收獲,對(duì)海帶養(yǎng)殖筏架進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。對(duì)海帶平養(yǎng)筏架,將海帶苗繩首尾依次(或通過連接繩)連接成串。配套設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)伸縮齒爪式海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng),包括回轉(zhuǎn)伸縮齒爪式海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置(以下簡稱“收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置”)、回轉(zhuǎn)折臂起吊機(jī)、橫導(dǎo)向滾筒、豎導(dǎo)向滾筒等(圖1、圖2)。收獲海帶時(shí),回轉(zhuǎn)折臂起吊機(jī)將海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置懸掛于運(yùn)輸船甲板上方,海帶苗繩與綆繩解扣后被該裝置的左側(cè)齒爪提起,經(jīng)由回轉(zhuǎn)盤上部的一組齒爪從裝置的右側(cè)落下。通過回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置使收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng),伸縮齒爪同步圍繞回轉(zhuǎn)盤圓心的圓周上轉(zhuǎn)動(dòng),使落下部分的海帶苗繩不斷增加,不斷下降至運(yùn)輸船的艙內(nèi)進(jìn)行疊堆存放,堆到一定高度,可通過回轉(zhuǎn)折臂吊轉(zhuǎn)至運(yùn)輸船儲(chǔ)存艙的另一位置繼續(xù)整齊堆放。當(dāng)一艘運(yùn)輸船載滿海帶以后,再對(duì)后續(xù)運(yùn)輸船進(jìn)行相同操作。
海水潮流會(huì)發(fā)生方向改變,筏架上脫扣的海帶成串苗繩容易大幅度隨水流方向漂移無法順利進(jìn)入收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置內(nèi),容易從裝置內(nèi)脫落,所以在船艏安裝了1根橫導(dǎo)向滾筒和2根豎導(dǎo)向滾筒,海帶苗繩從橫導(dǎo)向滾筒之上及2根豎導(dǎo)向滾筒之間穿過后進(jìn)入收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置內(nèi),可解決苗繩因位置偏差過大而從裝置上脫落的問題。海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)船連續(xù)收獲,并轉(zhuǎn)運(yùn)至附近的1~2艘運(yùn)輸船上完成1個(gè)筏架的海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)過程。整套系統(tǒng)對(duì)收獲船的配置要求較低, 通常長10 m、 寬3.8 m的船即可滿足甲板安置設(shè)備的需求。該尺度的收獲船有利于在筏架內(nèi)靈活操控,沿筏架綆繩前行或系泊,運(yùn)輸船可使用現(xiàn)有的舢板或定制,因此收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置便于推廣應(yīng)用。
圖1 海帶機(jī)械化連續(xù)收獲方法Fig.1 Method of mechanized continuous harvesting of kelp
海帶苗繩平均長約2.3 m,為了便于養(yǎng)殖管理,2根苗繩通常連接成4.6 m大串繩,苗繩間距約0.7 m。如圖1所示,將大串海帶苗繩的首尾依次用直徑16 mm以上的繩索連接,形成連續(xù)的“幾”字形。在連接繩與苗繩端部的連接處系縛吊繩,吊繩分下部吊繩與上部吊繩,下部吊繩一端連接苗繩與連接繩的交匯處,另一端打結(jié)后卡入吊繩扣下部的槽內(nèi)。上部吊繩一端與綆繩連接,另一端穿過吊繩扣頂部的圓孔后打結(jié),使上下部吊繩不容易從吊繩扣中脫落。脫扣時(shí)僅需將卡入吊繩扣槽內(nèi)的繩結(jié)往上挑至吊繩扣的空處,即可完成苗繩與綆繩的分離。
傳統(tǒng)筏架總長為70 m,養(yǎng)成鮮海帶總量為4~5 t?,F(xiàn)有每艘運(yùn)輸船只可載鮮海帶3 t,采用機(jī)械化收獲技術(shù)后,每個(gè)筏架長度可設(shè)計(jì)為85 m,總的養(yǎng)殖設(shè)計(jì)產(chǎn)量可達(dá)6 t,與運(yùn)輸船的承載相匹配,可減少船只因承載與產(chǎn)量不匹配而產(chǎn)生頻繁周轉(zhuǎn)替換的時(shí)間。
海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置安裝在收獲船上,由船上折臂吊機(jī)提升至距甲板2~3 m高度,并懸至相鄰運(yùn)輸船上方。如圖2所示,機(jī)械化收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置采用齒爪結(jié)構(gòu),齒爪安裝在回轉(zhuǎn)盤上,在回轉(zhuǎn)盤的周向均勻分布,回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn),各齒爪跟隨回轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)并做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。起升海帶及苗繩時(shí),齒爪伸出插入苗繩下方2棵海帶的間隙,往上挑起做圓弧運(yùn)動(dòng)。苗繩下降時(shí),齒爪收縮入罩殼內(nèi),懸垂的海帶苗繩脫離齒爪順勢下墜。采用回轉(zhuǎn)伸縮齒爪式結(jié)構(gòu),可以使附著在苗繩上的海帶在經(jīng)過齒爪時(shí)始終保持垂直狀態(tài),避免損傷海帶,可解決海帶經(jīng)過回轉(zhuǎn)固定式齒爪時(shí)容易纏繞在齒爪上使設(shè)備無法連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的問題。
圖2 海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of kelp harvest and transfer device
海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置包括回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、轉(zhuǎn)軸、回轉(zhuǎn)盤、端面凸輪或槽輪、擺桿、支座、伸縮齒爪、齒爪座、擋塊、罩殼、機(jī)架、滾輪、上部吊環(huán)和側(cè)面吊環(huán)。由于單根鮮海帶約1.25 kg,大串苗繩平均養(yǎng)殖海帶80棵,所以一條附著海帶的大串苗繩總質(zhì)量約100 kg。起吊海帶苗繩時(shí)由于船會(huì)搖擺,伸縮齒爪端部的擋塊能有效地起到攔護(hù)海帶苗繩滑脫作用。擋塊做成菱錐形,便于齒爪在縮回時(shí)海帶苗繩從齒爪經(jīng)菱錐表面滑移脫離。伸縮齒爪在海帶苗繩提升時(shí)順序從苗繩下部2棵海帶之間插入,通過回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)挑起苗繩和海帶做先向上后向下的圓弧軌跡運(yùn)動(dòng),使整棵海帶在移動(dòng)過程中保持豎直狀態(tài),可解決海帶苗繩與齒爪纏繞無法順利脫離齒爪而下降,造成后續(xù)海帶無法順利提升的問題。海帶苗繩下降時(shí),伸縮齒爪逐一按序縮進(jìn)罩殼內(nèi),可伸縮齒爪上的苗繩從棱錐形擋塊表面滑出、脫離,然后順利降落至運(yùn)輸船的甲板艙內(nèi)。
擺桿安裝于凸輪圓周相切位置,可減小裝置的結(jié)構(gòu)尺寸,擺桿滾輪沿凸輪圓周切線方向的端面移動(dòng)。齒爪座固定在回轉(zhuǎn)盤上,使伸縮齒爪既可隨回轉(zhuǎn)盤繞圓心做圓周運(yùn)動(dòng),又可由凸輪控制做往復(fù)運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)齒爪伸出將海帶苗繩從一側(cè)挑起,走圓弧軌跡到裝置的另一側(cè),齒爪縮入罩殼,苗繩順利下降的步驟。
如圖3所示,伸縮齒爪往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)序及行程由固定在機(jī)架上的端面凸輪控制。滾子在凸輪廓線11.25°~168.75°區(qū)域,齒爪向外伸出;滾子在凸輪廓線191.25°~348.75°區(qū)域,齒爪向罩殼內(nèi)縮進(jìn)。在極坐標(biāo)系中,自191.25°開始齒爪從最低點(diǎn)伸出,至168.75°伸出至最高點(diǎn),行程為60 mm。壓簧將擺桿上的滾子緊貼端面凸輪的表面。
圖3 凸輪機(jī)構(gòu)及時(shí)序Fig.3 Cam mechanism and timing
如圖2左視圖所示,海帶苗繩從回轉(zhuǎn)盤齒爪左側(cè)進(jìn)入,下部齒爪從回轉(zhuǎn)盤168.75°的位置伸出,插入苗繩下方海帶的間隙內(nèi)(苗繩上垂掛的海帶呈一定的柔性,柔性的海帶可以避讓齒爪,便于齒爪從2棵海帶間插入)。隨著回轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng),齒爪將海帶及苗繩順著圓弧方向自左向右移動(dòng),輸送到右側(cè)11.25°的位置開始齒爪縮回,卸下海帶苗繩。
海帶大串苗繩長4.6 m,平均1根大串苗繩養(yǎng)殖海帶共80棵,單棵鮮海帶平均質(zhì)量為1.25 kg,苗繩連接形式為苗繩的首尾串接,設(shè)定每根海帶均勻分布在海帶苗繩上,動(dòng)力起升苗繩的張力計(jì)算公式[24-25]:
(1)
式中:Fn—每個(gè)海帶懸掛節(jié)點(diǎn)的苗繩張力(n=1,2,3…)(單位:N);αn—張力角;LH—根據(jù)海帶收獲船尺度設(shè)定苗繩起吊點(diǎn)到導(dǎo)向滾筒的水平距離(4 m);LV—根據(jù)海帶平均長度設(shè)定苗繩起吊點(diǎn)到導(dǎo)向滾筒的垂直距離(3.5 m)。G—懸掛海帶平均質(zhì)量(1.25 kg)。
利用Maple數(shù)學(xué)軟件[26-28]對(duì)數(shù)值進(jìn)行求解,計(jì)算結(jié)果如圖4所示,圖4中的方塊標(biāo)記為苗繩上的每棵海帶懸掛節(jié)點(diǎn),最上部的節(jié)點(diǎn)為苗繩與收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置齒爪的結(jié)合點(diǎn),最下部節(jié)點(diǎn)為苗繩與橫導(dǎo)向滾筒的接觸位置。結(jié)果顯示,結(jié)合點(diǎn)處的張力F1=1 290.6 N;導(dǎo)向滾筒接觸位置苗繩的水平張力F2=563.1 N。
圖4 海帶苗繩懸掛形狀Fig.4 Suspension shape of kelp seedling rope
3.5.1 主要執(zhí)行元件計(jì)算與選用
筏架設(shè)計(jì)長度按85 m計(jì),養(yǎng)殖苗繩120排,大串苗繩長度4.6 m,連接繩長度0.7 m,累計(jì)總長度635.3 m。設(shè)定30 min收獲完成,收獲速度v=21.2 m/min。齒爪分布圓直徑513 mm,齒爪直徑10 mm,苗繩直徑18 mm,因此,圓周上苗繩中心到轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)中心的距離D=541 mm。根據(jù)收獲速度求出轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n=v/(π·D) =13.2 r/m,扭矩T=F1×D/2=349.1 N·m。
選用鎮(zhèn)江液壓股份有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為BMM50擺線液壓馬達(dá),額定扭矩33 N·m,額定轉(zhuǎn)速358 r/min,額定工作壓差6.0 MPa,額定流量20 L/min。選配速比為15的減速箱,輸出轉(zhuǎn)速23.8 r/min,扭矩660 N·m,滿足設(shè)計(jì)需要。起吊臂架采用折臂吊的形式,臂架油缸的缸徑 90 mm、塞桿直徑 63 mm、行程440 mm。油泵選用武漢興達(dá)液壓設(shè)備有限公司生產(chǎn)型號(hào)為25SCY14-1B的軸向柱塞泵,理論排量 25 L/min,公稱壓力 31.5 MPa,最大傳動(dòng)功率 14.1 kW。
3.5.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的旋轉(zhuǎn)、折臂吊的變幅機(jī)構(gòu)均采用液壓傳動(dòng)(圖5)。
圖5 液壓系統(tǒng)Fig.5 Hydraulic system
軸向柱塞泵由裝在油箱上的電機(jī)帶動(dòng),直接從油箱中吸油,經(jīng)過濾油器輸出壓力油。通過手動(dòng)可以調(diào)節(jié)泵的排出油量,從而對(duì)各機(jī)構(gòu)的工作速度進(jìn)行總調(diào)節(jié)。三聯(lián)多路閥可控制壓力油的流向,分別驅(qū)動(dòng)收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置回轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)、折臂吊兩個(gè)油缸的獨(dú)立伸縮。系統(tǒng)工作壓力由溢流閥控制。3套機(jī)構(gòu)的油路相互串聯(lián),可實(shí)現(xiàn)一個(gè)機(jī)構(gòu)單獨(dú)動(dòng)作或幾個(gè)機(jī)構(gòu)組合動(dòng)作。在驅(qū)動(dòng)油缸的油路中,在油缸的無桿腔一端設(shè)置了疊加式液控單向閥,其作用是,若油缸油管突發(fā)泄漏,可阻止支撐起吊重物的液壓缸活塞快速下滑,確保折臂吊的臂架不會(huì)突然下降,避免引起安全問題。疊加式節(jié)流閥就相當(dāng)于是2個(gè)通路,一側(cè)是節(jié)流,另一側(cè)是單向閥,如從節(jié)流一側(cè)進(jìn)油,單向閥是關(guān)閉的,只能從節(jié)流口通過,可起到節(jié)流作用;從另一側(cè)進(jìn)油時(shí),單向閥打開,不起節(jié)流作用。
根據(jù)海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)的機(jī)理,設(shè)計(jì)并試制了海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置,通過試驗(yàn)驗(yàn)證成串轉(zhuǎn)運(yùn)海帶苗繩的可行性。試驗(yàn)材料:附著苗繩的小海帶(海帶長度0.6 m,海帶間距70 mm,苗繩長度4.6 m,小海帶質(zhì)量0.25 kg/棵),伸縮齒爪海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置,扭矩儀[27]。如圖6所示,將收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置固定在距甲板2 m高處,海帶苗繩首段置于收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的齒爪上,驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn),齒爪作往復(fù)運(yùn)動(dòng),帶動(dòng)海帶苗繩從左端升起右側(cè)下降。試驗(yàn)對(duì)照了不同起吊角度(a)時(shí)伸縮齒爪收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置的試驗(yàn)情況(表1)。
圖6 海帶轉(zhuǎn)運(yùn)試驗(yàn)Fig.6 Kelp transfer test
試驗(yàn)可知,海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置將海帶苗繩從低處升起,并從另一處降下。起吊角>15°時(shí),預(yù)期與苗繩接觸的齒爪會(huì)在苗繩的下方伸出,挑起苗繩,使苗繩跟隨齒爪移動(dòng),實(shí)現(xiàn)海帶連續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn);當(dāng)起吊角≤15°時(shí),預(yù)期與苗繩接觸的齒爪因角度過小會(huì)在苗繩的上方伸出,無法挑起苗繩,使苗繩脫離齒爪。伸縮齒爪收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置,前部齒爪收縮在罩殼內(nèi),需要挑起苗繩和海帶時(shí)才伸出。懸垂的海帶尾部沒有與回轉(zhuǎn)盤下部的齒爪接觸,避免了海帶對(duì)齒爪的纏繞。伸縮齒爪可以插入2棵海帶間隙內(nèi),傳輸過程中海帶始終保持豎直,沒有發(fā)生海帶纏繞齒爪的現(xiàn)象,收獲轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)可連續(xù)進(jìn)行。
表1 成串海帶苗繩轉(zhuǎn)運(yùn)試驗(yàn)Tab.1 Transfer test of kelp seedling rope in string
初步改進(jìn)設(shè)計(jì)了適宜機(jī)械化收獲的海帶養(yǎng)殖筏架新模式,通過連接繩使海帶苗繩首尾相連,與綆繩分離后形成一整串苗繩,便于機(jī)械化連續(xù)收獲轉(zhuǎn)運(yùn)。在此基礎(chǔ)上形成的回轉(zhuǎn)伸縮齒爪式海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置有效解決了在收獲轉(zhuǎn)運(yùn)過程中海帶纏繞齒爪的關(guān)鍵問題,齒爪有序伸縮可實(shí)現(xiàn)海帶在轉(zhuǎn)運(yùn)過程中保持豎直轉(zhuǎn)運(yùn)至運(yùn)輸船上,減少了海帶轉(zhuǎn)運(yùn)過程中的損傷,但苗繩的起吊角需要大于最小起吊角15°。結(jié)構(gòu)上創(chuàng)新采用端面凸輪機(jī)構(gòu)控制一組齒爪往復(fù)時(shí)序與行程,結(jié)構(gòu)緊湊。構(gòu)建的成串海帶苗繩起吊張力數(shù)學(xué)模型,為動(dòng)力裝置的選用提供了重要依據(jù)。臺(tái)架試驗(yàn)成功驗(yàn)證了伸縮齒爪海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)是可行的,可為將來海上試驗(yàn)提供良好的基礎(chǔ)。海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)包括折臂吊機(jī)、海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)裝置以及輔助導(dǎo)向滾筒,結(jié)構(gòu)簡單,設(shè)備輕巧;該裝置有助于減小船體尺度,且操控靈活、成本低;系統(tǒng)將大幅減輕收獲轉(zhuǎn)運(yùn)的勞力,減少操作人員的數(shù)量,實(shí)現(xiàn)海帶收獲轉(zhuǎn)運(yùn)輕簡化,便于推廣應(yīng)用。