水面清潔設(shè)備研究及設(shè)計

陳文彬

摘 要：現(xiàn)在市場上有多種水草切割船，但并不適合于小型水域的淡水養(yǎng)殖，而且水草切割船體積大、消耗高，購買需要花費較大資金。針對這種情況，淡水養(yǎng)殖人員需要一種可以安裝在普通船只的切割器，而且具備裝拆方便，簡單廉價的特點。在對淡水養(yǎng)殖地區(qū)進行調(diào)研后，本著以簡單實用、可靠廉價為目的，設(shè)計了一種能用于養(yǎng)殖戶現(xiàn)有小型船只的水草切割裝置。本文介紹了可拆卸組合式水草切割裝置的方案、結(jié)構(gòu)、尺寸和材料，并用Solid Works軟件對該裝置進行了三維建模，用Adams軟件進行了運動學(xué)分析，分析了割刀在運行過程中的受力和碰撞，以對割刀進行進一步改進。

關(guān)鍵詞：水面清潔設(shè)備 水草切割船 刀 動力

中圖分類號：U67 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）12（a）-0123-03

1 課題研究的背景

目前市場上有多種水草切割機，它們的切割裝置各有優(yōu)缺點。因此對于不同的水域和水生植物，有其合適的切割裝置。許多研發(fā)者致力于水草切割裝置的優(yōu)化和改進以提高其性能。隨著研究的深入和發(fā)展，水草切割裝置越來越成熟，性能越來越優(yōu)良。隨著水域生態(tài)景觀的開發(fā)和養(yǎng)殖事業(yè)的迅猛發(fā)展，水草切割裝置在中國小型水域中具有廣泛的應(yīng)用前景，因此水草切割裝置的研究和發(fā)展也越來越重要。

因為專門的水草切割船體型大、消耗高、不適合在小型水域工作且一般的養(yǎng)殖戶無法承擔(dān)水草切割船的費用。針對這種情況，需要專門設(shè)計可快速拆卸式水草切割裝置。

2 初步設(shè)計方案

2.1 研究目標(biāo)

設(shè)計一種簡單、廉價、可靠的小型便攜可拆卸式水草切割設(shè)備，可安裝在養(yǎng)殖戶的普通船只上，當(dāng)池塘需要割草時，可以實現(xiàn)快速安裝；當(dāng)不需要割草時，可以快速拆卸，以免切割裝置在露天環(huán)境中被侵蝕破壞，延長使用壽命。

在可以快速拆卸組合的基礎(chǔ)上，通過調(diào)節(jié)刀架的高度，可以實現(xiàn)刀的上下移動，這樣就可以在不同的水域，根據(jù)所要的水草高度，進行切割。

2.2 研究內(nèi)容

（1）切割器的類型和選擇。

（2）切割裝置在水中的工作特性，包括用Solid Works軟件進行建模后，導(dǎo)入Fluent軟件進行水中模擬，得出切割器在水中的受力情況；綜合水的阻力與水草的阻力，在Adams軟件中進行受力分析，查看割刀運行過程是否穩(wěn)定，有無較大碰撞力。

2.3 主要問題

環(huán)保、割刀形式的選擇和盡可能降低產(chǎn)品的成本。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)割刀上下調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同水域。

2.5 解決方案

動力初步擬定為汽油機，汽油機體積小、振動低、啟動簡單，最重要的是萬一有泄漏汽油易揮發(fā)，不會污染水域。

刀具初步擬定為往復(fù)式割刀，采用兩動刀片的方式進行切割，刀片安置在托刀盒內(nèi)，托刀盒焊接在刀架上。

支撐結(jié)構(gòu)盡量采用型材，通過改造型材，刀架可以實現(xiàn)上下移動。

傳動軸采用可拉伸花鍵軸，以實現(xiàn)刀的移動。

在本設(shè)計中，刀配體材料初步擬定為不銹鐵，它具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，刀架采用不銹鋼，其焊接性良好，適用于作結(jié)構(gòu)材料。

3 設(shè)計過程

3.1 船

池塘的一般水深為500mm，最深處可達800mm，擬定船高為400mm，無載荷時吃水深度為50mm，船寬900mm。其Solid Works三維設(shè)效果圖如圖1所示。

3.2 刀

選擇往復(fù)式切割器則能避免切割器被纏繞和堵轉(zhuǎn)的問題，即使遇到強度、韌性比較大的水草，切割器的刀片也能依靠高速運動將水草割斷。在參考大量切割器資料后，最適宜的可直接購買的切割器刀具長度為1100mm。比船稍寬，以保證船前面的水草切割干凈。其Solid Works三維效果圖如圖2所示。

因為往復(fù)式割刀的動刀片在速度為0.7m/s時最穩(wěn)定，按照廠家生產(chǎn)的刀具，切割部分寬a=30.89mm，刀長b=1m，擬定輸入轉(zhuǎn)速n=500r/min：

8小時割=8=22.2畝

船的適合速度v=2a×500/60=0.5m/s。

為了提高效率，暫擬定切割部分寬35mm，8小時割=8=25畝；

刀的移動速度=0.58m/s；

船的適合速度v=2a×500/60=0.58m/s；

因為受力不大，材料初步擬定為301不銹鋼，它具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

平板是最簡單的構(gòu)件，當(dāng)平板被順著平行來流方向安置時，由于水的粘滯性引起的水動力僅為摩擦阻力。而平板與來流成角度時，會受到形狀阻力等。因此擬定本設(shè)計中刀平面與來流方向平行，以減少水的阻力。

3.3 刀架

初步擬定刀片焊接在刀架上，為了實現(xiàn)刀的高度調(diào)節(jié)，刀架和支撐部分要同時設(shè)計。支撐部分初步設(shè)計為開有槽的鋼板，刀架可以裝配在鋼板的槽中以上下進行高度調(diào)節(jié)。為了加強刀架的穩(wěn)定性，同時阻止刀架旋轉(zhuǎn)，初步設(shè)計刀架為三角形鋼管焊接件。其Solid Works三維效果圖如圖3。

刀架整體均是由直徑20mm的鋼管焊接，垂直距離為230mm，因為受力不大，材料初步擬定為316不銹鋼，其焊接性良好，適用于作結(jié)構(gòu)材料。

3.4 支撐部分

8號槽鋼高80mm，寬43mm，厚8mm。根據(jù)上面設(shè)計的刀架，其垂直距離為230mm，那么可以設(shè)計第一個槽口圓形中心據(jù)離頂部為80+80+350-230=280mm。那么刀架的移動范圍可達80×5=400mm，完全可以滿足池塘水草的切割。其Solid Works三維效果圖如圖4。

3.5 動力部分

由于汽油機體積小，容易啟動的特點，擬定動力部分為汽油機，轉(zhuǎn)速為1500r/mim。配合減速比為1∶3的單級齒輪減速器。

3.6 偏心輪

由于設(shè)計采用一定刀片一動刀片的形式，刀片中刀齒間距為35mm，為了使刀片在運行過程中盡可能的增大切割面積，設(shè)計偏心半徑為35mm。這樣偏心輪運轉(zhuǎn)一周，動刀片完成一個往復(fù)動作。

3.7 受力分析

割刀承受的力F主要由摩擦力、切割阻力、慣性力和流體阻力組成。

慣性力F=m×a=0.52×19.3=10N。

鋼與鋼的摩擦系數(shù)：靜摩擦無潤滑劑0.15，有潤滑劑0.1～0.12；動摩擦無潤滑劑0.15，有潤滑劑0.05～0.10。這里取動摩擦無潤滑劑0.15。

刀片之間的摩擦力f=0.15mg=0.15×5.2=0.78N。

3.8 系統(tǒng)建模與仿真分析

3.8.1 割刀裝配體基于ADAMS仿真分析及輸出結(jié)果

在這個Adams模擬中，要輸出動刀片的速度和加速度曲線，驗證動刀片速度是否滿足設(shè)計要求，看加速度曲線是否平滑，以驗證刀的運行時平穩(wěn)的。最后要輸出動刀片與刀盒的接觸力曲線，驗證動刀片與刀盒之間是否有異常沖擊力。

3.8.2 輸出結(jié)果分析

由動刀片和托刀盒的碰撞曲線可以看出，在動刀片在運行過程中，與托刀盒無明顯異常碰撞，說明偏心輪和連桿的設(shè)計基本符合設(shè)計要求。

綜上Adams軟件運動學(xué)分析，可以得出本文所設(shè)計的可快速拆卸組合式水草切割裝置基本滿足要求，有些地方還需要進一步的改進。

3.9 方案確定

汽油機型號的選擇，由3.7節(jié)受力分析可知，偏心輪每轉(zhuǎn)一周，耗費時間0.12s，割刀前進0.12×0.58=0.0696m，W=306.64×0.0696+10.78×0.035×2=22J，功率P=22/0.12=0.2kW。雖然托刀盒中有潤滑，但偏心輪與連桿的摩擦?xí)牟糠止β省?/p>

4 結(jié)語

通過受力分析和模擬，切割裝置基本滿足設(shè)計要求。有動刀片的加速度曲線可知，存在較大沖擊力，說明偏心輪的設(shè)計還存在問題，需要進一步修正改進。還有很多方面需要進行試驗測試。

本文對水草切割進行了基礎(chǔ)研究，進行了初步的探索，并主要針對可快速拆卸組合式水草切割裝置進行了深入研究，同時概述了其控制系統(tǒng)。由于各條件的限制，可快速拆卸組合式水草切割裝置還存在大量問題，如傳動系統(tǒng)不穩(wěn)定，接下來我們應(yīng)該把重點放在可快速拆卸組合式水草切割裝置的傳動系統(tǒng)研究上，這樣將對我們了解傳動系統(tǒng)如何避開水草纏繞問題和甩動幅度大等問題有很大幫助，對水草切割裝置的具體工作過程有一個更深層次的認識。正是由于我國在養(yǎng)殖業(yè)機械化技術(shù)方面的落后，我們更加應(yīng)該花費人力物力去研究學(xué)習(xí)，并最終實現(xiàn)水草切割裝置的國產(chǎn)化。讓我們?yōu)橹圃斐鲎约旱膿碛凶灾髦R產(chǎn)權(quán)并且簡單可靠廉價的可快速拆卸組合式水草切割裝置而努力。

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