基于機(jī)械自動(dòng)化的水葫蘆清理刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

賀敏超 趙新業(yè) 黃淑芳 農(nóng)田友 陳偉珍 陳炳森 梁建和 陳國(guó)麗

【摘 要】水葫蘆的瘋狂繁殖，嚴(yán)重破壞了生態(tài)環(huán)境。目前，常見(jiàn)的水葫蘆清理方法是機(jī)械設(shè)備打撈。但是，這些機(jī)械設(shè)備只是簡(jiǎn)單的拖拽式打撈，導(dǎo)致所需能耗大、設(shè)備體積龐大。文章通過(guò)分析水葫蘆根系特點(diǎn)，以及現(xiàn)有打撈裝置存在的不足，提供了一種特殊設(shè)計(jì)的刀具群結(jié)構(gòu)的水葫蘆清理刀具，能輕松地清理水葫蘆等水生植物，并將其一次性切碎。

【關(guān)鍵詞】水葫蘆;清理;刀具結(jié)構(gòu)

【中圖分類(lèi)號(hào)】S225 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2019）12-0056-02

0 前言

近幾年，南方地區(qū)發(fā)現(xiàn)有大量的水葫蘆，由于其瘋狂地繁殖，嚴(yán)重破壞了生態(tài)平衡，對(duì)生態(tài)文明建設(shè)造成了極大影響。各地紛紛采取各種措施清理水葫蘆，也出現(xiàn)了各種打撈方法的研究，例如水陸聯(lián)動(dòng)機(jī)械快速打撈法等[1]，但還是存在費(fèi)時(shí)費(fèi)力、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低等缺點(diǎn)。不少商家也紛紛研發(fā)出打撈水葫蘆的設(shè)備，雖然大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，但是也存在設(shè)備體積大、成本高、清除不徹底等缺點(diǎn)。分析部分商家的水葫蘆機(jī)械清理設(shè)備，其清除刀具部分都有一些共性[2]。

（1）機(jī)械抓斗進(jìn)入水中打撈水葫蘆，然后將其轉(zhuǎn)運(yùn)到裝載機(jī)上，抓斗轉(zhuǎn)向進(jìn)行打撈或卸貨時(shí)需要消耗大量動(dòng)能。

（2）抓斗在打撈水葫蘆時(shí)會(huì)將水葫蘆中夾帶的水、泥沙和金屬等雜物一同打撈進(jìn)運(yùn)載機(jī)中。

（3）傳統(tǒng)打撈機(jī)械只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的打撈，未粉碎，堆積在岸邊有再生可能性。為了既能簡(jiǎn)便打撈水葫蘆又能徹底清除水葫蘆，本文提供一種新型水葫蘆收割刀具的設(shè)計(jì)方案。

1 方案設(shè)計(jì)

由于水葫蘆生長(zhǎng)在水里，根系發(fā)達(dá)且可能相互纏繞，長(zhǎng)度也較長(zhǎng)，所以其繁殖區(qū)域往往是呈現(xiàn)連片分布。人工拖拽往往無(wú)法將其分開(kāi)，從而無(wú)法清理或?qū)е聞趧?dòng)強(qiáng)度加大。所以，機(jī)械收割應(yīng)考慮將即將收割部分與其他部分分離，以“化整為零”的思想，逐級(jí)收割，步步蠶食。故刀具結(jié)構(gòu)應(yīng)具備如下功能。

1.1 刀具結(jié)構(gòu)功能

（1）分割功能。即要有刀片將水葫蘆互相纏繞的根系分割，以便于進(jìn)行下一步動(dòng)作。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，刀具的刀刃部分應(yīng)在“分割”過(guò)程中，切割力的方向應(yīng)盡可能地垂直于水葫蘆根系，且本部分刀具主要分割縱向根系。

（2）防纏繞功能。水葫蘆根系發(fā)達(dá)且互相纏繞，通過(guò)縱向分割之后，還需要橫向分割，類(lèi)似于“切碎”功能，但由于水葫蘆根系具有韌性等特點(diǎn)，所以還要考慮刀具及其轉(zhuǎn)軸的防纏繞功能，故刀具結(jié)構(gòu)要設(shè)計(jì)成“鐮刀”形結(jié)構(gòu)，而且至少兩個(gè)刀片在同一個(gè)回轉(zhuǎn)面上的切割軌跡形成“X”形交叉結(jié)構(gòu)。

（3）如果把刀片旋轉(zhuǎn)所形成的回轉(zhuǎn)體近似一個(gè)圓柱體，那么刀片在軸向的設(shè)置在軸向方向上是錯(cuò)開(kāi)的，而且“鐮刀”的開(kāi)口方向是“背對(duì)背”或“面對(duì)面”錯(cuò)開(kāi)，讓其在旋轉(zhuǎn)軌跡上剛好形成一個(gè)“X”形結(jié)構(gòu)。

（4）把這個(gè)圓柱體軌跡的刀片集合體分割為若干段圓柱體，而且這些圓柱體軌跡相互之間在同一個(gè)軸向剖面上相互干涉（除兩端外），保證在分割作業(yè)面上完全有刀片切除而不發(fā)生纏繞現(xiàn)象。

（5）所有刀口切削刃方向一致，統(tǒng)一設(shè)置為刀片從水中旋出水面的方向。

1.2 刀片布置

基于以上分析刀具應(yīng)具有的功能要求，需要在刀具旋轉(zhuǎn)軸上布置若干刀片，其布置如下。

（1）刀具旋轉(zhuǎn)軸兩端分別設(shè)置兩片用于縱向分割的直刀片，兩刀片以180°對(duì)稱分布。以便先將大片相連的水葫蘆分割為小塊。

（2）從該直刀片兩端向中間排列設(shè)置一對(duì)“鐮刀”形刀片，兩刀片同樣是以180°對(duì)稱分布，但該兩刀片的連線與上述兩直刀片的連線形成垂直關(guān)系。該對(duì)“鐮刀”刀片彎曲方向是“背對(duì)背”設(shè)置的。同時(shí)，“鐮刀”刀片與旋轉(zhuǎn)軸的連接處不在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)，而是有一定量的錯(cuò)位，使刀具在旋轉(zhuǎn)軌跡形成“X”形軌跡，以防水葫蘆纏繞。

（3）在上述該對(duì)“鐮刀”刀片的安裝點(diǎn)軸線連線的中間位置再設(shè)置一對(duì)直刀片，同樣是以180°對(duì)稱分布，其安裝點(diǎn)連線與“鐮刀”刀片安裝點(diǎn)連線呈垂直關(guān)系。也就是說(shuō)，在此處有一對(duì)“鐮刀”形刀片和一對(duì)直刀片，分別布置在一個(gè)回轉(zhuǎn)體的4個(gè)90°角上，而且“鐮刀”的彎曲方向剛好是相反的，類(lèi)似于“X”形。需要指出的是，直刀片的長(zhǎng)度比彎刀片在徑向方向要長(zhǎng)，比如50 mm，以便在切割工作時(shí)優(yōu)先進(jìn)行縱向切割，減少?gòu)澋镀懈顣r(shí)根系纏繞阻力。

（4）從旋轉(zhuǎn)軸兩端往中間，依次布置上述的刀具群，為了讓水葫蘆在軸向方向都能被切到，每?jī)蓚€(gè)刀具群之間的距離也不能太長(zhǎng)，具體間距以兩個(gè)刀具群在旋轉(zhuǎn)軌跡上形成的兩個(gè)“X”形軌跡之間無(wú)間隙為準(zhǔn)。

（5）通過(guò)以上特殊的刀具設(shè)置，使水葫蘆在收割過(guò)程中經(jīng)過(guò)“切片→切碎”，但有些韌性強(qiáng)的根系可能還是無(wú)法被切碎?；诖?，本方案在刀具群正上方設(shè)置一個(gè)防護(hù)罩，但不是起到防護(hù)作業(yè)，而是用于幫助切碎水葫蘆。設(shè)置要求如下：該防護(hù)罩覆蓋整個(gè)刀具群旋轉(zhuǎn)體1/4回轉(zhuǎn)面，大致位置為在旋轉(zhuǎn)軸正上方順旋轉(zhuǎn)方向90°。防護(hù)罩在旋轉(zhuǎn)軸線方向上型面與刀具群旋轉(zhuǎn)時(shí)形成的軌跡對(duì)應(yīng)，刀具刀尖位置距離防護(hù)罩10～20 mm。此處就相當(dāng)于形成一個(gè)“粉碎機(jī)”，將刀具初始階段未切碎的水葫蘆再次切碎，之后再?gòu)姆雷o(hù)罩的下端出來(lái)，掉到設(shè)置在防護(hù)罩下方的傳送帶上。

2 本結(jié)構(gòu)刀具的優(yōu)點(diǎn)

本結(jié)構(gòu)刀具與現(xiàn)有水葫蘆收割刀具對(duì)比，有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）本結(jié)構(gòu)刀具在工作時(shí)先對(duì)大片的水葫蘆進(jìn)行小塊分割，減少了不分割而導(dǎo)致拖拽所消耗的能量，所配的機(jī)械設(shè)備體積相對(duì)較小。而現(xiàn)有的水葫蘆清理刀具沒(méi)有進(jìn)行分割，僅是通過(guò)拖拽打撈，能耗大、體積大。

（2）本結(jié)構(gòu)刀具在打撈時(shí)就將水葫蘆切碎，防止水葫蘆“復(fù)活”。而現(xiàn)有的水葫蘆打撈設(shè)備僅僅是打撈，未切碎，“復(fù)活”可能性大，即使拉上岸也可能“復(fù)活”。

（3）本結(jié)構(gòu)刀具配合相應(yīng)的傳輸設(shè)備，將切碎的水葫蘆壓縮后上岸處理，不污染河道，不讓水葫蘆再生。

3 本結(jié)構(gòu)刀具的缺點(diǎn)

本結(jié)構(gòu)刀具存在以下的缺點(diǎn)。

（1）結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)直刀片和“鐮刀”刀片的位置要求較高，如果布置不正確，防纏繞功能失效，可能就會(huì)被卡死。

（2）刀具的切削刃要求比較鋒利，保證在工作過(guò)程中將水葫蘆切斷、切碎。

（3）刀片與旋轉(zhuǎn)軸的連接采用焊接的方式，對(duì)焊接技術(shù)要求較高。

（4）對(duì)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)要求較高，過(guò)低的轉(zhuǎn)數(shù)無(wú)法有效切斷、切碎水葫蘆，過(guò)高的轉(zhuǎn)數(shù)能量損失大，對(duì)電機(jī)等相關(guān)零部件的壽命有一定的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)水葫蘆及其根系分布情況進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)有的水葫蘆清理設(shè)備及其工作過(guò)程，以及現(xiàn)有的水葫蘆處理的相關(guān)方法，提出了新型的水葫蘆清理刀具結(jié)構(gòu)，其特殊的刀具群分布結(jié)構(gòu)，讓該刀具能在能耗較少的情況下，實(shí)現(xiàn)水葫蘆清理、切碎功能，同時(shí)防止水葫蘆“復(fù)活”。該刀具結(jié)構(gòu)不僅適用于水葫蘆清理，也適用于其他類(lèi)似的水生植物的清理和打撈水面垃圾等，配合相應(yīng)的動(dòng)力傳輸設(shè)備，能完成多項(xiàng)水面清理工作，應(yīng)用非常廣泛。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]吳世銘.“水陸聯(lián)動(dòng)機(jī)械快速打撈法”在水口庫(kù)區(qū)水葫蘆集中整治中的應(yīng)用[J].福建農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2007（1）.

[2]趙達(dá)境，占向輝.水葫蘆自動(dòng)清理壓縮船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其仿真[J].科技與創(chuàng)新，2016（14）.

[3]廈門(mén)泛海恒業(yè)環(huán)境科技有限公司.福建水口電站：“鬧心”的水葫蘆[EB/OL].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_

a7e9cb0e01011dsu.html，2012-07-14.