基于机械自动化的水葫芦清理刀具结构设计

贺敏超 赵新业 黄淑芳 农田友 陈伟珍 陈炳森 梁建和 陈国丽

【摘 要】水葫芦的疯狂繁殖，严重破坏了生态环境。目前，常见的水葫芦清理方法是机械设备打捞。但是，这些机械设备只是简单的拖拽式打捞，导致所需能耗大、设备体积庞大。文章通过分析水葫芦根系特点，以及现有打捞装置存在的不足，提供了一种特殊设计的刀具群结构的水葫芦清理刀具，能轻松地清理水葫芦等水生植物，并将其一次性切碎。

【关键词】水葫芦;清理;刀具结构

【中图分类号】S225 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）12-0056-02

0 前言

近几年，南方地区发现有大量的水葫芦，由于其疯狂地繁殖，严重破坏了生态平衡，对生态文明建设造成了极大影响。各地纷纷采取各种措施清理水葫芦，也出现了各种打捞方法的研究，例如水陆联动机械快速打捞法等[1]，但还是存在费时费力、劳动强度大、效率低等缺点。不少商家也纷纷研发出打捞水葫芦的设备，虽然大大降低了劳动强度，但是也存在设备体积大、成本高、清除不彻底等缺点。分析部分商家的水葫芦机械清理设备，其清除刀具部分都有一些共性[2]。

（1）机械抓斗进入水中打捞水葫芦，然后将其转运到装载机上，抓斗转向进行打捞或卸货时需要消耗大量动能。

（2）抓斗在打捞水葫芦时会将水葫芦中夹带的水、泥沙和金属等杂物一同打捞进运载机中。

（3）传统打捞机械只能进行简单的打捞，未粉碎，堆积在岸边有再生可能性。为了既能简便打捞水葫芦又能彻底清除水葫芦，本文提供一种新型水葫芦收割刀具的设计方案。

1 方案设计

由于水葫芦生长在水里，根系发达且可能相互缠绕，长度也较长，所以其繁殖区域往往是呈现连片分布。人工拖拽往往无法将其分开，从而无法清理或导致劳动强度加大。所以，机械收割应考虑将即将收割部分与其他部分分离，以“化整为零”的思想，逐级收割，步步蚕食。故刀具结构应具备如下功能。

1.1 刀具结构功能

（1）分割功能。即要有刀片将水葫芦互相缠绕的根系分割，以便于进行下一步动作。要实现这个功能，刀具的刀刃部分应在“分割”过程中，切割力的方向应尽可能地垂直于水葫芦根系，且本部分刀具主要分割纵向根系。

（2）防缠绕功能。水葫芦根系发达且互相缠绕，通过纵向分割之后，还需要横向分割，类似于“切碎”功能，但由于水葫芦根系具有韧性等特点，所以还要考虑刀具及其转轴的防缠绕功能，故刀具结构要设计成“镰刀”形结构，而且至少两个刀片在同一个回转面上的切割轨迹形成“X”形交叉结构。

（3）如果把刀片旋转所形成的回转体近似一个圆柱体，那么刀片在轴向的设置在轴向方向上是错开的，而且“镰刀”的开口方向是“背对背”或“面对面”错开，让其在旋转轨迹上刚好形成一个“X”形结构。

（4）把这个圆柱体轨迹的刀片集合体分割为若干段圆柱体，而且这些圆柱体轨迹相互之间在同一个轴向剖面上相互干涉（除两端外），保证在分割作业面上完全有刀片切除而不发生缠绕现象。

（5）所有刀口切削刃方向一致，统一设置为刀片从水中旋出水面的方向。

1.2 刀片布置

基于以上分析刀具应具有的功能要求，需要在刀具旋转轴上布置若干刀片，其布置如下。

（1）刀具旋转轴两端分别设置两片用于纵向分割的直刀片，两刀片以180°对称分布。以便先将大片相连的水葫芦分割为小块。

（2）从该直刀片两端向中间排列设置一对“镰刀”形刀片，两刀片同样是以180°对称分布，但该两刀片的连线与上述两直刀片的连线形成垂直关系。该对“镰刀”刀片弯曲方向是“背对背”设置的。同时，“镰刀”刀片与旋转轴的连接处不在同一个旋转平面内，而是有一定量的错位，使刀具在旋转轨迹形成“X”形轨迹，以防水葫芦缠绕。

（3）在上述该对“镰刀”刀片的安装点轴线连线的中间位置再设置一对直刀片，同样是以180°对称分布，其安装点连线与“镰刀”刀片安装点连线呈垂直关系。也就是说，在此处有一对“镰刀”形刀片和一对直刀片，分别布置在一个回转体的4个90°角上，而且“镰刀”的弯曲方向刚好是相反的，类似于“X”形。需要指出的是，直刀片的长度比弯刀片在径向方向要长，比如50 mm，以便在切割工作时优先进行纵向切割，减少弯刀片切割时根系缠绕阻力。

（4）从旋转轴两端往中间，依次布置上述的刀具群，为了让水葫芦在轴向方向都能被切到，每两个刀具群之间的距离也不能太长，具体间距以两个刀具群在旋转轨迹上形成的两个“X”形轨迹之间无间隙为准。

（5）通过以上特殊的刀具设置，使水葫芦在收割过程中经过“切片→切碎”，但有些韧性强的根系可能还是无法被切碎。基于此，本方案在刀具群正上方设置一个防护罩，但不是起到防护作业，而是用于帮助切碎水葫芦。设置要求如下：该防护罩覆盖整个刀具群旋转体1/4回转面，大致位置为在旋转轴正上方顺旋转方向90°。防护罩在旋转轴线方向上型面与刀具群旋转时形成的轨迹对应，刀具刀尖位置距离防护罩10～20 mm。此处就相当于形成一个“粉碎机”，将刀具初始阶段未切碎的水葫芦再次切碎，之后再从防护罩的下端出来，掉到设置在防护罩下方的传送带上。

2 本结构刀具的优点

本结构刀具与现有水葫芦收割刀具对比，有以下优点。

（1）本结构刀具在工作时先对大片的水葫芦进行小块分割，减少了不分割而导致拖拽所消耗的能量，所配的机械设备体积相对较小。而现有的水葫芦清理刀具没有进行分割，仅是通过拖拽打捞，能耗大、体积大。

（2）本结构刀具在打捞时就将水葫芦切碎，防止水葫芦“复活”。而现有的水葫芦打捞设备仅仅是打捞，未切碎，“复活”可能性大，即使拉上岸也可能“复活”。

（3）本结构刀具配合相应的传输设备，将切碎的水葫芦压缩后上岸处理，不污染河道，不让水葫芦再生。

3 本结构刀具的缺点

本结构刀具存在以下的缺点。

（1）结构相对复杂，对直刀片和“镰刀”刀片的位置要求较高，如果布置不正确，防缠绕功能失效，可能就会被卡死。

（2）刀具的切削刃要求比较锋利，保证在工作过程中将水葫芦切断、切碎。

（3）刀片与旋转轴的连接采用焊接的方式，对焊接技术要求较高。

（4）对旋转轴转数要求较高，过低的转数无法有效切断、切碎水葫芦，过高的转数能量损失大，对电机等相關零部件的寿命有一定的影响。

4 结语

本文通过对水葫芦及其根系分布情况进行分析，结合现有的水葫芦清理设备及其工作过程，以及现有的水葫芦处理的相关方法，提出了新型的水葫芦清理刀具结构，其特殊的刀具群分布结构，让该刀具能在能耗较少的情况下，实现水葫芦清理、切碎功能，同时防止水葫芦“复活”。该刀具结构不仅适用于水葫芦清理，也适用于其他类似的水生植物的清理和打捞水面垃圾等，配合相应的动力传输设备，能完成多项水面清理工作，应用非常广泛。

参 考 文 献

[1]吴世铭.“水陆联动机械快速打捞法”在水口库区水葫芦集中整治中的应用[J].福建农业学报，2007（1）.

[2]赵达境，占向辉.水葫芦自动清理压缩船结构设计及其仿真[J].科技与创新，2016（14）.

[3]厦门泛海恒业环境科技有限公司.福建水口电站：“闹心”的水葫芦[EB/OL].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_

a7e9cb0e01011dsu.html，2012-07-14.