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挑战杯研究资料报告材料
序号：
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可快速拆装小型船用式水草收割机
研究报告
院（系）全称：
工程学院
申报者
（集体名称）：
王向春、海
类别：
□自然科学类学术论文
□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文
□科技发明制作A类
□科技发明制作B类
可快速拆装小型船用式水草收割机
研究报告
王向春，海
（海洋大学工程学院，201306）
摘要：
国生态景观及人工养殖区域面积广阔，分散程度高。
通过研究显示，市场对于小型灵活作业的水草收割设备需求量大，国外现有小型水草收割设备存在成本高、结构复杂等不足。
结合小型分块水域水草生长特点，设计出一种可快速拆装小型船用式水草收割机。
产品通过建模，仿真分析，优化设计，产品样机生产，调试实验等环节。
本产品呈现结构简单、操作方便、动力传递效率高，价格低廉等特点，为小型水草收割机技术的发展提供了重要参考。
关键词：
小型水草收割机；快速拆装；仿真分析；试验测试
1研究背景及目的
随着人民生活水平的提高，水域生态景观旅游开发将成为今后城市环境建设的重中之重。
拿来说，根据规划，市2005年的理想水域覆盖率不低于8.4%，到2010年增至9%。
另外，到2020年，我国将建成300多家大型高尔夫球场[14]，每家都在都用生态的方法进行治理，其中种植水草是必不可少的，为了有效维护水域的生态平衡，收割机是不可缺少的。
中国淡水总面积约20×104平方公里，养殖总产量居世界首位，占全国水产品总产量的36.7%，有很多养殖水域需要种植水草并使水草维持在一定高度。
但是这些水域生态景观和人工养殖水域大部分面积小，分散度较大，造型不规则，有的地方非常狭小，不利于大型收割机械的行进和转弯。
当前市场上的大型水草收割机械，满足大型湖泊水草的收割，但不适合小型河道和湖泊等小水面水域中水草的收割。
目前市场存在的小型水草收割设备多，结构较复杂，用户在购买机器的同时还要购买专用的船只，成本较高。
但是无论是景观水域还是养殖池塘中都存在小型船只，为此研究成本低、小型、便捷、模块化以及可拆卸的水草收割设备，通过与普通船只安装组合实现水草收割，这样可以降低成本，增加割草机的灵活性和使用率。
所研制的小型可快速拆卸组合的水草切割装置，可以有效取代在中小型水域的人工收割，有效减轻了劳动强度，大大提高了切割效率，符合水草收割机械小型化与智能化的发展方向[35]。
可快速拆卸组合的水草切割装置将通过固定装置与任意种类的船只相结合。
当用户需要割草时，可以实现快速安装；当不需要割草时，可以快速拆卸，以免切割装置在露天环境中被侵蚀破坏，延长使用寿命。
这样不仅降低了成本，还能减少体积占用，更能在机器损坏时方便维修更换。
因此，可快速拆卸组合将是水草切割机械方面很好的发展方向。
2国外研究现状
2.1国外产品技术现状
由于水草的疯狂蔓延造成水域生态环境的恶化，自水中作业的水草收割机产生以来，引起了越来越多的生产厂家和研究机构的重视。
根据现有资料可知[7]，国外研究水草收割机的比较有影响的厂家有美国advancedacquatics公司[30]，目前该公司已经开发出来的产品有H系列，H4、H7、H8、H10四种型号数十种产品，典型产品长7.77m，宽3.05m，高2.2m，重2.1t，主机功率14.92kW，适于收割各类水草，需要拖船、传送带等辅助作业；美国USAJamesR.Meclure公司[30]，该公司研制有EH、H、HM三大系列产品，船体稳性比较差，不适合小船体作业，适合大面积水草治理；USAJamesl.Hawk公司生产的液压往复式单体水草收割船，采用滚筒式拔草装置，割收分开作业，需辅助设备，漏收率较高；USAjoshua.Britton.公司生产的液压往复式单体水草收割船，割收分开作业，漏收率高，切割器安装密封要求高；O'TOOLECB公司生产的液压旋转式单体水草收割船，在吸引力的作用下，吸收割下的水草，主要为蓝藻等浮水植物；CharlesB.Bryant公司生产的液压旋转式单体水草收割船，整机功率大，船体振动大，水草漏收率低，无二次污染[30]。
荷兰IHCCOKONIJIN机械厂和HEEDER公司，英国的ROLBE公司和JOHNWILDER（工程）公司，澳大利亚、日本、俄罗斯、德国也有相类似的产品。
1992年市水利局为了清除京密运河上的各类水草，加快水的流速，减少沿路水的损耗，特邀请了水利系统几家设计和生产单位联合开发水中割草机[26]，SGY-2.5型水中割草机即是其开发的产品之一。
机器长5m，宽2m，高2m，重4.4t，主机功率26.47kW，需辅助作业。
该机与国其它型号的割草机相比，具有不缠草、割草效果好、有避让保护系统等诸多优点。
国也有一些相关的企业及研究机构进入该领域，并且取得了一定的研究成果，如农业机械研究所、象山农机厂、县农林管理总部联合研制的WH1800型河道清草机[8-9]，长6.1m，宽2.5m，高0.75m，重5.5t，功率14.71kW，需辅助作业；电器集团现代化农业装备新液压厂开发的GC2230型河道割草保洁船以及GC2000型小型河道割草作业机械，长14.3m，宽4.25m，高2.54m，重9t，适合大型水域[10]；农业大学机电工程学院设计的9GSCC-1.4型水生植物收割机船队和劳模亚洲环保设备设计生产的LW5000多功能劳模水草收割船，割收一体作业，需要辅助设备协同工作，切割器受冲击，损伤比较大[11]；中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室和市绿浩源科技发展研制了小型电动可遥控水草收割机，目前还在研究实验阶段[37]；青州拓新机械专业生产的小型割草保洁船，集水草收割、水面垃圾清理于一体的水面保洁设备，割刀割幅1.4米，配有长4.2米，宽1.3米，型高0.6米的保洁船，还有超小型浅水区专用电动水草收割机，动力低，需人工背负工作，适合池塘沟渠角落等水草切割作业。
2.2国外产品优缺点
表1国外研制的水草收割设备类型
生产厂家
控制
方式
船体
切割器
推进器
参数与工作特点
形式
安装
部位
形式
安装部位
USAAdvancedAquaticsCompany
液压
单体船
往复式
船体前部
明轮
船体尾部
长7.77m，宽3.05m，高2.2m，重2.1t，主机功率14.92kW，适于收割各类水草，需要拖船、传送带等辅助作业。
USAJamesR.Meclure
液压
单体船
往复式
船体侧面
螺旋桨
船体尾部
船体稳性比较差,不适合小船体作业,适合大面积水草治理。
USAJamesl.Hawk
液压
单体船
旋转式
船体前部
明轮
船体尾部
滚筒式拔草装置，割收分开作业，需辅助设备，漏收率较高。
USAjoshua.Britton.
液压
单体船
旋转式
船体前部
螺旋桨
船体尾部
割收分开作业，漏收率高。
切割器安装密封要求高。
O'TOOLECB
液压
单体船
旋转式
船体前部
螺旋桨
船体尾部
在吸引力的作用下，吸收割下的水草。
主要为蓝藻等浮水植物。
CharlesB.Bryant
液压
单体船
旋转式
船体前部
螺旋桨
船体尾部
整机功率大，船体振动大，水草漏收率低，无二次污染。
市水利局
液压
单体船
往复式
船体前部
明轮
可调
长5m，宽2m，高2m，重4.4t，主机功率26.47
kW，需辅助作业。
农业机械研究所等单位联合研制
液压
单体船
往复式
船体前部
螺旋桨
船体尾部
长6.1m，宽2.5m，高0.75m，重5.5t，功率14.71kW，需辅助作业。
USACarlV.olson
液压
单体船
往复式
船体尾部
螺旋桨
船体尾部
割收分开作业，需要辅助设备协同工作，切割器受冲击，损伤比较大。
电气集团现代农业装备成套
液压
单体船
往复式
船体前部
明轮
船体腰部
长14.3m，宽4.25m，高2.54m，重9t，适合大型水域。
市场上这些产品外型大，长度都大于5m，需要多人及辅助机械协同作业，适用于大型水域水草的收割。
而小型养殖区域及景观水域的设计通常都采用自然造型，有各种不同的曲线，且水面较为狭小，不利于大型机械作业。
2.3本产品优势
可拆卸式水草切割装置简单、廉价、可靠，适合于养殖户普通船只上，当池塘需要割草时，可以实现快速安装；当不需要割草时，可以快速拆卸，以免切割装置在露天环境中被侵蚀破坏，延长使用寿命。
在可以快速拆卸组合的基础上，通过调节刀架的高度，实现不同高度水草切割收获。
由养殖户的资金有限，这种收割装置廉价实用，绝大多数养殖户可以接受并推广。
（1）价格低廉
速力（SPEED）小型水草切割机的组成简单，其材料基本为型钢，原料充足，价格低廉，一台机器所需型钢仅500元，汽油机和割刀均可直接向厂家订购，制造成本共计需3000元，加工简单，成本较低。
（2）结构简单
机器的结构非常简单，汽油机和割刀之间，靠可拉伸传动轴直接传递动力，这在切割机市场上是独创的。
整台所需螺栓螺母等全部统一型号，装配简便。
（3）轻便
产品主要支撑部件为型材、刀架为铝合金，机器部件少，所需汽油机排量仅49cc，总重量仅有30公斤，整个结构轻量化。
（4）便携可拆卸
除了重量小，速力（SPEED）小型水草切割机可以快速拆卸组装，所以携带机器有专门的便携装备，机器的部件都以最小空间放置，占用空间只有1m2。
根据不同船只，调整部件，快速组装，立即用于作业。
（5）多功能性
本款机器除了切割水草,也可以切割水里的水葫芦、藻类等破坏生态环境的水生植物。
机器同时可以在陆地上进行切割一般草类，具有水陆两用多功能性。
3装置的原理及结构
3.1装置的工作原理
直接传动小型船用式水草切割机作业时，船体在水中行进，汽油机输出轴通过伸缩花键轴直接带动偏心轮旋转，支架与船体通过夹子连接，夹子与支架、支架与汽油机、支架与圆管导轨均通过螺栓连接。
刀架中间开有螺纹孔，与丝杠组成丝杠螺母机构，刀架两端孔套于圆管导轨上。
下刀片焊接在刀架上，上刀片左右移动，形成剪刀式割刀，完成水草收割。
可以根据水草的高度通过旋转丝杠调节刀架的高度来调节刀片的高度，从而实现不同的割深。
直接传动小型船用式水草切割机通过夹子直接安装于不同的船只上进行作业，闲置时直接拆下进行机器的维护保养。
图1整体装配效果图
（1）操作人员在船上即可通过旋转丝杠来调节割刀在水下深度，简单快捷；
（2）直接传动小型船用式水草切割机通过夹子直接安装于不同的船只上进行作业，闲置时直接拆下进行机器的维护保养。
（3）汽油机与割刀通过可拉伸伸缩轴连接，传动长度可调。
直接传动小型船用式水草切割机能方便地安装于小型船只上，在尺寸不规则以及多样化的小水域，方便自如地切割水草，简单可靠，价廉方便，从而降低劳动成本。
3.2结构组成
可快速拆装的便携式小型船用式水草切割机由汽油机底座、汽油机、传动轴、连接支架、支架、刀架、刀片和刀盒组成。
汽油机底座与船体、汽油机与汽油机底座、连接支架与汽油机底座均通过螺栓连接。
支架焊接于连接支架上，刀架通过螺母固定于支架上。
刀片由上刀片和下刀片组成。
它可替代人工收割，尺寸小，操作方便，收割水草效率高，并且可以快速拆装，可方便地从一个水域转移到另外一个水域进行割草。
适用于小型河道、景观水域和河蟹养殖池塘中沉水植物的收割。
（1）切割器
选择往复式切割器则能避免切割器被缠绕和堵转的问题，即使遇到强度、韧性比较大的水草，切割器的刀片也能依靠高速运动将水草割断。
在参考大量切割器资料后，最适宜的可直接购买的切割器刀具长度为1100mm。
比船稍宽，以保证船前面的水草切割干净。
图2割刀装配体
（2）刀架
初步拟定刀片焊接在刀架上，为了实现刀的高度调节，刀架和支撑部分要同时设计。
支撑部分初步设计为开有槽的钢板，刀架可以装配在钢板的槽中以上下进行高度调节。
为了加强刀架的稳定性，同时阻止刀架旋转，初步设计刀架为三角形钢管焊接件。
图3刀架
（3）支撑部分
因为池塘一般水深为500mm，当水草在300～400mm高时需要切割。
为节省开支，支撑部分一律用型材，初步拟定为8号槽钢。
8号槽钢高80mm，宽43mm，厚8mm。
根据上面设计的刀架，其垂直距离为230mm，那么可以设计第一个槽口圆形中心据离顶部为80+80+350-230=280mm。
因为上面刀架设计成两钢管中心距80mm，那么支撑部分立臂的槽口间距要80mm，为了满足刀架可以沿支撑立臂移动，暂且设计为由6个开槽。
那么刀架的移动围可达80×5=400mm，完全可以满足池塘水草的切割。
图4支架
（4）传动部分
由于切割器的安装位置远离动力装置，并且转动方向与主轴夹角很大，所以动力输入端采用软轴传动，以曲柄滑块机构作为驱动机构，偏心轮转速选择为500r/min。
（5）偏心轮
由于设计采用一定刀片一动刀片的形式，刀片中刀齿间距为35mm，为了使刀片在运行过程中尽可能的增大切割面积，设计偏心半径为35mm。
这样偏心轮运转一周，动刀片完成一个往复动作。
4技术关键及创新点
4.1技术关键
（1）动力装置
蓄电池作动力来源，优点是噪声低，无污染，不影响水域生物，缺点是功率低，作业时间短，充电时间长；汽油机作动力其优点是功率适中，汽油易挥发，对水域污染微小，缺点是花费较高；柴油机作动力来源其优点是功率较大，缺点是噪音高，较笨重。
拟选用汽油机，其重量小，拆装方便且污染较小。
（2）动力传递方式
传动采用可伸缩花键轴，将汽油机的动力直接传递到刀片。
（3）水下清除机构即切割装置
根据工作方式分为旋转式和往复式，根据安装位置分为前置、后置、侧置三种方式。
但由于旋转式机构必须置于水下，切割效率较低，而往复式驱动机构可以放置于水上，并且可以选择合适的刀具参数来适应不同的环境，因此选择往复式。
从安装位置方面看，后置式和侧置式都不能实现割收一体化，所以为了避免二次污染的问题，选择前置式。
综上所述，选择前置往复式切割。
（4）收草装置
拟采用滚筒式，其拆装最便捷，可对滚筒进行镂空式设计使水体阻力降至最低。
（5）安装装置
设备与船体拟用弹性夹紧装置将切割和收集设备与船体相连接，夹紧装置安装于船舷。
4.2技术创新点
（1）切割装置采用夹紧式，适合于普通养殖船上快速拆装。
切割装置固定夹可根据船型不同进行宽度调节，以达到快速固定。
（2）实现割刀可上下调节，以适应不同水域和不同水草。
支架上开设有U型槽，刀架安装在U型槽中，用螺母固定，把刀架安装在不同的U形槽中便可调节割深，以适应不同高度的水草切收割。
（3）直线式动力传输，提高效率。
汽油机通过可拉伸轴将动力传输至偏心轮，偏心轮带动下刀片往复运动，形成剪刀式切割。
5切割装置仿真及试验测试
5.1模型仿真数据
在SOLIDWORKS2007中建模完毕后，按实际的配合关系将各零件装配在一起，然后点击“另存为”将装配体保存为Parasolid第三方格式，后缀名为.x_t，注意保存的名称为英文。
然后打开ADAMS点击“打开”找到刚刚保存的Parasolid格式装配体，即完成导入。
导入后的模型只是一个空壳，我们要将各个零件设置成刚体，给与一定质量，然后才能进行下面的添加约束，并最终实现运动仿真分析。
导入后的模型如下图：
图5导入ADAMS中的模型
接下来为各个零件添加约束，首先要为刀盒和定刀片分别加上固定副，然后依次在偏心轮与托刀盒、偏心轮与下连杆、偏心轮与上连杆、偏心轮与下轴承、偏心轮与上轴承、刀和连杆之间添加铰链连接。
最后在偏心轮大轮上施加500r/min的速度，模拟软轴输入的速度。
加完约束和速度后的模型如下图所示：
图6.添加运动副后刀装配体轴侧图
图7刀装配体正视图
在这个Adams模拟中，主要分析在输入转速为500r/min状态下动刀片的运动数据。
首先要输出动刀片的位移曲线，以验证设计目的中，动刀片每往复一次，恰好在定刀片的两个相邻刀之间移动，实现最大限度的利用刀具进行切割。
其次要输出动刀片的速度和加速度曲线，验证动刀片速度是否满足设计要求，看加速度曲线是否平滑，以验证刀的运行时平稳的。
最后要输出动刀片与刀盒的接触力曲线，验证动刀片与刀盒之间是否有异常冲击力。
5.2仿真数据分析
本次仿真主要考虑刀装配体中动刀片系统的运动学行为。
将刀盒、偏心轮、连杆、轴承均定义为刚体，忽略相互之间的弹性变形，然后在各部件间施加约束。
首先为了更加直观的观察各级传动的输出比关系，给偏心轮轮添加一个3000度/秒的角速度，然后我们通过分析输出结果，演算动刀片的运行数据是否正确。
在ADAMS／View模块中输入仿真时间为10s，仿真工作步长为step=100，仿真结果如下所示。
图8.偏心轮角速度随时间变化曲线
给予偏心轮轴心500r/min的转速：
图9.动刀片位移随时间变化曲线
由位移曲线可以看出，位移在577.5-612.5mm之间，偏心轮旋转一圈，动刀片进行一个往复，相对位移35mm，恰好符号设计方案。
说明此次仿真分析输出结果比较理想。
图10.动刀片速度随时间变化曲线
由动刀片速度曲线可以看出，动刀片的速度最大时约为1m/s，平均速度为0.6m/s，速度较适合。
说明此次仿真分析输出结果比较理想。
图11.动刀片加速度随时间变化曲线
由动刀片的加速度曲线图可以看出，在动刀片向托刀盒方向运动时加速度有一个最大值，会对刀、曲柄还有偏心轮产生较大伤害，所以刀的装配还要进一步优化。
图12.动刀片与托刀盒碰撞力随时间变化曲线
由动刀片和托刀盒的碰撞曲线可以看出，在动刀片在运行过程中，与托刀盒无明显异常碰撞，说明偏心轮和连杆的设计基本符合设计要求。
综上Adams软件运动学分析，可以得出本文所设计的可快速拆卸组合式水草切割装置基本满足要求，有些地方还需要进一步的改进。
5.2试验测试
表2:
产品参数
Parameters
Value
动力（cc）
割幅（m）
割深（m）
收割速度（km2/h）
水中前进速度（km/h）
割刀移动速度（m/s）
船的吃水深度（m）
整体长x宽x高（m）
49
1.2
0～1
1.853
0.3
0.7
0.25
1x1.2x1.2
注意:
以上参数可根据实际情况调节
该直接传动小型船用式水草切割机第一代样机已于2012年7月经过设计、加工和调试后，在海洋大学湖泊进行了实地切割试验，效果满意，达到了设计要求。
图13.实地切割实验
表3试验数据
Parameters
Value
工作时间（h）
割幅（m）
割深（m）
收割速度（km2/h）
水中前进速度（km/h）
割刀移动速度（m/s）
船的吃水深度（m）
收割面积
收割率
耗油量（L）
2
0.7
0～1
1.853
0.3
0.7
0.25
5
80%
1.4
通过试验测试计算，一天按8小时工作计算，割草量为20亩，耗油量5.6升，割草率80%。
人工收割水草，一天按8小时计算，人均割草量为2.5亩/人。
此款水草收割机收割量是人工收割的8倍，大大提高了作业效率。
6前景预测
2012年10月，团队成员分别去崇明、市螃蟹养殖基地实地考察，螃蟹养殖区域大部分为分块养殖，每小块面积为20亩左右。
水草覆盖面积在40%左右，呈现密集型。
调研场景如图14、图15所示。
图14调研养殖户
图15养殖区水草过盛场景
通过调研显示，长江三角洲一带淡水养殖面积1400余万亩，崇明县螃蟹水产的养殖面积为20.1万亩，市螃蟹水产养殖面积达60.15万亩，大部分为分块小型水域。
针对小型水草收割机，仅，，，等市场需求量约为40万台，后期可陆续开拓、、等市场。
因此，该产品市场前景广阔，百姓可接受程度高。
附件
一、（2项专利）：
专利1（证书）
专利2
二、发表两篇文章（advancedmaterialtechnology），author：
Wangxiangchun
（1）DevelopmentofASmallAquaticCuttingMachine
（2）SimulationAnalysisofReciprocatingCutterBasedonADAMS
参考文献
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