2013挑战杯研究报告

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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

申报者姓名

（集体名称）： 王向春 、潘 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，潘海

（上海海洋大学工程学院，上海201306）

摘要：国内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，国内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。拿上海来说，根据规划，上海市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

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，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20×10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

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。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

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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 国内外研究现状

2.1 国内外产品技术现状

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，国外研究水草收割机的比较有影响的厂家有美国 advanced acquatics公司

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，目前该公司已经开发出来的产品有H

系列，H 4、H 7、H 8、H 10四种型号数十种产品，典型产品长7.77m，宽3.05m，高2.2m，重2.1t，主机功率14.92 kW，适于收割各类水草，需要拖船、传送带等辅助作业；美国 USA James R.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；USA James l.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；USA joshua .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'TOOLE C B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；Charles B.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

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。荷兰 IHCCOKONIJIN 机械厂和 HEEDER

公司，英国的ROLBE公司和JOHNW ILDER(工程 )公司，澳大利亚、日本、俄罗斯、德国也有相类似的产品。

1992年北京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

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，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26.47 kW，需辅助作业。该机与国内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。

国内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，如宁波农业机械研究所、象山农机厂、绍兴县农林管理总部联合研制的WH 1800型河道清草机

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，

长6.1m，宽2.5m，高0.75m，重5.5t，功率14.71 kW，需辅助作业；上海电器集团现代化农业装备有限公司新液压厂开发的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

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；内蒙古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北京劳模亚洲环保设备有限公司设计生产的LW 5000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

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；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唐山市绿浩源科技发

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展有限公司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

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；山东青州拓新机

械有限公司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 国内外产品优缺点

表1 国内外研制的水草收割设备类型 控制 船体 方式 切割器 形式 安装 部位 推进器 形式 安装部位 参数与工作特点 生产厂家 USA Advanced 单体Aquatics 液压 船 Company 往复式 船体前部 长7.77m，宽3.05m，高2.2m，船体重2.1t，主机功率14.92 kW，明轮 尾部 适于收割各类水草，需要拖船、传送带等辅助作业。 螺旋桨 明轮 螺旋桨 螺旋桨 螺旋桨 船体船体稳性比较差,不适合小船体尾部 作业,适合大面积水草治理。 船体滚筒式拔草装置，割收分开作尾部 业，需辅助设备，漏收率较高。 船体割收分开作业，漏收率高。切割尾部 器安装密封要求高。 船体在吸引力的作用下，吸收割下的尾部 水草。主要为蓝藻等浮水植物。 船体整机功率大，船体振动大，水草尾部 漏收率低，无二次污染。 USA James R.Meclure USA James l.Hawk USA joshua .Britton. 液压 单体船 单体船 单体船 单体船 单体船 往复式 旋转式 旋转式 旋转式 旋转式 往复式 船体 侧面 船体 前部 船体 前部 船体 前部 船体前部 液压 液压 O'TOOLE C B 液压 Charles B.Bryant 液压 单体北京市水利局 液压 船 宁波农业机械研究所等单位联合研制 船体 前部 长5m，宽2m，高2m，重4.4t，明轮 可调 主机功率26.47 kW，需辅助作业。 螺旋桨 螺旋桨 长6.1m，宽2.5m，高0.75m，重船体5.5t，功率14.71 kW，需辅助作尾部 业。 割收分开作业，需要辅助设备协船体同工作，切割器受冲击，损伤比尾部 较大。 单体液压 船 往复式 往复式 船体 前部 船体 尾部 USA Carl V. 单体液压 olson 船 上海电气集团单体现代农业装备液压 船 成套有限公司 往复式 船体前部 明轮 船体长14.3m，宽4.25m，高2.54m，腰部 重9t，适合大型水域。 3

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1m。根据不同船只，调整链接部件，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。

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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

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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。

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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。

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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

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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

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)

注意: 以上参数可根据实际情况调节

Value

49 1.2 0～1 1.853 0.3 0.7 0.25 1x1.2x1.2

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，在上海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

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表3 试验数据

Parameters

工作时间（h） 割幅(m) 割深(m)

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收割速度(km/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）

Value 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，团队成员分别去上海崇明、溧阳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

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vzn6.html