陸 建，周 宇，申 誠，盧少穎，涂 莉，薛愛海

(1 南通市農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣中心，江蘇 南通 226006；2 南通淳泰農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司，江蘇 如東 226400)

中國沿海灘涂有著豐富貝類資源，多分布在大河入?？诟浇^平坦潮間帶、淺海區(qū)域細(xì)沙和泥沙灘中，埋棲深度因水溫和個(gè)體大小而異,現(xiàn)主要由人工圍養(yǎng)[1-3]。在養(yǎng)殖區(qū)域，人工耙取方式采捕能力約20～30 kg/h，以產(chǎn)量估算不足0.005 hm2/h，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，直接造成采捕作業(yè)成本占比過高[4-6]。受潮汐時(shí)間變化及路途遙遠(yuǎn)等影響，采捕作業(yè)人員往返途中需借助下海拖拉機(jī)人貨混裝，存在安全隱患。

灘涂養(yǎng)殖區(qū)域定期散放新貝苗。散放前，常選用機(jī)械對(duì)灘涂淺表耕翻疏松作業(yè)，方便散放于灘涂表面貝類鉆入土層埋棲生長。灘涂生態(tài)系統(tǒng)比較單一，自我修復(fù)能力差，作業(yè)過程應(yīng)避免擾動(dòng)深層，以防對(duì)底層生態(tài)環(huán)境造成破壞[7]。

國外最早于20世紀(jì)40年代對(duì)貝類采捕機(jī)進(jìn)行研究，先后開發(fā)了拖耙采捕機(jī)[8]、旋齒采捕機(jī)[9]、機(jī)槳采捕機(jī)[10]、水力采捕機(jī)[11]、抽吸采捕機(jī)[12]及振動(dòng)采捕機(jī)[13]等不同類型的采捕機(jī)械投入生產(chǎn)應(yīng)用。國內(nèi)最早于20世紀(jì)70年代開始研發(fā)貝類采捕機(jī)，如水力采捕機(jī)[14]、泵吸采捕機(jī)[15]等。近年來，申屠留芳等[16-17]學(xué)者也對(duì)機(jī)械及重要部件進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。多數(shù)采捕機(jī)采用處理沙土后收集貝類作業(yè)模式，但清理沙土?xí)r多直接或間接借助水沖洗，能適應(yīng)無水灘涂環(huán)境下的貝類采捕機(jī)械并不多見，在日益重視生產(chǎn)作業(yè)安全及灘涂生態(tài)環(huán)境保護(hù)的今天，對(duì)適應(yīng)無水灘涂作業(yè)的貝類采捕機(jī)的需求越來越迫切[18-21]。

隨著采捕從業(yè)人員的老齡化趨勢(shì)日益明顯，灘涂養(yǎng)殖企業(yè)面臨越來越嚴(yán)重的用工荒，先進(jìn)適用的貝類采捕機(jī)械對(duì)提高生產(chǎn)效益，促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[22-25]。本研究設(shè)計(jì)自走式采捕機(jī)械，可用于無水灘涂貝類采捕作業(yè)，取大留小將符合規(guī)格貝類采捕，保證良性生態(tài)循環(huán)，同時(shí)還可對(duì)灘涂進(jìn)行機(jī)械化疏松。

1 總體要求

采捕作業(yè)通常選擇落潮后漲潮前時(shí)間段進(jìn)行，此時(shí)灘涂表面無積水或僅為10 cm以下淺水層。南通沿海灘涂多為黏性土壤[26-28]。經(jīng)海水浸泡過的沙土與貝類混在一起，僅通過振動(dòng)方式處理難以分離；采用高壓水流沖洗處理，需攜帶大容量水箱，且易使貝類嗆沙影響口感。為此創(chuàng)新設(shè)計(jì)采捕過程中沙土兩段處理方式：即在傳輸過程中通過清理輥輪對(duì)灘涂貝類表面沙土進(jìn)行清理；隨后通過振動(dòng)篩板作進(jìn)一步處理。

自走式灘涂貝類采捕機(jī)械工作環(huán)境為沿海灘涂，直接接觸海水。整機(jī)特別是關(guān)鍵部件應(yīng)采用電鍍鋅及噴涂防銹漆等方式，進(jìn)行防海水腐蝕處理[29-31]，每班次作業(yè)結(jié)束后，需用清水將機(jī)體沖洗干凈,延長整機(jī)使用壽命。灘涂貝類采捕關(guān)系海洋生產(chǎn)安全，機(jī)械需配備定位儀，駕駛操作人員需身著救生衣，并攜帶安全裝備。

2 工作原理

采捕作業(yè)時(shí)，自走式灘涂貝類采捕機(jī)通過液壓油缸控制承接拉桿，調(diào)節(jié)鏟齒板至合適作業(yè)深度。隨著采捕機(jī)向前行進(jìn)，鏟齒板將含有貝類的沙土鏟起，由輸送鏈網(wǎng)向后輸送，設(shè)計(jì)有4道高速旋轉(zhuǎn)的清理輥輪，在輸送過程中對(duì)貝類表面沙土進(jìn)行清理，大量沙土從輸送鏈網(wǎng)輻條間隙落回灘涂表面，少量貝類表面混帶的泥沙繼續(xù)向后輸送至振動(dòng)篩板上處理。經(jīng)過兩級(jí)處理過程，泥沙和小規(guī)格灘涂貝類掉至沙灘，符合采捕規(guī)格的灘涂貝類進(jìn)入收集框，實(shí)現(xiàn)灘涂貝類采捕作業(yè)。

3 整機(jī)設(shè)計(jì)

整機(jī)設(shè)計(jì)由行走牽引裝置及采捕作業(yè)裝置兩部分組成(圖1)。行走牽引部分，以柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為配套動(dòng)力，選配無級(jí)變速箱，采用橡膠履帶行走裝置；采捕作業(yè)裝置設(shè)計(jì)采捕機(jī)架總成，與行走部采用承接拉桿聯(lián)接，通過承接拉桿下方的液圧油缸伸縮來控制采捕機(jī)架與灘涂表面相對(duì)位置，采捕機(jī)架總成上布置有鏟齒板、輸送鏈網(wǎng)、清理輥輪、振動(dòng)篩安裝板和貝類收集框安裝板等部件。為簡(jiǎn)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，采捕作業(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件由液壓泵驅(qū)動(dòng)。采捕機(jī)架總成后側(cè)設(shè)計(jì)支承輪，保持采捕機(jī)作業(yè)時(shí)深度一致。

圖1 自走式灘涂貝類采捕機(jī)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure composition of the self-propelled beach shellfish harvester

3.1 行走牽引裝置

3.1.1 動(dòng)力選擇

灘涂貝類采捕機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力供行走牽引、傳輸鏈網(wǎng)、振動(dòng)篩板、清理輥輪等運(yùn)動(dòng)部件工作，選配渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，功率60 kW。

3.1.2 履帶接地強(qiáng)度校核

圖2 自走式灘涂貝類采捕機(jī)折疊設(shè)計(jì)Fig.2 Folding design of self-propelled beach shellfish havester

此理論接地壓強(qiáng)值，能保證采捕機(jī)械正常行走作業(yè)[32-33]。

3.2 采捕作業(yè)裝置

3.2.1 鏟齒板

鏟齒板位于采捕機(jī)架前端最下方，與機(jī)架合為一體，對(duì)鏟齒板進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，斷面近似楔形，齒尖加工處理成弧形，避免與貝類硬接觸造成損傷[34]。鏟齒板齒間留合適間隙，間隙寬度略小于符合采捕規(guī)格灘涂貝類正常厚度，一方面盡可能漏土，減少進(jìn)入輸送鏈網(wǎng)的沙土量，提高輸送鏈網(wǎng)傳輸效率；另一方面保證不遺漏符合采捕規(guī)格貝類。鏟齒板的作業(yè)深度可以通過液壓油缸伸縮控制承接拉桿來調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同季節(jié)溫度下的采捕作業(yè)要求。

圖3 鏟齒板三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.3 Three dimensional structure design of spade plate

鏟齒板工作時(shí)應(yīng)避免前端堆積土，保證含有貝類的沙土在齒板表面順利滑升，同時(shí)將其所受阻力控制在合理范圍之內(nèi)。鏟齒板在行走裝置水平方向牽引力作用下，克服沙土對(duì)其的阻力前進(jìn)。將鏟齒板受力分解至沿上表面方向及垂直于上表面方向，如圖4所示。

圖4 鏟齒板上表面受力分析Fig.4 Stressanalysis of upper surface of the spade plate

圖4中所示γ為鏟齒板下表面與灘涂表面夾角，保證下表面不與灘涂表面接觸。

建立鏟齒板上表面簡(jiǎn)單受力模型，對(duì)鏟齒板上表面進(jìn)行受力分析，采捕機(jī)械正常作業(yè)過程中，應(yīng)滿足：

Gsinβ+Fcosβ=f(沿上表面一致方向)

(1)

Fsinβ+Gcosβ=N(與上表面垂直方向)

(2)

f=μN(yùn)(滑動(dòng)摩擦力公式)

(3)

根據(jù)采捕作業(yè)深度不同，設(shè)計(jì)鏟齒板上表面與灘涂表面夾角變化范圍β∈(20°，30°)，下表面與灘涂表面夾角變化范圍γ∈(10°，15°)[35]。

3.2.2 輸送鏈網(wǎng)

采捕機(jī)架內(nèi)設(shè)計(jì)輸送鏈網(wǎng)，前端與鏟齒板延伸過渡。采捕機(jī)架內(nèi)前后側(cè)壁從左到右依次轉(zhuǎn)動(dòng)安裝有四道傳輸支承輥，輸送鏈網(wǎng)由液壓泵鏈輪聯(lián)接的傳輸支承輥驅(qū)動(dòng)。傳輸輥依次增高，中間兩道傳輸輥對(duì)整個(gè)鏈網(wǎng)輸送起支承作用，保證傳輸過程平穩(wěn)。采捕作業(yè)時(shí)，含有沙土的灘涂貝類沿輸送鏈網(wǎng)向上傳輸，避免泥沙堆積。

3.2.3 清理輥輪

采收機(jī)架內(nèi)輸送鏈網(wǎng)上方安裝有4道清理輥輪，輥輪軸線所在平面與輸送鏈網(wǎng)近似平行，清理輥輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向與輸送鏈網(wǎng)運(yùn)動(dòng)方向相反。清理輥輪表面為光滑柔軟彈性梳刷齒(如圖5所示)，在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)自凈，避免表面黏土。梳刷齒頂端與輸送鏈網(wǎng)接觸，可將輸送鏈網(wǎng)上貝類表面附著的沙土打散后從輸送鏈網(wǎng)輻條間掉落。

圖5 清理輥輪三維設(shè)計(jì)Fig.5 Three dimensional design of cleaning roller

3.2.4 振動(dòng)篩板

采收機(jī)架內(nèi)后側(cè)振動(dòng)篩安裝板上安裝兩級(jí)振動(dòng)篩板，篩板底端面左側(cè)與采收框內(nèi)底部側(cè)壁之間固定連接減振彈簧。安裝架上裝配振動(dòng)電機(jī)，功率0.16 kW、振動(dòng)頻率50 Hz。振動(dòng)電機(jī)通電工作，帶動(dòng)振動(dòng)篩板以一定頻率上下振動(dòng)。振動(dòng)篩板內(nèi)置輻條，根據(jù)灘涂貝類采捕規(guī)格，輻條間留合適間隙，保證沙土及小規(guī)格貝類順利撒漏(圖6所示)。振動(dòng)篩板上方置攔網(wǎng)(圖7所示)，防止貝類受振彈出機(jī)外，通過振動(dòng)篩板處理后，進(jìn)入收集框的貝類較為清潔。

圖6 振動(dòng)篩板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of vibrating screen plate

圖7 兩級(jí)振動(dòng)篩板及處理效果Fig.7 Two-stage vibrating screen plate and treatment effect

4 實(shí)地試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)點(diǎn)基本情況

實(shí)地采捕試驗(yàn)于2020年9月22日進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)設(shè)在如東縣三聯(lián)灘涂養(yǎng)殖公司的文蛤養(yǎng)殖基地，位于南通市如東縣長沙鎮(zhèn)中隔堤路與海堤路交匯處西北灘涂。

4.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)地平坦、無障礙物，保證機(jī)具正常作業(yè)，考慮采捕機(jī)械調(diào)頭耗時(shí)影響；選擇灘涂地塊長度100 m，兩端穩(wěn)定長度70 m，寬度10.5 m，為作業(yè)幅寬的8倍，試驗(yàn)地塊四周做明顯標(biāo)記。

在規(guī)定的作業(yè)速度下作業(yè)，測(cè)定并記錄作業(yè)速度、工作幅寬、工作距離、工作深度等[36]。樣機(jī)在測(cè)試區(qū)內(nèi)往返作業(yè)，試驗(yàn)完成后測(cè)定和記錄采捕貝類個(gè)數(shù)、漏挖貝類個(gè)數(shù)和破碎貝類個(gè)數(shù)。

4.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在測(cè)試區(qū)內(nèi)，沿機(jī)組前進(jìn)方向每2 m測(cè)1個(gè)點(diǎn)，各測(cè)10次，計(jì)算最大作業(yè)深度平均值。

采捕率、破碎率計(jì)算公式如下：

FC=100%×WC/(WC+WL)

(4)

FP=100%×Wp/(WC+WL)

(5)

式中：FC—采捕率，%；FP—破碎率，%；WC—采捕貝類個(gè)數(shù)(樣機(jī)工作兩個(gè)行程后，匯總收集機(jī)具內(nèi)采集的貝類，并匯總出其數(shù)量)；WL—漏采貝類個(gè)數(shù)(人工找出相應(yīng)測(cè)區(qū)內(nèi)符合當(dāng)?shù)夭刹兑螅珯C(jī)具沒有挖掘出來的遺留貝類，并匯總其數(shù)量)；WP—破碎貝類個(gè)數(shù)(從采捕和漏捕貝類中收集所有破碎貝類，并匯總其數(shù)量)。

4.4 數(shù)據(jù)處理

按照預(yù)先設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，記錄整個(gè)作業(yè)時(shí)間及直線行駛純作業(yè)時(shí)間，收集所有采捕貝類數(shù)WC、漏采貝類個(gè)數(shù)WL、破碎貝類個(gè)數(shù)WP，測(cè)量10處作業(yè)深度取平均值，并對(duì)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，情況如下表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄Tab.1 Test data record

從試驗(yàn)情況可知，自走式灘涂貝類采捕機(jī)各技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在養(yǎng)殖區(qū)域貝類高密度分布情況下，作業(yè)效率超人工10倍以上，表明了本自走式灘涂貝類采捕機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn)取得初步成功，但采捕貝類的清潔度低于帶水作業(yè)的采捕機(jī)械。本采捕機(jī)破碎率僅為2.1%，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值，表明機(jī)具在控制貝類破損方面有較為滿意效果；本機(jī)最大行駛速度達(dá)1.67 m/s，一方面大大縮短機(jī)械在灘涂轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間，另一方面，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)意外情況時(shí)，人機(jī)可迅速撤離保證安全。

4.5 試驗(yàn)分析

本研究設(shè)計(jì)的自走式灘涂貝類采捕機(jī)，可用于灘涂無水情況下的貝類采捕作業(yè)。與吳澎等[37]設(shè)計(jì)的海灘貝類起捕機(jī)沙土液壓分離結(jié)構(gòu)相比，本機(jī)很好實(shí)現(xiàn)沙土清理效果，無需水流沖洗裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減輕自重，減少功耗。但本機(jī)械作業(yè)時(shí)總長度超6 m，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎半徑較大、調(diào)頭時(shí)間較長，實(shí)際作業(yè)效率低于純作業(yè)效率，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)影響，今后將做進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)。

5 結(jié)論

針對(duì)南通沿海灘涂貝類多為人工采捕作業(yè)實(shí)際，設(shè)計(jì)了自走式灘涂貝類采捕機(jī)械，采用兩段沙土處理方式，試驗(yàn)結(jié)果各技術(shù)指標(biāo)達(dá)到預(yù)期。傳統(tǒng)的采收由釘耙尖銳的耙釘頻繁刨動(dòng)，易對(duì)貝類造成損傷，本采捕機(jī)將鏟齒前端加工成弧形，采用光滑柔軟彈性梳刷齒處理沙土，使采捕破損率僅為2.1%，有效減少了采捕過程的損耗。實(shí)際作業(yè)深度74.3 mm，保證正常氣候條件下的采捕作業(yè)要求，同時(shí)不會(huì)對(duì)灘涂底層土壤擾動(dòng)，保護(hù)灘涂生態(tài)環(huán)境。與人工耙取式作業(yè)效率相比，機(jī)械作業(yè)效率大幅提高，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，可大幅減少采捕從業(yè)人員數(shù)量，對(duì)整個(gè)灘涂貝類養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有積極意義。

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