劉和煒，盧龍飛，江 濤

(1.中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海200092；2.青島海洋科技中心，山東 青島 266237；3.威海長(zhǎng)青海洋科技股份有限公司，山東 威海 264300)

大氣中二氧化碳濃度的升高導(dǎo)致海洋酸化，給海洋生物和水產(chǎn)經(jīng)濟(jì)帶來了諸多不利影響[1-5]。作為一種大型海藻，海帶有助于遏制海洋酸化的趨勢(shì)及促進(jìn)碳固定，甚至還有可能促進(jìn)形成長(zhǎng)期的碳固定并留在深海底部[6-10]。海帶在采收期容易受天氣、水文變化的影響而腐爛、分解，因此其固碳程度取決于收獲海帶的速度，若海帶快速分解，則其大部分固定碳會(huì)重新進(jìn)入海洋甚至大氣層，導(dǎo)致固碳量減少。

目前，海帶采收裝置多使用吊采法或鏈采法[11-12]。而這些收獲裝置及其支持船存在4個(gè)問題：收割過程中解開吊繩，導(dǎo)致收割效率降低[13-15]；機(jī)械采摘損耗高于人工采摘損耗，如夾破浮球、切斷吊繩，或由于脫鉤而漏采[16-18]；難以根據(jù)海帶的種類切割出合適長(zhǎng)度的海帶[13-23]；采收裝置固化于船，支持船不能用于其他目的[13-23]。免拖傷的海帶采收船可以減少采摘損耗，并且可以根據(jù)海帶的種類進(jìn)行切梢、去根，但在收割過程中需要逐個(gè)解開吊繩，導(dǎo)致效率較低，且收割裝置仍固化于船[24]。仿生型海帶采收裝置通過對(duì)人工采收海帶動(dòng)作的模仿，降低采摘損耗，提高了收獲效率，但仍固化于船，且無法根據(jù)海帶的品種類型調(diào)整切割長(zhǎng)度[25]。因此，海帶采收裝置及其支持船應(yīng)從降低采收損耗、提高采收設(shè)備利用率、實(shí)現(xiàn)支持船多用途化以提高船舶利用率等3個(gè)方面進(jìn)行考慮。具體而言，通過模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)船、機(jī)的時(shí)空分離，利用不同牧場(chǎng)海帶成熟期的時(shí)間差，或不同品種海帶成熟時(shí)間差，利用模塊化設(shè)備即插即用、安裝快速的特點(diǎn)和采收速度的高效性，在不同的海洋牧場(chǎng)進(jìn)行采收，從而提高采收設(shè)備的利用率。同時(shí)也拓寬了船舶的使用渠道，提高其在非海帶采收期的船舶利用率；通過仿生設(shè)計(jì)，降低采收損耗率，從而有利于推動(dòng)實(shí)現(xiàn)海帶采收機(jī)械化。

1 設(shè)計(jì)方法

1.1 模塊化設(shè)計(jì)

所謂模塊，就是可以組成系統(tǒng)、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)、典型的通用獨(dú)立單元，具有3個(gè)特征：依托接口的分拆性與更換性、功能性、標(biāo)準(zhǔn)性[26]。在本研究中，海帶采收裝置為采收模塊，支持船為支持模塊，二者構(gòu)成海帶采收船系統(tǒng)；采收模塊具有采收功能，支持模塊具有航行、搭載、能源供給功能；采收模塊采用標(biāo)準(zhǔn)集裝箱為功能艙，將采收設(shè)備容納其中；集裝箱底的角件孔與支持船甲板上設(shè)置的轉(zhuǎn)鎖形成一對(duì)接口，借此實(shí)現(xiàn)采收模塊與支持模塊的快速分離與結(jié)合。

1.2 仿生性設(shè)計(jì)

在本方案中，限位及拖曳單元仍采用仿生學(xué)設(shè)計(jì)原理[25]，但囿于集裝箱空間的限制，將之前拖曳系統(tǒng)中的電液推桿改為傳送帶系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)限位單元做了優(yōu)化。

2 采收模塊的設(shè)計(jì)

2.1 載體

存儲(chǔ)的完好性、運(yùn)輸?shù)撵`活性、安裝的便捷性，輔之以標(biāo)準(zhǔn)化的尺寸與制造，使得集裝箱成為模塊化設(shè)計(jì)中的完美載體，在陸地及船舶上均得到廣泛的使用[27-28]。鑒于在浮筏平養(yǎng)方式中，每一浮筏由2根平行間距約6 m、每根長(zhǎng)約75 m、且兩端系扣于錨繩上的綆繩，以及50根左右、彼此平行相距約1.5 m、且兩端借助吊繩分系于兩綆繩上的苗繩構(gòu)成。苗繩凈長(zhǎng)度為2.0 m[29]，因此選用外部長(zhǎng)×寬×高為6.058 m×2.438 m×2.591 m的標(biāo)準(zhǔn)干貨集裝箱作為模塊化海帶采收裝置的載體，其內(nèi)部尺寸為5.899 m×2.352 m×2.393 m。

集裝箱的前、后壁改為鉸接，以便前、后壁借助采收裝置的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向上掀起。此外，前、后壁上對(duì)應(yīng)設(shè)置門，該門與采收裝置中的步道對(duì)齊。

2.2 引導(dǎo)機(jī)構(gòu)

圖1為移除集裝箱后的采收裝置的示意圖。前導(dǎo)軌、兩前支臂、前橫桿和兩條拉索一起形成前導(dǎo)軌組，后導(dǎo)軌、兩個(gè)后支臂和一根帶有多個(gè)撐桿的后橫桿構(gòu)成后導(dǎo)軌組。前、后導(dǎo)軌及前、后支臂均采用單液壓缸插銷式伸縮臂。前、后導(dǎo)軌分別在前、后電液推桿的作用下實(shí)現(xiàn)俯仰，從而實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：1)前導(dǎo)軌的俯仰角與其伸縮長(zhǎng)度的調(diào)整，可以將海帶設(shè)置于離船合適的距離之上，減少海帶受水流作用而粘貼于船殼的幾率與面積，從而降低提升海帶所需克服的阻力；2)后導(dǎo)軌的俯仰角與其伸縮長(zhǎng)度的調(diào)整，可以調(diào)整海帶的去梢位置；3)前、后導(dǎo)軌的俯仰可以實(shí)現(xiàn)集裝箱前、后艙壁的開合，即導(dǎo)軌將艙壁抬至水平后，由前、后支臂伸出并支撐艙壁，導(dǎo)軌回落至適當(dāng)角度，實(shí)現(xiàn)艙壁開啟，以及導(dǎo)軌抬升至水平支撐艙壁后，前、后支臂回縮，后導(dǎo)軌托著艙壁回落，實(shí)現(xiàn)艙壁閉合。前水平臂與后水平臂分別用于支撐集裝箱的前壁與后壁。相關(guān)導(dǎo)軌及前、后支臂上設(shè)有滾輪，以減小開啟艙壁時(shí)的摩擦力。

前支臂與前橫桿之間設(shè)有拉索，用于對(duì)苗繩進(jìn)行左右限位，苗繩將沿前導(dǎo)軌上升，經(jīng)支架上沿，運(yùn)行至后導(dǎo)軌，并沿后導(dǎo)軌下滑。后橫桿上設(shè)有撐桿，用于與后導(dǎo)軌共同支撐苗繩，以免苗繩因海帶的重量而下垂過多，導(dǎo)致去根時(shí)切斷苗繩。

機(jī)架下部設(shè)置滾筒輸送機(jī)，為海帶后移提供額外動(dòng)力。滾筒輸送機(jī)兩側(cè)設(shè)置擋板，既防止海帶在拖曳過程中滑到相鄰的輸送機(jī)上，也可在被放倒后遮蔽滾筒輸送機(jī)，構(gòu)成步道。

2.3 限位及拖曳單元

限位及拖曳單元如圖2所示：前部為限位器，后部為拖曳單元。如人手握繩一般，下垂的擋條限制綆繩左右晃動(dòng)的幅度，被抬起的擋條和限位框則限制綆繩上下活動(dòng)的幅度。隨綆繩向后運(yùn)動(dòng)的吊繩推動(dòng)葉片向后轉(zhuǎn)動(dòng)，吊繩隨旋轉(zhuǎn)葉片通過缺口，繼續(xù)隨綆繩向后行進(jìn)。同時(shí)葉片阻擋綆繩因受海帶重力影響被拉進(jìn)缺口，從而導(dǎo)致綆繩脫離限位器。S型擋條圍成凹陷空間，可減少浮球在平板擋條上的左右滑動(dòng)，有利于浮球快速穿過限位框，這是與文獻(xiàn)[25]中的限位單元的不同之處。

拖曳機(jī)構(gòu)的主體是傳送鏈。傳送鏈上設(shè)有若干耙齒組，每個(gè)耙齒組間距略大于浮球的直徑，為300 mm；耙齒的間距為50 mm，略大于2倍的綆繩直徑，而小于M64六角螺母的對(duì)邊距，介于其厚度兩極值49.1 mm和51.0 mm之間。綆繩上每隔300 mm設(shè)置1只未攻絲的M64六角螺母胚料，綆繩上下往復(fù)穿過該螺母，使其不會(huì)從耙齒間穿過。預(yù)系扣浮球和吊繩處的M64六角螺母上焊接1只M32六角螺母胚料，浮球繩和吊繩系扣于該螺母上。

注：1.基座;2.支架;3.電液推桿;4.前水平臂;5.前導(dǎo)軌;6.前橫桿;7.拉索;8.滾筒輸送機(jī);9.滾輪;10.后水平臂;11.后導(dǎo)軌;12.撐桿;13.限位及拖曳單元;14.后橫桿;15.上割刀;16.浮球;17.綆繩;18.裝有海帶的吊繩、苗繩。

2.4 切割單元

切割單元由上割刀和下割刀構(gòu)成，上割刀由后橫桿支撐，下割刀位于機(jī)架后方底部。割刀由滑槽、齒條、固定刀片、連接于齒輪的動(dòng)刀片和電液推桿構(gòu)成。電液推桿推動(dòng)齒條，從而使動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)，與靜刀片共同完成剪切，詳見圖3示意。

注：1.苗繩;2.綆繩;3.限位框;4.葉片;5.擋條;6.耙齒組;7.傳送鏈板。

注：1.滑槽；2.齒輪；3.動(dòng)刀片；4.靜刀片；5.電液推桿及齒條。

2.5 工作流程

同綆繩一樣設(shè)置有M64六角螺母的兩根拖索，從后向前穿過限位及拖曳單元，懸垂至船外，而后由船工駕駛舢板拉著拖索，在兩拉索范圍內(nèi)，有效連接每根拖索與對(duì)應(yīng)的綆繩。在拖曳單元作用下，綆繩牽拉吊繩，帶著攜有海帶的苗繩沿前導(dǎo)軌上移。當(dāng)浮球經(jīng)過限位器時(shí)，推開若干擋條，在浮球自身重力及拖曳力作用下迅速、完全地穿過擋條后，擋條恢復(fù)對(duì)綆繩的限位。當(dāng)傳送鏈板向后運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，耙齒組向后推動(dòng)螺母，從而將綆繩向后拉動(dòng)。當(dāng)苗繩被拉到傳送鏈板的下行程面時(shí)，苗繩落于后導(dǎo)軌之上，并在其上在海帶自身重力作用下，沿后導(dǎo)軌組下滑。待所有的海帶苗繩均下滑至底部后，抬升后導(dǎo)軌組至適當(dāng)位置。若下割刀與上割刀間的海帶長(zhǎng)度少于所需長(zhǎng)度，則繼續(xù)抬升。若抬升至最高處仍不夠，則可啟動(dòng)滾筒輸送機(jī)，使其向后運(yùn)輸一段海帶，以滿足長(zhǎng)度要求。而后啟動(dòng)下割刀，切去海帶梢，然后再啟動(dòng)上割刀，切去海帶根部，如圖4所示。

注：1.集裝箱;2.機(jī)架;3.限位及拖曳單元;4.上割刀;5.下割刀;6.海帶;7.綆繩。

3 支持模塊的設(shè)計(jì)

3.1 船型方案

由于海帶的采收期主要集中于每年的4—8月間，約占全年時(shí)間的1/3，因此支持船需在余下的時(shí)間中從事其他作業(yè)，以提高利用率。海洋牧場(chǎng)除養(yǎng)殖海帶外，還養(yǎng)殖魚類或貝類，對(duì)放置和維護(hù)人工礁、釋放魚苗、捕撈漁獲、監(jiān)測(cè)海洋環(huán)境、旅游觀光和進(jìn)行科學(xué)教育有一定的需求[30-32]。因此，支持船應(yīng)具有以下特點(diǎn)：1)具有較大的甲板作業(yè)面，以便于網(wǎng)具收放，并配備吊機(jī)以利于網(wǎng)箱換網(wǎng)、吊放吸魚泵管道和人工魚礁等；2)具有良好的直航性和操縱性，以便在筏架區(qū)或網(wǎng)箱區(qū)的狹窄水道中順利航行、作業(yè)；3)能夠搭載采收模塊。依據(jù)上述3點(diǎn)，采用小型雙體船為佳——兩片體寬度及其間距和雙槳的配置既保證了甲板的寬大和船舶的直航性、兩槳差動(dòng)，也為船舶提供了良好的操縱性，而甲板的寬大也便于搭載采收模塊、網(wǎng)具、人工魚礁等。對(duì)于兼顧海區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)、觀光垂釣、科普教育的支持船，由于其所服務(wù)的對(duì)象多為易于暈船、短期在船的人員，因此適宜采用耐波性好的特殊雙體船——以小水線面雙體船為佳[33]。由于文獻(xiàn)[33]對(duì)此船型已有論述，本文僅論述采用常規(guī)雙體船的方案，該船型多用于搭載海帶采收模塊、放置和維護(hù)人工礁、釋放魚苗、捕撈漁獲。

圖5為小型雙體船方案的主甲板圖。該方案中，船舶總長(zhǎng)為29.5 m，型寬為12.0 m，型深為3.3 m，吃水2.1 m，設(shè)計(jì)排水量為203 t。每個(gè)片體內(nèi)設(shè)置1臺(tái)122 kW的主機(jī)，設(shè)計(jì)航速為10節(jié)。船舷右側(cè)設(shè)置2部型號(hào)為M125.20A3的折臂吊車，吊機(jī)最大額定吊力為2.45 t，額定起重力矩為114.9 kNm，最大吊臂范圍10.1 m；中部設(shè)置1部起網(wǎng)機(jī)；首部設(shè)置1個(gè)滾筒。船上設(shè)有3處與集裝箱配套、用以固定集裝箱的轉(zhuǎn)鎖，視筏架布局，選擇對(duì)稱或單側(cè)設(shè)置采收模塊。采收模塊處欄桿設(shè)置為可倒欄桿，以適應(yīng)采收裝置前導(dǎo)軌的俯仰。

注：1.采收模塊;2.自行小車;3.吊機(jī);4.起網(wǎng)機(jī);5.滾筒。

3.2 使用方法

當(dāng)支持船用于采收海帶時(shí)，首先將采收模塊底部角件孔與支持船甲板上的轉(zhuǎn)鎖對(duì)接鎖定，然后將采收模塊的電氣接口與船上供電接口連接，之后便可按前述操作方法采收海帶。每一采收裝置與2部無人駕駛小車配合作業(yè)，車內(nèi)設(shè)網(wǎng)具，車長(zhǎng)略大于苗繩長(zhǎng)度。采收過程：海帶先去梢，而后將其端部放入外側(cè)小車網(wǎng)中，再切去根部，之后滑入網(wǎng)中；滾筒輸送機(jī)將海帶梢輸入內(nèi)側(cè)小車網(wǎng)內(nèi)；小車駛?cè)氲鯔C(jī)作業(yè)區(qū)，由船載吊機(jī)將網(wǎng)具及其內(nèi)的海帶吊運(yùn)至位于支持船船首或舷側(cè)的轉(zhuǎn)運(yùn)船上，而小車自動(dòng)返回原作業(yè)區(qū)，等待下一次作業(yè)；船舶在筏架組間垂直于綆繩的縱向水道中行進(jìn)、采收，直至駛至該水道盡頭，而后掉頭駛?cè)肓硪环ぜ芙M間水平水道進(jìn)行作業(yè)。自始至終，船舶不進(jìn)入兩綆繩之間采收，也不進(jìn)入平行于綆繩的橫向水道進(jìn)行作業(yè)。

當(dāng)支持船不用于海帶采收時(shí)，將采收模塊及小車等吊離船舶即可。此時(shí)，船上的起網(wǎng)機(jī)與吊機(jī)配合，可用于更換網(wǎng)箱網(wǎng)衣；或起網(wǎng)機(jī)與滾筒配合，用于起捕漁獲；吊機(jī)也可吊裝吸魚泵管頭，與收漁船配合收取網(wǎng)箱中的漁獲；或作為海洋牧場(chǎng)值班船；框架型小型人工魚礁幾何尺度在2 m以下，重量在1.5 t左右[34-35]，故該船可用于搭載此類人工魚礁，并進(jìn)行投放；或在風(fēng)平浪靜之時(shí)，用作休閑漁船，搭載少量游客進(jìn)行體驗(yàn)型捕撈。

4 討論

4.1 采收效率

以山東省榮成市的海帶養(yǎng)殖模式為例，苗繩按1.5 m間距平行設(shè)置于2根長(zhǎng)度為75 m的綆繩之上，一般設(shè)50根苗繩，每根苗繩上存有海帶100 kg，在拖曳速度為0.1 m/s的情況下[25]，拖曳時(shí)間為12.5 min。電液推桿的工制一般為工作10 min、休息10 min，因此完成一個(gè)浮筏作業(yè)的采收時(shí)間可近似為25 min，每個(gè)模塊可收獲海帶5 000 kg 。在理想狀態(tài)下，船舶可以在休息期間進(jìn)行移位、掛繩、轉(zhuǎn)運(yùn)等作業(yè)，因此在每天6 h的拖曳時(shí)段中，每個(gè)采收模塊可作業(yè)14次，收獲海帶70 000 kg。

4.2 船型布置

采收模塊設(shè)置于兩側(cè)，用于同時(shí)采收左右2個(gè)筏架上的海帶；置于同側(cè)，則用于采收同一筏架上不同列浮筏上的海帶。此外，在浮筏間水道及經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，也可以采用較長(zhǎng)的船舶，兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置多個(gè)模塊，可大幅提高每天的采收量，并可兼顧儲(chǔ)運(yùn)海帶。

4.3 導(dǎo)軌防腐

本文中所用的導(dǎo)軌為單液壓缸插銷式伸縮臂，其內(nèi)部伸縮、鎖定機(jī)構(gòu)較為精密，因此入水的前導(dǎo)軌的防腐是一個(gè)值得研究的問題。若內(nèi)部鎖定機(jī)構(gòu)可采用工程塑料制作，或用工程塑料包覆，則可以提高設(shè)備的防腐能力，這需要進(jìn)一步研究。

4.4 作業(yè)模式

目前長(zhǎng)青海洋科技股份有限公司的采收作業(yè)模式為人工采收，1 000人、1 000艘舢板每天共采摘6×106kg。按此采摘量，在理想狀態(tài)下，共需43艘母船搭載86只采收模塊進(jìn)行采收，以及150余舢板進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)。而一般海洋牧場(chǎng)沒有如此多的母船，因此，有必要考慮鄰近海洋牧場(chǎng)的聯(lián)合作業(yè)。但聯(lián)合作業(yè)需考慮到各海洋牧場(chǎng)的定位，因而還需要進(jìn)一步摸索、探討。或者成立專業(yè)海帶收割隊(duì)伍，通過陸路運(yùn)載采收模塊至相關(guān)海域，并租用船只，搭載模塊進(jìn)行采收，這不僅可使海洋牧場(chǎng)方及收割隊(duì)減少大量設(shè)備投資及維護(hù)費(fèi)用，而且可讓當(dāng)?shù)卮皳碛姓咄ㄟ^租船，提高船舶的利用率并獲利。

4.5 搭載其他海帶采收設(shè)備

本研究設(shè)計(jì)的支持船也可用于搭載其他海帶采收設(shè)備，只需在該采收設(shè)備的適當(dāng)位置處加裝集裝箱底部的角件孔。本船也可以不采用小車，而改為傳送帶，由傳送帶將海帶輸送至停泊于支持船首尾端的轉(zhuǎn)運(yùn)船上。

4.6 未來可能的拓展

未來可能加裝測(cè)量系統(tǒng)，自動(dòng)測(cè)量海帶所需長(zhǎng)度，從而據(jù)此將水流速度、拖曳速度、后導(dǎo)軌俯仰角度、滾筒輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度及啟停時(shí)間、割刀切割時(shí)間統(tǒng)一協(xié)調(diào)起來，由電腦控制，進(jìn)一步減輕工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

5 結(jié)論

模塊化海帶采收裝置基于模塊化原理和仿生原理，以機(jī)械設(shè)備模仿人工采收，在降低采摘損耗的同時(shí)，大幅提高勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度；將采收裝置與船舶分離，有利于提高船舶利用率。模塊化采收可作為海帶采收、乃至可拓展為貝類采收的一個(gè)有前途的發(fā)展方向，有可能推動(dòng)海洋牧場(chǎng)發(fā)展出新的管理模式——類似目前陸地農(nóng)業(yè)中的農(nóng)機(jī)專業(yè)化運(yùn)作形式。模塊化海帶采收裝置將有助于推動(dòng)海帶成為藍(lán)碳的重要制造者，為控制碳排放作出貢獻(xiàn)。目前該裝置與支持船仍處于研究階段，各單元的合理性仍需進(jìn)一步優(yōu)化。同時(shí)，采收船各設(shè)計(jì)參數(shù)也需要進(jìn)一步研究，以期滿足未來生產(chǎn)的需要。