水面清洁设备研究及设计

摘 要：现在市场上有多种水草切割船，但并不适合于小型水域的淡水养殖，而且水草切割船体积大、消耗高，购买需要花费较大资金。针对这种情况，淡水养殖人员需要一种可以安装在普通船只的切割器，而且具备装拆方便，简单廉价的特点。在对淡水养殖地区进行调研后，本着以简单实用、可靠廉价为目的，设计了一种能用于养殖户现有小型船只的水草切割装置。本文介绍了可拆卸组合式水草切割装置的方案、结构、尺寸和材料，并用Solid Works软件对该装置进行了三维建模，用Adams软件进行了运动学分析，分析了割刀在运行过程中的受力和碰撞，以对割刀进行进一步改进。

关键词：水面清洁设备 水草切割船 刀 动力

中图分类号：U67 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）12（a）-0123-03

1 课题研究的背景

目前市场上有多种水草切割机，它们的切割装置各有优缺点。因此对于不同的水域和水生植物，有其合适的切割装置。许多研发者致力于水草切割装置的优化和改进以提高其性能。随着研究的深入和发展，水草切割装置越来越成熟，性能越来越优良。随着水域生态景观的开发和养殖事业的迅猛发展，水草切割装置在中国小型水域中具有广泛的应用前景，因此水草切割装置的研究和发展也越来越重要。

因为专门的水草切割船体型大、消耗高、不适合在小型水域工作且一般的养殖户无法承担水草切割船的费用。针对这种情况，需要专门设计可快速拆卸式水草切割装置。

2 初步设计方案

2.1 研究目标

设计一种简单、廉价、可靠的小型便携可拆卸式水草切割设备，可安装在养殖户的普通船只上，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，可以实现刀的上下移动，这样就可以在不同的水域，根据所要的水草高度，进行切割。

2.2 研究内容

（1）切割器的类型和选择。

（2）切割装置在水中的工作特性，包括用Solid Works软件进行建模后，导入Fluent软件进行水中模拟，得出切割器在水中的受力情况；综合水的阻力与水草的阻力，在Adams软件中进行受力分析，查看割刀运行过程是否稳定，有无较大碰撞力。

2.3 主要问题

环保、割刀形式的选择和尽可能降低产品的成本。

2.4 关键技术

实现割刀上下调节，以适应不同水域。

2.5 解决方案

动力初步拟定为汽油机，汽油机体积小、振动低、启动简单，最重要的是万一有泄漏汽油易挥发，不会污染水域。

刀具初步拟定为往复式割刀，采用两动刀片的方式进行切割，刀片安置在托刀盒内，托刀盒焊接在刀架上。

支撑结构尽量采用型材，通过改造型材，刀架可以实现上下移动。

传动轴采用可拉伸花键轴，以实现刀的移动。

在本设计中，刀配体材料初步拟定为不锈铁，它具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，刀架采用不锈钢，其焊接性良好，适用于作结构材料。

3 设计过程

3.1 船

池塘的一般水深为500mm，最深处可达800mm，拟定船高为400mm，无载荷时吃水深度为50mm，船宽900mm。其Solid Works三维设效果图如图1所示。

3.2 刀

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。其Solid Works三维效果图如图2所示。

因为往复式割刀的动刀片在速度为0.7m/s时最稳定，按照厂家生产的刀具，切割部分宽a=30.89mm，刀长b=1m，拟定输入转速n=500r/min：

8小时割=8=22.2亩

船的适合速度v=2a×500/60=0.5m/s。

为了提高效率，暂拟定切割部分宽35mm，8小时割=8=25亩；

刀的移动速度=0.58m/s；

船的適合速度v=2a×500/60=0.58m/s；

因为受力不大，材料初步拟定为301不锈钢，它具有良好的力学性能和耐腐蚀性能。

平板是最简单的构件，当平板被顺着平行来流方向安置时，由于水的粘滞性引起的水动力仅为摩擦阻力。而平板与来流成角度时，会受到形状阻力等。因此拟定本设计中刀平面与来流方向平行，以减少水的阻力。

3.3 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。其Solid Works三维效果图如图3。

刀架整体均是由直径20mm的钢管焊接，垂直距离为230mm，因为受力不大，材料初步拟定为316不锈钢，其焊接性良好，适用于作结构材料。

3.4 支撑部分

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。那么刀架的移动范围可达80×5=400mm，完全可以满足池塘水草的切割。其Solid Works三维效果图如图4。

3.5 动力部分

由于汽油机体积小，容易启动的特点，拟定动力部分为汽油机，转速为1500r/mim。配合减速比为1∶3的单级齿轮减速器。

3.6 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。

3.7 受力分析

割刀承受的力F主要由摩擦力、切割阻力、惯性力和流体阻力组成。

惯性力F=m×a=0.52×19.3=10N。

钢与钢的摩擦系数：静摩擦无润滑剂0.15，有润滑剂0.1～0.12；动摩擦无润滑剂0.15，有润滑剂0.05～0.10。这里取动摩擦无润滑剂0.15。

刀片之间的摩擦力f=0.15mg=0.15×5.2=0.78N。

3.8 系统建模与仿真分析

3.8.1 割刀装配体基于ADAMS仿真分析及输出结果

在这个Adams模拟中，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。

3.8.2 输出结果分析

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。

3.9 方案确定

汽油机型号的选择，由3.7节受力分析可知，偏心轮每转一周，耗费时间0.12s，割刀前进0.12×0.58=0.0696m，W=306.64×0.0696+10.78×0.035×2=22J，功率P=22/0.12=0.2kW。虽然托刀盒中有润滑，但偏心轮与连杆的摩擦会消耗部分功率。

4 结语

通过受力分析和模拟，切割装置基本满足设计要求。有动刀片的加速度曲线可知，存在较大冲击力，说明偏心轮的设计还存在问题，需要进一步修正改进。还有很多方面需要进行试验测试。

本文对水草切割进行了基础研究，进行了初步的探索，并主要针对可快速拆卸组合式水草切割装置进行了深入研究，同时概述了其控制系统。由于各条件的限制，可快速拆卸组合式水草切割装置还存在大量问题，如传动系统不稳定，接下来我们应该把重点放在可快速拆卸组合式水草切割装置的传动系统研究上，这样将对我们了解传动系统如何避开水草缠绕问题和甩动幅度大等问题有很大帮助，对水草切割装置的具体工作过程有一个更深层次的认识。正是由于我国在养殖业机械化技术方面的落后，我们更加应该花费人力物力去研究学习，并最终实现水草切割装置的国产化。让我们为制造出自己的拥有自主知识产权并且简单可靠廉价的可快速拆卸组合式水草切割裝置而努力。

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