1、.上海海洋大學碩士研究生畢業論文工作計劃（開題報告）課題名稱：小型水草收割機設計 姓 名： 王向春 學 號： M110601608 專 業： 機械設計及理論 研究方向： 農業機械 所在學院： 工程學院 導師姓名： 張麗珍 起止日期： 2012.12.1-2014.6.30 填寫日期： 2012.11.10 研究生部制表說 明1、 本計劃用鋼筆填寫（或打印），字跡要工整清晰；2、 本計劃上交兩份，研究生部、學院各一份。3、 本計劃須在第三學期內完成。一、 關于制訂畢業論文工作計劃的簡要說明1 立論依據1.1. 課題的研究目的和意義隨著人民生活水平的提高，水域生態景觀旅游開發將成為今后城市環境建設

2、的重中之重。拿上海來說，根據規劃，上海市2005年的理想水面率不低于8.4%，到2010年增至9%。另外，到 2020年，我國將建成300多家大型高爾夫球場14，每家都在都用生態的方法進行治理，其中種植水草是必不可少的，為了有效維護水域的生態平衡，收割機是不可缺少的。中國淡水總面積約20×104平方公里，養殖總產量居世界首位，占全國水產品總產量的36.7%，有很多養殖水域需要種植水草并使水草維持在一定高度。但是這些水域生態景觀和人工養殖水域大部分面積小，分散度較大，造型不規則，有的地方非常狹小，不利于大型收割機械的行進和轉彎。當前市場上的大型水草收割機機械，滿足大型湖泊水草的收割與修

3、理，但不適合小型河道和湖泊等小水面水域中水草的收割。目前市場存在的小型水草收割設備多結構較復雜，用戶在購買機器的同時還要購買專用的船只，成本較高。但是無論是景觀水域還是養殖池塘中都存在小型船只，為此研究成本低、小型、便捷、模塊化以及可拆卸的水草收割設備，可以與普通船只安裝組合并實現水草收割目標，這樣可以降低成本，增加割草機的靈活性和使用率。 所研制的小型可快速拆卸組合的水草切割裝置，可以有效取代在中小型水域的人工收割，有效減輕了勞動輕度，大大提高了切割效率，符合水草收割機械小型化與智能化的發展方向35。可快速拆卸組合的水草切割裝置將通過固定裝置與任意種類的船只相結合。當用戶需要割草時，可以實現

4、快速安裝；當不需要割草時，可以快速拆卸，以免切割裝置在露天環境中被侵蝕破壞，延長使用壽命。這樣不僅降低了成本，還能減少體積占用，更能在機械損壞時方便維修更換。從這些方面來講可快速拆卸組合將是水草切割機械方面很好的發展方向。1.2. 國內外研究現狀分析由于水草的瘋狂蔓延造成水域生態環境的惡化，自水中作業的水草收割機產生以來，引起了越來越多的生產廠家和研究機構的重視。根據現有資料可知7，國外研究水草收割機的比較有影響的廠家有美國 advanced acquatics公司30，目前該公司已經開發出來的產品有H系列，H 4、H 7、H 8、H 10四種型號數十種產品，典型產品長7.77m，寬3.05m

5、，高2.2m，重2.1t，主機功率14.92 kW，適于收割各類水草，需要拖船、傳送帶等輔助作業；美國 USA James R.Meclure公司30，該公司研制有EH、H、HM三大系列產品，船體穩性比較差，不適合小船體作業，適合大面積水草治理；USA James l.Hawk公司生產的液壓往復式單體水草收割船，采用滾筒式拔草裝置，割收分開作業，需輔助設備，漏收率較高；USA joshua .Britton. 公司生產的液壓往復式單體水草收割船，割收分開作業，漏收率高，切割器安裝密封要求高；O'TOOLE C B公司生產的液壓旋轉式單體水草收割船，在吸引力的作用下，吸收割下的水草，主要

6、為藍藻等浮水植物；Charles B.Bryant公司生產的液壓旋轉式單體水草收割船，整機功率大，船體振動大，水草漏收率低，無二次污染30。荷蘭 IHCCOKONIJIN 機械廠和 HEEDER公司，英國的ROLBE公司和JOHNW ILDER(工程 )公司，澳大利亞、日本、俄羅斯、德國也有相類似的產品。1992年北京市水利局為了清除京密運河上的各類水草，加快水的流速，減少沿路水的損耗，特邀請了水利系統幾家設計和生產單位聯合開發水中割草機26，SGY-2.5型水中割草機即是其開發的產品之一。機器長5m，寬2m，高2m，重4.4t，主機功率26.47 kW，需輔助作業。該機與國內其它型號的割草機

7、相比，具有不纏草、割草效果好、有避讓保護系統等諸多優點。國內也有一些相關的企業及研究機構進入該領域，并且取得了一定的研究成果，如寧波農業機械研究所、象山農機廠、紹興縣農林管理總部聯合研制的WH 1800型河道清草機8-9，長6.1m，寬2.5m，高0.75m，重5.5t，功率14.71 kW，需輔助作業；上海電器集團現代化農業裝備有限公司新液壓廠開發的GC2230型河道割草保潔船以及GC2000型小型河道割草作業機械，長14.3m，寬4.25m，高2.54m，重9t，適合大型水域10 ；內蒙古農業大學機電工程學院設計的9GSCC-1.4型水生植物收割機船隊和北京勞模亞洲環保設備有限公司設計生產

8、的LW 5000多功能勞模水草收割船，割收一體作業，需要輔助設備協同工作，切割器受沖擊，損傷比較大11；中國科學院生態環境研究中心環境水質學國家重點實驗室和唐山市綠浩源科技發展有限公司研制了小型電動可遙控水草收割機，目前還在研究實驗階段37；山東青州拓新機械有限公司專業生產的小型割草保潔船，集水草收割、水面垃圾清理于一體的水面保潔設備，割刀割幅1.4米，配有長4.2米，寬1.3米，型高0.6米的保潔船，還有超小型淺水區專用電動水草收割機，動力低，需人工背負工作，適合池塘溝渠角落等水草切割作業。主要的參考文獻1王艷紅.紐荷蘭機械簡介.農業機械,2002,(4).2T.T.KYCOB.MB-1 型

9、手拖撓性傳動割草機的研制.農牧與食品機械.1991,(2).3朱黎.圓盤鋸片割刀.機械研究,1997,(10).4朱海燕,戴學穎,陳孝君.于橋水庫富營養化現狀及水草控制措施.水科學與工程技術,2010,(2):16-17. 5吳文慶,洪淵揚,秦雙亭.水葫蘆治理技術的初步研究.上海環境科學,2003年,（增刊）146-149.6龔云麗,蔡永立.我國城市雜草的研究.雜草科學,2005,(3):6-9.7崔立,肖懷平,陳魯勇,徐燕,黃贏子,褚建君.淀山湖水葫蘆用于飼喂生長育肥豬的效果研究. 飼料工業,2004,(3) .8楊宣華,麥焯棉,許波,羅嵐,潘衛南,羅月蘭.水葫蘆培養料栽培平菇試驗,佛山科學

10、技術學院學報(自然科學版),2004,(3).9吳世銘.水陸聯動機械快速打撈法在水口庫區水葫蘆集中整治中的應用.福建農業學報,2007,22(1): 110-113.10馬中喜. WH1800型河道清草機.中國農機化,2003,(03).11Daniel Smith.Marine weedwaker:USA,6922982 BlP.2005-8-2.12Charles B. Bryant. AQUATIC HARVESTING APPARATUS.USA, 4258534P.1979-3-7.13James L,Hawk. Apparatus for remocal of aquatic pl

11、ant growth:USA,5069023P.1992-10-10.14揚詩鴻.SGY-2.5型水中割草機的設計和研制J.水利電力施T機械,1997,19(4):12-15.15政生,黎啟柏,張未,等.GC2230型河道割草保潔船J.上海造船,2004(2):22-24.16李旭英,尚士友,杜建民,等.9GSCC-114H型沉水植物收割機船隊的設計J.農業機械學報,2006,37(1):59-62.17陳灝,周瑩,許東員.小型電動可遙控水草收割機的研制.安徽農業科學,2010,38(26):1479114792.18胡君智.小型多用途打撈裝置的設計.上海造船,2008,(4):69-70.1

12、9楊偉男.PLC控制器在垃圾收集船上的應用探討.珠江水運,2001年2月,36-38.20黎啟柏,肖長周.水面垃圾打撈機械手及其液壓驅動系統.華南理工大學學報(自然科學版),1996年2月,24(2):150-152.21張林根.內河打撈船設計概要.船舶設計技術交流,1991年4月,1991(4).:30-32.22譚政生,黎放柏.16.5米水面垃圾收集船設計.廣東造船,1995年,(2):1.23張麗珍,陳金穩,李俊等.SCSGJ-2.6型水草收割機的研制.西北農林科技大學學報(自然科學版),2008,36(11):229-234.24李嬌,關長濤,徐希堯,等.射流式滸苔打撈機的設計與試驗.

13、漁業現代化,2009,(1):35-37.25陶海龍,劉敏,張龍.環保型水面垃圾清理收集船.科技創新與品牌,2010,(7):3.26趙國興.9SCGC-1.5型水草收割船的研制.農業科技與裝備,2010年12月,198(12):33-34.27梁維鑄,黃福明,游國顯.帶式垃圾收集船設計的探索和實踐.廣東造船,2001年,(2):1.28杜健民,尚士友,丁海泉.沉水植物收獲機械設計學的研究.內蒙古農牧學院學報,1995,15(3):79-82.29Thomson Sinkala, Enala T. Mwase , Mick Mwala. Control of aquatic weeds thr

14、ough pollutant reduction andweed utilization: a weed management approach in the lowerKafue River of Zambia. Physics and Chemistry of the Earth,002,(27):983-991.30R Charudattan. Are we on top of aquatic weeds? Weed problems, control options, and Challenges,Plant Pathology Department and Center for Aq

15、uatic and Invasive Plants, USA, 200131D. G. Cross. Aquatic Weed Control using Grass Carp.Journal of Fish Biology,anuary 1969, 1(1):27-30.32Brian J. Midtling et al. Method and apparatus for harvesting aquatic plants. U.S. PATENT DOCUMENTS,13 Sep 1991, 5197263.33Andrew J. Rodusky, Bruce Sharfstein, Th

16、erese L. East and Ryan P. Maki. A Comparison of Three Methods to Collect Submerged Aquatic Vegetation in a Shallow Lake. Environmental Monitoring and Assessment，110(1-3):87-97.34T. RAMAPRABHU AND V. RAMACHANDRANl. Developments in Aquatic Weed Control Research in India Relating to Fisheries. J. Aquat

17、. Plant Manage,1984,(22): 97-100.35張麗珍,陳金穩,李俊.水草收割機的研究現狀.上海水產大學學報, 2008年7月,7(4):486-492.36孫明敏.河道清草機的研制.中國農機化,2005,(6):91-94.37陳灝,周瑩,許東員.小型電動可遙控水草收割機的研制.安徽農業科學,2010,(26):91-922 課題來源、研究內容和擬解決的關鍵問題2.1. 課題來源本課題來自生產實際，是研究生科研基金項目。2.2. 研究內容2.2.1 水草收割裝置的初步設計（1）動力形式的選擇動力裝置為整個機器運作提供能源，本水草收割裝置可選用的有蓄電池、汽油機和柴油機，

18、它們作為動力來源各有優缺點。（2）割刀升降的控制方式為實現切割不同深度水草的目標，割刀要完成升降動作。其控制方式有液壓控制和機械控制和電子控制，各有優缺點和適用范圍，也可綜合使用。（3）設備與船體連接方式的設計景觀水域和養殖池塘中都存在小型船只，為實現小型水草收割機的可快速拆裝特點，避免額外購買船只的缺點，水草收割設備與船體連接方式的設計尤為重要。（4）切割形式的選擇 切割形式一般為往復式和旋轉式。往復式阻力小但功率低易塞刀，旋轉式功率大但在水下阻力很大。（5）收草裝置的設計收草裝置主要有滾筒式、傳送帶式和輪漿式等，水域條件和水草種類及船體樣式均會很大程度上影響收草裝置的主體樣式。2.2.2

19、水草收割裝置虛擬樣機仿真分析（1）割刀運行慣性力割刀慣性力的大小直接體現出傳動部件的最大轉矩，慣性力變化越均勻說明機構設計越合理。（2）割刀運行時與其連接部件的碰撞力碰撞力的大小和頻率將直接影響機構運行平穩程度和部件的壽命，因為疲勞強度將直接影響材料的選擇。（3）切割裝置和收集裝置運行時的流體阻力流體阻力的大小直接影響強度的校核，間接關系機構材料的選擇。2.2.3 相關試驗（1）割刀運行時切割阻力的測定水草種類及割刀形狀尺寸均會影響切割阻力，與刀片的尺寸和運行速度的設計密切相關。（2）裝置傳動效率的測定各部分傳動效率可以體現機構設計是否合理，對方案的改進至關重要。（3）水草收割裝置的收割能力收

20、割能力包括收割效率，最大不間斷工作時間及對工作環境的要求。2.3. 擬解決的關鍵問題（1）傳動機構線程長度要可調為了實現割深可調，傳動機構傳動同時還要滿足傳動范圍可調。（2）割刀的設計針對不同的水草，割刀的尺寸、材料以及間隙的調節都至關重要。3 研究基礎3.1 所在學科點前期研究工作積累（1) 對多種割刀形式及傳動機構分析開展了研究，已摸索出一套較成熟的切割力及傳動效率測定方案及實驗室標準方法。（2) 本實驗室研制了可快速拆卸組合水草切割裝置的初步實驗模型。3.2 已具備的實驗條件具有水草切割裝置的初步實驗模型及實驗場地。3.3 尚缺少的實驗條件和擬解決的途徑缺乏測量切割力的擺動式莖稈切割試驗

21、臺，缺乏傳動效率所需的基本儀器測速儀、壓電式力傳感器、扭矩測試儀。缺乏數字游標卡尺。通過購買和向學校其它實驗室借用解決。4 實施方案4.1 水草收割裝置的初步設計（1）動力裝置蓄電池作動力來源，優點是噪聲低，無污染，不影響水域生物，缺點是功率低，作業時間短，充電時間長；汽油機作動力其優點是功率適中，汽油易揮發，對水域污染微小，缺點是花費較高；柴油機作動力來源其優點是功率較大，缺點是噪音高，較笨重。擬選用汽油機，其重量小，拆裝方便且污染較小。（2）機械控制最能滿足設計要求，根據穩定簡單可靠的原則和本機器的使用人群和工作環境要求，選擇機械控制。（3）設備與船體擬用彈性夾緊裝置將切割和收集設備與船體

22、相連接，夾緊裝置安裝于船舷。（4）水下清除機構即切割裝置 根據工作方式分為旋轉式和往復式，根據安裝位置分為前置、后置、側置三種方式。但由于旋轉式機構必須置于水下，切割效率較低，而往復式驅動機構可以放置于水上，并且可以選擇合適的刀具參數來適應不同的環境，因此選擇往復式。從安裝位置方面看，后置式和側置式都不能實現割收一體化，所以為了避免二次污染的問題，選擇前置式。綜上所述，選擇前置往復式切割。（5）收草裝置擬采用滾筒式，其拆裝最便捷，可對滾筒進行鏤空式設計使水體阻力降至最低。4.2 水草收割裝置虛擬樣機仿真分析（1）割刀運行慣性力當系統存在加速度a時，則慣性力的大小遵從公式：F=-ma (m為物體

23、質量)。用SolidWorks軟件建模，導入Adams軟件進行運動學分析，對傳動機構施加轉速從而獲得刀片加速度曲線圖，根據割刀運行加速度即可獲得其慣性力。（2）割刀運行時與其連接部件的碰撞力用SolidWorks軟件建模裝置，導入Adams軟件進行運動學分析，對傳動機構施加轉速從而獲得割刀運行時與其連接部件的碰撞力曲線圖，根據碰撞力的大小和均勻程度，找出非正常碰撞力從而對機構進行改進。 （3）切割裝置和收集裝置運行時的流體阻力 用SolidWorks軟件建模裝置，導入Ansys軟件用有限元分析法，仿真切割裝置和收集裝置運行時所受流體阻力。4.3 相關實驗 （1）割刀運行時切割阻力的測定需要用擺

24、動式莖稈切割試驗臺來測定，對象為水草，變量為刀片的齒寬和齒高。 （2）裝置傳動效率的測定用測速儀、壓電式力傳感器、扭矩測試儀等裝置，由整體到局部傳動機構，依次測算其傳動效率。 （3）水草收割裝置的收割能力 試用地點主要為上海海洋大學河道，記錄單位時間內同割深情況下收割密度接近的水草的面積，機器不間斷正常工作時間，不同割深情況下機器工作效率，整理相關數據并與市場其它類似產品進行分析比較。5 可行性分析和預期目標5.1 可行性分析1) 查閱了大量相關文獻資料，了解了本課題的研究進展，為研究課題打下了良好的基礎。對多種割刀形式及傳動機構分析開展了研究，已摸索出一套較成熟的切割力及傳動效率測定方案及實驗室標準方法。2) 本實驗室研制了可快速拆卸組合水草切割裝置的初步實驗模型。具備本實驗所需的必要實驗設備儀器和實驗經費來完成此實驗。3) 指導教師從事漁業機械、海洋裝備的設計制造等方向研究，可以給予指導。本人在本科階段就涉水草收割機械研究，本科畢業論文題目為可快速拆卸組合式水草切割裝置的建模與分析，具有一定的漁業機械研究經驗。5.2