沙灘滸苔清理機的開發與應用

劉 星 ，殷鏡波 ，呂慶龍

（山東水利職業學院，山東 日照 276826）

滸苔屬綠藻門石莼科大型綠藻，由單層細胞組成，圍成管狀或粘連為帶狀[1]。主要分布在遼寧、山東、江蘇和福建等省近海。目前，國內外還沒有專用的沙灘滸苔清理設備，只能靠人工清理，主要設備為鏟車和輸送機。這些設備只能完成沙灘滸苔的基本清理，無法完成滸苔內沙石的分離和滸苔的脫水，既破壞了沙灘的地形，也影響了清理效率。為了解決這些亟待解決的難題，本研究研制了沙灘滸苔清理機，它能高效地完成滸苔和沙石的自動分離以及滸苔脫水和有效撿拾，填補了該領域的空白。

1 設計目標

滸苔又細又長，好像蓬亂的絲線，當滸苔到達海灘時會成片地互相交織堆積在沙灘上，清理起來非常困難。針對這一難題，通過分析總結提出了沙灘滸苔機的設計目標：

1）能夠自動地拾取沙灘上的滸苔；

2）在收集滸苔的同時，不破壞沙灘；

3）能夠實現滸苔與沙石的分離；

4）能夠降低滸苔的含水量；

5）能夠實現連續作業；

6）能夠實現滸苔的自動裝卸。

本設計方案的關鍵技術是：

1）自動撿拾。滸苔在沙灘上大面積堆積，如何用機器把滸苔從沙灘上自動撿拾起來，并在撿拾過程中將滸苔和沙分離、避免滸苔在撿拾和輸送過程中的纏繞，是項目研發和試制中的關鍵問題。

2）撿拾仿形。在撿拾滸苔時，撿拾裝置要能隨地面的高低起伏作上下自動調整，既要防止撿拾裝置帶沙，又要防止漏撿。同時，也要解決前懸掛裝置重量對動力機械前輪加載，而造成前輪下陷和行駛阻力增加的問題。

3）滸苔輸送脫水。撿拾滸苔后，通過輸送裝置，把它輸送到存儲箱的過程，也是一個技術關鍵點。在輸送的過程中，要進行輸送幅寬的變換，即將撿拾的寬幅輸送變為在動力機械一側的窄幅輸送[2]，并在輸送過程中對滸苔進行脫水，也要防止輸送過程中滸苔的纏繞。同時，由于滸苔傳輸時需要把滸苔兩次升高，即寬幅輸送提升和窄幅輸送提升，如何克服滸苔的滑落也是一個問題。

2 設備簡介

2.1 工作原理

沙灘滸苔清理機主要結構如圖1所示。

圖1 沙灘滸苔清理機結構

它的基本工作原理：1）在動力裝置的帶動下，仿形裝置在地面滑行，隨地面的高低起伏變化；2）撿拾裝置固定在仿形裝置上，從而保證對地的相對高度不變，撿拾裝置的釘齒把滸苔從沙灘上撿拾起來，實現與沙石的分離，同時向后拋送到輔助推送裝置；3）輔助推進裝置把滸苔推送到寬幅輸送裝置的拖板上，實現脫水處理，再由寬幅輸送裝置的刮板將滸苔送入到螺旋推進裝置的料斗；4）螺旋推進裝置的螺旋葉輪把滸苔橫向推進并匯集到窄幅輸送裝置中；5）滸苔由窄幅輸送裝置的刮板經長距離的輸送，最后被送到存儲箱中，完成滸苔的收集作業，實現了對沙灘滸苔的清理。

2.2 主要技術參數

沙灘滸苔清理機作業面寬度為1 m，撿拾速度為2.23 km／h～28.47 km／h，撿拾裝置的轉速不低于19.75 r/min。存儲箱容積為4 m3，作業沙灘厚度一般需大于60 mm（撿拾裝置插入沙中深度50 mm），撿拾裝置的撿拾率>90%；撿拾滸苔的含沙量<5%。

2.3 結構

沙灘滸苔清理機主要由撿拾裝置、仿形裝置、輔助推進裝置、寬幅輸送裝置、螺旋推進裝置、窄幅輸送裝置、存儲箱以及動力機械、傳動系統、液壓系統、電氣系統等部分組成。

2.3.1 撿拾裝置

撿拾裝置是整個設計的核心技術裝置，它的作用好壞關系到沙灘滸苔清理機設計的成敗。滸苔被海浪送到海邊，堆積在海岸，平鋪到沙灘上。為了能撿拾起滸苔而不帶起沙石，本研究經過大量的實驗，最終確定采用凸輪帶動撥齒來進行滸苔的撿拾。

本研究設計了一個特殊的溝槽凸輪來滿足撿拾需要，該機構由1個溝槽凸輪和4個滾動從動件組成[3]，具體如圖2、圖3所示。

圖2 溝槽凸輪

圖3 撿拾裝置

在滾動從動件上安裝了彈簧撥齒，當撿拾裝置旋轉時，帶動滾動從動件，滾動從動件在預設的溝槽凸輪上滾動，帶動撥齒做旋轉伸縮運動。實際撿拾作業中，撥齒在作復合運動[4]，保證對滸苔的抬起和后拋。

當撥齒旋轉到撿拾器下方時，此時撥齒垂直于地面并前傾30°入沙，且逐漸伸出。撥齒插入沙中，然后撿拾器旋轉，當繼續轉過60°時，此時撥齒和地面夾角為0°，并將滸苔抬起。隨撿拾裝置的旋轉，撥齒和地面夾角增大，當撥齒旋到上方時開始回縮，完成對滸苔的抬起和后拋，然后進行下一次伸縮。

2.3.2 仿形裝置

由于沙灘的不平整，滸苔的分布也是不平整的。為了能夠更好地撿拾滸苔，這就要求撿拾器能夠跟隨著沙灘起伏平穩行走，從而保證撿拾器對地的高度恒定，為此專門設計了仿形裝置。同時，沙灘滸苔清理機前部分的重量由仿形裝置的滑靴來支撐。

滑靴的結構如圖4所示。

圖4 滑靴結構圖

工作原理如下：

當地面變低時，滑靴在撿拾裝置重量的作用下，以后軸為支點，旋轉下降，貼在沙灘上。當地面變高時，滑靴被沙子托起，以后軸為支點，旋轉上升，帶動撿拾裝置上升，從而使撿拾裝置隨地形的起伏自動調整。

2.3.3 輔助推進裝置

撿拾裝置的撥齒回縮致使滸苔不能全部送入寬幅輸送裝置，造成撿拾裝置和寬幅輸送裝置之間形成一個死區。滸苔很容易在該死區堆積，對滸苔的收集和傳輸都造成一定的影響。為此，在這個位置安裝一個輔助推進裝置，解決滸苔在該區域堆積的問題。

2.3.4 螺旋推進裝置

進行滸苔撿拾的時候，需要有足夠的撿拾寬度，以便收集更多的滸苔，提高滸苔撿拾的效率。但在滸苔輸送到存儲箱的過程中，需要通過動力機械機構，同時為了不影響駕駛員的視野，必須采用窄幅輸送裝置進行遠距離、大高度的輸送。在本設備中采用水平螺旋推進器，實現寬幅輸送到窄幅輸送的變換，螺旋推進裝置如圖5所示。

圖5 螺旋推進裝置

2.3.5 傳送機構

由于采用背負式傳動方式，滸苔的輸送路徑變得很長，同時高度也很大，造成窄幅輸送裝置很陡峭。如果采用普通的傳送帶，滸苔很容易滑落，為此，選用了同寬幅輸送裝置類同的鏈條刮板式輸送方式，該窄幅傳輸送器具體結構如圖6所示。

圖6 窄幅傳輸送器

2.3.6 存儲箱

為了保證沙灘滸苔清理機的連續作業時間和效率，應該選取足夠容積的存儲箱。但要考慮到動力機械的后部支撐不允許存儲箱有過大的承載量，同時還要考慮自卸對液壓油缸的舉升要求，包括舉升高度和重量。

2.3.7 動力機械

動力機械12 h功率25.7 kW；變速箱前進檔8個，倒退檔2個；前后輪距可調；帶氣剎；帶差速鎖；單作用離合器；力、位調節提升器，Ⅰ類三點式懸掛；機械轉向；雙速動力輸出，動力輸出為嚙合套換檔；輪胎前5.0~15，后11.2~24；帶前、后配重；新型流線型全封閉覆蓋件；組合燈具，最小使用重量為1 450kg。

3 應用效果

滸苔的暴發具有明顯的季節性，短時間召集大量的人力很是困難，有時不得不動用預備役等警力進行應對。本項目樣機試制成功后，經過在日照市山海天浴場和第三浴場進行了多次試驗，收到了良好的撿拾效果。一臺沙灘滸苔清理機5 h撿拾滸苔20余t，只需配備3人就可以完全清理沙灘上的滸苔，一臺拖拉機就能把清理的滸苔送到滸苔處理場地，利用日曬和風干的方法進行處理，可以作為肥料，也可以作為垃圾進行沼氣處理。每個浴場每天按兩臺機械（沙灘滸苔清理機和拖拉機）計算，15個海水浴場需要配置30臺，滸苔暴發期按一個月計算，每年共需要900臺次機械，每天油耗按平均80元計算，使用機械清理滸苔的費用為72 000元，是前一年人工清理滸苔機械費用的49.94%。每個海水浴場按配置5人計算，15個海水浴場每天需要配置75人，一個月共需人工2 250人次，是前一年人工清理滸苔所需人力的44.73%。近3年來人工清理滸苔的人力和機械消耗費用與采用沙灘滸苔清理機后的效益分析如表1所示。

表1 近3年日照市海水浴場人工清理滸苔與沙灘滸苔清理機清理滸苔分析表

4 結論

沙灘滸苔清理機試制成功后，先后在日照市、青島市海水浴場、森林公園等地進行測試。經過3年的運行實踐證明，沙灘滸苔清理機達到了設計目標，運行良好，大大提高了海水浴場對滸苔的清理速度，保護了沙灘，節省了大量的人力和物力。現在，該設備已經推廣到其他海水浴場。