一種水葫蘆水下切割粉碎裝置的設計

馬俊強，賀敏超，陳棋

一種水葫蘆水下切割粉碎裝置的設計

馬俊強1，賀敏超1，陳棋2

（1.廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023；2.橫縣陶圩鎮農業水利站，廣西 南寧 530314）

為解決小型河道水葫蘆難以快速清理的問題，同時實現水葫蘆的徹底粉碎、避免二次復活生長，提出了一種集切割、粉碎功能于一體的三級刀具結構裝置。該結構裝置包括一級切割功能、二級分斷功能、三級切割和傳輸功能，并綜合運用了水的漩渦效應，有效解決了水葫蘆在水中難受力的難題。該結構設計緊湊，不僅降低了狹小空間內水葫蘆的粉碎清理難度，而且電機帶動轉軸依次在三級刀片和漩渦力的配合作用下，實現了水葫蘆的徹底粉碎并將其送出水面，方便皮帶機對碎渣的清理回收。

水葫蘆；漩渦效應；三級刀具結構裝置；小型河道

水葫蘆，又稱水浮蓮，如圖1所示，是一種水生漂浮植物，一旦遇到適合的生長環境便會肆意生長，特征是莖葉懸浮于水上、須根系匍匐于水下、須根系發達且錯綜交叉在一起，相互之間反復纏繞在一起，構成了一張水下的“網”，緊緊交織在一起，如圖2所示。水葫蘆極易遍布整個水面，使得水中其他植物無法進行正常的光合作用，動物不能獲得充足的氧氣呼吸，嚴重影響生態系統的多樣性，而且容易堵塞河道和湖面，影響地區的水上運輸、養殖等產業發展。

圖1 水葫蘆

圖2 水葫蘆根系

隨著技術發展，對水生植物的打撈清理方式逐步由最初的人工打撈逐漸轉變為自動化裝置打撈清理，如船式收草耙式工具、水面割草船等，大大降低了人工勞動強度、提高了工作效率。傳統機械設備完成水葫蘆的打撈清理需要依次進行聚攏、切割、收集、濾水、輸送、儲存、卸載等過程[1]，依然需要人工進行二次處理、耗時耗力，且設備笨重、處理效率低下，不能徹底將水葫蘆進行粉碎、清理，使得水葫蘆二次復活的可能性增加[2]，進而反復污染河水。通過綜合分析各廠商設備的特點發現，設備的模塊布置、處理工序大同小異，但在水葫蘆的切割刀具處理上還是存在較大差異。因此，為了一次性既能解決水葫蘆方便打撈的問題，同時又可以直接將其粉碎、減少二次處理的隱患，本文對刀具結構進行優化，提出了一種水葫蘆的水下切割粉碎裝置的設計方案。

1 水葫蘆水下切割粉碎裝置設計

如果單純依靠人工打撈或簡單設備打撈將水葫蘆扯斷拖出水面，會使得整個打撈清理過程耗時耗力，且容易導致刀具被纏繞抱死，甚至折斷；如果采用大型自動打撈清理船又無法滿足小型河流中的水葫蘆清理打撈工作[3]；因此需要對傳統切割刀具結構進行改進設計。考慮到水葫蘆的特殊生長特征，刀具在切割過程中無法很好的受力[4-5]，而電機帶動旋轉軸在水下做高速轉動時會使得水面產生漩渦現象，如圖3所示，在漩渦的徑向力作用下，就可以將水葫蘆緊緊被拉攏到旋轉水柱的周圍，然后再在刀具的高速旋轉下，使得水葫蘆莖、葉、根須能夠被刀片呈斜角分斷切割，配合漩渦效應，逐步實現水葫蘆的粉碎處理功能。綜合上述思路，設計出具有三級逐步分斷切割功能的刀具，結構如圖4所示。

圖3 水的漩渦

圖4 三級切割刀具示意圖

1.1 漩渦現象

電機帶動切割軸高速旋轉，在軸的旋轉攪拌作用下產生水流與轉軸同向旋轉的漩渦現象，水的表面形成螺旋水坑，水的下面形成寬度不一的水柱，水下的須根系和水上的莖葉組織均會在漩渦的圓周力作用下快速卷入漩渦中，使其主動貼近切割刀具工作面，不僅解決了主動進料的困難，而且還大大降低了刀具的切割難度。

1.2 三級切割刀具功能設計

結合水葫蘆生長特點，保證將其切割粉碎完全，主要從切割、分斷、再切割、輸送的功能設計入手，完成三級切割刀具設計。

（1）一級刀——切割功能。一級刀主要實現在水下就將水葫蘆相互纏繞的須根系切斷分開，同時借助于漩渦向心力，保證切割完成的水葫蘆圍繞在刀具周圍，方便后續的二、三次分斷及回收。

（2）二級刀——分斷功能。二級刀主要實現大部分的須根系和莖葉多次切割，達到粉碎的效果。在漩渦現象、倒錐滾筒刀高速旋轉的共同作用下，將分斷后的須根系、莖葉逐步送入切割刀口，配合漩渦徑向力的作用，將其進行多次分斷、切割，完成大部分的粉碎工作。

（3）三級刀——切割、輸送功能[6]。經二次切割分斷后未被切碎的部分莖葉會進入滾筒刀內部并開始纏繞轉軸，為最大化完成粉碎切割，三級刀有兩方面作用：第一可以再次精細切割，防止轉軸被纏繞抱死，減輕電機運行負載，保持電機轉速和轉矩的平衡；第二可以實現對切割后的碎屑進行螺旋向上傳送，方便下一步利用皮帶機對水葫蘆碎渣的清理、回收。

三級刀具之間是相互配合、逐步有序工作的，可實現切割刀具對水葫蘆的高效清理。

1.3 三級切割刀具結構設計

水葫蘆的根須一般能長到30 cm左右，水葫蘆株高30～60 cm左右[12]，結合水葫蘆生長特點，切割刀具高度設計控制在100～120 cm之間即可滿足使用要求，結合實際環境條件，本次結構設計采用三級切割刀具均布固定在轉軸上的方案，刀片材料選用T10A鋼片[8]，具有較高的切割硬度和較強的耐磨性，同時在轉軸的攪拌作用下，產生自然向心力，刀具安裝方式及工作方式均采用由下往上、由外及內的逐級遞增模式，符合經濟高效的設計原則。

（1）一級切割刀片。刀盤依靠底部的定位安裝孔通過螺釘連接固定安裝在切割軸底端，在電機帶動下，刀片沿傾斜方向對水葫蘆根系高速切割，刀片正反兩側均磨削為切割刃，刀片兩兩之間呈120°夾角[9]。水葫蘆相互之間抱團交叉生長，在垂直方向會產生較大的拉力，因此刀片采用與軸徑呈夾角＝10°～15°[11]的安裝方式，兩者相互配合，可以保證刀片與根系之間呈一定傾斜角度進行斜切，減小切割力，最大限度的一次性完成根系在豎直方向上的切割[6]、分斷，完成第一階段的切割處理，同時位于刀具下方的須根系可以在漩渦現象的作用下，螺旋上升，保證一級刀上下的水葫蘆能夠全部清理。一級切割刀片結構如圖5所示。

圖5 一級切割刀片結構

（2）二級切割刀片。考慮產生漩渦現象的仿倒錐形結構，為最大化利用刀具二級切割效率，刀具結構采用與漩渦結構相似的下窄上寬的倒錐形滾筒刀片設計，倒錐形切割刀整體的高度＝100 cm，工作狀態下，60 cm高度的刀片在水下工作將根須部分切割、粉碎和水下部分莖葉粉碎，40 cm高度刀片在水上面將莖葉部分切割粉碎。滾筒表面平均布置6片刀片，刀片結構呈螺旋狀，均布在圓周，角度＝60°，可使刀片與根莖之間進行緩慢劃切，增加切割接觸時間，對莖葉部分進行多次切割，最大限度完成莖葉的粉碎功能[10]。為進一步增加刀片的切割強度，在滾筒切片內部焊接加強筋，對各個刀片進行圓周支撐，降低在高速切割過程中的彈性變形，二級切割刀片結構如圖6所示。

圖6 二級切割刀片結構

（3）三級切割刀片。在完成一、二級切割后，還可能存在小部分未切割的根莖進入倒錐滾筒內部，進而纏繞轉軸，導致轉軸被抱死，這樣會大大增加電機的運行負載。為防止這種情況的發生，結構上采用在在轉軸四周焊接均勻螺旋布置的3個刀片，刀片與中間轉軸表面始終保持垂直，即使有根莖對轉軸的纏繞情況，也可以立刻將其分斷，保證轉軸始終可以順暢轉動。各級切割刀具的刀刃方向均需與主傳動的旋轉方向保持一致，同時在螺旋的結構作用下，工作中被切斷的碎屑可以在刀背和轉軸的共同作用下，將其帶出水面，方便皮帶機的清理回收。三級切割刀片結構如圖7所示。

圖7 三級切割刀片結構

2 切割刀具形變及穩定性分析

利用SolidWorks三維設計軟件對三級切割刀具的結構進行設計，同時為了進一步提高切割刀具在水下工作中的穩定性、提高切割效率，基于SolidWorks軟件的Motion插件（動力分析功能）對刀具結構部分進行運動模擬仿真分析。因切割刀具結構安裝采用一端固定另一端自由活動的方式，所以在電機帶動旋轉軸高速旋轉過程中，會使得轉軸產生撓動變形，如果刀具長時間的水下工作并處于大幅值的擺動，就容易使得轉軸發生疲勞變形、甚至斷裂，因此，這里主要通過控制改變電機轉速，分析計算對轉動軸的形變誤差和穩定時間產生的影響，得到實驗結果如圖8所示。

通過對比分析圖8仿真曲線，計算得出數據如表1所示。

表1 轉軸穩定誤差數據表

分析圖表數據，可得到以下實驗結論：

（1）刀具在電機啟動瞬間，形變誤差較大；隨著電機運行的穩定，形變誤差急速下降，趨于穩定；

（2）轉軸運行時，在方向和方向形變基本一致，圍繞轉軸末端產生近似圓形的形變；

（3）切割刀具在工作過程中，電機的轉速對轉軸形變誤差變化影響不明顯，同時在實際環境中，水和水生植物的阻力下，可以進一步減小形變誤差的影響；

（4）電機轉速達到500 r/min時，系統穩定時間較快、振動平穩性較好，但隨著電機轉速的進一步提高，系統的振動偏移穩定變差；并且在電機轉速較慢的情況下，輸出扭矩越大，可以滿足清理水葫蘆的實際需求。

3 水葫蘆水下切割粉碎裝置的優缺點

3.1 優點

（1）裝置充分利用轉軸在水中轉動攪拌產生的漩渦現象，降低了刀具在切割過程中對水葫蘆拖拽消耗的無用功，降低能耗，提高效率；

（2）裝置實現了對水葫蘆逐階段切割、粉碎、傳送的功能，不僅可以減小各刀具的切割力，延長刀具使用壽命，而且可以使回收船的整體結構設計尺寸減小、重量減輕，為治理清潔小型河道提供有效方案；

（3）第一、二級刀具結構，不僅增加了刀片與水葫蘆的切割接觸時間，而且可以在較輕浮力作用下，高效地將莖葉和根須切斷，避免了刀具與水葫蘆之間的撕扯，降低傳動負載；

（4）第三級切割刀具結構自帶傳送功能，可以將部分切割完成的碎屑在刀背的推動下隨著轉軸旋轉而帶出水面；同時在漩渦的作用下，切割完成的碎屑在漩渦水柱的周圍聚攏，避免其再次與未切割的水葫蘆糾結到一起，方便清理回收和下一步的切割工作；

（5）切割過程需要轉軸的持續高速旋轉運行，在漩渦效應的配合作用下，電機負載降低，對電機功率要求降低，只需保證電機的轉速和轉矩合理即可，成本降低；

（6）該結構設計不僅實現了切割、分斷功能，而且水葫蘆得到進一步粉碎，可以有效防止回收后的水葫蘆二次復活[2]，避免對水域的反復清理工作。

圖8 實驗仿真曲線

3.2 缺點

該刀具結構在安裝使用過程中也存在以下的缺點，導致安裝、維護和保養成本比較高。

（1）刀片采用螺旋結構，對加工工藝要求比較高，不僅需要保證穩定的安裝方式，還需保證薄片刀具的工作硬度；

（2）刀片采用焊接方式布置在轉軸和滾筒軸上，內外環之間預留空間位置比較小，增加了對刀具的焊接難度，后期對刀片的更換、修復及對刀具的清理會比較困難、危險；

（3）刀具的刀刃要鋒利，并且具有足夠耐磨性、耐腐蝕性，以保證在水下長時間的工作過程中刀片不被腐蝕，并且還要注意切割刀具閑置時候的防銹處理，因此對刀片的加工工藝要求復雜。

4 小結

本文實地考察了水葫蘆生長特性及分布情況，學習了解了現有水生植物打撈清理設備的工作原理，并結合運用攪拌水流產生的漩渦自然現象，提出了基于水葫蘆水生植物的水下切割粉碎一體化裝置，采用特殊的切割刀片、粉碎刀片的結構布局，可以使得整個工作裝置通過做少量的功、最大程度地實現小型河道中水葫蘆的輕松切割清理，同時有效地防止其二次復活。該刀具結構裝置可以運用于類似水葫蘆的水生漂浮植物的切割清理打撈中，供技術人員借鑒和參考。

[1]朱定見. 水葫蘆收割機的研制[J]. 農業機械，2008（12A）：53-54.

[2]賀敏超，趙新業，黃淑芳. 基于機械自動化的水葫蘆清理刀具結構設計[J]. 企業科技與發展，2019（12）：56-57.

[3]王傳耀，楊華. 一種適應長效保潔的小型水葫蘆機械清理裝置的設計[J]. 設計與研究，2006（2）：22-24.

[4]王丹丹，張慶力. 不同環境下植物切割刀具切削力分析[J]. 上海工程技術大學學報，2019，3（32）：45-48.

[5]王丹丹. 水葫蘆雙層切割收集船的機構設計與切割裝置研究[D]. 上海：上海工程技術大學，2015.

[6]趙達境，占向輝. 水葫蘆自動清理壓縮船結構設計及其仿真[J]. 科技與創新，2016（14）：78-79.

[7]蔣永敏，金紅基. 基于ANSYS的挖坑機螺旋葉片有限元分析[J]. 農業機械，2018（2）：97-98.

[8]張雨微. 滾刀式草坪修剪機刀片連續成型機研究與設計[D]. 北京：北京林業大學，2020.

[9]謝宇，任金波，張翔. 水稻秧盤育秧制漿刀片勻漿過程分析及其優化設計[J]. 中國農業大學學報，2020（25）：85-94.

[10]張烽. 便攜式叢生竹剔枝機設計及切削刀刃參數優化[D]. 成都：西華大學，2020.

[11]程方平，庹洪章. 手扶式茶園除草機的研制[J]. 中國農機化學報，2017（8）：50-54.

[12]周華坤，周立. 水葫蘆苗（Halerpestes cymbalaris）的生長特征研究[J]. 西北植物學報，2004（10）：1798-1804.

The Design of a Water Hyacinth Underwater Cutting and Crushing Device

MA Junqiang1，HE Minchao1，CHEN Qi2

( 1.Guangxi Vocational College of Water Resources and Electric Power,Nanning530023, China; 2.Agricultural Water Conservancy Station of Taoxu Hengxian,Nanning530314, China )

In order to solve the problem that the small water hyacinth is difficult to clean up quickly, and realize the complete crushing of the water hyacinth plants and avoid the problem of secondary growth, a three-level cutter structure device integrating cutting and crushing functions is proposed. The device includes the primary function of cutting, the secondary function of breaking, and the tertiary function of cutting and transmission, and integrates the vortex effect of water, which can effectively solve the problem that the water hyacinth plant is not stressed in the water. The compact structure design reduces the difficulty of crushing and cleaning the water hyacinth in a narrow space, and the motor drives the rotating shaft under the coordinated action of the three-stage blade and the vortex force to achieve the complete crushing of the water hyacinth and send it out of the water, which facilitates the belt machine to clean up and recycle the slag.

water hyacinth；vortex effect；three-level cutter structure device；small river

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.03.004

1006-0316 (2022) 03-0019-06

2020-12-29

廣西壯族自治區教育廳2019年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目：遙控式水面漂浮物打撈機的研制（2019KY1316）

馬俊強（1987－），男，河南安陽人，工學碩士，工程師，主要研究方向為工業機器人、機電一體化，E-mail：ma_jq1988@163.com。