海帶采收模塊及其支持船的設計與分析

劉和煒，盧龍飛，江 濤

(1.中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，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致海洋酸化，給海洋生物和水產經濟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及促進碳固定，甚至還有可能促進形成長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重新進入海洋甚至大氣層，導致固碳量減少。

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個問題：收割過程中解開吊繩，導致收割效率降低[13-15]；機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]；難以根據海帶的種類切割出合適長度的海帶[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，并且可以根據海帶的種類進行切梢、去根，但在收割過程中需要逐個解開吊繩，導致效率較低，且收割裝置仍固化于船[24]。仿生型海帶采收裝置通過對人工采收海帶動作的模仿，降低采摘損耗，提高了收獲效率，但仍固化于船，且無法根據海帶的品種類型調整切割長度[25]。因此，海帶采收裝置及其支持船應從降低采收損耗、提高采收設備利用率、實現支持船多用途化以提高船舶利用率等3個方面進行考慮。具體而言，通過模塊化設計，實現船、機的時空分離，利用不同牧場海帶成熟期的時間差，或不同品種海帶成熟時間差，利用模塊化設備即插即用、安裝快速的特點和采收速度的高效性，在不同的海洋牧場進行采收，從而提高采收設備的利用率。同時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；通過仿生設計，降低采收損耗率，從而有利于推動實現海帶采收機械化。

1 設計方法

1.1 模塊化設計

所謂模塊，就是可以組成系統、具有某種確定功能和接口結構、典型的通用獨立單元，具有3個特征：依托接口的分拆性與更換性、功能性、標準性[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，二者構成海帶采收船系統；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；采收模塊采用標準集裝箱為功能艙，將采收設備容納其中；集裝箱底的角件孔與支持船甲板上設置的轉鎖形成一對接口，借此實現采收模塊與支持模塊的快速分離與結合。

1.2 仿生性設計

在本方案中，限位及拖曳單元仍采用仿生學設計原理[25]，但囿于集裝箱空間的限制，將之前拖曳系統中的電液推桿改為傳送帶系統，同時對限位單元做了優化。

2 采收模塊的設計

2.1 載體

存儲的完好性、運輸的靈活性、安裝的便捷性，輔之以標準化的尺寸與制造，使得集裝箱成為模塊化設計中的完美載體，在陸地及船舶上均得到廣泛的使用[27-28]。鑒于在浮筏平養方式中，每一浮筏由2根平行間距約6 m、每根長約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成。苗繩凈長度為2.0 m[29]，因此選用外部長×寬×高為6.058 m×2.438 m×2.591 m的標準干貨集裝箱作為模塊化海帶采收裝置的載體，其內部尺寸為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動機構向上掀起。此外，前、后壁上對應設置門，該門與采收裝置中的步道對齊。

2.2 引導機構

圖1為移除集裝箱后的采收裝置的示意圖。前導軌、兩前支臂、前橫桿和兩條拉索一起形成前導軌組，后導軌、兩個后支臂和一根帶有多個撐桿的后橫桿構成后導軌組。前、后導軌及前、后支臂均采用單液壓缸插銷式伸縮臂。前、后導軌分別在前、后電液推桿的作用下實現俯仰，從而實現3個功能：1)前導軌的俯仰角與其伸縮長度的調整，可以將海帶設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)后導軌的俯仰角與其伸縮長度的調整，可以調整海帶的去梢位置；3)前、后導軌的俯仰可以實現集裝箱前、后艙壁的開合，即導軌將艙壁抬至水平后，由前、后支臂伸出并支撐艙壁，導軌回落至適當角度，實現艙壁開啟，以及導軌抬升至水平支撐艙壁后，前、后支臂回縮，后導軌托著艙壁回落，實現艙壁閉合。前水平臂與后水平臂分別用于支撐集裝箱的前壁與后壁。相關導軌及前、后支臂上設有滾輪，以減小開啟艙壁時的摩擦力。

前支臂與前橫桿之間設有拉索，用于對苗繩進行左右限位，苗繩將沿前導軌上升，經支架上沿，運行至后導軌，并沿后導軌下滑。后橫桿上設有撐桿，用于與后導軌共同支撐苗繩，以免苗繩因海帶的重量而下垂過多，導致去根時切斷苗繩。

機架下部設置滾筒輸送機，為海帶后移提供額外動力。滾筒輸送機兩側設置擋板，既防止海帶在拖曳過程中滑到相鄰的輸送機上，也可在被放倒后遮蔽滾筒輸送機，構成步道。

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的幅度，被抬起的擋條和限位框則限制綆繩上下活動的幅度。隨綆繩向后運動的吊繩推動葉片向后轉動，吊繩隨旋轉葉片通過缺口，繼續隨綆繩向后行進。同時葉片阻擋綆繩因受海帶重力影響被拉進缺口，從而導致綆繩脫離限位器。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，有利于浮球快速穿過限位框，這是與文獻[25]中的限位單元的不同之處。

拖曳機構的主體是傳送鏈。傳送鏈上設有若干耙齒組，每個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設置1只未攻絲的M64六角螺母胚料，綆繩上下往復穿過該螺母，使其不會從耙齒間穿過。預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.前導軌;6.前橫桿;7.拉索;8.滾筒輸送機;9.滾輪;10.后水平臂;11.后導軌;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成，上割刀由后橫桿支撐，下割刀位于機架后方底部。割刀由滑槽、齒條、固定刀片、連接于齒輪的動刀片和電液推桿構成。電液推桿推動齒條，從而使動刀片轉動，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，有效連接每根拖索與對應的綆繩。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軌上移。當浮球經過限位器時，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，擋條恢復對綆繩的限位。當傳送鏈板向后運轉時，耙齒組向后推動螺母，從而將綆繩向后拉動。當苗繩被拉到傳送鏈板的下行程面時，苗繩落于后導軌之上，并在其上在海帶自身重力作用下，沿后導軌組下滑。待所有的海帶苗繩均下滑至底部后，抬升后導軌組至適當位置。若下割刀與上割刀間的海帶長度少于所需長度，則繼續抬升。若抬升至最高處仍不夠，則可啟動滾筒輸送機，使其向后運輸一段海帶，以滿足長度要求。而后啟動下割刀，切去海帶梢，然后再啟動上割刀，切去海帶根部，如圖4所示。

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

3 支持模塊的設計

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，約占全年時間的1/3，因此支持船需在余下的時間中從事其他作業，以提高利用率。海洋牧場除養殖海帶外，還養殖魚類或貝類，對放置和維護人工礁、釋放魚苗、捕撈漁獲、監測海洋環境、旅游觀光和進行科學教育有一定的需求[30-32]。因此，支持船應具有以下特點：1)具有較大的甲板作業面，以便于網具收放，并配備吊機以利于網箱換網、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，以便在筏架區或網箱區的狹窄水道中順利航行、作業；3)能夠搭載采收模塊。依據上述3點，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，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、網具、人工魚礁等。對于兼顧海區環境監測、觀光垂釣、科普教育的支持船，由于其所服務的對象多為易于暈船、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[33]對此船型已有論述，本文僅論述采用常規雙體船的方案，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，船舶總長為29.5 m，型寬為12.0 m，型深為3.3 m，吃水2.1 m，設計排水量為203 t。每個片體內設置1臺122 kW的主機，設計航速為10節。船舷右側設置2部型號為M125.20A3的折臂吊車，吊機最大額定吊力為2.45 t，額定起重力矩為114.9 kNm，最大吊臂范圍10.1 m；中部設置1部起網機；首部設置1個滾筒。船上設有3處與集裝箱配套、用以固定集裝箱的轉鎖，視筏架布局，選擇對稱或單側設置采收模塊。采收模塊處欄桿設置為可倒欄桿，以適應采收裝置前導軌的俯仰。

注：1.采收模塊;2.自行小車;3.吊機;4.起網機;5.滾筒。

3.2 使用方法

當支持船用于采收海帶時，首先將采收模塊底部角件孔與支持船甲板上的轉鎖對接鎖定，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，車內設網具，車長略大于苗繩長度。采收過程：海帶先去梢，而后將其端部放入外側小車網中，再切去根部，之后滑入網中；滾筒輸送機將海帶梢輸入內側小車網內；小車駛入吊機作業區，由船載吊機將網具及其內的海帶吊運至位于支持船船首或舷側的轉運船上，而小車自動返回原作業區，等待下一次作業；船舶在筏架組間垂直于綆繩的縱向水道中行進、采收，直至駛至該水道盡頭，而后掉頭駛入另一筏架組間水平水道進行作業。自始至終，船舶不進入兩綆繩之間采收，也不進入平行于綆繩的橫向水道進行作業。

當支持船不用于海帶采收時，將采收模塊及小車等吊離船舶即可。此時，船上的起網機與吊機配合，可用于更換網箱網衣；或起網機與滾筒配合，用于起捕漁獲；吊機也可吊裝吸魚泵管頭，與收漁船配合收取網箱中的漁獲；或作為海洋牧場值班船；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，并進行投放；或在風平浪靜之時，用作休閑漁船，搭載少量游客進行體驗型捕撈。

4 討論

4.1 采收效率

以山東省榮成市的海帶養殖模式為例，苗繩按1.5 m間距平行設置于2根長度為75 m的綆繩之上，一般設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，因此完成一個浮筏作業的采收時間可近似為25 min，每個模塊可收獲海帶5 000 kg 。在理想狀態下，船舶可以在休息期間進行移位、掛繩、轉運等作業，因此在每天6 h的拖曳時段中，每個采收模塊可作業14次，收獲海帶70 000 kg。

4.2 船型布置

采收模塊設置于兩側，用于同時采收左右2個筏架上的海帶；置于同側，則用于采收同一筏架上不同列浮筏上的海帶。此外，在浮筏間水道及經濟條件允許的情況下，也可以采用較長的船舶，兩側對稱設置多個模塊，可大幅提高每天的采收量，并可兼顧儲運海帶。

4.3 導軌防腐

本文中所用的導軌為單液壓缸插銷式伸縮臂，其內部伸縮、鎖定機構較為精密，因此入水的前導軌的防腐是一個值得研究的問題。若內部鎖定機構可采用工程塑料制作，或用工程塑料包覆，則可以提高設備的防腐能力，這需要進一步研究。

4.4 作業模式

目前長青海洋科技股份有限公司的采收作業模式為人工采收，1 000人、1 000艘舢板每天共采摘6×106kg。按此采摘量，在理想狀態下，共需43艘母船搭載86只采收模塊進行采收，以及150余舢板進行轉運。而一般海洋牧場沒有如此多的母船，因此，有必要考慮鄰近海洋牧場的聯合作業。但聯合作業需考慮到各海洋牧場的定位，因而還需要進一步摸索、探討。或者成立專業海帶收割隊伍，通過陸路運載采收模塊至相關海域，并租用船只，搭載模塊進行采收，這不僅可使海洋牧場方及收割隊減少大量設備投資及維護費用，而且可讓當地船舶擁有者通過租船，提高船舶的利用率并獲利。

4.5 搭載其他海帶采收設備

本研究設計的支持船也可用于搭載其他海帶采收設備，只需在該采收設備的適當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運船上。

4.6 未來可能的拓展

未來可能加裝測量系統，自動測量海帶所需長度，從而據此將水流速度、拖曳速度、后導軌俯仰角度、滾筒輸送機運轉速度及啟停時間、割刀切割時間統一協調起來，由電腦控制，進一步減輕工作人員的勞動強度。

5 結論

模塊化海帶采收裝置基于模塊化原理和仿生原理，以機械設備模仿人工采收，在降低采摘損耗的同時，大幅提高勞動效率，降低勞動強度；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有前途的發展方向，有可能推動海洋牧場發展出新的管理模式——類似目前陸地農業中的農機專業化運作形式。模塊化海帶采收裝置將有助于推動海帶成為藍碳的重要制造者，為控制碳排放作出貢獻。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一步優化。同時，采收船各設計參數也需要進一步研究，以期滿足未來生產的需要。