海带收获转运装置设计

江 涛 ,谌志新,朱 烨 ,洪 扬,邹海生 ,谭永明，言 伟

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所,上海 200092; 2 农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室,上海 200092；3 青岛海洋科学与技术国家实验室，青海 266237)

海带是一种在低温海水中生长的大型海生褐藻，中国北部沿海及浙江、福建沿海大量栽培，产量居世界第一[1-3]。北方一般在11月上旬开始分苗，来年收获期从5月中旬延续到7月上旬[4]。南方如福建霞浦一般4、5月份即可成熟收获。2018年山东省荣成市海带养殖面积共1万hm2(15万亩)，海带养殖面积、产量均居全国县级市第一位，产量约占山东省80%、全国50%[5]。海带收获模式主要依赖传统大规模人工作业[6]，海带收获人员凌晨4:00出海，平均每天往返4次，每次2 h，下午15:00多上岸[7]。一旦错过收获季节，海带就会烂在海中。因此，海带收获季节性强、生产规模大、劳动强度高。当前从事海带收获的劳动力资源日趋紧缺，劳动力成本不断上升。为了确保海带规模化健康养殖和可持续发展，国内对海带收获机械化装置做了大量的研究并取得了一定的成果。部分装置安装在船上已经能实现机械化收获作业，将海带从筏架收获至收获船上，并在船上实现分割与漂烫[8-9]。但是，由于收获船本身结构庞大，影响了船操纵的机动性；带有海带绠绳导向装置的收获船，收获过程中，在水流速度较大的情况下，船体容易偏离筏架收获位置；而且导向装置过分拖拽绠绳，会使绠绳上的浮子被压碎，影响筏式养殖海带机械化收获过程的设施完整性和作业连续性，降低收获效率。目前研发的收获船大多为收获、暂存一体船[10-14]，未将收获船与运输船分离，因此每条船都需要安装机械化收获装置，总体上增加了造船成本，减少了海带存放空间，成果难以推广。

筏架养殖海带收获模式及装备研究是一项工程化技术研究，即筏架养殖设施[15-17]、夹苗设备[18-20]、日常管理运维装备、收获转运装备实现系统化、模块化、规范化的一个过程。本研究探讨了一种轻简化的新型海带回转伸缩齿爪式收获转运方式及装置，通过对现有海带养殖筏架进行优化，对海带收获转运装备进行设计与陆上台架试验，是海上海带收获试验前的重要环节。

1 海带适宜机械化收获转运的方法

海带全人工筏式养殖设施形式主要有平养和垂养[21-23]，海带平养筏架具有海域利用率高和产量高等优点，在北方海带养殖中得到广泛应用。由于海带平养筏架每根苗绳的两端通过吊绳连接在两侧绠绳上，在机械化收获时，收获船兼具收获和暂存的功能。此外，船体过于庞大，在水流速度较大情况下进入筏架内无法灵活控制，容易偏移筏架位置，难以实现连续性收获及转运。

为解决上述问题，实现海带连续机械化收获，对海带养殖筏架进行优化改进。对海带平养筏架，将海带苗绳首尾依次(或通过连接绳)连接成串。配套设计的回转伸缩齿爪式海带收获转运系统，包括回转伸缩齿爪式海带收获转运装置(以下简称“收获转运装置”)、回转折臂起吊机、横导向滚筒、竖导向滚筒等(图1、图2)。收获海带时，回转折臂起吊机将海带收获转运装置悬挂于运输船甲板上方，海带苗绳与绠绳解扣后被该装置的左侧齿爪提起，经由回转盘上部的一组齿爪从装置的右侧落下。通过回转驱动装置使收获转运装置的回转盘转动，伸缩齿爪同步围绕回转盘圆心的圆周上转动，使落下部分的海带苗绳不断增加，不断下降至运输船的舱内进行叠堆存放，堆到一定高度，可通过回转折臂吊转至运输船储存舱的另一位置继续整齐堆放。当一艘运输船载满海带以后，再对后续运输船进行相同操作。

海水潮流会发生方向改变，筏架上脱扣的海带成串苗绳容易大幅度随水流方向漂移无法顺利进入收获转运装置内，容易从装置内脱落，所以在船艏安装了1根横导向滚筒和2根竖导向滚筒，海带苗绳从横导向滚筒之上及2根竖导向滚筒之间穿过后进入收获转运装置内，可解决苗绳因位置偏差过大而从装置上脱落的问题。海带收获转运船连续收获，并转运至附近的1～2艘运输船上完成1个筏架的海带收获转运过程。整套系统对收获船的配置要求较低， 通常长10 m、 宽3.8 m的船即可满足甲板安置设备的需求。该尺度的收获船有利于在筏架内灵活操控，沿筏架绠绳前行或系泊，运输船可使用现有的舢板或定制，因此收获转运装置便于推广应用。

图1 海带机械化连续收获方法Fig.1 Method of mechanized continuous harvesting of kelp

2 适宜机械化收获的海带养殖筏架改进设计

海带苗绳平均长约2.3 m，为了便于养殖管理，2根苗绳通常连接成4.6 m大串绳，苗绳间距约0.7 m。如图1所示，将大串海带苗绳的首尾依次用直径16 mm以上的绳索连接，形成连续的“几”字形。在连接绳与苗绳端部的连接处系缚吊绳，吊绳分下部吊绳与上部吊绳，下部吊绳一端连接苗绳与连接绳的交汇处，另一端打结后卡入吊绳扣下部的槽内。上部吊绳一端与绠绳连接，另一端穿过吊绳扣顶部的圆孔后打结，使上下部吊绳不容易从吊绳扣中脱落。脱扣时仅需将卡入吊绳扣槽内的绳结往上挑至吊绳扣的空处，即可完成苗绳与绠绳的分离。

传统筏架总长为70 m，养成鲜海带总量为4～5 t。现有每艘运输船只可载鲜海带3 t，采用机械化收获技术后，每个筏架长度可设计为85 m，总的养殖设计产量可达6 t，与运输船的承载相匹配，可减少船只因承载与产量不匹配而产生频繁周转替换的时间。

3 收获转运装置设计

3.1 机械化收获转运机理

海带收获转运装置安装在收获船上，由船上折臂吊机提升至距甲板2～3 m高度，并悬至相邻运输船上方。如图2所示，机械化收获转运装置采用齿爪结构，齿爪安装在回转盘上，在回转盘的周向均匀分布，回转驱动装置驱动回转盘旋转，各齿爪跟随回转盘旋转并做往复运动。起升海带及苗绳时，齿爪伸出插入苗绳下方2棵海带的间隙，往上挑起做圆弧运动。苗绳下降时，齿爪收缩入罩壳内，悬垂的海带苗绳脱离齿爪顺势下坠。采用回转伸缩齿爪式结构，可以使附着在苗绳上的海带在经过齿爪时始终保持垂直状态，避免损伤海带，可解决海带经过回转固定式齿爪时容易缠绕在齿爪上使设备无法连续运转的问题。

图2 海带收获转运装置结构Fig.2 Structure of kelp harvest and transfer device

3.2 回转伸缩齿爪结构

海带收获转运装置包括回转驱动装置、转轴、回转盘、端面凸轮或槽轮、摆杆、支座、伸缩齿爪、齿爪座、挡块、罩壳、机架、滚轮、上部吊环和侧面吊环。由于单根鲜海带约1.25 kg，大串苗绳平均养殖海带80棵，所以一条附着海带的大串苗绳总质量约100 kg。起吊海带苗绳时由于船会摇摆，伸缩齿爪端部的挡块能有效地起到拦护海带苗绳滑脱作用。挡块做成菱锥形，便于齿爪在缩回时海带苗绳从齿爪经菱锥表面滑移脱离。伸缩齿爪在海带苗绳提升时顺序从苗绳下部2棵海带之间插入，通过回转盘转动挑起苗绳和海带做先向上后向下的圆弧轨迹运动，使整棵海带在移动过程中保持竖直状态，可解决海带苗绳与齿爪缠绕无法顺利脱离齿爪而下降，造成后续海带无法顺利提升的问题。海带苗绳下降时，伸缩齿爪逐一按序缩进罩壳内，可伸缩齿爪上的苗绳从棱锥形挡块表面滑出、脱离，然后顺利降落至运输船的甲板舱内。

摆杆安装于凸轮圆周相切位置，可减小装置的结构尺寸，摆杆滚轮沿凸轮圆周切线方向的端面移动。齿爪座固定在回转盘上，使伸缩齿爪既可随回转盘绕圆心做圆周运动，又可由凸轮控制做往复运动，实现齿爪伸出将海带苗绳从一侧挑起，走圆弧轨迹到装置的另一侧，齿爪缩入罩壳，苗绳顺利下降的步骤。

3.3 伸缩齿爪往复运动的时序与行程控制

如图3所示，伸缩齿爪往复运动的时序及行程由固定在机架上的端面凸轮控制。滚子在凸轮廓线11.25°～168.75°区域，齿爪向外伸出；滚子在凸轮廓线191.25°～348.75°区域，齿爪向罩壳内缩进。在极坐标系中，自191.25°开始齿爪从最低点伸出，至168.75°伸出至最高点，行程为60 mm。压簧将摆杆上的滚子紧贴端面凸轮的表面。

图3 凸轮机构及时序Fig.3 Cam mechanism and timing

如图2左视图所示，海带苗绳从回转盘齿爪左侧进入，下部齿爪从回转盘168.75°的位置伸出，插入苗绳下方海带的间隙内(苗绳上垂挂的海带呈一定的柔性，柔性的海带可以避让齿爪，便于齿爪从2棵海带间插入)。随着回转盘的转动，齿爪将海带及苗绳顺着圆弧方向自左向右移动，输送到右侧11.25°的位置开始齿爪缩回，卸下海带苗绳。

3.4 海带串接苗绳受力计算

海带大串苗绳长4.6 m，平均1根大串苗绳养殖海带共80棵，单棵鲜海带平均质量为1.25 kg，苗绳连接形式为苗绳的首尾串接，设定每根海带均匀分布在海带苗绳上，动力起升苗绳的张力计算公式[24-25]：

(1)

式中：Fn—每个海带悬挂节点的苗绳张力(n=1,2,3…)(单位：N)；αn—张力角；LH—根据海带收获船尺度设定苗绳起吊点到导向滚筒的水平距离(4 m)；LV—根据海带平均长度设定苗绳起吊点到导向滚筒的垂直距离(3.5 m)。G—悬挂海带平均质量(1.25 kg)。

利用Maple数学软件[26-28]对数值进行求解，计算结果如图4所示，图4中的方块标记为苗绳上的每棵海带悬挂节点，最上部的节点为苗绳与收获转运装置齿爪的结合点，最下部节点为苗绳与横导向滚筒的接触位置。结果显示，结合点处的张力F1=1 290.6 N；导向滚筒接触位置苗绳的水平张力F2=563.1 N。

图4 海带苗绳悬挂形状Fig.4 Suspension shape of kelp seedling rope

3.5 液压系统设计与计算

3.5.1 主要执行元件计算与选用

筏架设计长度按85 m计，养殖苗绳120排，大串苗绳长度4.6 m，连接绳长度0.7 m，累计总长度635.3 m。设定30 min收获完成，收获速度v=21.2 m/min。齿爪分布圆直径513 mm，齿爪直径10 mm，苗绳直径18 mm，因此，圆周上苗绳中心到转轴回转中心的距离D=541 mm。根据收获速度求出转轴转速n=v/(π·D) =13.2 r/m，扭矩T=F1×D/2=349.1 N·m。

选用镇江液压股份有限公司生产的型号为BMM50摆线液压马达，额定扭矩33 N·m，额定转速358 r/min，额定工作压差6.0 MPa，额定流量20 L/min。选配速比为15的减速箱，输出转速23.8 r/min，扭矩660 N·m，满足设计需要。起吊臂架采用折臂吊的形式，臂架油缸的缸径 90 mm、塞杆直径 63 mm、行程440 mm。油泵选用武汉兴达液压设备有限公司生产型号为25SCY14-1B的轴向柱塞泵，理论排量 25 L/min，公称压力 31.5 MPa，最大传动功率 14.1 kW。

3.5.2 液压系统设计

海带收获转运装置的旋转、折臂吊的变幅机构均采用液压传动(图5)。

图5 液压系统Fig.5 Hydraulic system

轴向柱塞泵由装在油箱上的电机带动，直接从油箱中吸油，经过滤油器输出压力油。通过手动可以调节泵的排出油量，从而对各机构的工作速度进行总调节。三联多路阀可控制压力油的流向，分别驱动收获转运装置回转盘的旋转、折臂吊两个油缸的独立伸缩。系统工作压力由溢流阀控制。3套机构的油路相互串联，可实现一个机构单独动作或几个机构组合动作。在驱动油缸的油路中，在油缸的无杆腔一端设置了叠加式液控单向阀，其作用是，若油缸油管突发泄漏，可阻止支撑起吊重物的液压缸活塞快速下滑，确保折臂吊的臂架不会突然下降，避免引起安全问题。叠加式节流阀就相当于是2个通路，一侧是节流，另一侧是单向阀，如从节流一侧进油，单向阀是关闭的，只能从节流口通过，可起到节流作用；从另一侧进油时，单向阀打开，不起节流作用。

4 试验

根据海带收获转运的机理，设计并试制了海带收获转运装置，通过试验验证成串转运海带苗绳的可行性。试验材料：附着苗绳的小海带(海带长度0.6 m，海带间距70 mm，苗绳长度4.6 m，小海带质量0.25 kg/棵)，伸缩齿爪海带收获转运装置，扭矩仪[27]。如图6所示，将收获转运装置固定在距甲板2 m高处，海带苗绳首段置于收获转运装置的齿爪上，驱动回转盘顺时针旋转，齿爪作往复运动，带动海带苗绳从左端升起右侧下降。试验对照了不同起吊角度(a)时伸缩齿爪收获转运装置的试验情况(表1)。

图6 海带转运试验Fig.6 Kelp transfer test

试验可知，海带收获转运装置将海带苗绳从低处升起，并从另一处降下。起吊角>15°时，预期与苗绳接触的齿爪会在苗绳的下方伸出，挑起苗绳，使苗绳跟随齿爪移动，实现海带连续转运；当起吊角≤15°时，预期与苗绳接触的齿爪因角度过小会在苗绳的上方伸出，无法挑起苗绳，使苗绳脱离齿爪。伸缩齿爪收获转运装置，前部齿爪收缩在罩壳内，需要挑起苗绳和海带时才伸出。悬垂的海带尾部没有与回转盘下部的齿爪接触，避免了海带对齿爪的缠绕。伸缩齿爪可以插入2棵海带间隙内，传输过程中海带始终保持竖直，没有发生海带缠绕齿爪的现象，收获转运作业可连续进行。

表1 成串海带苗绳转运试验Tab.1 Transfer test of kelp seedling rope in string

5 结论

初步改进设计了适宜机械化收获的海带养殖筏架新模式，通过连接绳使海带苗绳首尾相连，与绠绳分离后形成一整串苗绳，便于机械化连续收获转运。在此基础上形成的回转伸缩齿爪式海带收获转运装置有效解决了在收获转运过程中海带缠绕齿爪的关键问题，齿爪有序伸缩可实现海带在转运过程中保持竖直转运至运输船上，减少了海带转运过程中的损伤，但苗绳的起吊角需要大于最小起吊角15°。结构上创新采用端面凸轮机构控制一组齿爪往复时序与行程，结构紧凑。构建的成串海带苗绳起吊张力数学模型，为动力装置的选用提供了重要依据。台架试验成功验证了伸缩齿爪海带收获转运技术是可行的，可为将来海上试验提供良好的基础。海带收获转运系统包括折臂吊机、海带收获转运装置以及辅助导向滚筒，结构简单，设备轻巧；该装置有助于减小船体尺度，且操控灵活、成本低；系统将大幅减轻收获转运的劳力，减少操作人员的数量，实现海带收获转运轻简化，便于推广应用。