菲律宾蛤仔采捕机振动松土装置设计与试验

母 刚， 段 富 海， 张 国 琛， 李 秀 辰， 祝 春 柳， 张 倩

( 1.大连理工大学 机械工程学院， 辽宁 大连 116024；2.大连海洋大学 机械与动力工程学院， 辽宁 大连 116023 )

0 引 言

菲律宾蛤仔作为一种重要的海水养殖贝类，一般生活在潮间带中潮区至潮下带区域的海底，埋栖深度为3～15 cm．多年来我国一直是菲律宾蛤仔最主要的养殖生产国，2015年产量超过400×104t，占全球产量的98%[1]．采捕是菲律宾蛤仔养殖生产的重要环节．传统采捕方法一般采取蛤耙、翻滩和挖捡等人工作业方式，存在劳动强度大、效率低、人力成本高、在较深水域无法作业等问题，制约了蛤仔大规模采捕．随着养殖生产规模的不断扩大，捕捞方式也由人工采捕过渡到机械化采捕．国内外常见的采捕设备以水力喷射式采捕为主[2-5]，也有泵吸式采捕法[6]，该类采捕方法主要采用高压水冲击海底，疏松海底土壤呈流态进行采捕，从而降低工作阻力．该方式激起的大量泥沙导致收获的贝类含沙量大、成活期缩短、海水透明度下降、捕后留下沟痕滞留时间长等问题，影响贝类生产的可持续发展[7-10]．疏松和软化海底土壤作为蛤仔采捕的关键技术，可有效降低土壤硬度和采捕设备的牵引力[11]．振动技术广泛应用于农业生产和建筑工程等领域的松土作业，利用机械、液压、电磁等方式激振，降低挖掘过程的阻力，提升工作效率．例如Shahgoli等[12]将不同频率和振幅的振动犁与固定犁进行了对比，振动挖掘可减少27%的功率；董向前等[13]采用低频振动松土铲对草原土壤进行疏松作业，牵引力减少了40%；张永华等[14]设计并虚拟试验了液压激振马铃薯挖掘装置，证明该装置可在4～10 Hz正常挖掘；付威等[15]利用研制的偏心连杆式萝卜收获振动装置进行松土试验，并确定了机器前进速度、激振频率和振幅等最佳参数组合；张士玺[16]利用土壤液化原理进行荸荠采收，对含水量较高的土壤进行激振流化，使原本固结的土壤变成流质状态，减小了采收阻力，降低了整机功率．

在加拿大和美国的西部沿海滩涂地区，养殖户利用机械振动式采捕机收获蛤类，速度是传统人工采捕的10倍，且成本降低70%，取得了良好的经济和生态效益[17-19]，在意大利也有相关研究[20]，但相关技术在国内尚未见报道．振动不仅可以疏松埋栖贝类的土壤，有利于采捕作业并降低牵引设备功率，而且振动波的传导还可以促使菲律宾蛤仔采捕时提前闭壳，从而减少沙土进入其内脏，降低产品含沙量．

本文为解决菲律宾蛤仔采捕时土壤软化疏松问题，降低设备的牵引力，设计和仿真优化采捕机前置振动装置，通过样机的试验研究，探讨振动频率、牵引速度和振幅对样机牵引力和土壤贯入力的影响，以期确定合理的技术参数，在蛤类采捕时疏松和软化土壤，降低设备的牵引力，进而为菲律宾蛤仔生态采捕整机的研发提供重要参考．

1 振动装置设计与仿真

1.1 结构设计

菲律宾蛤仔采捕振动装置的结构如图1所示，该装置可作为菲律宾蛤仔采捕设备的前置机构，辅助采捕作业．工作时由电动机6驱动与换向器5连接的偏心轮4进行一定频率的旋转，带动连杆3、摇杆2及耙齿1绕机架7做往复摆动，同时在拖曳装置的牵引和滑靴8的支撑下于海床上前进，进行菲律宾蛤仔养殖土壤疏松作业．整个装置外形尺寸为1 110 mm×640 mm×720 mm，根据蛤仔埋栖深度，耙齿入土深度150 mm，直径16 mm，齿间距115 mm．耙齿工作时由如图2所示的曲柄(偏心轮)摇杆机构带动振动，该机构曲柄长度(偏心距)为0～50 mm可调，机架、连杆、摇杆和耙齿的长度分别为595、350、500和417 mm，耙齿固定端距振动中心c(摇杆与机架铰接点)为150 mm．

1 振动耙齿; 2 摇杆; 3 连杆; 4 偏心轮; 5 T形换向器; 6 电动机; 7 机架; 8 滑靴; 9 耙齿架

图1 蛤仔采捕机振动松土装置结构图

Fig.1 Structure diagram of oscillation device of scarification for clam dredger

1.2 振动耙齿运动学分析与轨迹仿真

应用多体动力学仿真软件ADAMS对振动机构及耙齿进行几何建模(图2)，对曲柄长度e参数化，在各构件上施加相应的转动副、移动副和固定副等约束，并在曲柄和机架上分别加载旋转和平移运动．在耙齿顶端添加一个标记点(MARKER38)，点运动可视为沿x轴负方向的水平移动和摇杆上的耙齿绕振动中心c的往复摆动的合成，因摆动振幅A相比振动半径R小且摆动角较小，可以将振动圆弧简化成斜置的往复直线摆动，再叠加水平直线移动构成一个倾斜的正弦振动[14]．耙齿的运动轨迹可用坐标方程表示为

x=-v0t+v′xt=-v0t+Acosφsinωt

(1)

y=v′yt=-Asinφsinωt

(2)

将上式对时间求导可得速度方程：

vx=-v0+Aωcosφcosωt

(3)

vy=-Aωsinφcosωt

(4)

进一步求导得加速度方程：

ax=-Aω2cosφsinωt

(5)

ay=Aω2sinφsinωt

(6)

式中：x、y为水平和竖直位移，m；vx、vy为水平和竖直速度，m/s；ax、ay为水平和竖直加速度，m/s2；v0为装置水平牵引速度，m/s；v′x、v′y为无前进速度时水平和竖直速度，m/s；A为振幅，mm；φ为振动角，(°)；ω为曲柄转动角速度，rad/s；t为时间，s．

1 曲柄; 2 机架; 3 耙齿顶端点运动轨迹; 4 振动耙齿; 5 摇杆; 6 连杆

图2 振动耙齿运动分析

Fig.2 Motion analysis of oscillation tine

由式(1)和(2)可知，振动耙齿的轨迹与振幅A、曲柄角速度ω(曲柄转动频率f)、装置水平牵引速度v0以及振动角φ密切相关，可用式(3)中装置无牵引速度时的最大水平分速度vx(max)与装置牵引速度v0之比λ进行描述：

(7)

速度比λ是控制振动效果最重要的参数，当λ>1时可有效减小牵引力[12-13]．通过调节曲柄转动频率f、牵引速度v0以及耙齿振幅A改变速度比，其中参数f可由变频器控制电动机实现，v0的调节取决于牵引设备，而A可通过改变曲柄长度e调节．为获得耙齿相应的振幅，常采用解析法或图解法求解e，但计算量相对较大．本设计利用ADAMS/View的参数化分析方法中试验设计工具(design of experiments，DOE)，将曲柄长度e作为设计变量，以耙齿顶点MARKER38的振动幅值为研究对象进行仿真设计并不断缩小曲柄长度e的取值范围，直到确定振幅为5、10和15 mm所对应的曲柄长度(偏心距)分别为8.5、17.0和34.0 mm．

在不同条件下，选择5、10和15 Hz曲柄转动频率f，装置牵引速度v0根据实际工作牵引船速选取0.13 m/s(0.25 kn)、0.51 m/s(1 kn)和0.90 m/s(1.75 kn)，取振幅A分别为5、10和15 mm[19,21]，在ADAMS/View环境中仿真不同组合下耙齿顶点MARKER38的运动轨迹，同时创建一个测量函数f(t)，测量耙齿MARKER38点振动时的合速度角，该角度可通过式(8)求出，并选取最小值γ．最后可通过ADAMS/Postprocessor模块绘制相应的x-y位移轨迹图(图3)．

(8)

式中：vr为耙齿顶点MARKER38的合速度，mm/s；vx为耙齿顶点MARKER38的水平速度，mm/s．

如图3(a)所示，当牵引速度和振幅一定时，随着曲柄转动频率的增加，耙齿运动的速度比λ逐渐增加，同时最小速度角γ逐渐减小．当频率为10和15 Hz时，速度比λ>1且γ<90°，此时耙齿的运动轨迹在水平方向的投影有重叠部分，在一个振动周期内的土壤受到的扰动次数大于1，重复挖掘对土壤软化有积极影响．另外耙齿振动前行时有向后切削和压缩土壤的分力，同样装置会受到与牵引力方向一致的土壤前向反作用力，从而有利于减小牵引力．同样，当其他条件固定时，速度比λ随牵引速度加快而减小(图3(b))，随着振幅的增加而增大(图3(c))，当频率为15 Hz，牵引速度为0.13 m/s，振幅为15 mm时可获得比其他条件更大的速度比(λ=5.66)和更小的速度角(γ=60°)，牵引力相对较小．Shahgoli等[12]的研究表明，虽然增加λ有利于降低牵引力，但整机消耗功率在速度比较大时却有所增加．为取得最佳的减阻及土壤软化效果，并确定相应的参数水平及速度比，进行了试验研究．

(a) v0=0.13 m/s, A=5 mm

(b)f=15 Hz,A=15 mm

(c)f=15 Hz,v0=0.13 m/s

图3 不同因素水平下耙齿的运动轨迹

Fig.3 Oscillation pathways of tine tip with different factors and levels

2 试验研究

2.1 材料、设备与方法

2.1.1 试验材料与设备 试验地点选取大连市一个菲律宾蛤仔养殖潮间带区域(39.02°N，121.48°E)，土壤密度为(1.91±0.09)g/cm3，土壤质地为砂土类．作业前土壤贯入力为(57±12)N．试验设备包括经仿真优化设计的蛤仔采捕振动松土装置(质量m=130 kg)、X680型变频器、8 t 牵引设备、WG-N型土壤贯入力测定仪和DL-W1型无线数显拉力计．

2.1.2 试验方法 采用重复(n=3)单因素试验法和三因素三水平重复(n=2)正交试验法，检验各因素对土壤软化和样机牵引力的影响．正交试验的因素及水平如表1所示．土壤贯入力是反映土壤软化程度的一项重要指标[22]，为研究装置对土壤的疏松软化效果，测定试验前后同一区域6个点位贯入深度为150 mm的土壤贯入力(N)，作为土壤软化评价指标．振动减阻效果采用装置行进时的平均最大牵引力(kN)进行评价．数据处理采用Origin9.0和SPSS22软件，显著性水平设为95%(p<0.05)，极显著性水平设为99%(p<0.01)．

表1 正交试验因素水平表

2.2 单因素试验结果与分析

(1)振动频率对装置牵引力和土壤贯入力的影响

如图4(a)所示，在振幅为5 mm，牵引速度为0.13 m/s条件下，振动松土装置行进时最大牵引力随频率增加而持续下降．频率从5 Hz提高到10和15 Hz，最大牵引力分别下降了1.81%和4.84%，加快振动频率可提高速度比，从而减少牵引力，与之前的仿真结果以及董向前等[13]的研究结果一致．但在此试验条件下，牵引力下降的幅度有限，可能与该蛤仔养殖区域土壤砂性有关，粒径较大的砂土黏结性和塑性较小[23-24]，经低频振动已受迫松散，进一步提高频率，减阻效果有限．

经各频率振动后，土壤贯入力下降明显，随着频率的升高，振动后的土壤贯入力呈下降趋势，但5和10 Hz频率振动后的土壤贯入力降幅相差较小，分别下降了24.86%和27.63%，而经15 Hz频率振动后的土壤贯入力下降了66.95%，较振动前软化效果显著．表明提高振动频率可以使单位体积的土壤受循环荷载次数增加，饱和土壤的动弹性模量将随着振动次数的增加有所降低，土壤应变软化[25]．

(a) v0=0.13 m/s, A=5 mm

(b)f=15 Hz,A=15 mm

(c)f=15 Hz,v0=0.13 m/s

注：图中虚线为振动前土壤贯入力

图4 不同因素水平下振动对土壤贯入力和装置牵引力的影响

Fig.4 The effect of different factors and levels on penetration force of soil and draft force of device

(2)牵引速度对装置牵引力和土壤贯入力的影响

当振动频率为15 Hz，振幅为15 mm时，牵引速度对土壤贯入力和装置牵引力的影响如图4(b) 所示．最大牵引力随着牵引速度的增加而明显增大，牵引速度为0.90 m/s的最大牵引力相比0.13 m/s时增加了近2倍，结果与李霞等[26]采用深松机松土时，牵引力随前进速度加快而增大的结论一致．牵引速度为0.13 m/s时，牵引力最小，该条件下装置的速度比(5.66)远大于其他两种牵引速度条件速度比(1.42和0.81)，仿真结果与试验结果一致．

3种牵引速度条件下，与振动前相比，振动后土壤贯入力都明显下降，振动后土壤贯入力随牵引速度增加而略有增加．牵引速度为0.13 m/s时，振动前后土壤贯入力下降幅度最大，达到65.65%，牵引速度为0.51和0.90 m/s时，土壤贯入力分别下降了64.04%和61.26%．在试验中观察到，牵引速度越快，装置前端壅土现象越严重，表明过快的牵引速度不利于土壤的疏松和牵引力的减小．

(3)振幅对装置牵引力和土壤贯入力的影响

由图4(c)可知，在频率15 Hz和牵引速度0.13 m/s条件下，振幅为5和10 mm时装置的最大牵引力变化不大，平均值均为2.36 kN，但10 mm振幅时牵引力较为稳定．当振幅增加到15 mm时，最大牵引力较前两种振幅下降了16.74%．在相同频率和牵引速度条件下，较大的振幅可获得较大的速度比，装置的牵引力减小，与仿真结果一致．

经振幅5、10和15 mm的扰动后土壤贯入力均明显降低，分别下降了59.07%、59.65%和65.65%．与振幅对牵引力的影响类似，经5和10 mm振幅振动后，土壤贯入力区别不大，平均值在23～24 N，当振幅进一步增大到15 mm时，土壤贯入力较前两种振幅下降了15%左右．表明振动挖掘可明显降低土壤的硬度，通过加大耙齿对土壤的往复切削幅度，降低土粒之间黏结强度，促使土壤软化疏松，有利于蛤仔的采捕．

2.3 正交试验结果与分析

正交试验设计及结果如表2所示，极差分析如表3所示，其中ki(i=1,2,3)为各因素在i水平时因变量的均值，由ki可见，牵引速度(C)与装置牵引力呈正相关性．根据极差R值的大小排列可知，影响装置牵引力主次因素为：牵引速度(C)>振幅(B)>曲柄转动频率(A)．综合各因素的水平，当作业条件为牵引速度0.13 m/s(C1)、振幅15 mm(B3)和频率15 Hz(A3)时，该装置的牵引力最小．

表2 装置牵引力与土壤贯入力正交试验结果

Tab.2 Orthogonal experimental results of draft force of device and penetration force of soil

试验号A曲柄转动频率水平B振幅水平C牵引速度水平平均最大牵引力/kN振动后平均贯入力/N11112．4842．1721223．4515．1731332．7811．7542133．2321．4252212．6121．0862323．249．9273122．3025．5883233．7621．1793311．9719．58

装置牵引力与土壤贯入力方差分析如表4所示，在该试验条件下，3个因素中只有牵引速度(C)对牵引力影响显著(p<0.05)，振幅对于牵引力的影响(p=0.094)大于频率对其的影响(p=0.491)，与极差分析的结果一致．酒井憲司等[27]的试验结果也表明振幅比频率对牵引力的影响更大，而孙亚朋等[28]的研究结果则相反．这种差异不仅可能与土壤的自然特性和作业条件如土壤类型、固有频率、容积密度、含水率和作业深度等有关[29]，也与不同因素组合条件下的速度比有关[30]．

土壤贯入力的极差分析结果(表3)表明：振幅(B)与土壤贯入力呈负相关性，且为影响土壤贯入力的主要因素．牵引速度(C)是次要影响因素，影响程度最小的是曲柄转动频率(A)．振动后土壤贯入力最小的组合条件为振幅15 mm(B3)、牵引速度0.51 m/s(C2)和频率10 Hz(A2)．通过方差分析结果(表4)可知，振幅和牵引速度对振动后土壤贯入力的影响极其显著(p<0.01)，而频率的影响并不显著(p>0.05)．综合考虑各因素的显著性、单因素试验结果并兼顾采捕作业效率，降低土壤贯入力和装置牵引力的最优作业条件为振幅15 mm、牵引速度0.51 m/s和曲柄转动频率15 Hz．

表3 装置牵引力与土壤贯入力极差分析

表4 装置牵引力与土壤贯入力方差分析

3 结 论

(1)设计了曲柄摇杆式菲律宾蛤仔采捕前置松土装置，对其工作耙齿进行了运动学分析，应用ADAMS软件对振动机构进行建模和计算，得出耙齿顶点的振幅为5、10和15 mm时对应偏心距为8.5、17.0和34.0 mm．在不同频率、牵引速度和振幅条件下仿真耙齿顶端运动轨迹并求解了速度比λ和最小速度角γ，当λ>1，γ<90°时，振动对减小牵引力有积极影响．

(2)样机的单因素试验结果表明，提高频率和振幅、降低牵引速度有利于软化蛤仔养殖土壤，降低装置牵引力，与仿真结果一致，但本试验条件下加快频率对降低装置牵引力的效果不明显．

(3)正交试验方差分析表明，牵引速度对土壤贯入力和装置牵引力影响显著，耙齿的振幅对土壤贯入力有极其显著的影响．综合考虑各因素，确定振幅15 mm、牵引速度0.51 m/s和曲柄转动频率15 Hz为菲律宾蛤仔养殖土壤软化和装置减阻的最佳条件，该条件下的仿真结果显示其速度比λ为1.42，最小速度角γ为73°，振动试验后土壤贯入力较之前下降了64.04%．

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