自动拖拽转挂式海带采收船的设计

谭永明， 谌志新， 楚树坡， 楼上游， 江 涛

(1 中国机械科学研究总院，北京 100044； 2 青岛海洋科学与技术国家实验室，山东 青岛 266237；3 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

中国海藻资源丰富，养殖海带约占全世界产量的一半，是世界上最大的海带生产和食用的国家[1]。山东半岛是国内最大的海带养殖地区，约占国内养殖量的70%[2-3]。采收海带是一项高强度的体力劳动，采收工需要在凌晨三、四点进入采收区[4-5]，人工摇动舢板进入筏架绳之间，将苗绳捞起，解开或割断苗绳两端的吊绳，将苗绳及苗绳上的海带拖到舢板上，连接海底木桩的绠绳和浮球仍然留在养殖区，留给下次接种时继续使用。采收工需要控制舢板，不停地更换位置解绳子，然后将解下的带有苗绳的海带拖拽到舢板上，舢板空间有限，需要不时回岸卸下采收的海带。远的采收区离卸货码头甚至超过30海里，有的舢板每天只能完成采收2次。后期的晾晒也都是通过人力单个伸展、翻晒和打包入库，劳力较多，效率低下。由于海带附加值低，利润低，机械自动化研发受限，设备研发和推广受到一定限制。随着时代的发展，年轻劳动力的减少和人们生活水平的提高以及国家提出的海洋强国科技兴国战略，藻类养殖业和加工业的机械化也必将带来新的发展。

研究了自动拖拽转挂式海带采收船的设计方法、工作原理和后续工序的实现等，提出了海带机械化采收过程的关键设备自动拖拽转挂式海带采收船的设计方案，为深入开展筏式养殖海带机械化研究，以及海带育苗、种植和海带增值加工配套设备设计应用提供参考。

1 国内外海带采收船现状

海带采收船一般分为2种：一种是用于海面清理的大型野生藻类清理船，主要采用机械格栅将漂浮在海平面上的海带还有浒苔等一些野生藻类拖入大型船内上岸处理，以达到净化海水的目的，不适合筏式养殖海带的采收[6](图1)；另一种是根据筏架特点设计制作的专用采收船(图2)。国外海带养殖和采收方式与国内差别很大，很多欧美国家还仅仅是食用少量野生海带[7]，需求量较低，没有在海上形成大面积的海带养殖，一般作为生态链副产品和贝类分层混合养殖，筏架成本高，空间利用低，专用设备自动化程度较高，对养殖空间利用和投入成本考虑少。在日本和韩国，海带是直接在一根根绠绳上养殖的，养殖空间利用低，但采收简单方便，通过采收船和简单的绞车就可以实现采收。由于国情和海域环境的不同，国内的海带筏式养殖不能照搬国外的养殖模式和配套机械化设备。

图1 大型野生藻类清理船

图2 海带浮管筏式养殖设备

针对国内海带的养殖方式，国内一些研究机构和使用单位也对海带采收船进行过研发，但在设备实用性、稳定性和工艺合理性等方面还存在进一步研究探讨的空间，目前仍都停留在研发试制阶段，没有得到市场推广，人工采收仍然是海带采收的主要方式[8-15]。最具代表性的海带采收船是链驱动式海带采收船[16-20](图3)，利用链轮勾住浮球拖动绠绳将海带苗绳拖入船舱，再利用两侧切刀将苗绳切断。由于海况复杂，瞬间受力大，易导致仅有5mm厚的高密度聚乙烯(HDPE)浮球破损；切断后的苗绳不利于回收使用；且采收过程中两侧绠绳松紧不同导致船不正向行驶，使采收受阻等问题不能解决，最终设备没有实现市场化。

图3 链驱动式海带采收船

2 自动拖拽转挂式海带采收船设计

以往的采收设备研发尝试给本设计提供了宝贵的经验，研发的自动拖拽转挂式海带采收船是在分析先前存在问题的基础上，对采收中遇到的筏架结构尺寸不标准；筏架上长满野生藻类影响设备采收使用；风浪及涌流影响船的行驶方向和采收的稳定性等问题从设计角度分析解决，采用船体增加侧推控制，复制筏架拖拽式采收的方式，避免和解决了海带筏式养殖现状而带来无法稳定采收的问题。

养殖筏架采用绠绳为主绳，两端用木桩固定在海底，绠绳之间挂有苗绳，在海带苗绳上种植海带，每架海带采用2根绠绳，苗绳间隔约1.5 m，每架海带连有100根左右的苗绳，两根苗绳连接在一起，连接结挂有小浮漂，剩余端连接到绠绳上，这样的结构方式既提高了空间利用效率，又降低了单根苗绳上海带的重量，保证采收时可以人工拉到船上。相邻两架海带交错放置，每架可生产5 t左右鲜海带，这种养殖布局虽然能最大限度地利用水体空间，但也增加了采收的难度(图4)。海带采收要求在6级风以下完成，浪级、风级、暗流等海况也是海带采收船设计考虑的必要因素。

图4 国内海带养殖布置图

2.1 海带采收系统组成及采收船工作流程

在国内海带采收后主要有三个去向，第一个去向，也是到目前用的较多的方式就是风干储存，在空旷处或沙滩上晾晒1～2 d后储存；另一个去向是上岸后直接加工成各种海带副食品[21-22]；还有少量的海带采用烘房烘干制成精致干海带，这些都需要先完成海带采收上岸，并且海带间需要有顺序的放置。

海带采收的整套系统由采收船和运输船组成(图5)，采收船又由海带拖拽转挂设备、吊车、船体和液压控制装置组成，负责海带的专用采收，运输船用于将采收后的海带输送到岸。海带拖拽转挂设备是海带采收船的主要设备，由前绳导向、链轮组件、绠绳夹紧组件、机架组件、链接绳绞车以及液压马达组成(图6)。而绠绳夹紧组件是设备的核心部件，可以实现对海带绠绳的夹紧及松放。

图5 海带采收整套系统组成

图6 海带采收船组成

自动拖拽转挂式海带采收船的工作流程：1)人工将一架海带两侧绠绳一端从海中勾起并夹入第一个绠绳夹紧组件中；2)在液压马达和链轮的输送下将海带逐渐拖入采收船，采收设备前端的前绳导向组件可以确保拉入的绠绳不偏离导轨，不间断地顺利进入绠绳夹紧组件；3)工人将拖上船的海带苗绳两端解下，并顺手转挂到串在链接绳的挂钩上；4)收满海带后将链接绳两端系起，挂到吊车上；5)吊车将海带吊到运输船上，运至岸上用于后续风干或加工。

2.2 自动拖拽转挂式海带采收船设计

自动拖拽转挂式海带采收船在调头和航行时整个设备由螺旋桨驱动，海带采收时通过海带拖拽转挂设备的液压马达拉动绠绳带动采收船前进，可以避免因船行驶与采收不同步而导致海带采收不顺畅，船设计有侧推功能，左右两侧液压马达可以单独控制速度，保证采收船在筏架中及时灵活地调整行驶方向。采收船的设计解决了风浪流联合作用及低速航行下操作性、船舶型款受限条件下安全隐性以及防摇减摇等问题，还可以减少因海况复杂而导致的采收稳定性问题。采收船设计参数：总长22 m，设计平均吃水1 m，设计水线长22 m，设计排水量85 t，主机功率79 kW，型宽6 m，设计航速8 km，使用海况为6级。

采收船工作的主要功能模块海带拖拽转挂设备的组成及设计如图7所示。

图7 海带拖拽转挂设备组成

2.2.1 前绳导向和传动设计

海带采收船在海里工作时，随着波浪起伏晃动比较大，海带绠绳进入绠绳夹紧组件前，需要初步找正，前绳导向由导绳轮、轴承、轴组成，为无动力从动导向，可以保证绠绳与行驶角度小于45°时的顺利导入。传动装置采用链轮传动，绠绳夹紧组件安装在链条上，夹紧组件的两侧装有滚轮，通过滚轮和导轨的配合，可以确保其横向直线运动，并支撑其纵向受力。链轮机构主要由链条、主动链轮、从动链轮、张紧装置、轴承座组件和联轴器组成。主动链轮和液压马达通过联轴器相连，驱动主动链轮转动。另一端安装有从动链轮，主动链轮与从动链轮通过链条相连，链轮通过轴承和轴承座固定在机架上，从动链轮装有张紧装置，可以调节主动链轮与从动链轮之间的轮距，可使链条始终处于张紧状态。设计传动速度按照工人扯拽绳扣时间设定。采收时筏架和苗绳上附着有野生藻类，会影响到解扣效率(图8)。经过多次试验验证根据状况的不同，解1根苗绳大约用时2～10 s，设计功效采收量为20 t/h。100 kg海带在绠绳间跨距1.5 m，效率为50%，每秒钟扯拽运行0.18 m，液压马达每分钟转速为7～12 r/min。

图8 采收时筏架状况

风力计算公式[23]：

(1)

式中：Fw—风力，N；Cw—风力系数；Cs—形状系数；Ch—高度系数；Ai—每个受风面的投影面积，m2；Vw—设计风速，m/s。

海流力计算公式[23]：

(2)

式中：Fcx—首向流力，N；Cc—流力系数；S—包括附体的船体湿表面积，m2；Vc—设计流速，m/s。

平面输送力计算公式[24]：

(3)

式中：Fs—输送力，N；L—输送机长度，m；m—链条每米质量，kg/m；mv—输送物料每米的质量，kg/m；f—物料的内摩擦系数；f1—物料的外摩擦系数；h′—输送物料的料层高度，m；B—机槽宽度，m；g—重力加速度，m/s2；F0—最小张紧系数；n—物料对机槽两侧的侧压系数。

综合以上各受力因素，采收船所需的最大传动力为49.6 kN。

2.2.2 海带绠绳夹紧装置设计

海带采收时通过绠绳夹紧组件(图9)将海带绠绳夹住并传送上船。两边的导向杆一方面保证绠绳顺利进入夹块，另一方面当遇到所夹位置为浮球时，导向杆可以将直径大的浮球推到夹块一侧，避免将浮球夹伤。夹块机构一侧为固定夹块，固定在导杆上，另一侧为滑动夹块，夹紧处加工有齿牙，牢固抓紧绠绳。滑动夹块和固定夹块夹紧时交错夹紧抵消牵引向受力。通过上侧小滚轮推动，导杆和下侧小滚轮导向将绠绳夹紧，下侧的氮气弹簧让活动夹块始终保持张开受力。两侧滚轮在架体组件的导轨上滚动，为绠绳夹紧组件承担纵向载荷和牵引方向的导向作用。设计采用的是对绠绳的夹紧，通过抓紧绠绳拖动采收船前行，连续完成海带扯拽采收，可以避免因采用链爪勾挂浮球拖动绠绳而导致浮球损坏问题。

图9 绠绳夹紧组件

2.2.3 海带转挂设计

海带采收上岸后要进行晾晒或直接加工，为便于拆分，都需要海带在采收时有序放置。目前人工采收是在已铺设好的网包上，分少量成捆整齐排放打包起吊，这样展放时便于小捆拿取。

使用自动拖拽转挂式海带采收船，采收工将海带苗绳从绠绳上解下后，顺手通过挂钩转挂到链接绳上，链接绳的一端固定在架体组件上，另一端缠绕在链接绳绞车上，采收工将绠绳夹紧组件扯拽上来的海带苗绳，从靠近船尾处开始挂起，并将转挂后的海带按顺序依次放置，慢慢推动链接绳绞车走向船前端，采满后将链接绳两端收紧连接，通过吊车吊入运输船进入下一环节。

采收时借助钩挂顺序的不同可以实现平行排放方式和直线连接方式(图10)，其中直线连接方式适合于烘房加工。平行排放方式便于通过链接绳依次展开和收集，适用于自然风干和直接加工成海带副食品，方式上取代手工采收海带的小捆捆绑，采收效率及后续的工序处理与手工采收相比可以提高一倍以上。

图10 海带转挂设计

3 结论

人工浮筏采收海带需要2～3人，平均每人每天采收5 t，而通过自动拖拽转挂式海带采收船，在操作人数不变的情况下，每小时采收量可达15～20 t，每天工作8 h，是人工采收效率的8～11倍。海带采收过程中，最为耗费体力的是将海带从海水中拖入船上和运输时装运工序，通过采收船的拖拽功能和吊车，极大地减少了劳动强度，降低了劳动力成本，合理的转挂方式也为海带上岸后的加工自动化做好准备。

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