沙滩浒苔清理机的开发与应用

刘 星 ，殷镜波 ，吕庆龙

（山东水利职业学院，山东 日照 276826）

浒苔属绿藻门石莼科大型绿藻，由单层细胞组成，围成管状或粘连为带状[1]。主要分布在辽宁、山东、江苏和福建等省近海。目前，国内外还没有专用的沙滩浒苔清理设备，只能靠人工清理，主要设备为铲车和输送机。这些设备只能完成沙滩浒苔的基本清理，无法完成浒苔内沙石的分离和浒苔的脱水，既破坏了沙滩的地形，也影响了清理效率。为了解决这些亟待解决的难题，本研究研制了沙滩浒苔清理机，它能高效地完成浒苔和沙石的自动分离以及浒苔脱水和有效捡拾，填补了该领域的空白。

1 设计目标

浒苔又细又长，好像蓬乱的丝线，当浒苔到达海滩时会成片地互相交织堆积在沙滩上，清理起来非常困难。针对这一难题，通过分析总结提出了沙滩浒苔机的设计目标：

1）能够自动地拾取沙滩上的浒苔；

2）在收集浒苔的同时，不破坏沙滩；

3）能够实现浒苔与沙石的分离；

4）能够降低浒苔的含水量；

5）能够实现连续作业；

6）能够实现浒苔的自动装卸。

本设计方案的关键技术是：

1）自动捡拾。浒苔在沙滩上大面积堆积，如何用机器把浒苔从沙滩上自动捡拾起来，并在捡拾过程中将浒苔和沙分离、避免浒苔在捡拾和输送过程中的缠绕，是项目研发和试制中的关键问题。

2）捡拾仿形。在捡拾浒苔时，捡拾装置要能随地面的高低起伏作上下自动调整，既要防止捡拾装置带沙，又要防止漏捡。同时，也要解决前悬挂装置重量对动力机械前轮加载，而造成前轮下陷和行驶阻力增加的问题。

3）浒苔输送脱水。捡拾浒苔后，通过输送装置，把它输送到存储箱的过程，也是一个技术关键点。在输送的过程中，要进行输送幅宽的变换，即将捡拾的宽幅输送变为在动力机械一侧的窄幅输送[2]，并在输送过程中对浒苔进行脱水，也要防止输送过程中浒苔的缠绕。同时，由于浒苔传输时需要把浒苔两次升高，即宽幅输送提升和窄幅输送提升，如何克服浒苔的滑落也是一个问题。

2 设备简介

2.1 工作原理

沙滩浒苔清理机主要结构如图1所示。

图1 沙滩浒苔清理机结构

它的基本工作原理：1）在动力装置的带动下，仿形装置在地面滑行，随地面的高低起伏变化；2）捡拾装置固定在仿形装置上，从而保证对地的相对高度不变，捡拾装置的钉齿把浒苔从沙滩上捡拾起来，实现与沙石的分离，同时向后抛送到辅助推送装置；3）辅助推进装置把浒苔推送到宽幅输送装置的拖板上，实现脱水处理，再由宽幅输送装置的刮板将浒苔送入到螺旋推进装置的料斗；4）螺旋推进装置的螺旋叶轮把浒苔横向推进并汇集到窄幅输送装置中；5）浒苔由窄幅输送装置的刮板经长距离的输送，最后被送到存储箱中，完成浒苔的收集作业，实现了对沙滩浒苔的清理。

2.2 主要技术参数

沙滩浒苔清理机作业面宽度为1 m，捡拾速度为2.23 km／h～28.47 km／h，捡拾装置的转速不低于19.75 r/min。存储箱容积为4 m3，作业沙滩厚度一般需大于60 mm（捡拾装置插入沙中深度50 mm），捡拾装置的捡拾率>90%；捡拾浒苔的含沙量<5%。

2.3 结构

沙滩浒苔清理机主要由捡拾装置、仿形装置、辅助推进装置、宽幅输送装置、螺旋推进装置、窄幅输送装置、存储箱以及动力机械、传动系统、液压系统、电气系统等部分组成。

2.3.1 捡拾装置

捡拾装置是整个设计的核心技术装置，它的作用好坏关系到沙滩浒苔清理机设计的成败。浒苔被海浪送到海边，堆积在海岸，平铺到沙滩上。为了能捡拾起浒苔而不带起沙石，本研究经过大量的实验，最终确定采用凸轮带动拨齿来进行浒苔的捡拾。

本研究设计了一个特殊的沟槽凸轮来满足捡拾需要，该机构由1个沟槽凸轮和4个滚动从动件组成[3]，具体如图2、图3所示。

图2 沟槽凸轮

图3 捡拾装置

在滚动从动件上安装了弹簧拨齿，当捡拾装置旋转时，带动滚动从动件，滚动从动件在预设的沟槽凸轮上滚动，带动拨齿做旋转伸缩运动。实际捡拾作业中，拨齿在作复合运动[4]，保证对浒苔的抬起和后抛。

当拨齿旋转到捡拾器下方时，此时拨齿垂直于地面并前倾30°入沙，且逐渐伸出。拨齿插入沙中，然后捡拾器旋转，当继续转过60°时，此时拨齿和地面夹角为0°，并将浒苔抬起。随捡拾装置的旋转，拨齿和地面夹角增大，当拨齿旋到上方时开始回缩，完成对浒苔的抬起和后抛，然后进行下一次伸缩。

2.3.2 仿形装置

由于沙滩的不平整，浒苔的分布也是不平整的。为了能够更好地捡拾浒苔，这就要求捡拾器能够跟随着沙滩起伏平稳行走，从而保证捡拾器对地的高度恒定，为此专门设计了仿形装置。同时，沙滩浒苔清理机前部分的重量由仿形装置的滑靴来支撑。

滑靴的结构如图4所示。

图4 滑靴结构图

工作原理如下：

当地面变低时，滑靴在捡拾装置重量的作用下，以后轴为支点，旋转下降，贴在沙滩上。当地面变高时，滑靴被沙子托起，以后轴为支点，旋转上升，带动捡拾装置上升，从而使捡拾装置随地形的起伏自动调整。

2.3.3 辅助推进装置

捡拾装置的拨齿回缩致使浒苔不能全部送入宽幅输送装置，造成捡拾装置和宽幅输送装置之间形成一个死区。浒苔很容易在该死区堆积，对浒苔的收集和传输都造成一定的影响。为此，在这个位置安装一个辅助推进装置，解决浒苔在该区域堆积的问题。

2.3.4 螺旋推进装置

进行浒苔捡拾的时候，需要有足够的捡拾宽度，以便收集更多的浒苔，提高浒苔捡拾的效率。但在浒苔输送到存储箱的过程中，需要通过动力机械机构，同时为了不影响驾驶员的视野，必须采用窄幅输送装置进行远距离、大高度的输送。在本设备中采用水平螺旋推进器，实现宽幅输送到窄幅输送的变换，螺旋推进装置如图5所示。

图5 螺旋推进装置

2.3.5 传送机构

由于采用背负式传动方式，浒苔的输送路径变得很长，同时高度也很大，造成窄幅输送装置很陡峭。如果采用普通的传送带，浒苔很容易滑落，为此，选用了同宽幅输送装置类同的链条刮板式输送方式，该窄幅传输送器具体结构如图6所示。

图6 窄幅传输送器

2.3.6 存储箱

为了保证沙滩浒苔清理机的连续作业时间和效率，应该选取足够容积的存储箱。但要考虑到动力机械的后部支撑不允许存储箱有过大的承载量，同时还要考虑自卸对液压油缸的举升要求，包括举升高度和重量。

2.3.7 动力机械

动力机械12 h功率25.7 kW；变速箱前进档8个，倒退档2个；前后轮距可调；带气刹；带差速锁；单作用离合器；力、位调节提升器，Ⅰ类三点式悬挂；机械转向；双速动力输出，动力输出为啮合套换档；轮胎前5.0~15，后11.2~24；带前、后配重；新型流线型全封闭覆盖件；组合灯具，最小使用重量为1 450kg。

3 应用效果

浒苔的暴发具有明显的季节性，短时间召集大量的人力很是困难，有时不得不动用预备役等警力进行应对。本项目样机试制成功后，经过在日照市山海天浴场和第三浴场进行了多次试验，收到了良好的捡拾效果。一台沙滩浒苔清理机5 h捡拾浒苔20余t，只需配备3人就可以完全清理沙滩上的浒苔，一台拖拉机就能把清理的浒苔送到浒苔处理场地，利用日晒和风干的方法进行处理，可以作为肥料，也可以作为垃圾进行沼气处理。每个浴场每天按两台机械（沙滩浒苔清理机和拖拉机）计算，15个海水浴场需要配置30台，浒苔暴发期按一个月计算，每年共需要900台次机械，每天油耗按平均80元计算，使用机械清理浒苔的费用为72 000元，是前一年人工清理浒苔机械费用的49.94%。每个海水浴场按配置5人计算，15个海水浴场每天需要配置75人，一个月共需人工2 250人次，是前一年人工清理浒苔所需人力的44.73%。近3年来人工清理浒苔的人力和机械消耗费用与采用沙滩浒苔清理机后的效益分析如表1所示。

表1 近3年日照市海水浴场人工清理浒苔与沙滩浒苔清理机清理浒苔分析表

4 结论

沙滩浒苔清理机试制成功后，先后在日照市、青岛市海水浴场、森林公园等地进行测试。经过3年的运行实践证明，沙滩浒苔清理机达到了设计目标，运行良好，大大提高了海水浴场对浒苔的清理速度，保护了沙滩，节省了大量的人力和物力。现在，该设备已经推广到其他海水浴场。