小型水草收割机设计-硕士论文开题报告.doc

上海海洋大学硕士研究生毕业论文工作计划（开题报告）课题名称：小型水草收割机设计 姓 名： 王向春 学 号： M110601608 专 业： 机械设计及理论 研究方向： 农业机械 所在学院： 工程学院 导师姓名： 张丽珍 起止日期： 2012.12.1-2014.6.30 填写日期： 2012.11.10 研究生部制表说 明1、 本计划用钢笔填写（或打印），字迹要工整清晰；2、 本计划上交两份，研究生部、学院各一份。3、 本计划须在第三学期内完成。一、 关于制订毕业论文工作计划的简要说明1 立论依据1.1. 课题的研究目的和意义随着人民生活水平的提高，水域生态景观旅游开发将成为今后城市环境建设的重中之重。拿上海来说，根据规划，上海市2005年的理想水面率不低于8.4%，到2010年增至9%。另外，到 2020年，我国将建成300多家大型高尔夫球场14，每家都在都用生态的方法进行治理，其中种植水草是必不可少的，为了有效维护水域的生态平衡，收割机是不可缺少的。中国淡水总面积约20104平方公里，养殖总产量居世界首位，占全国水产品总产量的36.7%，有很多养殖水域需要种植水草并使水草维持在一定高度。但是这些水域生态景观和人工养殖水域大部分面积小，分散度较大，造型不规则，有的地方非常狭小，不利于大型收割机械的行进和转弯。当前市场上的大型水草收割机机械，满足大型湖泊水草的收割与修理，但不适合小型河道和湖泊等小水面水域中水草的收割。目前市场存在的小型水草收割设备多结构较复杂，用户在购买机器的同时还要购买专用的船只，成本较高。但是无论是景观水域还是养殖池塘中都存在小型船只，为此研究成本低、小型、便捷、模块化以及可拆卸的水草收割设备，可以与普通船只安装组合并实现水草收割目标，这样可以降低成本，增加割草机的灵活性和使用率。 所研制的小型可快速拆卸组合的水草切割装置，可以有效取代在中小型水域的人工收割，有效减轻了劳动轻度，大大提高了切割效率，符合水草收割机械小型化与智能化的发展方向35。可快速拆卸组合的水草切割装置将通过固定装置与任意种类的船只相结合。当用户需要割草时，可以实现快速安装；当不需要割草时，可以快速拆卸，以免切割装置在露天环境中被侵蚀破坏，延长使用寿命。这样不仅降低了成本，还能减少体积占用，更能在机械损坏时方便维修更换。从这些方面来讲可快速拆卸组合将是水草切割机械方面很好的发展方向。1.2. 国内外研究现状分析由于水草的疯狂蔓延造成水域生态环境的恶化，自水中作业的水草收割机产生以来，引起了越来越多的生产厂家和研究机构的重视。根据现有资料可知7，国外研究水草收割机的比较有影响的厂家有美国 advanced acquatics公司30，目前该公司已经开发出来的产品有H系列，H 4、H 7、H 8、H 10四种型号数十种产品，典型产品长7.77m，宽3.05m，高2.2m，重2.1t，主机功率14.92 kW，适于收割各类水草，需要拖船、传送带等辅助作业；美国 USA James R.Meclure公司30，该公司研制有EH、H、HM三大系列产品，船体稳性比较差，不适合小船体作业，适合大面积水草治理；USA James l.Hawk公司生产的液压往复式单体水草收割船，采用滚筒式拔草装置，割收分开作业，需辅助设备，漏收率较高；USA joshua .Britton. 公司生产的液压往复式单体水草收割船，割收分开作业，漏收率高，切割器安装密封要求高；OTOOLE C B公司生产的液压旋转式单体水草收割船，在吸引力的作用下，吸收割下的水草，主要为蓝藻等浮水植物；Charles B.Bryant公司生产的液压旋转式单体水草收割船，整机功率大，船体振动大，水草漏收率低，无二次污染30。荷兰 IHCCOKONIJIN 机械厂和 HEEDER公司，英国的ROLBE公司和JOHNW ILDER(工程 )公司，澳大利亚、日本、俄罗斯、德国也有相类似的产品。1992年北京市水利局为了清除京密运河上的各类水草，加快水的流速，减少沿路水的损耗，特邀请了水利系统几家设计和生产单位联合开发水中割草机26，SGY-2.5型水中割草机即是其开发的产品之一。机器长5m，宽2m，高2m，重4.4t，主机功率26.47 kW，需辅助作业。该机与国内其它型号的割草机相比，具有不缠草、割草效果好、有避让保护系统等诸多优点。国内也有一些相关的企业及研究机构进入该领域，并且取得了一定的研究成果，如宁波农业机械研究所、象山农机厂、绍兴县农林管理总部联合研制的WH 1800型河道清草机8-9，长6.1m，宽2.5m，高0.75m，重5.5t，功率14.71 kW，需辅助作业；上海电器集团现代化农业装备有限公司新液压厂开发的GC2230型河道割草保洁船以及GC2000型小型河道割草作业机械，长14.3m，宽4.25m，高2.54m，重9t，适合大型水域10 ；内蒙古农业大学机电工程学院设计的9GSCC-1.4型水生植物收割机船队和北京劳模亚洲环保设备有限公司设计生产的LW 5000多功能劳模水草收割船，割收一体作业，需要辅助设备协同工作，切割器受冲击，损伤比较大11；中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室和唐山市绿浩源科技发展有限公司研制了小型电动可遥控水草收割机，目前还在研究实验阶段37；山东青州拓新机械有限公司专业生产的小型割草保洁船，集水草收割、水面垃圾清理于一体的水面保洁设备，割刀割幅1.4米，配有长4.2米，宽1.3米，型高0.6米的保洁船，还有超小型浅水区专用电动水草收割机，动力低，需人工背负工作，适合池塘沟渠角落等水草切割作业。主要的参考文献1王艳红.纽荷兰机械简介.农业机械,2002,(4).2T.T.KYCOB.MB-1 型手拖挠性传动割草机的研制.农牧与食品机械.1991,(2).3朱黎.圆盘锯片割刀.机械研究,1997,(10).4朱海燕,戴学颖,陈孝君.于桥水库富营养化现状及水草控制措施.水科学与工程技术,2010,(2):16-17. 5吴文庆,洪渊扬,秦双亭.水葫芦治理技术的初步研究.上海环境科学,2003年,（增刊）146-149.6龚云丽,蔡永立.我国城市杂草的研究.杂草科学,2005,(3):6-9.7崔立,肖怀平,陈鲁勇,徐燕,黄赢子,褚建君.淀山湖水葫芦用于饲喂生长育肥猪的效果研究. 饲料工业,2004,(3) .8杨宣华,麦焯棉,许波,罗岚,潘卫南,罗月兰.水葫芦培养料栽培平菇试验,佛山科学技术学院学报(自然科学版),2004,(3).9吴世铭.水陆联动机械快速打捞法在水口库区水葫芦集中整治中的应用.福建农业学报,2007,22(1): 110-113.10马中喜. WH1800型河道清草机.中国农机化,2003,(03).11Daniel Smith.Marine weedwaker:USA,6922982 BlP.2005-8-2.12Charles B. Bryant. AQUATIC HARVESTING APPARATUS.USA, 4258534P.1979-3-7.13James L,Hawk. Apparatus for remocal of aquatic plant growth:USA,5069023P.1992-10-10.14扬诗鸿.SGY-2.5型水中割草机的设计和研制J.水利电力施T机械,1997,19(4):12-15.15政生,黎启柏,张未,等.GC2230型河道割草保洁船J.上海造船,2004(2):22-24.16李旭英,尚士友,杜建民,等.9GSCC-114H型沉水植物收割机船队的设计J.农业机械学报,2006,37(1):59-62.17陈灏,周莹,许东员.小型电动可遥控水草收割机的研制.安徽农业科学,2010,38(26):1479114792.18胡君智.小型多用途打捞装置的设计.上海造船,2008,(4):69-70.19杨伟男.PLC控制器在垃圾收集船上的应用探讨.珠江水运,2001年2月,36-38.20黎启柏,肖长周.水面垃圾打捞机械手及其液压驱动系统.华南理工大学学报(自然科学版),1996年2月,24(2):150-152.21张林根.内河打捞船设计概要.船舶设计技术交流,1991年4月,1991(4).:30-32.22谭政生,黎放柏.16.5米水面垃圾收集船设计.广东造船,1995年,(2):1.23张丽珍,陈金稳,李俊等.SCSGJ-2.6型水草收割机的研制.西北农林科技大学学报(自然科学版),2008,36(11):229-234.24李娇,关长涛,徐希尧,等.射流式浒苔打捞机的设计与试验.渔业现代化,2009,(1):35-37.25陶海龙,刘敏,张龙.环保型水面垃圾清理收集船.科技创新与品牌,2010,(7):3.26赵国兴.9SCGC-1.5型水草收割船的研制.农业科技与装备,2010年12月,198(12):33-34.27梁维铸,黄福明,游国显.带式垃圾收集船设计的探索和实践.广东造船,2001年,(2):1.28杜健民,尚士友,丁海泉.沉水植物收获机械设计学的研究.内蒙古农牧学院学报,1995,15(3):79-82.29Thomson Sinkala, Enala T. Mwase , Mick Mwala. Control of aquatic weeds through pollutant reduction andweed utilization: a weed management approach in the lowerKafue River of Zambia. Physics and Chemistry of the Earth,002,(27):983-991.30R Charudattan. Are we on top of aquatic weeds? Weed problems, control options, and Challenges,Plant Pathology Department and Center for Aquatic and Invasive Plants, USA, 200131D. G. Cross. Aquatic Weed Control using Grass Carp.Journal of Fish Biology,anuary 1969, 1(1):27-30.32Brian J. Midtling et al. Method and apparatus for harvesting aquatic plants. U.S. PATENT DOCUMENTS,13 Sep 1991, 5197263.33Andrew J. Rodusky, Bruce Sharfstein, Therese L. East and Ryan P. Maki. A Comparison of Three Methods to Collect Submerged Aquatic Vegetation in a Shallow Lake. Environmental Monitoring and Assessment，110(1-3):87-97.34T. RAMAPRABHU AND V. RAMACHANDRANl. Developments in Aquatic Weed Control Research in India Relating to Fisheries. J. Aquat. Plant Manage,1984,(22): 97-100.35张丽珍,陈金稳,李俊.水草收割机的研究现状.上海水产大学学报, 2008年7月,7(4):486-492.36孙明敏.河道清草机的研制.中国农机化,2005,(6):91-94.37陈灏,周莹,许东员.小型电动可遥控水草收割机的研制.安徽农业科学,2010,(26):91-922 课题来源、研究内容和拟解决的关键问题2.1. 课题来源本课题来自生产实际，是研究生科研基金项目。2.2. 研究内容2.2.1 水草收割装置的初步设计（1）动力形式的选择动力装置为整个机器运作提供能源，本水草收割装置可选用的有蓄电池、汽油机和柴油机，它们作为动力来源各有优缺点。（2）割刀升降的控制方式为实现切割不同深度水草的目标，割刀要完成升降动作。其控制方式有液压控制和机械控制和电子控制，各有优缺点和适用范围，也可综合使用。（3）设备与船体连接方式的设计景观水域和养殖池塘中都存在小型船只，为实现小型水草收割机的可快速拆装特点，避免额外购买船只的缺点，水草收割设备与船体连接方式的设计尤为重要。（4）切割形式的选择 切割形式一般为往复式和旋转式。往复式阻力小但功率低易塞刀，旋转式功率大但在水下阻力很大。（5）收草装置的设计收草装置主要有滚筒式、传送带式和轮浆式等，水域条件和水草种类及船体样式均会很大程度上影响收草装置的主体样式。2.2.2 水草收割装置虚拟样机仿真分析（1）割刀运行惯性力割刀惯性力的大小直接体现出传动部件的最大转矩，惯性力变化越均匀说明机构设计越合理。（2）割刀运行时与其连接部件的碰撞力碰撞力的大小和频率将直接影响机构运行平稳程度和部件的寿命，因为疲劳强度将直接影响材料的选择。（3）切割装置和收集装置运行时的流体阻力流体阻力的大小直接影响强度的校核，间接关系机构材料的选择。2.2.3 相关试验（1）割刀运行时切割阻力的测定水草种类及割刀形状尺寸均会影响切割阻力，与刀片的尺寸和运行速度的设计密切相关。（2）装置传动效率的测定各部分传动效率可以体现机构设计是否合理，对方案的改进至关重要。（3）水草收割装置的收割能力收割能力包括收割效率，最大不间断工作时间及对工作环境的要求。2.3. 拟解决的关键问题（1）传动机构线程长度要可调为了实现割深可调，传动机构传动同时还要满足传动范围可调。（2）割刀的设计针对不同的水草，割刀的尺寸、材料以及间隙的调节都至关重要。3 研究基础3.1 所在学科点前期研究工作积累（1) 对多种割刀形式及传动机构分析开展了研究，已摸索出一套较成熟的切割力及传动效率测定方案及实验室标准方法。（2) 本实验室研制了可快速拆卸组合水草切割装置的初步实验模型。3.2 已具备的实验条件具有水草切割装置的初步实验模型及实验场地。3.3 尚缺少的实验条件和拟解决的途径缺乏测量切割力的摆动式茎秆切割试验台，缺乏传动效率所需的基本仪器测速仪、压电式力传感器、扭矩测试仪。缺乏数字游标卡尺。通过购买和向学校其它实验室借用解决。4 实施方案4.1 水草收割装置的初步设计（1）动力装置蓄电池作动力来源，优点是噪声低，无污染，不影响水域生物，缺点是功率低，作业时间短，充电时间长；汽油机作动力其优点是功率适中，汽油易挥发，对水域污染微小，缺点是花费较高；柴油机作动力来源其优点是功率较大，缺点是噪音高，较笨重。拟选用汽油机，其重量小，拆装方便且污染较小。（2）机械控制最能满足设计要求，根据稳定简单可靠的原则和本机器的使用人群和工作环境要求，选择机械控制。（3）设备与船体拟用弹性夹紧装置将切割和收集设备与船体相连接，夹紧装置安装于船舷。（4）水下清除机构即切割装置 根据工作方式分为旋转式和往复式，根据安装位置分为前置、后置、侧置三种方式。但由于旋转式机构必须置于水下，切割效率较低，而往复式驱动机构可以放置于水上，并且可以选择合适的刀具参数来适应不同的环境，因此选择往复式。从安装位置方面看，后置式和侧置式都不能实现割收一体化，所以为了避免二次污染的问题，选择前置式。综上所述，选择前置往复式切割。（5）收草装置拟采用滚筒式，其拆装最便捷，可对滚筒进行镂空式设计使水体阻力降至最低。4.2 水草收割装置虚拟样机仿真分析（1）割刀运行惯性力当系统存在加速度a时，则惯性力的大小遵从公式：F=-ma (m为物体质量)。用SolidWorks软件建模，导入Adams软件进行运动学分析，对传动机构施加转速从而获得刀片加速度曲线图，根据割刀运行加速度即可获得其惯性力。（2）割刀运行时与其连接部件的碰撞力用SolidWorks软件建模装置，导入Adams软件进行运动学分析，对传动机构施加转速从而获得割刀运行时与其连接部件的碰撞力曲线图，根据碰撞力的大小和均匀程度，找出非正常碰撞力从而对机构进行改进。 （3）切割装置和收集装置运行时的流体阻力 用SolidWorks软件建模装置，导入Ansys软件用有限元分析法，仿真切割装置和收集装置运行时所受流体阻力。4.3 相关实验 （1）割刀运行时切割阻力的测定需要用摆动式茎秆切割试验台来测定，对象为水草，变量为刀片的齿宽和齿高。 （2）装置传动效率的测定用测速仪、压电式力传感器、扭矩测试仪等装置，由整体到局部传动机构，依次测算其传动效率。 （3）水草收割装置的收割能力 试用地点主要为上海海洋大学河道，记录单位时间内同割深情况下收割密度接近的水草的面积，机器不间断正常工作时间，不同割深情况下机器工作效率，整理相关数据并与市场其它类似产品进行分析比较。5 可行性分析和预期目标5.1 可行性分析1) 查阅了大量相关文献资料，了解了本课题的研究进展，为研究课题打下了良好的基础。对多种割刀形式及传动机构分析开展了研究，已摸索出一套较成熟的切割力及传动效率测定方案及实验室标准方法。2) 本实验室研制了可快速拆卸组合水草切割装置的初步实验模型。具备本实验所需的必要实验设备仪器和实验经费来完成此实验。3) 指导教师从事渔业机械、海洋装备的设计制造等方向研究，可以给予指导。本人在本科阶段就涉水草收割机械研究，本科毕业论文题目为可快速拆卸组合式水草切割装置的建模与分析，具有一定的渔业机械研究经验。5.2