一种水葫芦水下切割粉碎装置的设计

马俊强，贺敏超，陈棋

一种水葫芦水下切割粉碎装置的设计

马俊强1，贺敏超1，陈棋2

（1.广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023；2.横县陶圩镇农业水利站，广西 南宁 530314）

为解决小型河道水葫芦难以快速清理的问题，同时实现水葫芦的彻底粉碎、避免二次复活生长，提出了一种集切割、粉碎功能于一体的三级刀具结构装置。该结构装置包括一级切割功能、二级分断功能、三级切割和传输功能，并综合运用了水的漩涡效应，有效解决了水葫芦在水中难受力的难题。该结构设计紧凑，不仅降低了狭小空间内水葫芦的粉碎清理难度，而且电机带动转轴依次在三级刀片和漩涡力的配合作用下，实现了水葫芦的彻底粉碎并将其送出水面，方便皮带机对碎渣的清理回收。

水葫芦；漩涡效应；三级刀具结构装置；小型河道

水葫芦，又称水浮莲，如图1所示，是一种水生漂浮植物，一旦遇到适合的生长环境便会肆意生长，特征是茎叶悬浮于水上、须根系匍匐于水下、须根系发达且错综交叉在一起，相互之间反复缠绕在一起，构成了一张水下的“网”，紧紧交织在一起，如图2所示。水葫芦极易遍布整个水面，使得水中其他植物无法进行正常的光合作用，动物不能获得充足的氧气呼吸，严重影响生态系统的多样性，而且容易堵塞河道和湖面，影响地区的水上运输、养殖等产业发展。

图1 水葫芦

图2 水葫芦根系

随着技术发展，对水生植物的打捞清理方式逐步由最初的人工打捞逐渐转变为自动化装置打捞清理，如船式收草耙式工具、水面割草船等，大大降低了人工劳动强度、提高了工作效率。传统机械设备完成水葫芦的打捞清理需要依次进行聚拢、切割、收集、滤水、输送、储存、卸载等过程[1]，依然需要人工进行二次处理、耗时耗力，且设备笨重、处理效率低下，不能彻底将水葫芦进行粉碎、清理，使得水葫芦二次复活的可能性增加[2]，进而反复污染河水。通过综合分析各厂商设备的特点发现，设备的模块布置、处理工序大同小异，但在水葫芦的切割刀具处理上还是存在较大差异。因此，为了一次性既能解决水葫芦方便打捞的问题，同时又可以直接将其粉碎、减少二次处理的隐患，本文对刀具结构进行优化，提出了一种水葫芦的水下切割粉碎装置的设计方案。

1 水葫芦水下切割粉碎装置设计

如果单纯依靠人工打捞或简单设备打捞将水葫芦扯断拖出水面，会使得整个打捞清理过程耗时耗力，且容易导致刀具被缠绕抱死，甚至折断；如果采用大型自动打捞清理船又无法满足小型河流中的水葫芦清理打捞工作[3]；因此需要对传统切割刀具结构进行改进设计。考虑到水葫芦的特殊生长特征，刀具在切割过程中无法很好的受力[4-5]，而电机带动旋转轴在水下做高速转动时会使得水面产生漩涡现象，如图3所示，在漩涡的径向力作用下，就可以将水葫芦紧紧被拉拢到旋转水柱的周围，然后再在刀具的高速旋转下，使得水葫芦茎、叶、根须能够被刀片呈斜角分断切割，配合漩涡效应，逐步实现水葫芦的粉碎处理功能。综合上述思路，设计出具有三级逐步分断切割功能的刀具，结构如图4所示。

图3 水的漩涡

图4 三级切割刀具示意图

1.1 漩涡现象

电机带动切割轴高速旋转，在轴的旋转搅拌作用下产生水流与转轴同向旋转的漩涡现象，水的表面形成螺旋水坑，水的下面形成宽度不一的水柱，水下的须根系和水上的茎叶组织均会在漩涡的圆周力作用下快速卷入漩涡中，使其主动贴近切割刀具工作面，不仅解决了主动进料的困难，而且还大大降低了刀具的切割难度。

1.2 三级切割刀具功能设计

结合水葫芦生长特点，保证将其切割粉碎完全，主要从切割、分断、再切割、输送的功能设计入手，完成三级切割刀具设计。

（1）一级刀——切割功能。一级刀主要实现在水下就将水葫芦相互缠绕的须根系切断分开，同时借助于漩涡向心力，保证切割完成的水葫芦围绕在刀具周围，方便后续的二、三次分断及回收。

（2）二级刀——分断功能。二级刀主要实现大部分的须根系和茎叶多次切割，达到粉碎的效果。在漩涡现象、倒锥滚筒刀高速旋转的共同作用下，将分断后的须根系、茎叶逐步送入切割刀口，配合漩涡径向力的作用，将其进行多次分断、切割，完成大部分的粉碎工作。

（3）三级刀——切割、输送功能[6]。经二次切割分断后未被切碎的部分茎叶会进入滚筒刀内部并开始缠绕转轴，为最大化完成粉碎切割，三级刀有两方面作用：第一可以再次精细切割，防止转轴被缠绕抱死，减轻电机运行负载，保持电机转速和转矩的平衡；第二可以实现对切割后的碎屑进行螺旋向上传送，方便下一步利用皮带机对水葫芦碎渣的清理、回收。

三级刀具之间是相互配合、逐步有序工作的，可实现切割刀具对水葫芦的高效清理。

1.3 三级切割刀具结构设计

水葫芦的根须一般能长到30 cm左右，水葫芦株高30～60 cm左右[12]，结合水葫芦生长特点，切割刀具高度设计控制在100～120 cm之间即可满足使用要求，结合实际环境条件，本次结构设计采用三级切割刀具均布固定在转轴上的方案，刀片材料选用T10A钢片[8]，具有较高的切割硬度和较强的耐磨性，同时在转轴的搅拌作用下，产生自然向心力，刀具安装方式及工作方式均采用由下往上、由外及内的逐级递增模式，符合经济高效的设计原则。

（1）一级切割刀片。刀盘依靠底部的定位安装孔通过螺钉连接固定安装在切割轴底端，在电机带动下，刀片沿倾斜方向对水葫芦根系高速切割，刀片正反两侧均磨削为切割刃，刀片两两之间呈120°夹角[9]。水葫芦相互之间抱团交叉生长，在垂直方向会产生较大的拉力，因此刀片采用与轴径呈夹角＝10°～15°[11]的安装方式，两者相互配合，可以保证刀片与根系之间呈一定倾斜角度进行斜切，减小切割力，最大限度的一次性完成根系在竖直方向上的切割[6]、分断，完成第一阶段的切割处理，同时位于刀具下方的须根系可以在漩涡现象的作用下，螺旋上升，保证一级刀上下的水葫芦能够全部清理。一级切割刀片结构如图5所示。

图5 一级切割刀片结构

（2）二级切割刀片。考虑产生漩涡现象的仿倒锥形结构，为最大化利用刀具二级切割效率，刀具结构采用与漩涡结构相似的下窄上宽的倒锥形滚筒刀片设计，倒锥形切割刀整体的高度＝100 cm，工作状态下，60 cm高度的刀片在水下工作将根须部分切割、粉碎和水下部分茎叶粉碎，40 cm高度刀片在水上面将茎叶部分切割粉碎。滚筒表面平均布置6片刀片，刀片结构呈螺旋状，均布在圆周，角度＝60°，可使刀片与根茎之间进行缓慢划切，增加切割接触时间，对茎叶部分进行多次切割，最大限度完成茎叶的粉碎功能[10]。为进一步增加刀片的切割强度，在滚筒切片内部焊接加强筋，对各个刀片进行圆周支撑，降低在高速切割过程中的弹性变形，二级切割刀片结构如图6所示。

图6 二级切割刀片结构

（3）三级切割刀片。在完成一、二级切割后，还可能存在小部分未切割的根茎进入倒锥滚筒内部，进而缠绕转轴，导致转轴被抱死，这样会大大增加电机的运行负载。为防止这种情况的发生，结构上采用在在转轴四周焊接均匀螺旋布置的3个刀片，刀片与中间转轴表面始终保持垂直，即使有根茎对转轴的缠绕情况，也可以立刻将其分断，保证转轴始终可以顺畅转动。各级切割刀具的刀刃方向均需与主传动的旋转方向保持一致，同时在螺旋的结构作用下，工作中被切断的碎屑可以在刀背和转轴的共同作用下，将其带出水面，方便皮带机的清理回收。三级切割刀片结构如图7所示。

图7 三级切割刀片结构

2 切割刀具形变及稳定性分析

利用SolidWorks三维设计软件对三级切割刀具的结构进行设计，同时为了进一步提高切割刀具在水下工作中的稳定性、提高切割效率，基于SolidWorks软件的Motion插件（动力分析功能）对刀具结构部分进行运动模拟仿真分析。因切割刀具结构安装采用一端固定另一端自由活动的方式，所以在电机带动旋转轴高速旋转过程中，会使得转轴产生挠动变形，如果刀具长时间的水下工作并处于大幅值的摆动，就容易使得转轴发生疲劳变形、甚至断裂，因此，这里主要通过控制改变电机转速，分析计算对转动轴的形变误差和稳定时间产生的影响，得到实验结果如图8所示。

通过对比分析图8仿真曲线，计算得出数据如表1所示。

表1 转轴稳定误差数据表

分析图表数据，可得到以下实验结论：

（1）刀具在电机启动瞬间，形变误差较大；随着电机运行的稳定，形变误差急速下降，趋于稳定；

（2）转轴运行时，在方向和方向形变基本一致，围绕转轴末端产生近似圆形的形变；

（3）切割刀具在工作过程中，电机的转速对转轴形变误差变化影响不明显，同时在实际环境中，水和水生植物的阻力下，可以进一步减小形变误差的影响；

（4）电机转速达到500 r/min时，系统稳定时间较快、振动平稳性较好，但随着电机转速的进一步提高，系统的振动偏移稳定变差；并且在电机转速较慢的情况下，输出扭矩越大，可以满足清理水葫芦的实际需求。

3 水葫芦水下切割粉碎装置的优缺点

3.1 优点

（1）装置充分利用转轴在水中转动搅拌产生的漩涡现象，降低了刀具在切割过程中对水葫芦拖拽消耗的无用功，降低能耗，提高效率；

（2）装置实现了对水葫芦逐阶段切割、粉碎、传送的功能，不仅可以减小各刀具的切割力，延长刀具使用寿命，而且可以使回收船的整体结构设计尺寸减小、重量减轻，为治理清洁小型河道提供有效方案；

（3）第一、二级刀具结构，不仅增加了刀片与水葫芦的切割接触时间，而且可以在较轻浮力作用下，高效地将茎叶和根须切断，避免了刀具与水葫芦之间的撕扯，降低传动负载；

（4）第三级切割刀具结构自带传送功能，可以将部分切割完成的碎屑在刀背的推动下随着转轴旋转而带出水面；同时在漩涡的作用下，切割完成的碎屑在漩涡水柱的周围聚拢，避免其再次与未切割的水葫芦纠结到一起，方便清理回收和下一步的切割工作；

（5）切割过程需要转轴的持续高速旋转运行，在漩涡效应的配合作用下，电机负载降低，对电机功率要求降低，只需保证电机的转速和转矩合理即可，成本降低；

（6）该结构设计不仅实现了切割、分断功能，而且水葫芦得到进一步粉碎，可以有效防止回收后的水葫芦二次复活[2]，避免对水域的反复清理工作。

图8 实验仿真曲线

3.2 缺点

该刀具结构在安装使用过程中也存在以下的缺点，导致安装、维护和保养成本比较高。

（1）刀片采用螺旋结构，对加工工艺要求比较高，不仅需要保证稳定的安装方式，还需保证薄片刀具的工作硬度；

（2）刀片采用焊接方式布置在转轴和滚筒轴上，内外环之间预留空间位置比较小，增加了对刀具的焊接难度，后期对刀片的更换、修复及对刀具的清理会比较困难、危险；

（3）刀具的刀刃要锋利，并且具有足够耐磨性、耐腐蚀性，以保证在水下长时间的工作过程中刀片不被腐蚀，并且还要注意切割刀具闲置时候的防锈处理，因此对刀片的加工工艺要求复杂。

4 小结

本文实地考察了水葫芦生长特性及分布情况，学习了解了现有水生植物打捞清理设备的工作原理，并结合运用搅拌水流产生的漩涡自然现象，提出了基于水葫芦水生植物的水下切割粉碎一体化装置，采用特殊的切割刀片、粉碎刀片的结构布局，可以使得整个工作装置通过做少量的功、最大程度地实现小型河道中水葫芦的轻松切割清理，同时有效地防止其二次复活。该刀具结构装置可以运用于类似水葫芦的水生漂浮植物的切割清理打捞中，供技术人员借鉴和参考。

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The Design of a Water Hyacinth Underwater Cutting and Crushing Device

MA Junqiang1，HE Minchao1，CHEN Qi2

( 1.Guangxi Vocational College of Water Resources and Electric Power,Nanning530023, China; 2.Agricultural Water Conservancy Station of Taoxu Hengxian,Nanning530314, China )

In order to solve the problem that the small water hyacinth is difficult to clean up quickly, and realize the complete crushing of the water hyacinth plants and avoid the problem of secondary growth, a three-level cutter structure device integrating cutting and crushing functions is proposed. The device includes the primary function of cutting, the secondary function of breaking, and the tertiary function of cutting and transmission, and integrates the vortex effect of water, which can effectively solve the problem that the water hyacinth plant is not stressed in the water. The compact structure design reduces the difficulty of crushing and cleaning the water hyacinth in a narrow space, and the motor drives the rotating shaft under the coordinated action of the three-stage blade and the vortex force to achieve the complete crushing of the water hyacinth and send it out of the water, which facilitates the belt machine to clean up and recycle the slag.

water hyacinth；vortex effect；three-level cutter structure device；small river

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.03.004

1006-0316 (2022) 03-0019-06

2020-12-29

广西壮族自治区教育厅2019年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目：遥控式水面漂浮物打捞机的研制（2019KY1316）

马俊强（1987－），男，河南安阳人，工学硕士，工程师，主要研究方向为工业机器人、机电一体化，E-mail：ma_jq1988@163.com。