除水草机结构设计

除水草机结构设计

一、选题的目的和意义

光在当前的城市环境建设中，水生态景观的开发尤为重要。根据政府的规划和统计，10年后，仅在中国，高尔夫球场建成的人工湖面积将达到1000多米。人工湖具有特殊的水域特征，水深浅，面积小，分散度大。因此，除草机是必不可少的。为了吸引游客，一些景观水域被特别设计成不规则的轮廓。在非常狭窄的河流或人工风景区，大型收割机械无法在这些水域平稳行驶和转弯。目前，市场上的大型除草机设备适用于大型深水区域的水草的收割和修复。在大多数小型河流和湖泊等小型地表水域，水生植物的收获和修复主要依靠人工。由此可见，除草机在这些人工景观水体中有着广阔的应用前景。

研制的小型、可快速拆卸的除水草机，可以有效地替代中小型水域的人工收获，有效地减少了轻工，大大提高了收获效率。快速可拆卸的组合式水草收割机将通过固定装置与任何类型的船只组合。当用户需要割草时，可以快速安装。当不需要时，切割单元可以快速拆卸，以避免在开放环境中对收集单元的侵蚀和损坏，延长其使用寿命。这不仅降低了成本，而且还减少了纤维素的足迹，使设备损坏时更容易维护和更换。从这些方面来看，快速拆装将是除水除草机械的良好发展方向。

二、相关文献综述（1000字左右，与主要参考文献对应）

徐杨在2019年6月1日的硕士毕业论文《两栖水草收割船切割—输送—喂入系统设计与试验研究》中进行水花生茎秆、低矮芦苇茎秆剪切力学实验，测量其切断力大小，并与稻麦秸秆切断力进行对比分析。对水草收割船收草时工作特点进行分析，建立了水草切割输送系统与压缩打捆上喂入系统结构方案、三维模型、驱动和传动系统，确定了割台与两级输送装置的主要参数。通过对系统在最大负载工况下的功率计算，选择液压马达与减速机。通过测量不同工况试验下搅龙驱动轴扭矩大小，计算其功率消耗，分析影响功耗的主要试验参数，并提出改进措施。使用ANSYS有限元静力学分析两级输送装置机架在滑动调节切割深度的过程中两个极限位置的强度与刚度，验证结构设计可靠性。

金金在《芦苇收割船关键部件的设计与研究》研制了一种高效率整齐收割芦苇的收割船。其主要由船体、割台、分苇机构、扶苇机构、输送带、液压控制系统、驱动系统等组成。该设备采用液压系统控制割刀刀架升降，可以实现不同水深作业；喷水装置有利于割刀进行切割作业，更有效地保护割刀不被磨损。分苇、扶苇等机构的合理设计可以使芦苇连续收割、平稳输送；集苇轮可以保证芦苇的整齐铺放。将机构设计和液压系统相互配合，能够实现高效整齐收获作业，吴波在《基于组合导航的水草清理作业船系统研究与设计》中设计了一种河蟹养殖用水草清理作业船，该船具有手动、遥控和自动行驶三种控制方式，并有导航系统、控制系统和上位机监控系统等子系统。采用多种适用于水草清理的机械部件，研究了提高定位精度的技术方案，介绍了定位、定向和测速原理，设计了基于RTK-GNSS系统和微机电惯性系统的组合导航系统。针对组合导航系统模型，采用卡尔曼滤波对组合导航信号进行滤波处理。该系统有手动、遥控、自动三种操作方式。针对自动行驶，设计了航向度闭环控制、循点算法、速度和转弯策略，采用了PID自动调节算法，设计了基于ARM11的水草清理作业船嵌入式系统，设计了其硬件、系统软件和应用软件。

众多前辈对水草收割方面进行了深入研究，使我的课题有了很多可以参考的内容，但还没有针对具体生产中出现的良率低的问题做出深入研究，因此本文具有研究价值和一定的现实意义。

三、研究内容

1前言

1.1本课题研究的背景与目的

1.2除水草机的研究现状2除水草机方案的确定

2.1除水草机的设计要求

2.2除水草机的工作场合

2.3除水草机的结构方案拟定

3除水草机的尺寸计算和受力分析

3.1传动轴设计校核

3.2偏心轮的设计校核

3.3割刀的设计与校核4仿真分析

4.1虚拟样机的建立

4.2传动轴的强度分析5结论

四、研究方法、步骤及措施等

研究步骤：

（1）前期准备：明确论文研究方向，制定研究计划，查阅相关资料，实地考察，了解TOSA的工作方式和透镜耦合的生产工艺。议定论文提纲。

（2）撰写文献综述与开题报告：整理收集到的相关资料，向指导老师咨询相关意见。

（3）论文撰写：通过对收集到的资料进行整理并结合老师以及前人的研究成果进行论文初稿的撰写。再根据指导老师的意见进行修改，最终定稿。完成以下内容：针对良率问题的工艺分析、验证工艺分析结果的正确性、提出解决方案、验证解决方案的可行性。

五、进度安排

序号起止日期工作内容

12021.11.20——2021.12.3查阅资料，调查研究，拟定毕设研究内容和实现的功能，论文写作大纲，撰写开题报告。教师召集学生面谈，进行论文开题指导，讲解开题报告写作注意事项；学生查阅文献，总结提炼论文写作大纲，教师修改论文大纲，完善论文结构，完成开题报告

22021.12.4——2022.3.11独立设计，修改设计和修改论文，中期检查。在这阶段指导老师与学生要经常交流，老师指导，学生根据老师的要求完善系统和修改论文

32022.3.5——2022.3.11中期检查

42022.3.12——2022.4.10设计、论文完成和定稿。按照学校论文格式要求调整论文格式和排版，形成定稿

52022.4.11——2022.4.22设计和论文验收与评审。学生对论文查重并提交符合学校要求的查重报告，重复率控制在30%以内。指导老师和评阅老师对论文进行评审，形成评审意见和成绩

62022.4.23——2022.4.30毕业论文（设计）答辩。学生准备所有毕设资料，制作汇报PPT，按照学院统一时间要求参加毕设（论文）答辩

72022.5.1—2022.5.30论文档案材料整理存档

六、主要参考文献

[1]吴玉娟,刘永华,苏友朋,毛营.池塘养殖水草自动收割装备设计与实现[J].农业开发与装备,2019(12):107+112.

[2]徐杨.两栖水草收割船切割—输送—喂入系统设计与试验研究[D].江苏大学,2019.

[3]邹振西,王振宁,黄志开,王红星.水草收割机在不同水域环境中的应用与发展[J].机械工程与自动化,2018(06):217-219.

[4]晏继斌,河道清理用水草切割装置.安徽省,芜湖新达园林绿化集团有限公司,2018-02-16.

[5]金金.芦苇收割船关键部件的设计与研究[D].河北农业大学,2014.

报,2017,14(34):123-125.DOI:10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.34.123.

[6]孙小虎.两种水草收割机性能对比[J].农家参谋,2020(22):88-89.

[7]徐扬,尹建军,陈树人.基于CFD的水草收割台水流流场数值模拟[J].农机化研究,2020,42(09):12-17.DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2020.09.003.

[8]王泽河,水草收割装置的开发.河北省,河北农业大学,2014-02-26.

[9]吴波.基于组合导航的水草清理作业船系统研究与设计[D].江苏大学,2016.

摘要

中国淡水养殖总产量居世界首位，众多养殖水域以及景观水域需要种植水草以维护生态平衡。这些水域中的水草都需要保持在一定高度。由于此类小型水域水面较浅，分布零散，市场上现有的大型水草收割设备不适合在这些水域进行工作。而现有的小型水草收割设备结构较复杂，用户在购买机器的同时还要购买配套的船只，成本较高。

针对以上问题，用户需要一种可以安装在普通船只的水草收割设备，而且具备装拆方便，简单廉价的特点，本文设计了可以搭载在小型水域普通船只的可拆卸除水草机。本除水草机通过特制的安装架可安装于普通的船只上，在工作完成后可快速拆卸以进行维护保养。

本设计在传统可拆卸组合式小型水草收割装置的基础上，选用前置往复式切割器，以汽油机作为动力装置，动力通过可拉伸调节的传动轴传动到切割器的偏心轮，偏心轮带动两个动刀片进行往复运动，实现切割水草的功能。同时切割器焊接在刀架上，刀架安装在槽钢加工的支撑结构上，支撑结构上开设多个槽孔，以便调节刀架的高度，实现切割不同深度的水草的功能，满足了较广面积上的除水草工作。

关键词：除水草机；割刀；偏心轮

1前言 1

1.1本课题研究的背景与目的 1

1.2除水草机的研究现状 1

2除水草机方案的确定 5

2.1除水草机的设计要求 5

2.2除水草机的工作场合 5

2.3除水草机的结构方案拟定 5

3除水草机的尺寸计算和受力分析 8

3.1偏心轮的设计与校核 8

3.2传动轴设计校核 9

3.3割刀的设计与校核 10

4仿真分析 14

4.1虚拟样机的建立 14

4.2传动轴的强度分析 14

5结论 16

参考文献 17

致谢 18

附图 19

1前言
1.1本课题研究的背景与目的
1.1.1研究背景
在当前的城市环境建设中，水生态景观的开发尤为重要。人工湖具有特殊的水域特征，水深浅，面积小，分散度大。因此，除水草机是必不可少的。为了吸引游客，一些景观水域被特别设计成不规则的轮廓。在非常狭窄的河流或人工风景区，大型收割机械无法在这些水域平稳行驶和转弯。目前，市场上的大型除水草机设备适用于大型深水区域的水和草的收割和修复。在大多数小型河流和湖泊等小型地表水域，水生植物的收获和修复主要依靠人工。由此可见，除水草机在这些人工景观水体中有着广阔的应用前景。
1.1.2研究目的
由于专用集水采草的船体积大、消耗高，不适合在小水域作业，普通农民无法承担集水采草船的成本。目前，市场上有许多结构复杂的小型集水和采草设备。用户必须在购买机器的同时需购买特殊的船只，成本较高。随着水生态景观的发展和淡水养殖业的日益发展，除水草机具有重要的研发意义。然而，中等的景观水域和水产养殖池塘中都配备小船。因此，研究低成本、小型化、方便化、模块化和可移动化除水草设备，并与普通船舶相结合，以达到方便除水草的目的，从而降低成本，提高割草机的灵活性和利用率。
本文基于以上目的，拟设计一款小型、可快速拆卸的水草切割装置，可以有效地替代中小型水域的人工收获，有效地减少了轻工，大大提高了收获效率。快速可拆卸的组合式水和草采集器将通过固定装置与任何类型的容器组合。当用户需要割草时，可以快速安装。当不需要时，切割单元可以快速拆卸，以避免在开放环境中对收集单元的侵蚀和损坏，延长其使用寿命。这不仅降低了成本，而且还减少了纤维素的足迹，使设备损坏时更容易维护和更换。从这些方面来看，快速拆装将是除水除水草机械的良好发展方向。
1.2除水草机的研究现状
1.2.1国内外研究现状
在1950年代，荷兰等国家首次开始在进行河道的清理水草工作中采用专用的机械设备。1958年，荷兰工程公司IHCCOKonijn开发了一系列不同的水稻收获机：H系列、M系列、S系列和FB系列。各种系列又有不同型号的设计，仅H系列两栖清扫车就有六种不同的设计。随后荷兰公司Helder开始开发Cress收割机。在研究水草收割机的早期，通常将收割机安装在农业机车或液压挖掘机上。该机器被放置在要清理的河岸上，切断水中的各种杂草后，然后被吊上岸。岸边割草机有一些缺点，因为河岸往往种植着树木，不可能将机器降落在岸边，需要一种能在河上工作的割水机，是因为远离河岸的杂草无法收集，因为机器无法到达。

国内一些企业在除水草机的研究方面取得了良好的研究成果，并开发了相关产品。上海电气集团开发了gc2230和GC2000水和草采集设备。20世纪90年代末，绍兴县农林局和宁波市农机研究所合作开发了WH1800型水草处理设备。此外，内蒙古农业大学还设计了9GSCC-1.4水生植物收获机。有些产品的外形尺寸超过8米，收割设备通常与船体结合在一起。现有的小河或景观水体一般面积小、水深浅、分布分散、等高线形状多样。因此，现有的大型机械不适用于此类水域的水草收割。
1.2.2国内外水草收割装置分析比较
根据分析国内外水草收割装置的特点，根据控制形式、船体结构、除水草机的收割器类型等将水草收割装置进行分类。
表1.1国内外研制的水草收割设备类型

水草收割设备生产厂家	控制形式	船体结构	除水草机的收割器类型		推进装置形式		水草收割设备的参数与工作特点
水草收割设备生产厂家	控制形式	船体结构	形式	安装位置	形式	安装位置	水草收割设备的参数与工作特点
Aquatic Companyof USA	液压	单体船样式	往复式	船体前部	明轮驱动	船体尾部	长度为8m，宽度为3m，高度为2m，重约2t。
James R.Meclure ofUSA	液压	单体船样式	往复式	船体侧面	螺旋桨驱动	船体尾部	适合大面积深水域的水草治理作业，不适合小型浅水域。
Jamesl.Hawk ofUSA	液压	单体船样式	旋转式	船体前部	明轮驱动	船体尾部	采用拔草装置样式为滚筒式，收割和收集分别置于船体两端，漏收率较高。
Jamesl.Hawk ofUSA	液压	单体船样式	旋转式	船体前部	螺旋桨驱动	船体尾部	因为机构特殊，切割器需要安装密封装置。
O'TOOLECB	液压	单体船样式	旋转式	船体前部	螺旋桨驱动	船体尾部	通过螺旋桨式的结构吸收水体带动杂草进去收割装置，适合漂浮的小型水生植物。

Charles	液压	单体船样式	旋转式	船体前部	螺旋桨驱动	船体尾部	整机需要的功率较大，船体振动幅度较大。
北京市水利局	液压	单体船样式	往复式	船体前部	明轮驱动	可调	长度为5m，宽度为2m，高度为2m，重为4t。整机功率较为30kW，并且需要辅助作业。
浙江农业机械研究所与绍兴县农林管理部门	液压	单体船样式	往复式	船体前部	螺旋桨驱动	船体尾部	长度为6m，宽度为3m，高度为1m，重约6t。整个机器需要的功率为15kW。
CarlV.olsonof USA	液压	单体船样式	往复式	船体尾部	螺旋桨驱动	船体尾部	水草收割和收集分别安装作业，并且需要辅助设备协同工作。切割器的结构容易受到较大冲击造成损伤。
上海电气	液压	单体船样式	往复式	船体前部	明轮驱动	船体中部	长度约15m，宽度约5m，高度约3m，重约10t，适合大型较深的水域。

通过表1.1的对照比较后可以发现,现有除水草机械主要具有以下特点：
（1）控制方式：很大一部分浅水中收割的切割器的具体工作是靠液压来控制的，液压控制适合于大型相关的设备，需要实现无级齿轮传动，承受巨大的额定负载，方便的控制切割刀的工作。但所需使用空间比较大，基础设备总体总重量大，不适合于小型设备。
（2）驱动方式：由于水平和纵向混合切割在浅水中更为复杂，应考虑使用五点式推进器，以尽可能控制的方式避免水生植物的纠缠。一般来说，螺旋桨应该安装在船体的一侧。一体式螺旋桨是一种适合驱动传统船只的方式，不适合有复杂水生植物的水体。
（3）切割器类型：大多数公司使用安装在船体前面的切割器。切割器的阻力小，在水体中受到的水平压力较低。这是一种适合在手工工具上使用的小装置，旋转的刀片更容易造成水生植物被缠绕等问题。
从上表可以看出，现有的专用水草收割机，都是体积小、尺寸大，适合大型海上作业功能，机船一体化。

1.2.3除水草机的发展趋势
（1）小型化：对于大型池塘的除水草，目前市场上的许多除水草机都有大齿轮，适合在深水中作业。许多水域属于小的、浅的、密集分布的和高度零散的。在这种情况下，迫切需要找到最好的低地除水草器来实现为客户修剪小块低地的特殊任务。此外，多功能性将是专业水草收割机的一个重要的发展趋势。
（2）自动化：深水作业机目前已经在市场上相关的机械和船只的整合使用，然而，需要五个直接控制操作，需要大约三个人操作任一操作模式。其他在封闭水域使用的除水草机需要更大的尺寸来处理复杂的滩涂。此外，杂草控制和收集装置可以安装在同一个水缸上，也可以安装在不同的水缸上，以便它们可以一起工作。因此，扩张的空间是有限的。
水草收割机的分部拆装设计，使不同类型的停泊支架可以与任何类型的船只结合。当不同类型的收割机开发出专门的设备时，可以只购买现有船只所需要的部件，并安装在现有船上，这不仅降低了总体成本，而且还减少了船的尺寸。在这些条件下，不仅可以比船只更快地修复组合，而且还能继续取得良好进展。

参考文献

[1]吴玉娟,刘永华,苏友朋,毛营.池塘养殖水草自动收割装备设计与实现[J].农业开发与装备,2019(12):107+112.

[2]徐杨.两栖水草收割船切割—输送—喂入系统设计与试验研究[D].江苏大学,2019.

[3]邹振西,王振宁,黄志开,王红星.水草收割机在不同水域环境中的应用与发展[J].机械工程与自动化,2018(06):217-219.

[4]晏继斌,河道清理用水草切割装置.安徽省,芜湖新达园林绿化集团有限公司,2018-02-16.

[5]陈文彬.水面清洁设备研究及设计[J].科技创新导报,2017,14(34):123-125.DOI:10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.34.123.

[6]孙小虎.两种水草收割机性能对比[J].农家参谋,2020(22):88-89.

[7]徐扬,尹建军,陈树人.基于CFD的水草收割台水流流场数值模拟[J].农机化研究,2020,42(09):12-17.DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2020.09.003.

[8]王泽河,水草收割装置的开发.河北省,河北农业大学,2014-02-26.

[9]张威,许俊军,徐成章,赵俊林,陈伟明.水下收草装置的设计[J].机械工程师,2014(08):26-28.

[10]马中喜.WH1800型河道清草机[J].中国农机化,2003,(03):10-13.

[11]DanielSmith.Marineweedwaker:USA,6922982Bl[P].2005-8-2.