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中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院2012屆畢業(yè)設(shè)計
1 緒論
生態(tài)環(huán)境是社會均不發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類生存發(fā)展的必要條件。如何保護好生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是我們中國乃至全世界共同關(guān)注的重要問題。它不僅關(guān)系到當(dāng)今人類文明社會的發(fā)展還影響到我們子孫后代未來的生活。
1992年中國政府在聯(lián)合國召開的世界環(huán)發(fā)大會上簽署了條約并且表示會加強對生態(tài)環(huán)境的保護，并且實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。著表明中國政府在推進社會主義中國化建設(shè)的進程中把對生態(tài)環(huán)境的保護列入基礎(chǔ)建設(shè)的首位。它對于我國建設(shè)特色社會主義經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展有著重大的意義和不可替換的作用。保護生態(tài)環(huán)境是中華名族做的一項功德無量的事業(yè)對我國未來的發(fā)展有著重大的意義。
水資源是自然生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，在人類的文明發(fā)展中扮演著重要的角色。隨著人類的文明高速的經(jīng)濟發(fā)展、以及人口爆炸性的增長，如今人類對水資源的需求增加，特別是工業(yè)對水資源利用的不合理造成了對湖泊江河海洋的污染，導(dǎo)致了對水資源乃至生態(tài)資源平衡的破壞，進而導(dǎo)致水中氮、磷等營養(yǎng)鹽的含量越來越高，引起各種藻類和大型水生植物的大量生長，從而破壞了水資源的生態(tài)平衡。
世界上對水體富營養(yǎng)化問題的提出始于十九世紀，隨著社會的發(fā)展以
及人類對生態(tài)環(huán)境的破壞，人類在這一問題上的研究和治理越來越重視，特別是二十世紀的六十年代，隨著生態(tài)學(xué)的發(fā)展，工業(yè)發(fā)達的國家開始對這一問題，引起了高度重視。通過制定法律來控制人類的行為，同時在科技上開始研究治理技術(shù)和防治措施，取得了明顯的效果。
水富營養(yǎng)化的解決方法主要有三種：第一、控制氮磷營養(yǎng)鹽的注入量 。第二 、生物工程治理方式。第三、采用機械收割的方式獲取水草。通過長時間的實驗研究發(fā)現(xiàn)第三種方法對水富營養(yǎng)化的抑制效果最明顯。
1.1國內(nèi)外水草收割機研究情況
對于水草收割機器的研制，國外起步比較早，早在50年代荷蘭等國家就開始使用專門的機械進行河道的清淤除草作業(yè)。荷蘭在1958年IHC CO Konljn機械廠研制出H系列兩棲式挖泥船共6種機型，隨后又相繼開發(fā)出M 系列、s系列和FB系列等多種清淤機械；隨后HERDER公司也開始研制各種機型的河道除草機。起初他們一般是把切割器安裝在液壓挖掘機或農(nóng)用拖拉機上，把溝渠、河道內(nèi)的蒲草、雜草切割后撈起放于岸邊，其整機需停在岸邊或沿岸邊行駛進行作業(yè)，這就是陸用割草機。由于陸用割草機的使用范圍有較大限制，河道、溝渠旁常揎有樹木，無法停機，遠離岸邊的水草又無法切割到，因此研制一種能在河道中航行的水中割草機應(yīng)運而生。60年代，英國的Rolbe公司開發(fā)出Oibeaux系列水中割草機，英國的John wider(工程)公司也開發(fā)出自己的系列產(chǎn)品。這些產(chǎn)品至今還在世界各地廣泛使用。
對于國內(nèi)一些相關(guān)企業(yè)及研究機構(gòu)進入該領(lǐng)域，并且取得了一定的研究成果，如寧波農(nóng)業(yè)機械研究所、桂林象山農(nóng)機廠、紹興縣農(nóng)林管理總部聯(lián)合研究的WH1800型河道清草機，北京市水利局聯(lián)合數(shù)家單位共同開發(fā)的的SGY-2.5型水
草收割機，上海電器集團現(xiàn)代化裝備有限公司新液壓長研究開發(fā)的GC2230型號河道割草保潔船以及GC2000型小型河道割草作業(yè)機械。
經(jīng)歷半個世紀的發(fā)展歷程，水草收割機的設(shè)計，由開始的岸邊切割水草作業(yè)，水中水草作業(yè)，水中收割水草作業(yè)，到現(xiàn)在的水中切割、收獲、后續(xù)處理一體化作業(yè)模式，功能日益完善，而且經(jīng)過長時間的摸索和經(jīng)驗積累，其工作模式也發(fā)生了很大的改變。其主要是朝著小型化、智慧化方向發(fā)展。
1.2 BYD-1 水草收割船的意義和目的
水草在日常生活中有諸多的作用和價值，例如養(yǎng)殖、生態(tài)和景觀等有重要的價值體現(xiàn)，吸引著人們大量種植。但由于種植量過大，同時缺乏相應(yīng)的管理措施，導(dǎo)致人工種植的水草一度發(fā)展到過剩的狀態(tài)。為了保持水域的生態(tài)平衡，需要在景觀水域中大量種植水草，但是在每年的高溫時節(jié)，水草生長非常迅速，必須及時進行收割清理，否則會對水質(zhì)造成二次污染。目前，水草治理方法主要有化學(xué)清除法和物理收割法。化學(xué)清除法會引起水質(zhì)污染，破壞生態(tài)環(huán)境，并對其他生物的生存造成很大影響。所以，人們大都采用更為環(huán)保的物理收割法來治理水草。但由于人工收割效率低下，往往打撈的速度跟不上水草生長的速度，因而機械收割就成為理想的水草治理方式。
目前，市場上一般的水草收割機多是機械控制的，動力來源復(fù)雜，難以實現(xiàn)收割船的簡單，智能，據(jù)此現(xiàn)狀，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)緊湊，機構(gòu)傳動平穩(wěn)，效率高，機身全部動力來源為液壓，液壓控制液壓系統(tǒng)控制船的行走、割臺的升降以及輸送裝置的運動的水草收割船。這種新型的水草收割船可在水下實現(xiàn)切割，回收，傳送一體化連續(xù)作業(yè)方式，能夠達到清除多余的水草的目的，充分體現(xiàn)簡便化。
1.3 BYD-1 水草收割船切割裝置的分類
（1）往復(fù)式（圖1-1）。切割器的主要構(gòu)造為兩把刀片，并且至少有一把作往復(fù)直線運動，與另一刀片形成相對切割。該種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以選擇合適的刀具參數(shù)來適應(yīng)不同的環(huán)境。整個切割器是一個整體，只需一個動力端即可，容易實現(xiàn)同步工作；缺點是對刀具材料和刀具安裝精度要求高，維修不方便。
圖1-1 往復(fù)式切割器
（2）旋轉(zhuǎn)式。這種切割器的主要構(gòu)造為旋轉(zhuǎn)軸的中心固定三四個刀片，工作的時候，刀片繞軸旋轉(zhuǎn)，不斷切割水草。這種刀具的主要優(yōu)點是多把刀具組裝而成，便于維修，缺點是滾刀的傳動軸必須安裝成偏心的形式，并且必須在水中工作，因此，對滾刀的動力傳輸以及密封的要求比較高。本次設(shè)計選用往復(fù)式切割器。
1.4 BYD-1 水草收割船切割裝置在船體上的位置
（1）前置式：切割器安裝在船體的前端。它的優(yōu)點是能夠?qū)崿F(xiàn)切割和收集水草一體化，水草的漏收率比較低。缺點是它的動力輸入端的傳動路線過長，不適合剛性軸的設(shè)計和工作。
（2）后置式：切割器安裝在船體的后端。它的優(yōu)點是船體在工作過程中，拖動切割器行走，當(dāng)遇到韌性較大的水草時，它可以依靠慣性力將其拉起。它的缺點是水草在切割下來之后無法及時回收，容易造成二次污染，污染生態(tài)環(huán)境。
（3）側(cè)置式：切割器安裝在船體一側(cè)，它的優(yōu)點是只有一個動力輸入端，動力比較集中，適用于水草密集的河道。缺點是切割時，只能在無水草區(qū)域進行作業(yè)，便于船體行走。
（4）中置式：切割器安裝在船體的中間，它的優(yōu)點和前置式的一樣可以實現(xiàn)切割和收集一體化，水槽的漏收率比較低，結(jié)構(gòu)緊湊便于公里傳送。缺點是設(shè)計過程復(fù)雜。
1.5BYD-1 水草收割船的工作對象
（1）近海水草式。主要收集近海水域的藻類水草。要求功率大，船體大，排水量大，不需要將水草收集起來，可以將水草沉入水底，船體必須配備適當(dāng)?shù)木壬O(shè)備，而且船體的防腐要求很高，適合于大型水生植物收割機的連續(xù)作業(yè)。
（2）內(nèi)河水草式。主要用來收割內(nèi)陸江河、湖泊等淺水域的水草。水草的生長情況比較復(fù)雜，同時考慮到環(huán)境保護的問題，必須將水草及時收集打撈，因此，必須在船體上配備適當(dāng)?shù)氖占b置，機構(gòu)比較復(fù)雜。
2 水草的特點和對收割機的要求
2.1水草的基本特性和分類
水草一般是指可以生長在水中的草本植物。水生植物指生理上依附于水環(huán)境、至少部分生殖周期發(fā)生在水中或水表面的植物類群。大型水生植物為除小型藻類以外所有水生植物類群。
水草一般是指可以生長在水中的草本植物。水生植物指生理上依附于水環(huán)境、至少部分生殖周期發(fā)生在水中或水表面的植物類群。大型水生植物為除小型藻類以外所有水生植物類群。
2.2水草對收割機的機械性能要求
（1）由于水草切割大多數(shù)是在水中進行作業(yè)，又水草比較密集，因此切割速度應(yīng)為1.8-2.20m/s。
（2）為了使水草收割的更徹底，因此應(yīng)該盡量采用低切割，切割器應(yīng)接近水草的根部，并能隨著地形的變化做一定的調(diào)整。
(3)切割機應(yīng)具有耐磨、耐腐蝕、防銹性，刀具應(yīng)有護刀器。同時還應(yīng)配有起落架在1m的范圍內(nèi)可以自由調(diào)整高度。
（4）被切割下來的水草能夠均勻的鋪放在傳送臺上，減少及其對水草的震動和翻滾，使得能收割更多的水草防止水草對水造成二次污染。
3提出問題
BYD-1 水草收割船以收割沉水植物為主,在主要結(jié)構(gòu)尺寸基本確定的條件下,影響生產(chǎn)率的主要因素是切割速度Vp，Vm, 割幅寬度 B(1.2m) 割深 H(1m) 在保證數(shù)據(jù)合理的條件下這幾個參數(shù)如何選取，才能使水草收割機技術(shù)經(jīng)濟指標達到較佳水平，是本課題需解決的主要問題。
4 BYD-1 水草收割船切割裝置的主要設(shè)計
4.1 BYD-1 水草收割船切割器設(shè)計的切割特點
切割器是各種收割機最主要部件，其工作效率和工作質(zhì)量直接影響機器性能。往復(fù)式切割器有支撐切割，其原理和理發(fā)推子工作相似，雖然受慣性力的限制，切割速度不高，但由于它適應(yīng)性強，工作可靠，故通用性廣，目前在收割機上仍得到廣泛的應(yīng)用。
4.2 BYD-1 水草收割船切割器的主要構(gòu)造
切割器主要由護刃器梁、定刀片（圖4-1）、壓刃器（圖4-2）、護刀器（圖4-3）、動刀片等組成（圖4-4）。護刀器和壓刃器用圓頭方頸螺栓固定在護刃器梁上。護刃器上有定刀片壓刃器前段接近貼在動刀片上面，可防止動刀片向上抬起。在護刃器梁前面還裝有摩擦片，用來支撐刀桿運動，防止護刃器梁磨損。頭與傳動機相連，驅(qū)動刀桿在護刃器凹槽中往復(fù)運動。當(dāng)收割機工作時，護刃器尖端先把水草均勻分開，然后由動刀片把水草推向定刀片，在定刀片支撐下，進行切割。
圖4-1 定刀片
圖4-2 壓片器
圖4-3 護刀器
圖4-4 動刀
4.3 BYD-1 水草收割船切割器的類型
往復(fù)式切割器的類型是根據(jù)割刀行程、兩相鄰刀片中心線之間的距離和兩個相鄰定定刀片的中心線之間的距離三者的相互關(guān)系來分類的。目前，我國收獲機械上應(yīng)用的切割器，主要可分為標準型和非標準型兩種類型。
（1）標準型切割器。割刀行程s等于兩相鄰動刀片中心線之間的距離t、等于的個相鄰定刀片的中心線之間的距離t。即：
S=t=to=76.2mm
式中：s——割刀行程
t——兩相鄰動刀片中心線距離
to——兩相鄰護刃器中心線距離
標準型切割器具有良好的切割性能，而且護刃器之間的距離比較大，對莖稈的粗細適應(yīng)性較強。因此，在割草機、收割機和聯(lián)合收割機上被廣泛應(yīng)用。
（2）非標準型切割器。在—些水稻收割機上采用了較標準尺寸為小的切割器，其尺寸關(guān)系為：
S＝t；to＝50、60或70mm
這種切剖器的特點是：動刀片較窄長(切割角較小)，護刃器為鋼板制成，無護舌，對立式割臺的橫向輸送較為有利，其切割能力較強，剖茬較低。缺點是如果保持相同的切割速度，其曲柄轉(zhuǎn)速就較高．割刀往復(fù)慣性力大。在粗莖稈作物收割機上，有采用較標準尺寸為大的切割器，其尺寸關(guān)系為：
S＝t＝to＝90或100mnl
其護刃器的間S距較大、專用于收割粗莖稈植物。
由于水草莖桿細，所以選用標準型切割器。
4.4 往復(fù)式切割器影響切割質(zhì)量的因素分析
切割速度Vp與進給速度Vm之間的關(guān)系，用切割速度比來描述，通過它可定性分析王府切割器影響切割性能的主要因素。由（圖4-5）所示空白區(qū)Ⅰ和重切區(qū)Ⅱ都對且個性產(chǎn)生不利的影響，如果空白區(qū)Ⅲ太長，就會使有的水草被推倒，而造成漏割。要是重切區(qū)太多了，切割刀在某些區(qū)域就會工作兩次，可能會對切割過的水草重割一次，造成功率的浪費。在動刀高低h一定時，重割區(qū)和空白區(qū)的大小與機器前進速度Vm和曲柄轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系，其關(guān)系用切割進程H表示（割刀運動的一個行程內(nèi)機器前進的距離）進程增大，切割圖形變長，空白區(qū)增加，重割區(qū)減??；反之亦然，數(shù)學(xué)表達式為H=Vm·t
圖4-5
式中Vm為機器前進速度（m/s）,t為割刀運動一個行程時間。因為往復(fù)切割器一個行程，曲柄轉(zhuǎn)動180。，時間為t,則由數(shù)學(xué)公式得H= 30Vm/n米
(1)式中 Vm—機器前進速度(m/s);
n—曲柄轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）
因水草切割阻力大，往復(fù)式割草機切割速度應(yīng)大于 2.15m/s。但切割速度太大，慣性力增加，引起機器震動，因此選擇適宜切割速度是關(guān)鍵，曲柄主軸轉(zhuǎn)速 738 轉(zhuǎn)/分鐘。曲柄旋轉(zhuǎn)一周，割刀完成兩個行程，則割刀平均速度 Vp 為
Vp= rn15 m/s (2)
Vp=738.03x815x1000=1.78 m/s
式中r-曲柄半徑（m）
n-曲柄轉(zhuǎn)速
因為切割比λ=Vp/Vm ,將（1）（2）兩式帶入得λ=2r/H （3）
現(xiàn)有割草機H=（1.1-1.5）h帶入（3）式得λ= 2r(1.1~1.5)h (4)
H為動刀刃高度（m），標準Ⅰ型切割器動刀刃高度 h 為 54，代入（4）得λ=2x381.1~1.5x54=0.94-1.28為保證切割質(zhì)量，實際切割速比應(yīng)大于理論切割速比，理論進給速度 Vm取機器穩(wěn)定行駛所允許的最高速度。
當(dāng)曲柄主軸轉(zhuǎn)速為 738 r/min，切割器平均速度 Vp=1.87m/s,收割機平均作業(yè)速度Vm=0.99m/s，切割器選標準 I 型，為保證切割質(zhì)量，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)那懈钏俦?。切割速比一般大于等?1.02，本機在平均工況下λ=Vp/Vm =1.88>1.02，故本機設(shè)計是合理的。
4.5 切割器部件的可行誤差
1整列：各護刀器尖端之間的距離相等，且在同一水平線上，高低之間距偏差不得超過3mm；定刀片應(yīng)位于同一水平面上，可以用支持檢查，每5個刀片的偏差不得大于0.5mm。
2對中：當(dāng)個到處于往復(fù)運動的兩極限位置時，動刀片中心線與定刀片中心線應(yīng)重合，偏差不得超過3-5mm。一般取小值。
3密接：當(dāng)割刀處于往復(fù)運動的兩個極限位置時，動刀片和定刀片前段應(yīng)貼合，允許個別動刀片前段翹起，但見習(xí)不應(yīng)超過0.5mm。其根部間隙應(yīng)在0.3-1mm范圍之內(nèi)。
4其他：壓片器與動刀之間應(yīng)稍有間隙但不得超過0.5mm；
5 總結(jié)
（1）BYD-1 水草收割船無論對生產(chǎn)廠家還是農(nóng)牧民使用者都有很好的經(jīng)濟效益，投資小，見效快，經(jīng)濟實用。
（2）主要零部件經(jīng)過強度校核滿足強度要求，但是由于回收水草的需要，軸較長，結(jié)構(gòu)不是特別緊湊。
（3）所設(shè)計的切割裝置結(jié)構(gòu)簡單，運動靈活，適宜在中小尺度的水域生態(tài)系統(tǒng)中進行水草收割，能夠達到凈化水質(zhì)的作用。
（4）切割器結(jié)構(gòu)可靠，切割效率高。
（5）通過船體動力通過液壓控制，可以有效調(diào)節(jié)切割深度，切割操作方便，工作效率高 。
（6）整機社會經(jīng)濟性好，基本都是通用標準件，普通材料制成，易造耐用。維護、保養(yǎng)運輸方便、經(jīng)濟。
（7）可以再在切割裝置的外部假裝外殼，不但能提高安全系數(shù)，而且還能使外表美觀。
（8）由于本人水平有限有些結(jié)構(gòu)和參數(shù)難免有設(shè)計不合理的地方，希望老師能給我指出，我會在以后得學(xué)習(xí)中努力彌補不足，完善自己，提高自主創(chuàng)新的能力。
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致 謝
通過本次畢業(yè)設(shè)計，我的專業(yè)水平和機構(gòu)設(shè)計的能力有了很大的提高。在這里首先要感謝我的指導(dǎo)老師王老師。從課題的選材，方案的確定，機構(gòu)的設(shè)計，論文的撰寫的過程中，王老師給我提出了很多寶貴意見，明確規(guī)范了設(shè)計要求，在畢業(yè)設(shè)計的各個方面都給予了悉心指導(dǎo)，在此過程中我學(xué)會了很多，收獲了很多。王老師嚴格按照畢業(yè)設(shè)計進度表監(jiān)督我的進度，給予我鼓勵和指導(dǎo)，使我按時按量順利完成了畢業(yè)設(shè)計的工作。在此，向王老師表示衷心感謝和深深地敬意。
畢業(yè)設(shè)計過程中用到了很多以前學(xué)過的專業(yè)知識，也深深體會到了專業(yè)知識的重要性。因此，衷心感謝那些曾經(jīng)教會我知識財富的老師。感謝學(xué)院在畢業(yè)前，提供給我這樣一個寶貴的鍛煉自己的機會，為將來走向社會填了砝碼。
最后，向所有關(guān)心和幫助過我的老師、同學(xué)們致以誠摯的謝意！
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