水草切割装置的研究现状与发展趋势文献综述.doc

水草切割装置的研究现状和发展趋势

摘 要：简述了国内外水草收割机的历史和发展，对于现有水草切割装置分别从切割器形式、体积、作业对象、功率、适合水域方面阐述优缺点。分别列举了往复式切割器和圆盘锯齿切割器的参数、切割原理、优缺点等情况，并且介绍了新型切割器。最后总结提出应开发可快速拆卸组合水草切割装置来应对现今的水草治理问题的观点。

关键词：割草装置；小型；现状；趋势
Research status and development trend of aquatic plants mowing apparatus
(College of Engineering, Shanghai Ocean University, Wang Xiangchun M110601608)

Abstract: Brief history and development of domestic and international Aquatics Harvester, existing from cutting grass cutting device, volume, power, job objects, suitable for water describe advantages and disadvantages. Listed separately to multiple parameters and circular saw-tooth cutter for cutting, cutting principles, advantages and disadvantages, and introduced the new cutter. Final summary of proposed development can be assembled quickly demolished the reeds of grass cutting device to respond to present day governance issues.

Key words: Mowing apparatus; Small; The status quo; Trend
1 引言
当前，受工业化和人类活动的影响，许多江河湖泊水质恶化，以湖泊、水库、干渠内沉水植物异常繁殖为主要特征的水体富营养化状况日趋严重。在大型水生植物响应型的草型湖泊内，各种挺水植物和沉水植物过量生长，其群落盖度可达100%，最大生物量(湿质量)为 22.5 kg/m2以上，形成了极大的初级生产力，河网水域杂草泛滥，一下雨、一放水，水草从乡村内河内湖涌入大江大河，成为一大景观[4]。大量沉水植物充塞水体空间，自生自灭，破坏自然景观，危害渔业生产，腐败后沉积水底，不仅污染水质 ，而且加速了生物填平作用，促进沼泽化过程，危害了湿地生态系统的良性循环。如果不及时打捞上岸，又会腐烂变臭，重新污染水质，已严重影响到航道的运输、水道的防洪排涝、城市环境的美化，有的甚至使水质恶化影响人类健康，水生植物的治理急需解决[16]。
2 国内外水草切割装置分析比较
荷兰等国[11]早在50年代就开始使用专门的水利机械进行河道的清淤除草作业。荷兰的 IHC CO Konijn机械厂1958年研制出H系列两栖式挖泥船共6种机型，随后又相继开发出M系列、S系列和FB系列等多种清淤机械；荷兰的HERDER公司也开始研制各种机型的河道除草机。起初他们一般是把切割器安装在液压挖掘机或农用拖拉机上，把沟渠、河道内的蒲草、杂草切割后捞起放于岸边，其整机需停在岸边或沿岸边行驶进行作业，这就是陆用割草机。由于陆用割草机的使用范围有较大限制，河道、沟渠旁常植有树木，无法停机，远离岸边的水草又无法切割到，因此研制一种能在河道中航行的水中割草机应运而生。
60年代，英国的Rolbe公司开发出Gibeaux系列水中割草机[29]，英国的John Wilder（工程）公司[33]也开发出自己的系列产品，30多年来，这些产品至今还在世界各地广泛使用。
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；美国 aquam arine公司[30]，该公司研制有EH、H、HM三大系列产品；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。该机和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]，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[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[11]，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。些产品外型大，长度都大于8m，需要多人及辅助机械协同作业，适用于大型水域水草的收割。而景观水域的设计通常都采用自然造型，有各种不同的曲线，且水面较为狭小，不利于大型机械作业。
表1 国内外研制的水草收割设备类型
生产厂家
控制
方式

船体
切割器
推进器
参数和工作特点
形式
安装部位
形式
安装部位
USA Advanced Aquatics Company
液压
单体船
往复式

船体前部
明轮
船体尾部
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。
USA James R.Meclure
液压
单体船
往复式

船体侧面
螺旋桨
船体尾部
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
液压
单体船
旋转式

船体前部
明轮
船体尾部
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.
液压
单体船
旋转式

船体前部
螺旋桨
船体尾部
割收分开作业，漏收率高。切割器安装密封要求高。
O'TOOLE C B
液压
单体船
旋转式

船体前部
螺旋桨
船体尾部
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
液压
单体船
旋转式

船体前部
螺旋桨
船体尾部
整机功率大，船体振动大，水草漏收率低，无二次污染。
北京市水利局
液压
单体船
往复式

船体前部
明轮
可调
长5m，宽2m，高2m，重4.4t，主机功率26.47 kW，需辅助作业。
宁波农业机械研究所等单位联合研制
液压
单体船
往复式

船体前部
螺旋桨

船体尾部
长6.1m，宽2.5m，高0.75m，重5.5t，功率14.71 kW，需辅助作业。
USA Carl V. olson
液压
单体船
往复式

船体尾部
螺旋桨
船体尾部
割收分开作业，需要辅助设备协同工作，切割器受冲击，损伤比较大。
上海电气集团现代农业装备成套有限公司
液压
单体船
往复式

船体前部
明轮
船体腰部
长14.3m，宽4.25m，高2.54m，重9t，适合大型水域。
对国内外典型水草收割机进行比较后, 不难发现它们具有以下特点。
( 1) 液压控制。大部分水草收割机明轮的动作、切割器的工作以及传送带的升降都是采用液压控制的方式来实现的，该种控制方式的优点是能够实现无级变速，方便灵活地控制切割器以及明轮的工作速度。
( 2) 明轮驱动。在所有的水草收割机当中, 最常用的驱动装置是明轮, 而且一般情况下, 都是安装在船体的尾部。只有 SGY - 2. 5型水中割草机这种水草收割机的明轮安装是比较柔性化的，充分考虑到了水草收割机的各种工况, 可以任意改变明轮的安装位置。
( 3) 往复切割。大部分产品都采用往复式切割器, 并且安装的位置都是在船体的前部, 比较少的情况是采用旋转式的切割器, 这样有利于避免缠绕等问题的产生。
( 4) 辅助设备。所有典型水草收割机械都需要有辅助机械 (输送带、拖船等 )来协助工作, 才能连续完成大量作业。
由上表可以看出，现有水草切割装置，都具有体积大，机船一体化，适合大型水域工作特点。所以小水域水草切割问题亟待解决。
3. 市场现有水草切割器主要分类
3.1 往复式切割器
收割机切割装置由切割器和割刀传动装置组成。水草收割机的作业类似牧草收获机械和稻麦收获机械，采用往复式切割器。割刀传动装置将动力传递给割刀，同时将旋转运动改变为往复式直线运动，实现切割过程[4]。牧草收获机械的割刀传动装置位于切割器的侧面，其曲柄连杆机构和切割器在同一平面内，或通过分析可以简化在同一平面内，曲柄连杆机构和切割器所受力系为平面力系。水草收割机的切割器是切割装置中的一个重要部件，它影响作业质量和生产率，目前采用的主要有3种：绳索式，国外曾采用，适合只割不收的切割船上[14]；旋转式，湖北监利县农机研究所设计的收获机上采用，缠绕问题十分严重。如采用圆盘式割刀，由于旋转轴极易缠绕沉水植物，轴架支承部分易拖挂成团沉水植物且和捡拾输送器不易配置而无法正常工作[23]；经实验在水下切割沉水植物以往复式切割器为宜。从设计条件考虑选用标准无护刃器双动大刀片式较理想。割刀传动装置将动力传递给割刀，同时将旋转运动改变为往复式直线运动，实现切割过程[18]。水草收获机械的割刀传动装置位于切割器的侧面，其曲柄连杆机构和切割器在同一平面内或通过分析可以简化在同一平面内， 曲柄连杆机构和切割器所受力系为平面力系。割刀传动装置要和水面成一定的入水角度驱动切割器在水下做平行于水面的往复直线运动对水草进行切割。往复式割刀的运动是一种变速度运动，切割过程中随着切割速度的增加，切割阻力下降，但惯性力增加，一般收获牧草的平均切割速度大于1 m/s[35]。
沉水植物收获机械在设计上应满足水域工作条件、沉水植物的物料特性和切割、捡拾及输送的工作特性要求，防止沉水植物在切割器、捡拾器前部堵塞，在曲柄连杆机构挂草及在旋转部件上缠草，等等。水草切割装置部件的造型、设计和参数计算应根据设计学的要求和物料特性[30]。
沉水植物在收割过程中遇到旋转部件均会产生缠绕现象，造成脱链、跳链现象及增加功率消耗，严重者导致无法正常生产。因此在结构设计上必须采取防缠绕措施，如在旋转部件和非旋转部件中间的间隙处设防缠绕罩，使沉水植物无法通过这一缝隙，从而避免缠绕在旋转部件上。选择往复式切割器则能避免切割器被缠绕和堵转的问题，即使遇到强度、韧性比较大的水草，切割器的刀片也能依靠高速运动将水草割断[6]。
3.2 圆锯齿切割器
圆锯齿切割器是市场现有最普遍的切割器形式，当刀盘高速旋转时，在离心力作用下保持其切割状态。当阻力过大或遇障时，刀片即回摆，避免损坏。刀片一边刃口磨损后可以换边使用。更换刀片也较往复式割草机方便。在旋转式割草机上，除装有和往复式割草机相似的安全装置外，在切割器上方还加设防护罩，以保证人身安全。切割速度（刀片刃口根部的圆周速度）高达60～90米/秒[12]。工作平稳，作业前进速度可达15公里每小时以上[13]。其特点是对牧草的适应性强，适用于高产草场，但切割不够整齐，重割较多，单位割幅所需功率较大[24]。
在旋转式割草机上，除装有和往复式割草机相似的安全装置外，在切割器上方还加设防护罩，以保证人身安全。1．割草机割草之前，必须先清除割草区域内的杂物，以免损坏打草头、刀片。冷机状态下启动发动机，应先关闭风门，启动后再适时打开风门。若草皮面积太大．割草机连续工作时间最好不要超过4小时。2．割草机使用后，应对其进行全面清洗，并检查所有的螺钉是否紧固，刀片有无缺损，检修高压帽等，还要根据割草机的使用年限，加强易损配件的检查或更换[19]。
圆锯齿切割器装置是依靠高速旋转刀盘上的刀片冲击切割草类，所以适合水面以上的草类切割，在水下会有巨大阻力，不适合在水下运行。
4新型切割器
水草切割器的顺利作业一般要满足下列条件：（1）必须在水下完成切割，捡拾和输送。切割深度能在较大范围内任意可调，不应发生漏割、漏收现象，水下输送通畅。（2）有较高的生产率。要求根据不同的切割深度，割幅和作业速度合理配置动力。（3）防缠绕 。各机构，零部件在航行和作业时，不能发生被物料缠绕现象。（4）作业连续。沉水植物收获机械需有相应的配套设备 ，如装载船，运输牵引船等，配套设备的运载能力和数量应和收获机械生产能力协调，设备间有良好的衔接。（5）较高的航速和适中的作业速度。航速应在5km/h以上，作业速度应高于2.5km/h。（6）操纵灵活，转弯半径小于5.5米（7）安全性。在航行和作业时整机平稳，且在4级风速下不发生走偏。（8）可靠性。沉水植物收获机械为季节性作业，保养和维护均在水中进行，难度较大。（9）防腐性。要求船体及相关零件进行防腐处理，以降低水及腐烂的物料造成的腐蚀。
国内割草机多采用农业机械上广泛使用的往复式切割器，它由护刀器、动刀片、定刀片和压刀器成。为了保证动刀片的前端能顺利地切入农作物茎杆，动刀片和定刀片之间必须保持2°～3°的倾角，以使动定刀片之间有0.2～0.3毫米的间隙[32]。当切割细长而又柔软的水草时，动刀片极容易把水草拉入动、定刀片间的缝隙中，造成切割器堵塞。另外，这种切割器只能把草的根和茎切断，但对丛生于水下的互相交叉缠绕的水草茎叶却不能切开，这样就会产生捆草、捆船现象，使作业效率大大下降，甚至无法作业。水草切割机采用的U字形切割器就彻底解决了上述问题，它由以下几部分组成：

3.3 U型切割器
1. 横梁 2. 弓形刀架 3. 东刀片 4. 定刀片
1．横梁。呈矩形断面，中间装有切割刀具的驱动马达，两端和刀架相连，内部装有连杆且和动刀片连。
2．弓形刀架。由槽型断面构成，其上铆有定刀片和压刀器。整个刀架呈U字形，左、下、右三面都有切割刀刃，当动刀片错动时，三面同时切割，这样水草成块状切下，避免了互相缠绕产生的捆草和缠刀现象。
3．动刀片。整条锯用弹性钢片制成，其上装有控制横向和径向运动的滚轮，确保其沿刀架按固定路线运动。滚轮由耐磨性良好的MC铸型尼龙制成。动刀片靠自身的弹力（可调节绷紧度）压紧在定刀片，避免了堵刀现象的发生[27]。
5发展趋势
5. 1 小型化
当前市场上所有水草收割机都是大型机械，满足大型湖泊水草的收割和修理，但不适合小型河道和湖泊等小水面水域中水草的收割。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% (需增加水面积设八个大型水域生态景观的人工湖泊。另外，到 2020年，我国将建成300多家大型高尔夫球场[14]，每家高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，所以水草收割机的需求量将会越来越大。但是这些水域生态景观和人工湖泊大部分面积小，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。目前这些水域中的水草的收割都由人工完成，劳动强度大，效率低。而且往往在水草疯长时，人工收割跟不上生长速度，一部分水草因未及时收割而腐烂水中，造成水质恶化。所以小型水上收割机的需求量会越来越大， 小型轻便、美观环保的水草收割机将是一个重要的发展方向。
5.2 自动化
目前水草收割机的操作都由人工来完成，在大型的水草收割船上一般有2~ 3[27]人进行操作。但随着水草收割机的小型化，它的收割和集草都要在同一条船上进行，由于空间有限，最多只能由一人操控，若都是手动操作的话，会不太方便，所以应该提高水草收割机的自动化程度，特别是遥控式的水草收割机不仅能进一步减小船体的尺寸，增大储草空间，而且安全，将会是小型水草收割机的一个发展方向。
6分析和建议
随着我国许多河域的富营养化现象而产生的水草严重灾害现象日益严峻，开发经济、适宜的水草收集机械装置变得必要。采用机械和生物治理相结合的方法将是当前最优的选择。如何选择合适的机械来面对不同的环境和形式？随着水草切割机械装置的发展，现今市面上已经有许多种不同的机械来分别的有效地应对各种情况。现在市面上大多为大型机械，很难在内陆小水域运行。虽然，现在有向小型化、智能化、无人化发展的水草收集机[17]，但由于以下几点仍然无法取代传统水草切割装置：价格昂贵、技术不成熟、稳定性没有传统的高、效率较低。所以开发可快速拆卸组合的水草切割装置将更具有前景。可快速拆卸组合的水草切割装置将通过固定装置和任意种类的船相结合。可以开发不同种类的水草收割装置，需要时仅仅购买需要的机械安装到自己的船上。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。
根据市场现有切割装置分析，往复式割草装置依靠切割器上动刀和定刀的相对剪切运动切割草类，其特点是割茬整齐，单位割幅所需功率较小；但对草类不同生长状态的适应性差，易堵塞。适用于平切割速度一般低于3米每秒[34]，作业前进速度一般为6～8公里每小时[32]。水草收割装置宜采用往复式割刀，以避免较大的水阻力和缠绕堵转问题。
参考文献
[1] 王艳红.纽荷兰机械简介.农业机械,2002,(4).
[2] T.T.KYCOB.MB-1 型手拖挠性传动割草机的研制.农牧和食品机械.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.水科学和工程技术,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).
[11] Daniel Smith.Marine weedwaker:USA,6922982 Bl[P].2005-8-2.
[12] Charles B. Bryant. AQUATIC HARVESTING APPARATUS.USA, 4258534[P].1979-3-7.
[13] James L,Hawk. Apparatus for remocal of aquatic plant growth:USA,5069023[P].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):14791—14792.
[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和试验.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.科技创新和品牌,2010,(7):3.
[26] 赵国兴.9SCGC-1.5型水草收割船的研制.农业科技和装备,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.
[29] Thomson 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.
[30] R 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, 2001
[31] D. G. Cross. Aquatic Weed Control using Grass Carp.Journal of Fish Biology,anuary 1969, 1(1):27-30.
[32] Brian J. Midtling et al. Method and apparatus for harvesting aquatic plants. U.S. PATENT DOCUMENTS,13 Sep 1991, 5197263.
[33] Andrew 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.
[34] T. 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.
11 / 11