自走式滩涂贝类采捕机研究设计与试验

陆 建，周 宇，申 诚，卢少颖，涂 莉，薛爱海

(1 南通市农机化技术推广中心，江苏 南通 226006；2 南通淳泰农业机械有限公司，江苏 如东 226400)

中国沿海滩涂有着丰富贝类资源，多分布在大河入海口附近较平坦潮间带、浅海区域细沙和泥沙滩中，埋栖深度因水温和个体大小而异,现主要由人工围养[1-3]。在养殖区域，人工耙取方式采捕能力约20～30 kg/h，以产量估算不足0.005 hm2/h，费时费力，直接造成采捕作业成本占比过高[4-6]。受潮汐时间变化及路途遥远等影响，采捕作业人员往返途中需借助下海拖拉机人货混装，存在安全隐患。

滩涂养殖区域定期散放新贝苗。散放前，常选用机械对滩涂浅表耕翻疏松作业，方便散放于滩涂表面贝类钻入土层埋栖生长。滩涂生态系统比较单一，自我修复能力差，作业过程应避免扰动深层，以防对底层生态环境造成破坏[7]。

国外最早于20世纪40年代对贝类采捕机进行研究，先后开发了拖耙采捕机[8]、旋齿采捕机[9]、机桨采捕机[10]、水力采捕机[11]、抽吸采捕机[12]及振动采捕机[13]等不同类型的采捕机械投入生产应用。国内最早于20世纪70年代开始研发贝类采捕机，如水力采捕机[14]、泵吸采捕机[15]等。近年来，申屠留芳等[16-17]学者也对机械及重要部件进行了研究设计。多数采捕机采用处理沙土后收集贝类作业模式，但清理沙土时多直接或间接借助水冲洗，能适应无水滩涂环境下的贝类采捕机械并不多见，在日益重视生产作业安全及滩涂生态环境保护的今天，对适应无水滩涂作业的贝类采捕机的需求越来越迫切[18-21]。

随着采捕从业人员的老龄化趋势日益明显，滩涂养殖企业面临越来越严重的用工荒，先进适用的贝类采捕机械对提高生产效益，促进整个产业健康发展具有十分重要的现实意义[22-25]。本研究设计自走式采捕机械，可用于无水滩涂贝类采捕作业，取大留小将符合规格贝类采捕，保证良性生态循环，同时还可对滩涂进行机械化疏松。

1 总体要求

采捕作业通常选择落潮后涨潮前时间段进行，此时滩涂表面无积水或仅为10 cm以下浅水层。南通沿海滩涂多为黏性土壤[26-28]。经海水浸泡过的沙土与贝类混在一起，仅通过振动方式处理难以分离；采用高压水流冲洗处理，需携带大容量水箱，且易使贝类呛沙影响口感。为此创新设计采捕过程中沙土两段处理方式：即在传输过程中通过清理辊轮对滩涂贝类表面沙土进行清理；随后通过振动筛板作进一步处理。

自走式滩涂贝类采捕机械工作环境为沿海滩涂，直接接触海水。整机特别是关键部件应采用电镀锌及喷涂防锈漆等方式，进行防海水腐蚀处理[29-31]，每班次作业结束后，需用清水将机体冲洗干净,延长整机使用寿命。滩涂贝类采捕关系海洋生产安全，机械需配备定位仪，驾驶操作人员需身着救生衣，并携带安全装备。

2 工作原理

采捕作业时，自走式滩涂贝类采捕机通过液压油缸控制承接拉杆，调节铲齿板至合适作业深度。随着采捕机向前行进，铲齿板将含有贝类的沙土铲起，由输送链网向后输送，设计有4道高速旋转的清理辊轮，在输送过程中对贝类表面沙土进行清理，大量沙土从输送链网辐条间隙落回滩涂表面，少量贝类表面混带的泥沙继续向后输送至振动筛板上处理。经过两级处理过程，泥沙和小规格滩涂贝类掉至沙滩，符合采捕规格的滩涂贝类进入收集框，实现滩涂贝类采捕作业。

3 整机设计

整机设计由行走牵引装置及采捕作业装置两部分组成(图1)。行走牵引部分，以柴油发动机为配套动力，选配无级变速箱，采用橡胶履带行走装置；采捕作业装置设计采捕机架总成，与行走部采用承接拉杆联接，通过承接拉杆下方的液圧油缸伸缩来控制采捕机架与滩涂表面相对位置，采捕机架总成上布置有铲齿板、输送链网、清理辊轮、振动筛安装板和贝类收集框安装板等部件。为简化传动机构，采捕作业转动部件由液压泵驱动。采捕机架总成后侧设计支承轮，保持采捕机作业时深度一致。

图1 自走式滩涂贝类采捕机结构组成Fig.1 Structure composition of the self-propelled beach shellfish harvester

3.1 行走牵引装置

3.1.1 动力选择

滩涂贝类采捕机发动机动力供行走牵引、传输链网、振动筛板、清理辊轮等运动部件工作，选配涡轮增压柴油发动机，功率60 kW。

3.1.2 履带接地强度校核

图2 自走式滩涂贝类采捕机折叠设计Fig.2 Folding design of self-propelled beach shellfish havester

此理论接地压强值，能保证采捕机械正常行走作业[32-33]。

3.2 采捕作业装置

3.2.1 铲齿板

铲齿板位于采捕机架前端最下方，与机架合为一体，对铲齿板进行三维结构设计，断面近似楔形，齿尖加工处理成弧形，避免与贝类硬接触造成损伤[34]。铲齿板齿间留合适间隙，间隙宽度略小于符合采捕规格滩涂贝类正常厚度，一方面尽可能漏土，减少进入输送链网的沙土量，提高输送链网传输效率；另一方面保证不遗漏符合采捕规格贝类。铲齿板的作业深度可以通过液压油缸伸缩控制承接拉杆来调节，以适应不同季节温度下的采捕作业要求。

图3 铲齿板三维结构设计Fig.3 Three dimensional structure design of spade plate

铲齿板工作时应避免前端堆积土，保证含有贝类的沙土在齿板表面顺利滑升，同时将其所受阻力控制在合理范围之内。铲齿板在行走装置水平方向牵引力作用下，克服沙土对其的阻力前进。将铲齿板受力分解至沿上表面方向及垂直于上表面方向，如图4所示。

图4 铲齿板上表面受力分析Fig.4 Stressanalysis of upper surface of the spade plate

图4中所示γ为铲齿板下表面与滩涂表面夹角，保证下表面不与滩涂表面接触。

建立铲齿板上表面简单受力模型，对铲齿板上表面进行受力分析，采捕机械正常作业过程中，应满足：

Gsinβ+Fcosβ=f(沿上表面一致方向)

(1)

Fsinβ+Gcosβ=N(与上表面垂直方向)

(2)

f=μN(滑动摩擦力公式)

(3)

根据采捕作业深度不同，设计铲齿板上表面与滩涂表面夹角变化范围β∈(20°，30°)，下表面与滩涂表面夹角变化范围γ∈(10°，15°)[35]。

3.2.2 输送链网

采捕机架内设计输送链网，前端与铲齿板延伸过渡。采捕机架内前后侧壁从左到右依次转动安装有四道传输支承辊，输送链网由液压泵链轮联接的传输支承辊驱动。传输辊依次增高，中间两道传输辊对整个链网输送起支承作用，保证传输过程平稳。采捕作业时，含有沙土的滩涂贝类沿输送链网向上传输，避免泥沙堆积。

3.2.3 清理辊轮

采收机架内输送链网上方安装有4道清理辊轮，辊轮轴线所在平面与输送链网近似平行，清理辊轮转动方向与输送链网运动方向相反。清理辊轮表面为光滑柔软弹性梳刷齿(如图5所示)，在转动过程中实现自净，避免表面黏土。梳刷齿顶端与输送链网接触，可将输送链网上贝类表面附着的沙土打散后从输送链网辐条间掉落。

图5 清理辊轮三维设计Fig.5 Three dimensional design of cleaning roller

3.2.4 振动筛板

采收机架内后侧振动筛安装板上安装两级振动筛板，筛板底端面左侧与采收框内底部侧壁之间固定连接减振弹簧。安装架上装配振动电机，功率0.16 kW、振动频率50 Hz。振动电机通电工作，带动振动筛板以一定频率上下振动。振动筛板内置辐条，根据滩涂贝类采捕规格，辐条间留合适间隙，保证沙土及小规格贝类顺利撒漏(图6所示)。振动筛板上方置拦网(图7所示)，防止贝类受振弹出机外，通过振动筛板处理后，进入收集框的贝类较为清洁。

图6 振动筛板结构示意图Fig.6 Structure diagram of vibrating screen plate

图7 两级振动筛板及处理效果Fig.7 Two-stage vibrating screen plate and treatment effect

4 实地试验

4.1 试验点基本情况

实地采捕试验于2020年9月22日进行，试验地点设在如东县三联滩涂养殖公司的文蛤养殖基地，位于南通市如东县长沙镇中隔堤路与海堤路交汇处西北滩涂。

4.2 试验过程

试验地平坦、无障碍物，保证机具正常作业，考虑采捕机械调头耗时影响；选择滩涂地块长度100 m，两端稳定长度70 m，宽度10.5 m，为作业幅宽的8倍，试验地块四周做明显标记。

在规定的作业速度下作业，测定并记录作业速度、工作幅宽、工作距离、工作深度等[36]。样机在测试区内往返作业，试验完成后测定和记录采捕贝类个数、漏挖贝类个数和破碎贝类个数。

4.3 试验数据

在测试区内，沿机组前进方向每2 m测1个点，各测10次，计算最大作业深度平均值。

采捕率、破碎率计算公式如下：

FC=100%×WC/(WC+WL)

(4)

FP=100%×Wp/(WC+WL)

(5)

式中：FC—采捕率，%；FP—破碎率，%；WC—采捕贝类个数(样机工作两个行程后，汇总收集机具内采集的贝类，并汇总出其数量)；WL—漏采贝类个数(人工找出相应测区内符合当地采捕要求，但机具没有挖掘出来的遗留贝类，并汇总其数量)；WP—破碎贝类个数(从采捕和漏捕贝类中收集所有破碎贝类，并汇总其数量)。

4.4 数据处理

按照预先设计试验方法进行试验，记录整个作业时间及直线行驶纯作业时间，收集所有采捕贝类数WC、漏采贝类个数WL、破碎贝类个数WP，测量10处作业深度取平均值，并对相关试验数据进行处理，情况如下表1所示。

表1 试验数据记录Tab.1 Test data record

从试验情况可知，自走式滩涂贝类采捕机各技术指标均达到设计要求，在养殖区域贝类高密度分布情况下，作业效率超人工10倍以上，表明了本自走式滩涂贝类采捕机设计试验取得初步成功，但采捕贝类的清洁度低于带水作业的采捕机械。本采捕机破碎率仅为2.1%，远小于设计值，表明机具在控制贝类破损方面有较为满意效果；本机最大行驶速度达1.67 m/s，一方面大大缩短机械在滩涂转场时间，另一方面，作业现场出现意外情况时，人机可迅速撤离保证安全。

4.5 试验分析

本研究设计的自走式滩涂贝类采捕机，可用于滩涂无水情况下的贝类采捕作业。与吴澎等[37]设计的海滩贝类起捕机沙土液压分离结构相比，本机很好实现沙土清理效果，无需水流冲洗装置，结构简单，减轻自重，减少功耗。但本机械作业时总长度超6 m，导致转弯半径较大、调头时间较长，实际作业效率低于纯作业效率，对生产作业影响，今后将做进一步改进设计。

5 结论

针对南通沿海滩涂贝类多为人工采捕作业实际，设计了自走式滩涂贝类采捕机械，采用两段沙土处理方式，试验结果各技术指标达到预期。传统的采收由钉耙尖锐的耙钉频繁刨动，易对贝类造成损伤，本采捕机将铲齿前端加工成弧形，采用光滑柔软弹性梳刷齿处理沙土，使采捕破损率仅为2.1%，有效减少了采捕过程的损耗。实际作业深度74.3 mm，保证正常气候条件下的采捕作业要求，同时不会对滩涂底层土壤扰动，保护滩涂生态环境。与人工耙取式作业效率相比，机械作业效率大幅提高，减轻劳动强度，可大幅减少采捕从业人员数量，对整个滩涂贝类养殖产业发展具有积极意义。

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