本文是一篇工程论文，本文在前期研究的基础上，对采捕机一级螺旋滚、曲柄长度和行走机构等进行了改机设计，利用离散元法与多体动力学对采捕过程进行了联合仿真分析，对改进后的采捕机进行滩涂采捕性能试验。
1绪论
1.1研究目的及意义
我国是滩涂贝类养殖大国，养殖产量居于世界前列[1]。2021年我国贝类养殖产量为1.55×107t，养殖区域面积达1.22×106hm2[2]。采捕作为贝类养殖生产的重要环节，高效、低损的生态采捕，是贝类养殖生产的重要保障[3]。目前我国滩涂贝类的采捕方式主要有人工耙式采捕和水力采捕，耙式采捕效率低，不适合规模化养殖；水力采捕贝类呛沙严重，滩涂底质破坏严重，不利于可持续发展。因此，实现滩涂贝类机械化采捕，是我国滩涂贝类养殖产业升级和可持续发展的迫切要求。项目团队已开展了刷-筛协同振动采捕装备研制，但贝类采捕装备仍需改进，以提升采捕装备的效率和适应性。
本文在前期研究基础上，拟开展采捕机装备优化改进，通过压陷试验研究、离散单元法与多体动力学联合仿真分析和试验研究，确定采捕机行走、滚刷和曲柄的合理结构，并找到采捕机构的最佳运行参数，为滩涂贝类采捕技术的研发提供技术支撑。
1.2国内外贝类采捕外现状分析
1.2.1国外滩涂贝类采捕技术发展现状
国外从20世纪中期开始对贝类采收技术进行研究，先后研发了耙式采收、旋齿采收、水力采收、抽吸采收及振动采收等技术[5]。1945年美国开发了拖曳式水力采捕机，该采捕机结构简单操作便利，其采捕效率是拖耙采捕器的2倍多，并在新泽西和纽约地采捕大西洋蛤蜊[6]，虽然该采捕机在中等水深的砂底中采捕文蛤效果比较好，但采捕时可达350kPa的水压对底质的破坏性极大，且在石底、深水及泥底中不佳。1970年日本对贝类采捕机械进行研究和设计，并于1974年试制了一种用于采捕滩涂贝类的拖耙采捕器（图1-1），采捕机由拖拉机拉动，将贝类连同砾石一起捡起，收割机底部网孔让砾石逸出[7]，这种采捕机由柴油机驱动，带有水泵和轮式行走机构，借助喷水器对贝类进行收割。捕获率高达95%，碎裂率低于3%。1973年美国Haven等[8]设计了旋齿扶梯式贝类收获机（图1-2），该收获机用于贝类收获，其工作由收获船承载，通过链条输送自动扶梯和收集器进行收获，底部为矩形结构采集器内设有前后两级转鼓式轴组，作业时，前级转鼓在底部收集贝类，后级转鼓用于清理泥沙和贝类，将清洗后的贝类输送至输送扶梯，最后转运至承运船。1991年美国的Holt等[9]发明了一种水力振动贝类采捕机（图1-3），该机通过螺旋偏心轮使固连的耙齿产生振动，疏松底质并采捕埋栖贝类，将收集的蛤类传送升至采捕船完成采捕。2002年美国Bill Dewey[10]将郁金香果实收割机改造成了蛤仔采捕机，该采捕机由滚刷、振动筛、刮板链和收集筐组成，工作过程中，蛤蜊由滚刷扫入振动筛，经振动筛分离后，由刮板链输送至车体后部收集。这种收割机在美国华盛顿州被广泛用于捕捞菲律宾蛤蜊。劳动成本降低了3~5%。2006年，意大利的Munari等[11]探索了底栖动物受耙式旋转蛤蜊采收机的影响，该采收机由驳船、皮带输送机和耙齿组成，采用入底100mm的耙进行作业，蛤蜊用耙齿挖出，经传送带送到滚筒分级机进行清洗和分级，结果表明，收割机对底栖动物群落的影响更大。2008年加拿大不列颠哥伦比亚贝类养殖协会[12]评估了Taylor Shellfish公司生产的滩涂贝类采捕机（图1-2）工作状态下对滩涂生态环境的影响，结果表明振动采捕与人工采捕对环境的影响无显著差异，振动采捕的影响甚至小于风浪等自然因素。2014年苏格兰Murray等[13]对竹蛏进行了电力采捕试验，结果表明电力采捕竹蛏有着较好效果，并调查了非目标生物电捕的影响，发现电捕对于其行为的刺激时间是短暂的，但需要深入地研究这种方法对幼蛏的影响。
2滩涂底质压陷特性及采捕机结构改进设计
2.1滩涂底质压陷特性试验研究
对于滩涂底质，在外载荷作用下发生沉陷的特性即为滩涂底质的压陷特性[45]。对于潮间带滩涂上的作业机械而言，沉陷深度过大使得泥沙抱紧车轮，导致作业时浪费更多动力，同时若机械因沉陷过深导致无法动弹，海水涨潮所留时间短也让救援十分急迫，因此保证滩涂机械安全行驶性能十分必要。对此，开展对滩涂底质的压陷特性研究，建立不同滩涂压力与沉陷的关系，保证贝类采捕机采捕时的沉陷深度，对减少阻力和安全行驶都有着重要的意义[46]。压力-沉陷模型有不同的形式，最早的车轮下陷深度与接地比压的关系由德国的Bernstein提出[47]，美国学者Bekker在此基础上又借鉴负荷-压陷函数，提出了压陷模型[48]，Bekker建立的模型在表面均匀面积较大的平板土壤上试验效果良好。英国教授Reece[49]结合地面力学特性对Bekker的压陷模型进行修正。此后Bekker模型也被众多研究者多次修正，这也使得Bekker模型在土壤中有了更强的适用性[50,51]。中南大学李力等[52]在Bekker模型理论基础上通过试验得出了海底表层海泥压力与沉陷的关系。曾谊晖等[53]通过海底沉积物压陷特性试验，对Bekker模型进行了相关参数值的校正。在此基础上，本节开展滩涂底质压陷特性研究，找出研究地域的压力-沉陷模型。
2.1.1材料与方法
1.试验材料
试验采用取自山东东营滩涂和辽宁盘锦滩涂的滩涂底质泥沙，使用柱状采样器分别在两地的滩涂各四个取样点采集厚度为250mm的泥沙，置于φ220mm的圆样桶中，为减小采集样品在保存和运输过程中受到的扰动，对采集后的样品进行密封和减震处理。
2.仪器及设备
万能电子试验机（CTM-805），φ30mm、φ50mm压头。
3.压力测试方法
压力测试利用万能电子试验机（CTM-805）进行滩涂土壤压力测试，见图2-1所示。试验时，通关电脑端设置沉陷量到50mm时停止，加载速度60mm/min，万能电子试验机对加载力进行实时输出。在压陷特性试验中矩形压板宽度与圆形压板直径具有等效性[54]，为了方便试验，本试验采用自制圆形压板，压板直径为φ30mm、φ50mm。
2.2采捕机结构改进设计
在本课题的研究和多次试验基础上，保留振动筛设计，对螺旋滚刷进行改进，设计一种新型人字形滚动钢刷结构，并改进输送机构，增加分选机构，完成贝类采捕机整机改进。
2.2.1行走机构改进设计
滩涂的条件恶劣多变，滩涂作业设备要在涨潮前返回安全区域，若采捕机采捕过程中发生陷车，救援难度大且时间紧迫，简单的轮式行走机构如图2-6，很难保证采捕机行驶和作业的安全性，而履带式行走机构具有通过性好、安全可靠和负重能力强等特点，为此设计一款履带式行走机构能够有效增强采捕机的安全性。
2.2.2滚动钢刷结构改进设计
通过前期试验发现滚动直排滚动钢刷（图2-7）对泥土的切削效果不好，直排滚刷切削的泥土为大片块状，导致贝类在振动筛上未彻底筛分，仍有沙块未经震碎就传送至后面的收集筐中。而螺旋滚刷对泥土具有更好的疏散效果，因此将滚动钢刷结构更改为人字形螺旋结构。新设计的人字形螺旋结构的螺旋滚刷由轴套、键、滚刷轴、钢刷构成，能够切割、破碎泥土并帮助筛前端挖掘铲进行挖掘，推动泥土和贝类进入挖掘铲，起到挖掘和推送的作用，其三维结构如图2-8所示。
3 采捕机构联合仿真研究 ........................... 17
3.1 采捕机构联合仿真模型的建立 .......................... 17
3.1.1 ADAMS模型设置 ........................ 17
3.1.2 EDEM模型建立 ........................... 18
4 采捕机贝类采捕性能试验研究 ............................. 32
4.1 材料与方法 ............................... 32
4.1.1 试验材料 ................................. 32
4.1.2 试验方法 ...................................... 32
5 结论与建议.................................... 56
5.1 结论 ........................................... 56
5.2 建议 ............................... 57
4采捕机贝类采捕性能试验研究
4.1材料与方法
4.1.1试验材料
试验地点：辽宁省锦州市四角蛤蜊滩涂养殖区（北纬：40°50′13″，东经：121°33′39″），采收对象；四角蛤蜊（Mactra veneriformis，Reeue），试验时间；2022年09月27日-2022年10月18日。
5结论与建议
5.1结论
本文在前期研究的基础上，对采捕机一级螺旋滚、曲柄长度和行走机构等进行了改机设计，利用离散元法与多体动力学对采捕过程进行了联合仿真分析，对改进后的采捕机进行滩涂采捕性能试验。主要结论如下：
（1）研究了辽宁和山东等地典型滩涂底质特性，试验发现，辽宁地域滩涂比山东地域滩涂硬度大，在φ50压头作用深度到50mm时，山东滩涂压力在50~65kPa，辽宁滩涂压力在225~250kPa；借助Bekker土壤承压特性公式建立了山东东营和辽宁盘锦的压力-沉陷关系，建立的滩涂底质压力-沉陷模型，为行走机构的改进提供了理论依据；完成了滚动钢刷结构理论分析，确定了螺旋升角在30°~50°时减阻挖掘效果较好。
（2）对采捕机一级滚刷、曲柄长度和行走机构等进行了改进设计。利用ADAMS和EDEM进行了刷-筛联合仿真，结果
