螺桿傳動式貽貝卸苗設備設計

程 海， 袁躍峰， 謝 飛， 李德然

(浙江海洋大學 海洋工程裝備學院， 浙江 舟山 316022)

貽貝(mussels)，又稱"淡菜"、"海紅"，是一種利用足絲附著于礁石表面的雙殼類軟體動物。由于其易于人工養(yǎng)殖，且繁殖力又極強，已成為我國海洋養(yǎng)殖的主要貝類。貽貝蛋白質含量極高，且富含多種人體所需的氨基酸，具有較高的營養(yǎng)價值，是多種保健品的主要原材料[1-4]。我國貽貝規(guī)模化養(yǎng)殖開始于20世紀60年代，距今已有60余年的歷史，年產量逐年攀升，據(jù)中國漁業(yè)年鑒統(tǒng)計，2018年國內貽貝總產量已超過80余萬噸，約占世界貽貝總產量的1/4[5]。養(yǎng)殖成熟的貽貝收割后，需經(jīng)過卸苗、打散、清洗及裝袋等工序，最后送入市場或加工車間。卸苗作為貽貝加工首道工序，作業(yè)方式已從最初的人工卸苗發(fā)展成機械化卸苗；卸苗速度在原先的基礎上有所提升，但仍然存在人員配置多、自動化程度低等問題[6-8]。Ansco[9]公司為解決新西蘭當?shù)刭O貝卸苗問題，設計了雙滾筒式卸苗設備，但由于諸多問題，國內暫未引進。國內在貽貝卸苗方面的研究較少，限制了自動化貽貝脫苗設備的研發(fā)。課題組設計的螺桿傳動式卸苗設備，是基于當前卸苗設備的一種改進，利用PLC自動控制，減少了加工人員的數(shù)量，同時加工效率得到了明顯提高。

1 貽貝卸苗原理及現(xiàn)狀

1.1 卸苗設備及作業(yè)現(xiàn)狀

成熟的貽貝、養(yǎng)殖苗繩和卸苗設備分別如圖1所示。

圖1 貽貝卸苗現(xiàn)狀Figure 1 Current status of mussel breeding rope removal

養(yǎng)殖成熟的貽貝吸附于苗繩表面，整體近似長條狀，成熟貽貝收割后，需要將苗繩從中抽出，便于下一次養(yǎng)殖使用，從成熟貽貝中取下苗繩的工序稱為貽貝卸苗。目前貽貝卸苗采用機械化作業(yè)，工人需將苗繩穿過卸苗模具孔，再將養(yǎng)殖苗繩與牽引繩索相連，并將牽引繩索纏繞在卷筒表面，利用電機帶動卷筒旋轉，拉動牽引苗繩，啟動電機后，牽引繩索帶動苗繩前進，苗繩表面的貽貝在前進過程中被模具擋板阻擋，苗繩被抽出，完成卸苗。卸苗完成后，工人需完成脫繩等工作。由于此類卸苗作業(yè)工序較為復雜，單次作業(yè)時間較長，同時養(yǎng)殖苗繩屬于柔性物體，給穿繩作業(yè)和苗繩打結作業(yè)帶來了一定的困難，因此卸苗作業(yè)效率不高，為實現(xiàn)貽貝高效率加工，設計一款可以提高卸苗作業(yè)效率，降低工人勞動強度的自動化卸苗設備很有必要。

1.2 卸苗所需拉力計算

根據(jù)設備設計需要，對浙江嵊泗貽貝養(yǎng)殖基地的貽貝卸苗設備進行了參數(shù)采集，主要包括電機相關參數(shù)和卷筒相關參數(shù)，如表1和表2所示。

表1 電機相關參數(shù)

表2 卷筒相關參數(shù)

由于V型帶和減速器傳動存在功率損耗，查閱機械設計相關資料[10]，確定設備的總傳動效率為0.81，則執(zhí)行部件功率為1.62 kW；同時，已知轉速為70 r/min，計算出卷筒工作扭矩如式(1)所示。

M=9 550×(P/n)=9 550×1.62/70=221 N·m。

(1)

式中：P為功率，n為轉速。

在實際加工過程中，卷筒卷繞繩索都是從最小半徑開始的，且開始階段，貽貝所需的卸苗拉力最大，因此，該處的拉力以最初拉力計算，工作所需拉力為：

F=M/dmin=221/0.15=1 473 N。

(2)

1.3 未卸苗貽貝相關參數(shù)采集

未卸苗貽貝吸附于苗繩表面，整體近似長條狀，由于設計需要，對其主要進行長度和周徑2方面的尺寸進行數(shù)據(jù)采集，如表3所示。

根據(jù)測量結果可知，未卸苗貽貝長度尺寸保持在4.2 m左右，周徑尺寸保持在0.4～0.5 m之間。養(yǎng)殖繩索均采用標準麻繩，長度保持在5 m左右，周徑為50 mm。

表3 未卸苗貽貝尺寸數(shù)據(jù)

2 螺桿傳動式貽貝卸苗設備設計

2.1 設備總體結構及工作原理

為了降低當前卸苗作業(yè)的復雜程度和提高加工效率，課題組基于SolidWorks軟件設計的螺桿傳動式貽貝卸苗設備，結構如圖2所示。同時對各部件的裝配進行了干涉檢查，沒有發(fā)現(xiàn)干涉，各部件裝配合理[11-12]。

1—卸苗模具機架；2—卸苗模具；3—出料口；4—機架連接鋼板；5—導桿支架；6—卸苗機架；7—滑車導桿；8—螺桿；9—卸苗滑車；10—滑車機架；11—卸苗鉤；12—電機；13—絲桿軸承座。圖2 設備結構Figure 2 Equipment structure

設備主要由卸苗模具、滾珠螺桿、螺母、卸苗架、卸苗鉤、出料口和電機等組成。在卸苗工作開始前，將帶苗貽貝的傳輸帶與卸苗模具口對接，形成一個整體。設備啟動后，由1名工人將未卸苗的貽貝苗繩掛在卸苗鉤上，按動按鈕，由電機驅動絲桿旋轉，經(jīng)過螺紋副對作用力的轉化，使卸苗鉤產生拉力，貽貝受到卸苗模具的阻擋，從模具的底部漏下，由出料口排出。卸苗鉤運動到另一個工作位后自行停止，完成單方向卸苗作業(yè)，同時另一名工人在工位另一端掛上苗繩，重新啟動電機，卸苗鉤在電機的驅動下，進行反方向運動，完成逆向卸苗作業(yè)。該設備在工作過程中，取消了傳遞繩索和打結繩索等工序，縮短了加工時間，提高了加工效率。

2.2 滾珠絲桿的選用

考慮到該設備中絲桿的軸向長度較大，選用絲桿在滿足軸向載荷的同時，還要滿足剛度要求，因此，綜合強度和剛度，選用FFZD3205-3型號的滾珠絲桿，公稱直徑32 mm，導程5 mm，螺桿螺紋長度為5 m，基本額定靜載荷和動載荷分別為31.4 kN和11.7 kN，剛度為826 N/μm[13-14]。

2.3 伺服電機的選用

伺服電機作為該設備的驅動單元，需要為絲桿提供足夠的扭矩，型號選用之前，要對工作所需的扭矩進行相關計算，如式(3)所示。

T=(F×l)/(2×π×0.9)=(1 473×0.005)/(2×3.14×0.9)=1.3 N·m。

(3)

實際加工過程中，貽貝卸苗牽引拉力偶爾會超過理論計算值，電機選用需要留出一定的余量，才能保證加工可靠性。根據(jù)常規(guī)設計經(jīng)驗，扭矩在理論計算值的基礎上增加20%，較為可靠，即扭矩為1.56 N·m。根據(jù)選型手冊，選擇JSF系列中的80系列伺服電機，額定轉矩為2.4 N·m，額定轉速為3 000 r/min，額定功率為0.75 kW，相應的伺服驅動器型號為SA3L04C[15-16]。

2.4 卸苗模具和卸苗鉤的設計

卸苗模具和卸苗鉤如圖3所示。

圖3 卸苗模具和卸苗鉤結構Figure 3 Structure of breeding rope removal mold and hook

卸苗模具采用鋼板經(jīng)過焊接而成，2側鋼板由于受力較小，厚度為10 mm，前端鋼板在卸苗過程中要阻擋貽貝，受力較大，設計為15 mm。為方便底部出料，模具長度設計為1 m，寬度為0.7 m，為減小卸苗所需的拉力，卸苗口設計為具有一定斜度的刃口，刃口寬度為苗繩直徑1.1倍，即55 mm。同時模具底部采用鋼條焊接而成，每根鋼條之間的間距為150 mm，用于貽貝出料。卸苗鉤結構設計為開口形式，方便掛繩和取繩作業(yè)，提高加工效率。

3 關鍵部件有限元仿真

3.1 材料參數(shù)定義

316不銹鋼材料的性能參數(shù)如表4所示。

表4 316不銹鋼性能參數(shù)[17]

由于設備的工作環(huán)境處于沿海地區(qū)，采用普通材料制作設備，會造成設備短時間內銹蝕，降低設備的使用壽命及影響貽貝食用安全，316不銹鋼材料具有很好的耐腐蝕性，用于制作該設備較為合適。

3.2 卸苗鉤和支架組合體應力和應變仿真分析

卸苗鉤和支架組合體應力云圖和變形云圖如圖4所示。

圖4 卸苗鉤和支架組合體有限元仿真Figure 4 Finite element simulation of breeding rope removal hook and bracket assembly

卸苗鉤是通過4顆螺栓緊固于支架的橫梁上，支架采用型鋼焊接而成，將卸苗鉤和支架結合在一起分析，比較符合實際變形情況。采用SolidWorks軟件中的Simulation模塊進行分析：材料選取316不銹鋼，輸入材料的性能參數(shù)，固定支架底部，在卸苗鉤一端施加1 473 N的卸苗載荷。經(jīng)過計算，最大應力位于卸苗鉤拐角附近，為18.39 MPa，遠小于材料屈服強度172 MPa；最大變形量位于掛鉤端部，為0.45 mm，未超過材料的彈性極限，不會產生塑性變形。卸苗鉤的邊角采用了圓角過渡，沒有出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象[18]

3.3 卸苗模具應力和應變仿真分析

卸苗模具的應力云圖和變形云圖如圖5所示。

圖5 卸苗模具應力云圖和變形云圖Figure 5 Stress cloud diagram and deformation cloud diagram of seedling removal mold

卸苗模具的有限元分析過程和上述相同，材料定義為316不銹鋼，對底部施加固定約束，由于卸苗模具主要是對苗繩上的貽貝形成阻擋，貽貝對模具前端擋板的作用力主要呈近似圓形的分布狀態(tài)，因此，對前端擋板面施加分布載荷1 473 N，分布區(qū)間直徑為500 mm。經(jīng)計算，最大應力位于模具的前端面，應力值為5.74 MPa，遠小于材料的屈服極限172 MPa，最大變形位置處于卸苗口的頂部，最大變形量為0.053 mm，不影響卸苗正常作業(yè)[19]。

3.4 機架的模態(tài)分析

通過仿真，機架前5階模態(tài)振型云圖如圖6所示。經(jīng)分析，第1階和第5階模態(tài)云圖如圖6(a)和圖6(e)所示，振型位置均集中于滑車導桿和設備機架橫梁位置；第2，3，4階模態(tài)分別如圖6(b)、圖6(c)和圖6(d)所示，振型位置均集中于滑車導桿位置。根據(jù)仿真結果，1～5階振幅分別為0.124，0.147，0.195，0.195和0.085 mm，均可滿足實際加工要求。為了進一步保證設備工作的可靠性，繼續(xù)利用Simulation模塊求解出前5階振動頻率，分別為13.629，14.559，15.231，15.237和17.096 Hz。從計算結果可知，機架前5階固有頻率為13～18 Hz范圍之間，而該設備作業(yè)過程中，主要振動來源于卸苗過程中的苗繩與貽貝產生錯動而產生的振動，根據(jù)常規(guī)的卸苗速度，振動頻率小于5 Hz，避開了機架固有頻率范圍，因此，機架的結構設計合理[20-21]。

圖6 設備機架前5階模態(tài)振型云圖Figure 6 Mode shape cloud diagram of the first 5 modes of equipment rack

4 控制系統(tǒng)設計

設備運行簡圖如圖7所示。電機驅動絲桿旋轉帶動卸苗滑車往返運動，為了保證設備可自動化運行，在A，B兩端增設行程開關，當一端行程開關閉合，滑車可停止數(shù)秒，等待工人取繩和掛繩作業(yè)，停止時間結束，滑車向另一端運行。

圖7 設備運行簡圖Figure 7 Equipment operation diagram

該設備控制系統(tǒng)主要由S7-200PLC、三菱MR-JE-20A伺服驅動器、JSF系列中的80系列伺服電機及相應附件組成。PLC編程之前，需將PLC相應輸入、輸出端口進行分配，如表5所示。PLC輸出端直接與伺服驅動器連接，伺服驅動器控制端SP1和SP2用于電機轉速控制，ST1和ST2用于轉向控制，由于該設備的伺服電機工作轉速恒定，因此，直接對驅動器進行輸出轉速設定，此處設定伺服電機轉速為3 000 r/min，即SP1為1，SP2為0。ST1和ST2用于控制電機轉向，正轉設定ST1為0，ST2為1，反轉設定ST1為1，ST1為0。

表5 I/O端口分配表

PLC控制程序如圖8所示。該設備運行方式為往返式，PLC可采用順序控制指令進行編程。設備啟動前，工人需檢查滑車位置，如果滑車不處于A端工作位，可通過常開按鈕SB5，將滑車復位至A端。當A端工作位掛上苗繩后，啟動電機，程序跳轉S0.0，滑車向B端運行，當滑車觸碰到B端工作位的形成開關后，程序跳轉S0.1，同時對PLC輸出端進行清零，由于伺服電機自身具有制動功能，可保證滑車在B端立即停止。當S0.1程序段中的定時器T37計時條件滿足后，程序立即跳往S0.2，伺服電機反轉，滑車向A端運行，當滑車運行到A端后，其控制方式和B端相同。如果需要停止設備或遇到緊急情況時，可通過按鈕SB2觸發(fā)I0.1，對各程序段進行復位，同時對PLC輸出端進行清零，伺服電機失電。

圖8 PLC控制程序Figure 8 PLC control program

5 螺桿式卸苗設備與卷筒式卸苗設備的參數(shù)對比

2種卸苗設備參數(shù)對比信息如表6所示。

表6 2種卸苗設備參數(shù)對比信息歸納

通過對比可知，螺桿式卸苗設備單次作業(yè)時間(每根繩卸苗時間)約為卷筒式卸苗設備的2/3，節(jié)約時間約11 s。借助螺桿傳動的“低扭矩、大推力”特性，電機功率僅為卷筒卸苗設備電機的37.5%，同時可減少1名加工人員，進一步降低加工成本。螺桿式卸苗設備整機采用PLC控制，相比卷筒式卸苗設備，加工人員作業(yè)強度可大幅度降低。由于螺桿軸向尺寸較大，設備占地面積高于卷筒式卸苗設備3 m2，因此，采用螺桿式卸苗設備的同時，需對剩余工序的加工設備重新進行合理布置。

6 結論

螺桿傳動式貽貝卸苗設備，是對目前卸苗設備的一種改進，利用滾珠絲桿特有的"低扭矩、大推力"特性，降低設備能源消耗的同時，卸苗過程更加流暢。課題組利用SolidWorks軟件對設備進行了三維建模，同時對卸苗架、卸苗鉤和卸苗模具進行了靜應力分析及對機架進行了模態(tài)分析，結果表明：相應部件靜應力未超過屈服強度，機架前5階固有頻率在13～18 Hz之間，未與作業(yè)過程中產生的振動頻率重合，設備可長時間正常化運行。采用PLC控制伺服電機，自動化程度進一步提高，據(jù)計算，該設備單次卸苗時間約為20 s，相比當前卸苗設備，效率可提高30%左右?；诋斍皣鴥荣O貝面向產業(yè)化發(fā)展，而加工設備仍然存在自動化程度不足、人員配置多等問題，螺桿式卸苗設備的成功設計，對降低工人勞動強度，提升貽貝加工效率具有借鑒意義。