貽貝養殖用草繩制繩機裝備設計及機架穩定性分析

李德然， 袁躍峰， 程海， 沈健， 代成， 鄧江盛

（浙江海洋大學 海洋工程裝備學院，浙江舟山316022）

0 引言

貽貝營養價值豐富，是一種廣受人們喜愛的食物[1-4]。目前，國內外關于貽貝養殖增收及加工領域的研究已經越來越多。但發展的同時也存在一些需要關注的問題，其中國家針對漁業發展及造成的生態環境、水污染問題也出臺了相關文件及政策[7-8]。因此貽貝的綠色養殖增收及加工就顯得尤為重要。目前國內外貽貝養殖繩主要為聚丙烯、聚乙烯、聚酯材料及棕麻加其他物質混紡材料[9-17]。經過在海水中長期浸泡，不免出現腐蝕現象，產生細小塑料微粒，一方面造成環境污染問題，一方面被濾食動物貽貝所吸收，收獲后被人類食用，最終產生危害人體健康等問題。

本文通過對浙江省舟山市嵊泗沿海地區貽貝養殖用苗繩（養成繩）裝備開展了實地調研，提出一種綠色草繩進行養殖裝備的替換[18-19]。通過前期繩索材料實驗驗證，擬圍繞草繩成品制作進行貽貝養殖用草繩制繩機裝備設計，該裝備采用三級傳動進行繩索加工，單人即可進行制繩操作，提高了加工效率，更加方便快捷。

1 設備整體結構

貽貝養殖用草繩制繩機裝備，其整體為一條加工線，總體方案主要包括進料部分、制繩機部分、捆扎部分、剪切部分[20]。其中制繩機裝置部分（進料部分劃分其中），具體零部件如圖1（a）、圖1（b）所示。

2 設備工作原理

將其中捻繩成股、旋轉上勁、成繩成滾等工序統一集中在一個裝備上，實現簡化人力生產及提高工作效率。而貽貝苗繩（養成繩）草繩制繩機裝備工作原理為：工人手工作業將稻草送到圓形喇叭進料口,稻草通過2個圓形喇叭進料口進入進草齒輪螺旋內管，在旋轉力及螺紋管壁作用下進行預搓，然后合成一股的草繩繼續向前運動，通過斜齒輪及槳片，進入捻繩機構，捻繩機構是由旋轉的齒輪帶動捻繩旋轉桿旋轉進行捻繩。通過捻繩設備捻制成的兩小股草繩合成一股大草繩，在電動機皮帶傳動作用下，進入后面的繞繩機構進行一系列的壓繩、繞繩，這里捻繩旋轉桿的作用主要是壓繩緊固作用，提高繩的抗拉強度等，最后繩索在動力作用下進入輪盤。這里有兩種方法：1）制作單根成卷繩索。一端穿入纏繩用梯形圓柱空心管，同時卷繩輪在齒輪組動力傳遞下旋轉運動，最終草繩繞在卷繩輪上，當繩索纏繞過多時，停止電動機工作，抽出已纏滿的纏繩錐管，取下纏繞好的草繩成繩，然后再裝配好各部分部件，繼續下一輪工作。2）制作單根成品貽貝養殖繩。一端穿入纏繩錐管，過大輪盤軸承管孔，在拉力作用下繼續向前運動，到達下一道加工工序捆扎機構處，傳感器感測草繩到達，而后捆扎定時器開始計時，草繩運送至指定長度，捆扎定時器控制驅動電動機前后兩側的固定夾頭夾住草繩進行捆扎，指定時間松開，到達后方剪切機構直接剪切動作，最終成品繩索制成，后續往復進行動作，實現流水化成品繩生產。

圖1 貽貝養殖用草繩制繩機裝備

圖2 草繩機裝備制繩機部分

3 機架部件設計

考慮到設備工作的穩定性，機架采用質量高、強度好的45鋼，具體結構如圖3所示。主要包括放料平臺設計、長進料管管口固定設計，機架固定螺栓打孔、驅動電動機機架設計等，機架總長寬高為232.71 cm×50.00 cm×109.58 cm，機架桁條寬度為4 cm，轉動框部分占用長寬高為103.80 cm×50.00 cm×89.20 cm，上部轉動框大輪盤端螺栓孔固定間距為16.88 cm，孔徑為φ2.00 cm，放料平臺長寬高為54.36 cm×44.00 cm×17.00 cm，長進料管管口距邊框固定尺寸為9.63 cm，兩孔間距13.41 cm，驅動電動機固定端長寬高為25.00 cm×20.00 cm×41.44 cm，設置電動機散熱去除中間區域長寬高為9.53 cm×2.00 cm×4.00 cm，電動機動力輸出小帶輪工作區間長寬高為16.88 cm×5.92 cm×4.00 cm，機架形狀根據總體零部件工作位置來確定，因此不能一次性加工成型，采用標準生產桁架焊接而成。

圖3 機架

圖3 機架（續）

4 機架有限元分析

草繩制繩機裝備中，機架作為主要的工作部件，如果出現疲勞斷裂或者其它形式失效，將直接導致草繩制繩機裝備報廢，因此，對關鍵部件機架進行振動、受力分析是至關重要的。

4.1 SolidWorks軟件Simulation模塊分析

采用SoildWorks軟件Simulation 模塊對機架進行有限元靜力學分析，機架受力作用如下：1）機架前部下端平臺安裝電動機重力承載；2）機架上部桁架安裝輪盤轉動框重力承載；3）進料口稻草放置平臺承載。材料選取45鋼，質量為16.33 kg，擬定對機架添加三部分載荷，施加載荷共計150 N（三部分載荷總和）。

總變形仿真云圖如圖4（a）所示，最大總形變為1.779×10-2mm，最小總形變為1.001×10-3mm，變形位置主要集中于承受三部分載荷處，主要表現為重力載荷作用；等效應變云圖如圖4（b）所示，最大等效應變為3.791×10-6mm，最小等效應變為3.542×10-11mm；等效應力仿真云圖如圖4（c）所示，最大等效應力為0.001 034 MPa，最小等效應力為0.000 051 70 MPa，未超出45鋼屈服應力極限（355 MPa），這里滿足實際需求[21]。

圖4 SolidWorks軟件Simulation模塊下機架有限元分析

圖4 （續）

機架作為裝備的重要支撐部件，必須保證足夠的穩定性，經過前面對機架進行靜力學分析后，還需要對機架進行模態分析。借助SoildWorks 軟件中Simulation 模塊對機架進行模態仿真，得出前7階模態云圖如圖5所示。圖5（a）為前1階模態云圖，振型主要集中在稻草放置平臺位置，同時機架靠近平臺部位桁架發生偏斜；圖5（b）、圖5（c）、圖5（d）為第2、3、4階模態云圖，振型主要集中在承載轉動框重力輪盤端桁架位置，發生彎曲現象，承載轉動框后端部位桁架也有部分受力情況；圖5（e）、圖5（f）為第5、6階模態云圖，振型主要集中在承載轉動框后端部位桁架位置，此處發生扭曲變形；圖5（g）為第7階模態云圖，振型主要集中在前端承載轉動框輪盤部分機架桁架位置及承載電動機平臺位置，也有出現扭曲等現象[22]。此處7階機架共振 頻 率 分 別 為15.984、20.727、21.951、25.334、46.773、66.103、95.892 Hz。從計算結果可知，機架前7階共振頻率為15～96 Hz，而裝備的振動源主要為電動機運轉振動和制繩加工產生的振動，兩者的振動頻率均在60 Hz 左右，因此機架部分還需要后續進行結構改進設計[23-24]。

4.2 ANSYS有限元軟件分析

圖5 SolidWorks軟件Simulation模塊下機架有限元模態分析

圖5 （續）

采用ANSYS軟件model模塊對機架進行有限元靜力學分析，機架受力情況與4.1節相同。材料選取45鋼，對機架添加三部分載荷，與4.1節相同。得出總變形仿真云圖如圖6（a）所示，最大總形變為0.006 660 6 mm，最小總形變為0 mm，變形位置主要集中于三部分受載處；等效應變云圖如圖6（b）所示，最大等效應變為1.0523×10-5mm，最小等效應變為8.2621×10-11mm；等效應力仿真云圖如圖6（c）所示，最大等效應力為1.7603 MPa，最小等效應力為4.0707×10-6MPa，同樣未超出45鋼屈服應力極限（355 MPa），這里滿足實際需求[21]。

通過ANSYS軟件model模塊對機架進行模態分析，得出前7階模態云圖如圖7所示。其中，圖7（a）為1階模態云圖，振型集中在稻草放置平臺位置，機架整體無明顯變形；圖7（b）、圖7（c）、圖7（d）、圖7（e）為第2、3、4、5階模態云圖，振型集中在承載轉動框重力前后端桁架位置，發生彎曲現象；圖7（f）為第6階模態云圖，振型主要集中在長進料管固定位置，此處發生扭曲變形；圖7（g）為第7階模態云圖，振型主要集中在前端承載轉動框輪盤部分機架桁架位置及承載電動機平臺位置，也有出現扭曲等現象[22]。此處7階機架共振頻率分別為17.425、18.798、25.468、30.392、30.946、56.703、71.792 Hz。從計算結果可知，機架前7階共振頻率為17～72 Hz，而裝備的振動源主要為電動機運轉振動和制繩加工振動，兩者的振動頻率均在60 Hz左右，同前項分析，機架部分還需要后續進行結構改進設計[23-24]。

圖6 ANSYS模塊機架有限元分析

5 結果與討論

圖7 ANSYS軟件model模塊下機架有限元模態分析

圖7 （續）

對比采用SoildWorks軟件Simulation 模塊及ANSYS軟件對機架進行有限元靜力學分析，不難發現，添加相同載荷的情況下，兩種軟件分析所得結果不同，其中，在SoildWorks軟件Simulation 模塊分析下，機架各主要受載處有受力情況顯示且形變不大，而在ANSYS軟件分析下，機架各主要受載處有受力情況顯示且形變幅度較大，通過上面分析數據結果可以看出，二者分析存在一定誤差；其中SoildWorks軟件Simulation 模塊下的受載情況有明顯偏差，因此，可以初步采用ANSYS軟件分析結果；而對比 采 用SoildWorks 軟件Simulation 模 塊 及ANSYS 軟件model模塊對機架進行模態仿真分析，結合上面數據結果，可以得出，7階共振頻率略有不同，誤差數值不大，但是通過兩組7階共振頻率圖像觀察我們可以看出，在第1、2、3、7階時候，兩種軟件模塊分析差距不大，但是4、5、6階時候，SoildWorks軟件Simulation模塊分析下的機架總體振動幅度較ANSYS軟件model模塊下要大，同樣ANSYS軟件model模塊下的分析數據要更準確一些。故綜合對比兩種軟件分析結果可以得出，采用ANSYS軟件model模塊下的有限元分析數據更貼近模擬理想情況。

6 結論

貽貝養殖用草繩制繩機裝備為新型吊養用養殖繩的配套制繩機械，此前本領域無此類設計應用，總體設計簡單方便，結構更加緊湊，符合養殖繩成品加工要求和產業發展趨勢。通過采用SolidWorks 軟件Simulation模塊及ANSYS有限元軟件model模塊分別對機架部分進行了靜應力分析（總變形、彈性應變、彈性應力）及7階振動分析。結果表明：兩種分析模塊下，機架桁架受載情況有所不同。一方面，兩種軟件分析結果存在差異性；另一方面，機架部分還需要進一步改進設計，以達到所需的要求標準，綜合本次設計分析總體情況令人滿意。