蟹籠漁船的自動脫鉤回收裝置

蔣猛

（浙江海洋大學海洋工程裝備學院，浙江舟山316022）

0 引言

蟹類是東海大陸架海域重要底棲生物類群，種群繁多，其中一些種類個體大、數量多、經濟價值高，是沿海漁民的捕撈對象之一。目前，國內梭子蟹捕撈的主要漁具是蟹籠, 蟹籠是一種低能耗、少勞力、漁獲價位高、不破壞生態環境的漁具[1]，在分類上隸屬于籠壺類。蟹籠漁船一般是單船作業，其原理是通過在籠壺里面放置捕撈對象喜歡的食物誘使捕撈對象進入籠壺中達到捕撈目的[2]。但目前仍然存在一些問題：1）捕撈裝備自動化水平落后；2）安全事故頻發。因此，研發蟹籠漁船自動化脫鉤回收，實現機器換人、機器減人，提高漁民作業安全性，具有重要的社會意義及經濟價值。

1 自動脫鉤與回收裝置系統及其工作原理

從以往蟹籠漁船出海捕撈三疣梭子蟹的情況來看，蟹籠漁船整體設備比較陳舊，自動化水平低，遇到臺風等惡劣天氣易發生人員傷亡等安全事故。所以，本文將從減員、機器代人的角度出發，設計出一款新型裝置，此裝置集自動脫鉤、回收等多功能于一體。本文從宏觀的角度將蟹籠自動脫鉤及其回收裝置分為自動脫鉤裝置、自動回收裝置。其中自動脫鉤裝置分為固定框架、掛鉤、脫鉤器、推拉式電磁鐵等部分。自動回收裝置包括絞繩機、傳送帶等部分。以上兩大部分構成了該裝置的主體部分，如圖1所示。

工作原理為：蟹籠漁船進入起籠環節，絞繩機1提供動力通過主繩從海中將蟹籠拖曳至自動脫鉤裝置3中自動脫鉤，實現蟹籠與掛鉤分離。蟹籠脫離掛鉤掉到傳送帶4，經由人工輔助將蟹籠翻轉（出蟹口朝下）進入滾輪傳送機5中，在滾輪作用下蟹籠經過位置傳感器8。夾緊器6夾緊口打開將蟹籠夾緊，振動臺9開始振動。此時，蟹籠7、夾緊器6、振動臺9已經形成一個整體。在振動臺的振動作用下蟹籠中的梭子蟹與蟹籠分離，經人工分揀將梭子蟹收入集裝箱中。夾緊口松開蟹籠7經由滾輪傳送機5進入傳送帶10由人工收集堆砌。

圖1 蟹籠漁船自動脫鉤及回收裝置

2 自動脫鉤裝置結構與自動脫鉤原理

2.1 自動脫鉤裝置結構

該裝置整體結構如圖2所示。根據設計要求,運用三維建模軟件Pro/E對每一個結構進行實體建模[3]。圖2中包含三大組件，依次為：1）圓盤組件。其作用是通過圓弧形軌道為脫鉤器組件提供承載體，通過主支繩拖曳脫鉤器組件沿圓弧形軌道由水平位置發生90°旋轉到達豎直位置。2）掛鉤組件。主要起到連接作用（掛鉤前端孔連接主支繩，后端孔連接輔支繩，輔支繩另外一端連接蟹籠），實現進入脫鉤器、自動打開、使主支繩滑落、自動復位、滑離脫鉤器等功能。3）脫鉤器組件。主要為組合推拉式電磁鐵與掛鉤。包括執行限制掛鉤上下運動的趨勢、為掛鉤頂尖部位提供著力點等。

圖2 脫鉤器組件

首先，該裝置通過具有制造簡單、使用方便特點的絞繩機拉動主繩[4]，從海里起出蟹籠。第一個導輪前部裝置了導向板及圓盤使蟹籠掛鉤和支繩順利滑過導輪。經過導輪的導引，主支繩拖動掛鉤由脫鉤器滑入端進入脫鉤槽中，如圖3（a）所示。脫鉤槽限制掛鉤向下運動的趨勢，成為“第一個約束”。 主支繩繼續拖動掛鉤組件沿脫鉤槽向左運動，直至掛鉤頂尖部位觸碰卡塊頂入卡槽，如圖3（b）所示。卡槽使掛鉤無法向左運動，成為“第二個約束”。至此，掛鉤完成了進入的過程，脫鉤器組件實現了卡緊功能。

此時，脫鉤器中的推拉式電磁鐵得電產生電磁推力驅動軸伸出并穿過通孔，卡壓在掛鉤的上方，如圖3（c）所示。伸出軸限制了掛鉤向上運動的趨勢，成為“第三個約束”。經上述“三個約束”與支繩拖動掛鉤等條件疊加，使掛鉤組件和脫鉤器組件成為一個新的整體——脫鉤器與掛鉤組件。接著，主支繩持續受力繃緊拉動掛鉤，拖動脫鉤器與掛鉤組件沿圓弧形軌道由水平位置左旋至豎直位置，如圖3（d）所示，使掛鉤打開。最終主支繩沿掛鉤開口方向滑落，完成自動脫鉤，如圖3（e）所示。

主支繩脫離掛鉤后，掛鉤開口部位閉合。脫鉤器與掛鉤組件失去主支繩拉力作用，只受到蟹籠的重力作用。脫鉤器與掛鉤組件由豎直位置右旋至水平位置，推拉式電磁鐵失電伸出軸縮回，如圖3（f）所示。掛鉤在蟹籠重力作用下從脫鉤器中掉落，實現自動脫鉤的后續功能。

在支繩滑落掛鉤的過程中，由于主支繩與掛鉤材料分別為高密度聚乙烯和65Mn彈簧鋼，二者間滑動摩擦力極小，而海水浸潤了掛鉤與主支繩起到了潤滑劑的作用，進一步削弱了摩擦力，所以主支繩在拉力作用下很容易從掛鉤開口部位滑落。

2.2 靜力學分析

2.2.1 掛鉤與主繩網格劃分

由于掛鉤與主繩屬于實體部件，在進行網格劃分時選用shell81單元。為保證單元格的質量，采用四面體網格的劃分方式劃分時，將掛鉤與主繩中網格Element Size設置為4 mm，以便重點觀察變化情況。得到劃分后的掛鉤模型節點數目為3756個，網格數目為1595個，如圖4（a）所示；主繩模型節點數目為673個，網格數目為105個，如圖4（b）所示。掛鉤與主繩分別采用65Mn、高密度聚乙烯。65Mn、高密度聚乙烯材料性質如表1所示。

圖3 自動脫鉤原理圖

圖4 掛鉤與主繩網格劃分

表1 模型材料屬性

考慮到蟹籠漁船自動脫鉤裝置工作中的安全需要，本文選用掛鉤與主繩在海中與出海后兩種狀態中受力時的極限工況。當掛鉤在海中與在出海后被拖曳時，掛鉤支繩孔中心線與主繩之間呈現銳角（0°～90°），此時為掛鉤支繩孔的最危險情況。而主繩的中間部位承受蟹籠最多，也最容易發生斷裂。

掛鉤的主要負載包括以下情況：1）在海中掛鉤承受蟹籠、支繩、梭子蟹的水阻力與蟹籠、梭子蟹的重力（共86.97 N）。2）出海后掛鉤只承受蟹籠與梭子蟹重力（共31 N）。對于本文中極限工況下的受力，由于所有水阻力與重力都是通過支繩傳遞到掛鉤上的，可將這兩部分力看作集中力，通過支繩施加在掛鉤上。3）出海后掛鉤只受蟹籠與梭子蟹重力，也可將這兩個力看作合力，通過支繩施加在掛鉤上。

主繩的主要負載包括以下情況：1）在海中2000 m主繩承受250組負載，每組負載等于掛鉤所承受負載（共21.74 kN）；2）出海后主繩只承受250組蟹籠與梭子蟹的重力（共8 kN）。

2.2.2 脫鉤裝置掛鉤與主繩結構強度分析

在對掛鉤與主繩進行結構強度分析之前，應該先添加邊界條件，考慮到掛鉤與主繩及支繩相連接，在進入脫鉤器后，掛鉤除能夠脫離脫鉤槽外的5個自由度都被限制，故在脫鉤器的V形頭部施加固定約束。對掛鉤支繩孔沿Y軸方向分別施加86.97 N、31 N的載荷，分別代表在海中與出海后的掛鉤受力狀態，如圖5所示。

蟹籠漁船自動脫鉤裝置在作業過程中，只有2000 m的主繩處于繃緊狀態，其一端纏繞在絞繩機上，另一端在海中連接著沉石。主繩兩端的自由度被限制，故在主繩兩端處施加固定約束。對主繩沿X軸方向分別施加21.74、8.00 kN的載荷分別代表在海中與出海后的受力狀態，如圖6所示。對掛鉤、主繩模型進行靜力學分析，靜力云圖如圖7所示。

由圖7可知，在海中與出海后兩種情況下掛鉤模型中最大等效應力均出現在支繩孔處。這是因為，此處為掛鉤連接蟹籠過渡部位，當掛鉤支繩孔在海中承受了支繩、蟹籠、梭子蟹水阻力及蟹籠、梭子蟹重力時，此處節點屬于應力集中區域，如圖7（a）所示。當掛鉤出海后，支繩孔處只承受蟹籠與梭子蟹重力，其應力集中區域如圖7（b）所示。最大等效應力分別為238、85 MPa，遠遠低于材料的屈服極限，說明掛鉤還有很大的優化空間。掛鉤的最大等效應變同樣出現在支繩孔處，此處節點最大變形量分別為1.4、0.4 mm。在施加外部載荷條件下，掛鉤進行拖曳蟹籠時，支繩孔處出現變形，使得此處節點網格相對其他部位變形量較大。

由圖8可知，當主繩模型處于海中與出海狀態中，最大等效應力均出現在主繩的中間部位，如圖8（a）、圖8（b）所示。因為，主繩中間部位承載著將近200只蟹籠及600只梭子蟹的重力，所以主繩中間部位是應力集中區域。最大等效應力分別為38 288 MPa、14 089 MPa，遠遠高于材料的屈服極限，說明主繩很有可能會在起籠作業中發生斷裂。主繩的最大等效應變同樣出現在主繩的中間部位，其節點的最大變形量分別為0.19、0.07 m。因此，在200個蟹籠向主繩施加外載荷下，進行起籠作業時主繩中部出現彎曲變形，導致該處的節點網格變形量遠大于其他處網格變形量。

圖5 掛鉤受力加載

圖6 主繩受力加載

圖7 掛鉤模型靜力云圖

圖8 主繩模型靜力云圖

3 自動脫鉤裝置控制設計

控制系統主要選擇三菱FX1N系列中的PLC作為控制單元，PLC在工業控制中的應用, 提高了工業控制系統工作效率[5]。通過PLC上的控制開關來控制自動脫鉤的運行。其中SB按鈕與接近傳感器分別控制啟動與檢測掛鉤是否到位，輸入端接有Ka1與Ka2兩個繼電器，分別用于控制電動機啟停和電磁鐵伸出軸伸縮。PLC控制流程圖9所示，按照流程圖設計控制程序的I/O分配表與內存分配表（如表2、表3），控制程序圖如圖10所示。

圖9 自動脫鉤裝置PLC控制流程圖

表2 自動脫鉤裝置控制程序I/O分配

表3 自動脫鉤裝置控制程序內存分配表

采用PLC控制自動脫鉤裝置運行，可有效地避免人工脫鉤帶來的風險。在執行自動脫鉤過程中設置了延時指令，給予推拉式電磁鐵充足的時間實現伸出軸的伸出與縮回。利用PLC最大限度地提高了脫鉤的自動化水平，提高了工作效率。

圖10 脫鉤裝置PLC控制程序圖

蟹籠漁船蟹籠自動脫鉤與回收裝置取代了人工脫鉤與回收，節約了人力資源，規避了人工脫鉤地風險，符合漁民實際生產梭子蟹的需求。此裝置可以在惡劣的海洋環境中重復使用，節約了漁民的原始投入成本與人工成本。

4 結論