螺桿傳動(dòng)式貽貝卸苗設(shè)備設(shè)計(jì)

程 海， 袁躍峰， 謝 飛， 李德然

(浙江海洋大學(xué) 海洋工程裝備學(xué)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(lèi)軟體動(dòng)物。由于其易于人工養(yǎng)殖，且繁殖力又極強(qiáng)，已成為我國(guó)海洋養(yǎng)殖的主要貝類(lèi)。貽貝蛋白質(zhì)含量極高，且富含多種人體所需的氨基酸，具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，是多種保健品的主要原材料[1-4]。我國(guó)貽貝規(guī)模化養(yǎng)殖開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，距今已有60余年的歷史，年產(chǎn)量逐年攀升，據(jù)中國(guó)漁業(yè)年鑒統(tǒng)計(jì)，2018年國(guó)內(nèi)貽貝總產(chǎn)量已超過(guò)80余萬(wàn)噸，約占世界貽貝總產(chǎn)量的1/4[5]。養(yǎng)殖成熟的貽貝收割后，需經(jīng)過(guò)卸苗、打散、清洗及裝袋等工序，最后送入市場(chǎng)或加工車(chē)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(jī)械化卸苗；卸苗速度在原先的基礎(chǔ)上有所提升，但仍然存在人員配置多、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題[6-8]。Ansco[9]公司為解決新西蘭當(dāng)?shù)刭O貝卸苗問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙滾筒式卸苗設(shè)備，但由于諸多問(wèn)題，國(guó)內(nèi)暫未引進(jìn)。國(guó)內(nèi)在貽貝卸苗方面的研究較少，限制了自動(dòng)化貽貝脫苗設(shè)備的研發(fā)。課題組設(shè)計(jì)的螺桿傳動(dòng)式卸苗設(shè)備，是基于當(dāng)前卸苗設(shè)備的一種改進(jìn)，利用PLC自動(dòng)控制，減少了加工人員的數(shù)量，同時(shí)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(shè)備及作業(yè)現(xiàn)狀

成熟的貽貝、養(yǎng)殖苗繩和卸苗設(shè)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(zhǎng)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(jī)械化作業(yè)，工人需將苗繩穿過(guò)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(jī)帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)，拉動(dòng)牽引苗繩，啟動(dòng)電機(jī)后，牽引繩索帶動(dòng)苗繩前進(jìn)，苗繩表面的貽貝在前進(jìn)過(guò)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(lèi)卸苗作業(yè)工序較為復(fù)雜，單次作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)養(yǎng)殖苗繩屬于柔性物體，給穿繩作業(yè)和苗繩打結(jié)作業(yè)帶來(lái)了一定的困難，因此卸苗作業(yè)效率不高，為實(shí)現(xiàn)貽貝高效率加工，設(shè)計(jì)一款可以提高卸苗作業(yè)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的自動(dòng)化卸苗設(shè)備很有必要。

1.2 卸苗所需拉力計(jì)算

根據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)需要，對(duì)浙江嵊泗貽貝養(yǎng)殖基地的貽貝卸苗設(shè)備進(jìn)行了參數(shù)采集，主要包括電機(jī)相關(guān)參數(shù)和卷筒相關(guān)參數(shù)，如表1和表2所示。

表1 電機(jī)相關(guān)參數(shù)

表2 卷筒相關(guān)參數(shù)

由于V型帶和減速器傳動(dòng)存在功率損耗，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)資料[10]，確定設(shè)備的總傳動(dòng)效率為0.81，則執(zhí)行部件功率為1.62 kW；同時(shí)，已知轉(zhuǎn)速為70 r/min，計(jì)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(zhuǎn)速。

在實(shí)際加工過(guò)程中，卷筒卷繞繩索都是從最小半徑開(kāi)始的，且開(kāi)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(jì)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(guān)參數(shù)采集

未卸苗貽貝吸附于苗繩表面，整體近似長(zhǎng)條狀，由于設(shè)計(jì)需要，對(duì)其主要進(jìn)行長(zhǎng)度和周徑2方面的尺寸進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如表3所示。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知，未卸苗貽貝長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)麻繩，長(zhǎng)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(dòng)式貽貝卸苗設(shè)備設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備總體結(jié)構(gòu)及工作原理

為了降低當(dāng)前卸苗作業(yè)的復(fù)雜程度和提高加工效率，課題組基于SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的螺桿傳動(dòng)式貽貝卸苗設(shè)備，結(jié)構(gòu)如圖2所示。同時(shí)對(duì)各部件的裝配進(jìn)行了干涉檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)干涉，各部件裝配合理[11-12]。

1—卸苗模具機(jī)架；2—卸苗模具；3—出料口；4—機(jī)架連接鋼板；5—導(dǎo)桿支架；6—卸苗機(jī)架；7—滑車(chē)導(dǎo)桿；8—螺桿；9—卸苗滑車(chē)；10—滑車(chē)機(jī)架；11—卸苗鉤；12—電機(jī)；13—絲桿軸承座。圖2 設(shè)備結(jié)構(gòu)Figure 2 Equipment structure

設(shè)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(jī)等組成。在卸苗工作開(kāi)始前，將帶苗貽貝的傳輸帶與卸苗模具口對(duì)接，形成一個(gè)整體。設(shè)備啟動(dòng)后，由1名工人將未卸苗的貽貝苗繩掛在卸苗鉤上，按動(dòng)按鈕，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)螺紋副對(duì)作用力的轉(zhuǎn)化，使卸苗鉤產(chǎn)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(yùn)動(dòng)到另一個(gè)工作位后自行停止，完成單方向卸苗作業(yè)，同時(shí)另一名工人在工位另一端掛上苗繩，重新啟動(dòng)電機(jī)，卸苗鉤在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，進(jìn)行反方向運(yùn)動(dòng)，完成逆向卸苗作業(yè)。該設(shè)備在工作過(guò)程中，取消了傳遞繩索和打結(jié)繩索等工序，縮短了加工時(shí)間，提高了加工效率。

2.2 滾珠絲桿的選用

考慮到該設(shè)備中絲桿的軸向長(zhǎng)度較大，選用絲桿在滿足軸向載荷的同時(shí)，還要滿足剛度要求，因此，綜合強(qiáng)度和剛度，選用FFZD3205-3型號(hào)的滾珠絲桿，公稱直徑32 mm，導(dǎo)程5 mm，螺桿螺紋長(zhǎng)度為5 m，基本額定靜載荷和動(dòng)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(jī)的選用

伺服電機(jī)作為該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)單元，需要為絲桿提供足夠的扭矩，型號(hào)選用之前，要對(duì)工作所需的扭矩進(jìn)行相關(guān)計(jì)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(shí)際加工過(guò)程中，貽貝卸苗牽引拉力偶爾會(huì)超過(guò)理論計(jì)算值，電機(jī)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，扭矩在理論計(jì)算值的基礎(chǔ)上增加20%，較為可靠，即扭矩為1.56 N·m。根據(jù)選型手冊(cè)，選擇JSF系列中的80系列伺服電機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩為2.4 N·m，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定功率為0.75 kW，相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器型號(hào)為SA3L04C[15-16]。

2.4 卸苗模具和卸苗鉤的設(shè)計(jì)

卸苗模具和卸苗鉤如圖3所示。

圖3 卸苗模具和卸苗鉤結(jié)構(gòu)Figure 3 Structure of breeding rope removal mold and hook

卸苗模具采用鋼板經(jīng)過(guò)焊接而成，2側(cè)鋼板由于受力較小，厚度為10 mm，前端鋼板在卸苗過(guò)程中要阻擋貽貝，受力較大，設(shè)計(jì)為15 mm。為方便底部出料，模具長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1 m，寬度為0.7 m，為減小卸苗所需的拉力，卸苗口設(shè)計(jì)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(shí)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為開(kāi)口形式，方便掛繩和取繩作業(yè)，提高加工效率。

3 關(guān)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(shè)備的工作環(huán)境處于沿海地區(qū)，采用普通材料制作設(shè)備，會(huì)造成設(shè)備短時(shí)間內(nèi)銹蝕，降低設(shè)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(shè)備較為合適。

3.2 卸苗鉤和支架組合體應(yīng)力和應(yīng)變仿真分析

卸苗鉤和支架組合體應(yīng)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(guò)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(jié)合在一起分析，比較符合實(shí)際變形情況。采用SolidWorks軟件中的Simulation模塊進(jìn)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(guò)計(jì)算，最大應(yīng)力位于卸苗鉤拐角附近，為18.39 MPa，遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度172 MPa；最大變形量位于掛鉤端部，為0.45 mm，未超過(guò)材料的彈性極限，不會(huì)產(chǎn)生塑性變形。卸苗鉤的邊角采用了圓角過(guò)渡，沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象[18]

3.3 卸苗模具應(yīng)力和應(yīng)變仿真分析

卸苗模具的應(yīng)力云圖和變形云圖如圖5所示。

圖5 卸苗模具應(yīng)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(guò)程和上述相同，材料定義為316不銹鋼，對(duì)底部施加固定約束，由于卸苗模具主要是對(duì)苗繩上的貽貝形成阻擋，貽貝對(duì)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(duì)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(jì)算，最大應(yīng)力位于模具的前端面，應(yīng)力值為5.74 MPa，遠(yuǎn)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(jī)架的模態(tài)分析

通過(guò)仿真，機(jī)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(chē)導(dǎo)桿和設(shè)備機(jī)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(chē)導(dǎo)桿位置。根據(jù)仿真結(jié)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(shí)際加工要求。為了進(jìn)一步保證設(shè)備工作的可靠性，繼續(xù)利用Simulation模塊求解出前5階振動(dòng)頻率，分別為13.629，14.559，15.231，15.237和17.096 Hz。從計(jì)算結(jié)果可知，機(jī)架前5階固有頻率為13～18 Hz范圍之間，而該設(shè)備作業(yè)過(guò)程中，主要振動(dòng)來(lái)源于卸苗過(guò)程中的苗繩與貽貝產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)而產(chǎn)生的振動(dòng)，根據(jù)常規(guī)的卸苗速度，振動(dòng)頻率小于5 Hz，避開(kāi)了機(jī)架固有頻率范圍，因此，機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理[20-21]。

圖6 設(shè)備機(jī)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(shè)計(jì)

設(shè)備運(yùn)行簡(jiǎn)圖如圖7所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)卸苗滑車(chē)往返運(yùn)動(dòng)，為了保證設(shè)備可自動(dòng)化運(yùn)行，在A，B兩端增設(shè)行程開(kāi)關(guān)，當(dāng)一端行程開(kāi)關(guān)閉合，滑車(chē)可停止數(shù)秒，等待工人取繩和掛繩作業(yè)，停止時(shí)間結(jié)束，滑車(chē)向另一端運(yùn)行。

圖7 設(shè)備運(yùn)行簡(jiǎn)圖Figure 7 Equipment operation diagram

該設(shè)備控制系統(tǒng)主要由S7-200PLC、三菱MR-JE-20A伺服驅(qū)動(dòng)器、JSF系列中的80系列伺服電機(jī)及相應(yīng)附件組成。PLC編程之前，需將PLC相應(yīng)輸入、輸出端口進(jìn)行分配，如表5所示。PLC輸出端直接與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，伺服驅(qū)動(dòng)器控制端SP1和SP2用于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，ST1和ST2用于轉(zhuǎn)向控制，由于該設(shè)備的伺服電機(jī)工作轉(zhuǎn)速恒定，因此，直接對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行輸出轉(zhuǎn)速設(shè)定，此處設(shè)定伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，即SP1為1，SP2為0。ST1和ST2用于控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，正轉(zhuǎn)設(shè)定ST1為0，ST2為1，反轉(zhuǎn)設(shè)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(shè)備運(yùn)行方式為往返式，PLC可采用順序控制指令進(jìn)行編程。設(shè)備啟動(dòng)前，工人需檢查滑車(chē)位置，如果滑車(chē)不處于A端工作位，可通過(guò)常開(kāi)按鈕SB5，將滑車(chē)復(fù)位至A端。當(dāng)A端工作位掛上苗繩后，啟動(dòng)電機(jī)，程序跳轉(zhuǎn)S0.0，滑車(chē)向B端運(yùn)行，當(dāng)滑車(chē)觸碰到B端工作位的形成開(kāi)關(guān)后，程序跳轉(zhuǎn)S0.1，同時(shí)對(duì)PLC輸出端進(jìn)行清零，由于伺服電機(jī)自身具有制動(dòng)功能，可保證滑車(chē)在B端立即停止。當(dāng)S0.1程序段中的定時(shí)器T37計(jì)時(shí)條件滿足后，程序立即跳往S0.2，伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，滑車(chē)向A端運(yùn)行，當(dāng)滑車(chē)運(yùn)行到A端后，其控制方式和B端相同。如果需要停止設(shè)備或遇到緊急情況時(shí)，可通過(guò)按鈕SB2觸發(fā)I0.1，對(duì)各程序段進(jìn)行復(fù)位，同時(shí)對(duì)PLC輸出端進(jìn)行清零，伺服電機(jī)失電。

圖8 PLC控制程序Figure 8 PLC control program

5 螺桿式卸苗設(shè)備與卷筒式卸苗設(shè)備的參數(shù)對(duì)比

2種卸苗設(shè)備參數(shù)對(duì)比信息如表6所示。

表6 2種卸苗設(shè)備參數(shù)對(duì)比信息歸納

通過(guò)對(duì)比可知，螺桿式卸苗設(shè)備單次作業(yè)時(shí)間(每根繩卸苗時(shí)間)約為卷筒式卸苗設(shè)備的2/3，節(jié)約時(shí)間約11 s。借助螺桿傳動(dòng)的“低扭矩、大推力”特性，電機(jī)功率僅為卷筒卸苗設(shè)備電機(jī)的37.5%，同時(shí)可減少1名加工人員，進(jìn)一步降低加工成本。螺桿式卸苗設(shè)備整機(jī)采用PLC控制，相比卷筒式卸苗設(shè)備，加工人員作業(yè)強(qiáng)度可大幅度降低。由于螺桿軸向尺寸較大，設(shè)備占地面積高于卷筒式卸苗設(shè)備3 m2，因此，采用螺桿式卸苗設(shè)備的同時(shí)，需對(duì)剩余工序的加工設(shè)備重新進(jìn)行合理布置。

6 結(jié)論

螺桿傳動(dòng)式貽貝卸苗設(shè)備，是對(duì)目前卸苗設(shè)備的一種改進(jìn)，利用滾珠絲桿特有的"低扭矩、大推力"特性，降低設(shè)備能源消耗的同時(shí)，卸苗過(guò)程更加流暢。課題組利用SolidWorks軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行了三維建模，同時(shí)對(duì)卸苗架、卸苗鉤和卸苗模具進(jìn)行了靜應(yīng)力分析及對(duì)機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明：相應(yīng)部件靜應(yīng)力未超過(guò)屈服強(qiáng)度，機(jī)架前5階固有頻率在13～18 Hz之間，未與作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)頻率重合，設(shè)備可長(zhǎng)時(shí)間正常化運(yùn)行。采用PLC控制伺服電機(jī)，自動(dòng)化程度進(jìn)一步提高，據(jù)計(jì)算，該設(shè)備單次卸苗時(shí)間約為20 s，相比當(dāng)前卸苗設(shè)備，效率可提高30%左右。基于當(dāng)前國(guó)內(nèi)貽貝面向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，而加工設(shè)備仍然存在自動(dòng)化程度不足、人員配置多等問(wèn)題，螺桿式卸苗設(shè)備的成功設(shè)計(jì)，對(duì)降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升貽貝加工效率具有借鑒意義。