程 海， 袁跃峰， 谢 飞， 李德然

(浙江海洋大学 海洋工程装备学院， 浙江 舟山 316022)

贻贝(mussels)，又称"淡菜"、"海红"，是一种利用足丝附着于礁石表面的双壳类软体动物。由于其易于人工养殖，且繁殖力又极强，已成为我国海洋养殖的主要贝类。贻贝蛋白质含量极高，且富含多种人体所需的氨基酸，具有较高的营养价值，是多种保健品的主要原材料[1-4]。我国贻贝规模化养殖开始于20世纪60年代，距今已有60余年的历史，年产量逐年攀升，据中国渔业年鉴统计，2018年国内贻贝总产量已超过80余万吨，约占世界贻贝总产量的1/4[5]。养殖成熟的贻贝收割后，需经过卸苗、打散、清洗及装袋等工序，最后送入市场或加工车间。卸苗作为贻贝加工首道工序，作业方式已从最初的人工卸苗发展成机械化卸苗；卸苗速度在原先的基础上有所提升，但仍然存在人员配置多、自动化程度低等问题[6-8]。Ansco[9]公司为解决新西兰当地贻贝卸苗问题，设计了双滚筒式卸苗设备，但由于诸多问题，国内暂未引进。国内在贻贝卸苗方面的研究较少，限制了自动化贻贝脱苗设备的研发。课题组设计的螺杆传动式卸苗设备，是基于当前卸苗设备的一种改进，利用PLC自动控制，减少了加工人员的数量，同时加工效率得到了明显提高。

1 贻贝卸苗原理及现状

1.1 卸苗设备及作业现状

成熟的贻贝、养殖苗绳和卸苗设备分别如图1所示。

图1 贻贝卸苗现状Figure 1 Current status of mussel breeding rope removal

养殖成熟的贻贝吸附于苗绳表面，整体近似长条状，成熟贻贝收割后，需要将苗绳从中抽出，便于下一次养殖使用，从成熟贻贝中取下苗绳的工序称为贻贝卸苗。目前贻贝卸苗采用机械化作业，工人需将苗绳穿过卸苗模具孔，再将养殖苗绳与牵引绳索相连，并将牵引绳索缠绕在卷筒表面，利用电机带动卷筒旋转，拉动牵引苗绳，启动电机后，牵引绳索带动苗绳前进，苗绳表面的贻贝在前进过程中被模具挡板阻挡，苗绳被抽出，完成卸苗。卸苗完成后，工人需完成脱绳等工作。由于此类卸苗作业工序较为复杂，单次作业时间较长，同时养殖苗绳属于柔性物体，给穿绳作业和苗绳打结作业带来了一定的困难，因此卸苗作业效率不高，为实现贻贝高效率加工，设计一款可以提高卸苗作业效率，降低工人劳动强度的自动化卸苗设备很有必要。

1.2 卸苗所需拉力计算

根据设备设计需要，对浙江嵊泗贻贝养殖基地的贻贝卸苗设备进行了参数采集，主要包括电机相关参数和卷筒相关参数，如表1和表2所示。

表1 电机相关参数

表2 卷筒相关参数

由于V型带和减速器传动存在功率损耗，查阅机械设计相关资料[10]，确定设备的总传动效率为0.81，则执行部件功率为1.62 kW；同时，已知转速为70 r/min，计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为功率，n为转速。

在实际加工过程中，卷筒卷绕绳索都是从最小半径开始的，且开始阶段，贻贝所需的卸苗拉力最大，因此，该处的拉力以最初拉力计算，工作所需拉力为：

F=M/dmin=221/0.15=1 473 N。

(2)

1.3 未卸苗贻贝相关参数采集

未卸苗贻贝吸附于苗绳表面，整体近似长条状，由于设计需要，对其主要进行长度和周径2方面的尺寸进行数据采集，如表3所示。

根据测量结果可知，未卸苗贻贝长度尺寸保持在4.2 m左右，周径尺寸保持在0.4～0.5 m之间。养殖绳索均采用标准麻绳，长度保持在5 m左右，周径为50 mm。

表3 未卸苗贻贝尺寸数据

2 螺杆传动式贻贝卸苗设备设计

2.1 设备总体结构及工作原理

为了降低当前卸苗作业的复杂程度和提高加工效率，课题组基于SolidWorks软件设计的螺杆传动式贻贝卸苗设备，结构如图2所示。同时对各部件的装配进行了干涉检查，没有发现干涉，各部件装配合理[11-12]。

1—卸苗模具机架；2—卸苗模具；3—出料口；4—机架连接钢板；5—导杆支架；6—卸苗机架；7—滑车导杆；8—螺杆；9—卸苗滑车；10—滑车机架；11—卸苗钩；12—电机；13—丝杆轴承座。图2 设备结构Figure 2 Equipment structure

设备主要由卸苗模具、滚珠螺杆、螺母、卸苗架、卸苗钩、出料口和电机等组成。在卸苗工作开始前，将带苗贻贝的传输带与卸苗模具口对接，形成一个整体。设备启动后，由1名工人将未卸苗的贻贝苗绳挂在卸苗钩上，按动按钮，由电机驱动丝杆旋转，经过螺纹副对作用力的转化，使卸苗钩产生拉力，贻贝受到卸苗模具的阻挡，从模具的底部漏下，由出料口排出。卸苗钩运动到另一个工作位后自行停止，完成单方向卸苗作业，同时另一名工人在工位另一端挂上苗绳，重新启动电机，卸苗钩在电机的驱动下，进行反方向运动，完成逆向卸苗作业。该设备在工作过程中，取消了传递绳索和打结绳索等工序，缩短了加工时间，提高了加工效率。

2.2 滚珠丝杆的选用

考虑到该设备中丝杆的轴向长度较大，选用丝杆在满足轴向载荷的同时，还要满足刚度要求，因此，综合强度和刚度，选用FFZD3205-3型号的滚珠丝杆，公称直径32 mm，导程5 mm，螺杆螺纹长度为5 m，基本额定静载荷和动载荷分别为31.4 kN和11.7 kN，刚度为826 N/μm[13-14]。

2.3 伺服电机的选用

伺服电机作为该设备的驱动单元，需要为丝杆提供足够的扭矩，型号选用之前，要对工作所需的扭矩进行相关计算，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)

实际加工过程中，贻贝卸苗牵引拉力偶尔会超过理论计算值，电机选用需要留出一定的余量，才能保证加工可靠性。根据常规设计经验，扭矩在理论计算值的基础上增加20%，较为可靠，即扭矩为1.56 N·m。根据选型手册，选择JSF系列中的80系列伺服电机，额定转矩为2.4 N·m，额定转速为3 000 r/min，额定功率为0.75 kW，相应的伺服驱动器型号为SA3L04C[15-16]。

2.4 卸苗模具和卸苗钩的设计

卸苗模具和卸苗钩如图3所示。

图3 卸苗模具和卸苗钩结构Figure 3 Structure of breeding rope removal mold and hook

卸苗模具采用钢板经过焊接而成，2侧钢板由于受力较小，厚度为10 mm，前端钢板在卸苗过程中要阻挡贻贝，受力较大，设计为15 mm。为方便底部出料，模具长度设计为1 m，宽度为0.7 m，为减小卸苗所需的拉力，卸苗口设计为具有一定斜度的刃口，刃口宽度为苗绳直径1.1倍，即55 mm。同时模具底部采用钢条焊接而成，每根钢条之间的间距为150 mm，用于贻贝出料。卸苗钩结构设计为开口形式，方便挂绳和取绳作业，提高加工效率。

3 关键部件有限元仿真

3.1 材料参数定义

316不锈钢材料的性能参数如表4所示。

表4 316不锈钢性能参数[17]

由于设备的工作环境处于沿海地区，采用普通材料制作设备，会造成设备短时间内锈蚀，降低设备的使用寿命及影响贻贝食用安全，316不锈钢材料具有很好的耐腐蚀性，用于制作该设备较为合适。

3.2 卸苗钩和支架组合体应力和应变仿真分析

卸苗钩和支架组合体应力云图和变形云图如图4所示。

图4 卸苗钩和支架组合体有限元仿真Figure 4 Finite element simulation of breeding rope removal hook and bracket assembly

卸苗钩是通过4颗螺栓紧固于支架的横梁上，支架采用型钢焊接而成，将卸苗钩和支架结合在一起分析，比较符合实际变形情况。采用SolidWorks软件中的Simulation模块进行分析：材料选取316不锈钢，输入材料的性能参数，固定支架底部，在卸苗钩一端施加1 473 N的卸苗载荷。经过计算，最大应力位于卸苗钩拐角附近，为18.39 MPa，远小于材料屈服强度172 MPa；最大变形量位于挂钩端部，为0.45 mm，未超过材料的弹性极限，不会产生塑性变形。卸苗钩的边角采用了圆角过渡，没有出现应力集中现象[18]

3.3 卸苗模具应力和应变仿真分析

卸苗模具的应力云图和变形云图如图5所示。

图5 卸苗模具应力云图和变形云图Figure 5 Stress cloud diagram and deformation cloud diagram of seedling removal mold

卸苗模具的有限元分析过程和上述相同，材料定义为316不锈钢，对底部施加固定约束，由于卸苗模具主要是对苗绳上的贻贝形成阻挡，贻贝对模具前端挡板的作用力主要呈近似圆形的分布状态，因此，对前端挡板面施加分布载荷1 473 N，分布区间直径为500 mm。经计算，最大应力位于模具的前端面，应力值为5.74 MPa，远小于材料的屈服极限172 MPa，最大变形位置处于卸苗口的顶部，最大变形量为0.053 mm，不影响卸苗正常作业[19]。

3.4 机架的模态分析

通过仿真，机架前5阶模态振型云图如图6所示。经分析，第1阶和第5阶模态云图如图6(a)和图6(e)所示，振型位置均集中于滑车导杆和设备机架横梁位置；第2，3，4阶模态分别如图6(b)、图6(c)和图6(d)所示，振型位置均集中于滑车导杆位置。根据仿真结果，1～5阶振幅分别为0.124，0.147，0.195，0.195和0.085 mm，均可满足实际加工要求。为了进一步保证设备工作的可靠性，继续利用Simulation模块求解出前5阶振动频率，分别为13.629，14.559，15.231，15.237和17.096 Hz。从计算结果可知，机架前5阶固有频率为13～18 Hz范围之间，而该设备作业过程中，主要振动来源于卸苗过程中的苗绳与贻贝产生错动而产生的振动，根据常规的卸苗速度，振动频率小于5 Hz，避开了机架固有频率范围，因此，机架的结构设计合理[20-21]。

图6 设备机架前5阶模态振型云图Figure 6 Mode shape cloud diagram of the first 5 modes of equipment rack

4 控制系统设计

设备运行简图如图7所示。电机驱动丝杆旋转带动卸苗滑车往返运动，为了保证设备可自动化运行，在A，B两端增设行程开关，当一端行程开关闭合，滑车可停止数秒，等待工人取绳和挂绳作业，停止时间结束，滑车向另一端运行。

图7 设备运行简图Figure 7 Equipment operation diagram

该设备控制系统主要由S7-200PLC、三菱MR-JE-20A伺服驱动器、JSF系列中的80系列伺服电机及相应附件组成。PLC编程之前，需将PLC相应输入、输出端口进行分配，如表5所示。PLC输出端直接与伺服驱动器连接，伺服驱动器控制端SP1和SP2用于电机转速控制，ST1和ST2用于转向控制，由于该设备的伺服电机工作转速恒定，因此，直接对驱动器进行输出转速设定，此处设定伺服电机转速为3 000 r/min，即SP1为1，SP2为0。ST1和ST2用于控制电机转向，正转设定ST1为0，ST2为1，反转设定ST1为1，ST1为0。

表5 I/O端口分配表

PLC控制程序如图8所示。该设备运行方式为往返式，PLC可采用顺序控制指令进行编程。设备启动前，工人需检查滑车位置，如果滑车不处于A端工作位，可通过常开按钮SB5，将滑车复位至A端。当A端工作位挂上苗绳后，启动电机，程序跳转S0.0，滑车向B端运行，当滑车触碰到B端工作位的形成开关后，程序跳转S0.1，同时对PLC输出端进行清零，由于伺服电机自身具有制动功能，可保证滑车在B端立即停止。当S0.1程序段中的定时器T37计时条件满足后，程序立即跳往S0.2，伺服电机反转，滑车向A端运行，当滑车运行到A端后，其控制方式和B端相同。如果需要停止设备或遇到紧急情况时，可通过按钮SB2触发I0.1，对各程序段进行复位，同时对PLC输出端进行清零，伺服电机失电。

图8 PLC控制程序Figure 8 PLC control program

5 螺杆式卸苗设备与卷筒式卸苗设备的参数对比

2种卸苗设备参数对比信息如表6所示。

表6 2种卸苗设备参数对比信息归纳

通过对比可知，螺杆式卸苗设备单次作业时间(每根绳卸苗时间)约为卷筒式卸苗设备的2/3，节约时间约11 s。借助螺杆传动的“低扭矩、大推力”特性，电机功率仅为卷筒卸苗设备电机的37.5%，同时可减少1名加工人员，进一步降低加工成本。螺杆式卸苗设备整机采用PLC控制，相比卷筒式卸苗设备，加工人员作业强度可大幅度降低。由于螺杆轴向尺寸较大，设备占地面积高于卷筒式卸苗设备3 m2，因此，采用螺杆式卸苗设备的同时，需对剩余工序的加工设备重新进行合理布置。

6 结论

螺杆传动式贻贝卸苗设备，是对目前卸苗设备的一种改进，利用滚珠丝杆特有的"低扭矩、大推力"特性，降低设备能源消耗的同时，卸苗过程更加流畅。课题组利用SolidWorks软件对设备进行了三维建模，同时对卸苗架、卸苗钩和卸苗模具进行了静应力分析及对机架进行了模态分析，结果表明：相应部件静应力未超过屈服强度，机架前5阶固有频率在13～18 Hz之间，未与作业过程中产生的振动频率重合，设备可长时间正常化运行。采用PLC控制伺服电机，自动化程度进一步提高，据计算，该设备单次卸苗时间约为20 s，相比当前卸苗设备，效率可提高30%左右。基于当前国内贻贝面向产业化发展，而加工设备仍然存在自动化程度不足、人员配置多等问题，螺杆式卸苗设备的成功设计，对降低工人劳动强度，提升贻贝加工效率具有借鉴意义。