新型海帶夾苗機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真分析

張慶力侯賀啟史 強(qiáng)劉 輝

（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院山東青島266100）

新型海帶夾苗機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及仿真分析

張慶力，侯賀啟，史 強(qiáng)，劉 輝

（中國海洋大學(xué)工程學(xué)院山東青島266100）

針對海帶夾苗作業(yè)過程中勞動強(qiáng)度大、工作效率低等問題，設(shè)計(jì)一種新型海帶夾苗機(jī)，以期實(shí)現(xiàn)苗繩破扣、后插送苗夾苗及苗繩復(fù)位等過程的自動化。介紹了新型海帶夾苗機(jī)械結(jié)構(gòu)組成、夾苗工藝及工作原理；設(shè)計(jì)了后插執(zhí)行機(jī)構(gòu)；利用仿真軟件對海帶夾苗機(jī)械裝置進(jìn)行操作過程的運(yùn)動仿真分析。結(jié)果表明：苗繩破扣進(jìn)給長度為60～80 mm較為理想；繩夾夾取苗繩扭矩應(yīng)小于4.2 N·m；當(dāng)破扣時(shí)，扭轉(zhuǎn)角對破扣繩徑的影響是轉(zhuǎn)角越大則繩徑越大；采用后插方式夾苗，可提高插苗成功率、降低傷苗率。新型海帶夾苗機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)可為海產(chǎn)植物種植裝置的開發(fā)應(yīng)用提供參考。

海帶夾苗機(jī)；機(jī)械系統(tǒng)；破扣；后插機(jī)構(gòu)；仿真分析

根據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）統(tǒng)計(jì)，2002年我國貢獻(xiàn)了全球海帶產(chǎn)量的 89%［3－4］；2014年，全國年產(chǎn)海帶80多萬t，產(chǎn)值60多億元。國內(nèi)外十分重視海帶養(yǎng)殖加工技術(shù)研究，日本、美國、英國、加拿大等漁業(yè)發(fā)達(dá)國家處于較高水平［6－8］，而我國是世界上唯一在海帶育苗、育種、種質(zhì)保存和栽培技術(shù)等方面都具有完整技術(shù)體系的國家［5］。隨著海帶種植集中化、高產(chǎn)化的蓬勃發(fā)展，海帶種植業(yè)已步入從育苗、夾苗、放養(yǎng)到采收的大規(guī)模化生產(chǎn)階段，根據(jù)海帶生長特性而研究設(shè)計(jì)了海帶養(yǎng)殖系統(tǒng)［9－10］。

海帶夾苗是海帶種植業(yè)的關(guān)鍵工序，夾苗時(shí)首先由人工將繩索反向擰松，使繩股出現(xiàn)間隙，將海帶苗根部插入，然后再松手使繩股復(fù)位，完成一個(gè)周期的夾苗動作。由于人工海帶夾苗的效率低、勞動強(qiáng)度大，因此，海帶夾苗自動化研究受到重視。如：馬祖達(dá)等［11］試制出繩夾式、縫紉式、分繩機(jī)頭式等3種海帶夾苗機(jī)樣機(jī)，但分別存在著進(jìn)苗率較低、帶苗會損傷或夾松、夾苗效果較差等問題；徐學(xué)淵［12］設(shè)計(jì)的海帶苗鉗工作效率高，但夾苗效果不佳；王家連［13］的立式海帶夾苗機(jī)、朱金和［14］的自動海帶夾苗機(jī)、王元孝［15］的電動海帶夾苗機(jī)都優(yōu)化了海帶夾苗機(jī)的結(jié)構(gòu)；張慶力等［16］研究了機(jī)械控制的海帶夾苗機(jī)的實(shí)現(xiàn)形式，但最終未能實(shí)現(xiàn)海帶夾苗過程的自動化。

為了解決自動海帶夾苗過程中存在的諸如夾苗鉗夾持海帶苗準(zhǔn)確性差、易傷苗，插苗后，苗容易隨著夾苗鉗退出而脫落，以及自動破扣繩股間隙位置和形狀不確定等問題，本文提出了一種新型海帶夾苗機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 苗繩物理特性及海帶夾苗機(jī)工作原理分析

海帶夾苗工藝流程如圖1所示。將苗繩破扣之后，把海帶苗的根部插入繩股之間的間隙，再將苗繩復(fù)位，完成一個(gè)周期的夾苗動作。

圖1 海帶夾苗工藝流程Fig.1 Flow chart of kelp seedling clamping

1.1 苗繩特性分析

1.1.1 海帶苗繩幾何特性苗繩如圖2所示。

圖2 苗繩Fig.2 Seedling rope

苗繩是海帶生長的根基，長年浸泡在水中，具有防腐、線應(yīng)變系數(shù)不大的特點(diǎn)。1根苗繩由3股細(xì)尼龍繩束旋擰成，繩束直徑6 mm，便于夾苗；苗繩長度一般為2 800 mm，繩徑16 mm，苗繩螺距20 mm左右，苗繩一般5年更換1次。

1.1.2 海帶苗繩物理特性

苗繩的特性是指：不同苗繩破扣長度對股繩間隙位置和大小的關(guān)系；苗繩破扣長度上，3根股繩之間的擰緊力；反螺旋的旋轉(zhuǎn)角度對股繩間隙的關(guān)系。股繩間的擰緊力影響苗繩破扣時(shí)的反螺旋方向力矩和苗繩復(fù)位的力矩，旋轉(zhuǎn)角影響股繩間隙的大小。通過實(shí)驗(yàn)對苗繩特性進(jìn)行分析。由于股繩間隙形狀的不確定性，研究苗繩破扣進(jìn)給長度對股繩間隙的影響，采用不同進(jìn)給長度的苗繩進(jìn)行試驗(yàn)，破口旋轉(zhuǎn)角度為180度（圖3）。

圖3 機(jī)械破扣的苗繩Fig.3 Rope of mechanical buckle breaking

試驗(yàn)結(jié)果：苗繩的進(jìn)給長度為30～40 mm時(shí)，旋轉(zhuǎn)破扣會使苗繩扭折（圖3a）；60～80 mm的繩長在扭轉(zhuǎn)力的作用下，繩扣破開縫隙比較理想（圖3b）；90～110 mm的繩長破扣的效果會稍微減弱，會出現(xiàn)時(shí)而破扣時(shí)而不能完成破扣的現(xiàn)象（圖3c）；當(dāng)進(jìn)給苗繩太長如120～140 mm不能實(shí)現(xiàn)破扣（圖3d）。分析可知，苗繩進(jìn)給的長短對苗繩的破扣是有影響的，進(jìn)給苗繩太短，繩在扭轉(zhuǎn)力作用下容易打滑或者扭折，太長就會失去破扣功能，苗繩破扣進(jìn)給比較合適的長度為60～80 mm，此時(shí)破扣效果利于海帶苗根部的夾取和固定。

試驗(yàn)中測量工具使用的是電子測力矩扳手。當(dāng)夾苗裝置夾好苗繩，使用測力矩扳手測繩夾扭開繩扣一個(gè)螺距的力矩（圖4），結(jié)果顯示，扭開一個(gè)繩扣的力矩一般小于4.2 N·m。

圖4 力矩測試圖Fig.4 Torque test chart

圖5 為在給定進(jìn)給長度下，研究旋轉(zhuǎn)角度與股繩間隙大小關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)表明，旋轉(zhuǎn)角度越大，苗繩破扣后股繩的間隙越大。苗繩破扣的初期變化不大，旋轉(zhuǎn)170°后，破口變得明顯，最大間隙達(dá)到12 mm左右即可滿足夾苗要求。

圖5 旋轉(zhuǎn)角度與苗繩孔徑的關(guān)系圖Fig.5 Relationship curve between round angle and the diameter of seedling rope

以上對研究苗繩物理特性的分析為插苗機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。人工夾苗方式采用簡單的器具，手工將海帶幼苗夾到苗繩上，插苗時(shí)利用人的適應(yīng)性，將苗的根部插入不確定的股繩間隙中。采用海帶夾苗機(jī)插苗，只有解決了苗的根部與股繩間隙的適應(yīng)性，才能成功完成海帶的夾苗動作。

1.2 苗繩破扣動作的原理

如圖6所示，苗繩一端固定夾緊，另一端夾緊后施加反螺旋方向的力，苗繩在扭轉(zhuǎn)力作用下，繩股之間產(chǎn)生間隙。

圖6 苗繩破扣原理圖Fig.6 Schematic diagram of seedling and rope buckle breaking

采用三爪繩夾完成旋轉(zhuǎn)端夾緊和反螺旋方向旋轉(zhuǎn)的動作，直線運(yùn)動帶動繩夾的張開閉合，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)苗繩的破扣（圖7），圖中A點(diǎn)為苗繩旋轉(zhuǎn)端夾緊的位置。

圖7 旋轉(zhuǎn)端夾緊原理圖Fig.7 Schematic diagram of round end clamping

1.3 插苗動作的原理分析

夾苗鉗首先穿過已破扣的繩口到3號工位夾苗，隨后退出繩口，在2號工位的位置松開幼苗，苗繩復(fù)位時(shí)，夾苗鉗再次回到1號工位，完成插苗動作（圖8）。

圖8 插苗動作原理示意圖Fig.8 Schematic diagram of transplanting operation principle

2 新型海帶夾苗機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 苗繩自動破扣復(fù)位裝置

苗繩自動破扣裝置要按圖6所示的苗繩破扣，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)苗繩的進(jìn)給，為下一個(gè)破扣做好準(zhǔn)備。其動作流程為：苗繩進(jìn)給→固定端夾緊→旋轉(zhuǎn)段夾緊→旋轉(zhuǎn)端旋轉(zhuǎn)→旋轉(zhuǎn)端復(fù)位→固定端松開，完成一個(gè)破扣復(fù)位周期，再從第一步開始下一個(gè)周期的動作。

采用連桿組、直線運(yùn)動裝置和直線導(dǎo)軌等部件設(shè)計(jì)新型海帶夾苗機(jī)的破扣插苗裝置。其工作原理為：伸縮氣缸向前運(yùn)動到指定位置，旋轉(zhuǎn)端夾緊部件夾緊，前夾緊鉗松開，伸縮缸向后運(yùn)動到指定位置，固定端夾緊部件夾緊，完成進(jìn)繩運(yùn)動；之后進(jìn)入破扣環(huán)節(jié)，旋轉(zhuǎn)缸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)破扣；完成插苗動作后，旋轉(zhuǎn)缸反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)苗繩復(fù)位，完成海帶苗的夾苗工作（圖9）。

旋轉(zhuǎn)端夾緊部件既要夾持住苗繩，又要和夾持部分一同旋轉(zhuǎn)，繩鉗機(jī)構(gòu)滿足開合運(yùn)動的自由度，符合機(jī)構(gòu)學(xué)運(yùn)動原理。根據(jù)上述機(jī)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)了通過直線運(yùn)動帶動夾苗機(jī)構(gòu)開合運(yùn)動的海帶夾苗裝置（圖10），完善了夾苗、持苗、插苗的多運(yùn)動銜接過程。整個(gè)系統(tǒng)簡潔實(shí)用，裝置工作快捷、高效。

圖10 夾繩破扣裝置Fig.10 Device diagram of buckle breaking of clamping rope

2.2 后插方式分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

海帶夾苗是將海帶幼苗的1／2根部夾到破扣后的股繩間隙中，夾苗裝置是實(shí)現(xiàn)海帶夾苗的關(guān)鍵。

為解決夾苗鉗抽出時(shí)海帶苗脫落的問題，采用了后插方式插苗。其工作原理如圖11所示：將夾苗鉗向前穿過已破扣的股繩間隙（實(shí)線位置）進(jìn)行夾苗，再退回股繩間隙后側(cè)（虛線位置），最后松開夾苗鉗，完成插苗動作。

圖11 后插方式原理圖Fig.11 Schematic diagram of post－transplanting mode

后插入苗的方式是海帶夾苗機(jī)的新形式，其機(jī)構(gòu)工作過程是：伸縮缸帶動緊閉的夾苗鉗向前運(yùn)動，穿過已破扣的股繩間隙，鉗口張開，繼續(xù)向前運(yùn)動將海帶苗送入鉗口之中，鉗口閉合，夾苗鉗向后運(yùn)動，將海帶苗拽入破扣后的股繩間隙中，完成海帶苗的插苗（圖12）。

圖12 插苗機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖Fig.12 The mechanical system of seedling transplanting machine

3 新型海帶夾苗機(jī)械系統(tǒng)的分析與優(yōu)化

3.1 繩鉗運(yùn)動仿真分析

檢測夾繩的質(zhì)量和工作效率能否達(dá)到使用要求，對設(shè)計(jì)部件進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。分析繩鉗張開、閉合扭轉(zhuǎn)，確保苗繩破扣的效果，為下一步的夾苗提供保障。對插苗機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真處理，采用往復(fù)運(yùn)動方式，由往復(fù)運(yùn)動一個(gè)周期的位移和時(shí)間關(guān)系的曲線（圖13）可知：直線運(yùn)動行程為10 mm，一個(gè)周期時(shí)間是2 s，繩鉗的開合運(yùn)動為變速運(yùn)動，由于結(jié)構(gòu)連接多為轉(zhuǎn)動副，結(jié)構(gòu)運(yùn)動受到阻尼等影響。繩鉗閉合一個(gè)周期中，由速度與時(shí)間關(guān)系的曲線（圖14）分析可知，平均速度0.021 m／s，最大加速度0.042 m／s2，該速度可以滿足夾苗的需要。

圖13 伸縮缸位移與時(shí)間的曲線圖Fig.13 Curve of displacement of telescopic cylinder and time

圖14 繩鉗端點(diǎn)速度與時(shí)間的曲線圖Fig.14 Curve of endpoint speed of the rope clamp and time

氣缸往復(fù)直線運(yùn)動帶動夾苗鉗的開合運(yùn)動，對繩鉗進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。繩鉗開合的角速度變化如圖 15所示，最大角速度為 17°／s。分析圖16、圖17可知，繩鉗的初始角度為2°，繩鉗在1 s時(shí)間內(nèi)的最大張開角度為 14°，最大距離56 mm，苗繩本身直徑16 mm，繩鉗為剛性件不需完全閉合，為此會留有2°的初始角度，作為海帶夾苗機(jī)上的插苗裝置，56 mm完全滿足要求。

通過繩鉗運(yùn)動仿真分析，修改不合理的結(jié)構(gòu)，使繩鉗的運(yùn)動和夾苗運(yùn)動相適合，夾苗鉗速度0.021 m／s可以滿足工作；通過仿真分析，優(yōu)化繩鉗等運(yùn)動部件，確保繩鉗在張開距離內(nèi)能夠抓住苗繩。分析結(jié)果顯示，繩鉗張開距離為56 mm，滿足海帶苗的后插設(shè)計(jì)要求。該機(jī)械運(yùn)動系統(tǒng)代替人工插苗，提高工作效率，為解決海帶插苗中的瓶頸問題及后續(xù)研究提供參考。

圖15 繩鉗端點(diǎn)角速度與時(shí)間的曲線圖Fig.15 Curve of endpoint angular velocity of the rope clamp and time

圖16 繩鉗端點(diǎn)位移與時(shí)間的曲線圖Fig.16 Curve of the endpoint displacement of the rope clamp and time

圖17 繩鉗的角位移與時(shí)間的曲線圖Fig.17 Curve of the angular displacement of rope clamp and time

4 結(jié)論

采用后插方式將海帶幼苗插入苗繩中，可以實(shí)現(xiàn)海帶夾苗機(jī)的自動插苗，降低傷苗率；自動控制的應(yīng)用將機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用到海帶夾苗機(jī)中，實(shí)現(xiàn)海帶夾苗的連續(xù)自動化。機(jī)械系統(tǒng)試驗(yàn)及仿真分析結(jié)果表明，苗繩破扣進(jìn)給的理想苗繩長度為60～80 mm，此長度破扣效果利于海帶苗根部的夾取和固定；繩夾夾取苗繩扭轉(zhuǎn)的力矩應(yīng)小于4.2 N·m；破扣時(shí)，扭轉(zhuǎn)角度對破扣的繩徑有影響，旋轉(zhuǎn)角度越大則繩徑越大。新型海帶夾苗機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)可為海產(chǎn)植物種植裝置的技術(shù)研究提供參考。 □

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Design and simulation analysis of a new type of kelp seedling clamping mechanical system

ZHANG Qingli，HOU Heqi，SHI Qiang，LIU Hui
（College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

In order to solve the problems of great labor intensity，low working efficiency，etc.in the process of kelp seedling clamping operation，a new type of kelp seedling clamping machine was designed，with the aims to automation of the process of seedling and rope buckle breaking，clamping of post－transplanting seedling and restoration of seedling and rope，etc..This paper introduces the mechanical structure，the technics and working principle of the machine.And post－insertation executive structure was also designed.The kinematical simulation analysis of operation process was performed by applying the stimulation software.The results showed that the ideal feeding length of seedling and rope buckle breaking was 60－80 mm；torque of rope clip and seedling clamping rope should be less than 4.2 N·m；when the buckle was broken，the larger the torsion angle is，the larger diameter of the rope is；adopting the clamping of post－transplanting seedlings could increase the survival rate of post－insertion seedlings and reduce the rate of damage to the seedlings.The design of a new type of mechanical system of kelp seedling clamping can provide references for the development and application of the planting device of marine plants.

kelp seedling clamping machine；mechanical system；buckle breaking；post－transplantation；simulation analysis

S969.37

A

1007－9580（2017）02－014－06

10.3969／j.issn.1007?9580.2017.02.003

2017－01－03

中國海洋大學(xué)工程學(xué)院青年教師資助項(xiàng)目“海帶夾苗機(jī)的研制”

張慶力（1970—），男，高級工程師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：海洋機(jī)電裝備。E－mail：zql6129＠126.com