貽貝養(yǎng)殖用草繩制繩機(jī)裝備設(shè)計(jì)及機(jī)架穩(wěn)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(xué) 海洋工程裝備學(xué)院，浙江舟山316022）

0 引言

貽貝營(yíng)養(yǎng)價(jià)值豐富，是一種廣受人們喜愛(ài)的食物[1-4]。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于貽貝養(yǎng)殖增收及加工領(lǐng)域的研究已經(jīng)越來(lái)越多。但發(fā)展的同時(shí)也存在一些需要關(guān)注的問(wèn)題，其中國(guó)家針對(duì)漁業(yè)發(fā)展及造成的生態(tài)環(huán)境、水污染問(wèn)題也出臺(tái)了相關(guān)文件及政策[7-8]。因此貽貝的綠色養(yǎng)殖增收及加工就顯得尤為重要。目前國(guó)內(nèi)外貽貝養(yǎng)殖繩主要為聚丙烯、聚乙烯、聚酯材料及棕麻加其他物質(zhì)混紡材料[9-17]。經(jīng)過(guò)在海水中長(zhǎng)期浸泡，不免出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生細(xì)小塑料微粒，一方面造成環(huán)境污染問(wèn)題，一方面被濾食動(dòng)物貽貝所吸收，收獲后被人類食用，最終產(chǎn)生危害人體健康等問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)浙江省舟山市嵊泗沿海地區(qū)貽貝養(yǎng)殖用苗繩（養(yǎng)成繩）裝備開(kāi)展了實(shí)地調(diào)研，提出一種綠色草繩進(jìn)行養(yǎng)殖裝備的替換[18-19]。通過(guò)前期繩索材料實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，擬圍繞草繩成品制作進(jìn)行貽貝養(yǎng)殖用草繩制繩機(jī)裝備設(shè)計(jì)，該裝備采用三級(jí)傳動(dòng)進(jìn)行繩索加工，單人即可進(jìn)行制繩操作，提高了加工效率，更加方便快捷。

1 設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

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

2 設(shè)備工作原理

將其中捻繩成股、旋轉(zhuǎn)上勁、成繩成滾等工序統(tǒng)一集中在一個(gè)裝備上，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化人力生產(chǎn)及提高工作效率。而貽貝苗繩（養(yǎng)成繩）草繩制繩機(jī)裝備工作原理為：工人手工作業(yè)將稻草送到圓形喇叭進(jìn)料口,稻草通過(guò)2個(gè)圓形喇叭進(jìn)料口進(jìn)入進(jìn)草齒輪螺旋內(nèi)管，在旋轉(zhuǎn)力及螺紋管壁作用下進(jìn)行預(yù)搓，然后合成一股的草繩繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，通過(guò)斜齒輪及槳片，進(jìn)入捻繩機(jī)構(gòu)，捻繩機(jī)構(gòu)是由旋轉(zhuǎn)的齒輪帶動(dòng)捻繩旋轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)行捻繩。通過(guò)捻繩設(shè)備捻制成的兩小股草繩合成一股大草繩，在電動(dòng)機(jī)皮帶傳動(dòng)作用下，進(jìn)入后面的繞繩機(jī)構(gòu)進(jìn)行一系列的壓繩、繞繩，這里捻繩旋轉(zhuǎn)桿的作用主要是壓繩緊固作用，提高繩的抗拉強(qiáng)度等，最后繩索在動(dòng)力作用下進(jìn)入輪盤(pán)。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(shí)卷繩輪在齒輪組動(dòng)力傳遞下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，最終草繩繞在卷繩輪上，當(dāng)繩索纏繞過(guò)多時(shí)，停止電動(dòng)機(jī)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(xù)下一輪工作。2）制作單根成品貽貝養(yǎng)殖繩。一端穿入纏繩錐管，過(guò)大輪盤(pán)軸承管孔，在拉力作用下繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，到達(dá)下一道加工工序捆扎機(jī)構(gòu)處，傳感器感測(cè)草繩到達(dá)，而后捆扎定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，草繩運(yùn)送至指定長(zhǎng)度，捆扎定時(shí)器控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)前后兩側(cè)的固定夾頭夾住草繩進(jìn)行捆扎，指定時(shí)間松開(kāi)，到達(dá)后方剪切機(jī)構(gòu)直接剪切動(dòng)作，最終成品繩索制成，后續(xù)往復(fù)進(jìn)行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)流水化成品繩生產(chǎn)。

圖1 貽貝養(yǎng)殖用草繩制繩機(jī)裝備

圖2 草繩機(jī)裝備制繩機(jī)部分

3 機(jī)架部件設(shè)計(jì)

考慮到設(shè)備工作的穩(wěn)定性，機(jī)架采用質(zhì)量高、強(qiáng)度好的45鋼，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要包括放料平臺(tái)設(shè)計(jì)、長(zhǎng)進(jìn)料管管口固定設(shè)計(jì)，機(jī)架固定螺栓打孔、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)等，機(jī)架總長(zhǎng)寬高為232.71 cm×50.00 cm×109.58 cm，機(jī)架桁條寬度為4 cm，轉(zhuǎn)動(dòng)框部分占用長(zhǎng)寬高為103.80 cm×50.00 cm×89.20 cm，上部轉(zhuǎn)動(dòng)框大輪盤(pán)端螺栓孔固定間距為16.88 cm，孔徑為φ2.00 cm，放料平臺(tái)長(zhǎng)寬高為54.36 cm×44.00 cm×17.00 cm，長(zhǎng)進(jìn)料管管口距邊框固定尺寸為9.63 cm，兩孔間距13.41 cm，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)固定端長(zhǎng)寬高為25.00 cm×20.00 cm×41.44 cm，設(shè)置電動(dòng)機(jī)散熱去除中間區(qū)域長(zhǎng)寬高為9.53 cm×2.00 cm×4.00 cm，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出小帶輪工作區(qū)間長(zhǎng)寬高為16.88 cm×5.92 cm×4.00 cm，機(jī)架形狀根據(jù)總體零部件工作位置來(lái)確定，因此不能一次性加工成型，采用標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)桁架焊接而成。

圖3 機(jī)架

圖3 機(jī)架（續(xù)）

4 機(jī)架有限元分析

草繩制繩機(jī)裝備中，機(jī)架作為主要的工作部件，如果出現(xiàn)疲勞斷裂或者其它形式失效，將直接導(dǎo)致草繩制繩機(jī)裝備報(bào)廢，因此，對(duì)關(guān)鍵部件機(jī)架進(jìn)行振動(dòng)、受力分析是至關(guān)重要的。

4.1 SolidWorks軟件Simulation模塊分析

采用SoildWorks軟件Simulation 模塊對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，機(jī)架受力作用如下：1）機(jī)架前部下端平臺(tái)安裝電動(dòng)機(jī)重力承載；2）機(jī)架上部桁架安裝輪盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)框重力承載；3）進(jìn)料口稻草放置平臺(tái)承載。材料選取45鋼，質(zhì)量為16.33 kg，擬定對(duì)機(jī)架添加三部分載荷，施加載荷共計(jì)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?yōu)?.779×10-2mm，最小總形變?yōu)?.001×10-3mm，變形位置主要集中于承受三部分載荷處，主要表現(xiàn)為重力載荷作用；等效應(yīng)變?cè)茍D如圖4（b）所示，最大等效應(yīng)變?yōu)?.791×10-6mm，最小等效應(yīng)變?yōu)?.542×10-11mm；等效應(yīng)力仿真云圖如圖4（c）所示，最大等效應(yīng)力為0.001 034 MPa，最小等效應(yīng)力為0.000 051 70 MPa，未超出45鋼屈服應(yīng)力極限（355 MPa），這里滿足實(shí)際需求[21]。

圖4 SolidWorks軟件Simulation模塊下機(jī)架有限元分析

圖4 （續(xù)）

機(jī)架作為裝備的重要支撐部件，必須保證足夠的穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)前面對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析后，還需要對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析。借助SoildWorks 軟件中Simulation 模塊對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)仿真，得出前7階模態(tài)云圖如圖5所示。圖5（a）為前1階模態(tài)云圖，振型主要集中在稻草放置平臺(tái)位置，同時(shí)機(jī)架靠近平臺(tái)部位桁架發(fā)生偏斜；圖5（b）、圖5（c）、圖5（d）為第2、3、4階模態(tài)云圖，振型主要集中在承載轉(zhuǎn)動(dòng)框重力輪盤(pán)端桁架位置，發(fā)生彎曲現(xiàn)象，承載轉(zhuǎn)動(dòng)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(tài)云圖，振型主要集中在承載轉(zhuǎn)動(dòng)框后端部位桁架位置，此處發(fā)生扭曲變形；圖5（g）為第7階模態(tài)云圖，振型主要集中在前端承載轉(zhuǎn)動(dòng)框輪盤(pán)部分機(jī)架桁架位置及承載電動(dòng)機(jī)平臺(tái)位置，也有出現(xiàn)扭曲等現(xiàn)象[22]。此處7階機(jī)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(jì)算結(jié)果可知，機(jī)架前7階共振頻率為15～96 Hz，而裝備的振動(dòng)源主要為電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)和制繩加工產(chǎn)生的振動(dòng)，兩者的振動(dòng)頻率均在60 Hz 左右，因此機(jī)架部分還需要后續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[23-24]。

4.2 ANSYS有限元軟件分析

圖5 SolidWorks軟件Simulation模塊下機(jī)架有限元模態(tài)分析

圖5 （續(xù)）

采用ANSYS軟件model模塊對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，機(jī)架受力情況與4.1節(jié)相同。材料選取45鋼，對(duì)機(jī)架添加三部分載荷，與4.1節(jié)相同。得出總變形仿真云圖如圖6（a）所示，最大總形變?yōu)?.006 660 6 mm，最小總形變?yōu)? mm，變形位置主要集中于三部分受載處；等效應(yīng)變?cè)茍D如圖6（b）所示，最大等效應(yīng)變?yōu)?.0523×10-5mm，最小等效應(yīng)變?yōu)?.2621×10-11mm；等效應(yīng)力仿真云圖如圖6（c）所示，最大等效應(yīng)力為1.7603 MPa，最小等效應(yīng)力為4.0707×10-6MPa，同樣未超出45鋼屈服應(yīng)力極限（355 MPa），這里滿足實(shí)際需求[21]。

通過(guò)ANSYS軟件model模塊對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，得出前7階模態(tài)云圖如圖7所示。其中，圖7（a）為1階模態(tài)云圖，振型集中在稻草放置平臺(tái)位置，機(jī)架整體無(wú)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(tài)云圖，振型集中在承載轉(zhuǎn)動(dòng)框重力前后端桁架位置，發(fā)生彎曲現(xiàn)象；圖7（f）為第6階模態(tài)云圖，振型主要集中在長(zhǎng)進(jìn)料管固定位置，此處發(fā)生扭曲變形；圖7（g）為第7階模態(tài)云圖，振型主要集中在前端承載轉(zhuǎn)動(dòng)框輪盤(pán)部分機(jī)架桁架位置及承載電動(dòng)機(jī)平臺(tái)位置，也有出現(xiàn)扭曲等現(xiàn)象[22]。此處7階機(jī)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(jì)算結(jié)果可知，機(jī)架前7階共振頻率為17～72 Hz，而裝備的振動(dòng)源主要為電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)和制繩加工振動(dòng)，兩者的振動(dòng)頻率均在60 Hz左右，同前項(xiàng)分析，機(jī)架部分還需要后續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)[23-24]。

圖6 ANSYS模塊機(jī)架有限元分析

5 結(jié)果與討論

圖7 ANSYS軟件model模塊下機(jī)架有限元模態(tài)分析

圖7 （續(xù)）

對(duì)比采用SoildWorks軟件Simulation 模塊及ANSYS軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，不難發(fā)現(xiàn)，添加相同載荷的情況下，兩種軟件分析所得結(jié)果不同，其中，在SoildWorks軟件Simulation 模塊分析下，機(jī)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(jī)架各主要受載處有受力情況顯示且形變幅度較大，通過(guò)上面分析數(shù)據(jù)結(jié)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(jié)果；而對(duì)比 采 用SoildWorks 軟件Simulation 模 塊 及ANSYS 軟件model模塊對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)仿真分析，結(jié)合上面數(shù)據(jù)結(jié)果，可以得出，7階共振頻率略有不同，誤差數(shù)值不大，但是通過(guò)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(shí)候，兩種軟件模塊分析差距不大，但是4、5、6階時(shí)候，SoildWorks軟件Simulation模塊分析下的機(jī)架總體振動(dòng)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(shù)據(jù)要更準(zhǔn)確一些。故綜合對(duì)比兩種軟件分析結(jié)果可以得出，采用ANSYS軟件model模塊下的有限元分析數(shù)據(jù)更貼近模擬理想情況。

6 結(jié)論

貽貝養(yǎng)殖用草繩制繩機(jī)裝備為新型吊養(yǎng)用養(yǎng)殖繩的配套制繩機(jī)械，此前本領(lǐng)域無(wú)此類設(shè)計(jì)應(yīng)用，總體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，結(jié)構(gòu)更加緊湊，符合養(yǎng)殖繩成品加工要求和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)采用SolidWorks 軟件Simulation模塊及ANSYS有限元軟件model模塊分別對(duì)機(jī)架部分進(jìn)行了靜應(yīng)力分析（總變形、彈性應(yīng)變、彈性應(yīng)力）及7階振動(dòng)分析。結(jié)果表明：兩種分析模塊下，機(jī)架桁架受載情況有所不同。一方面，兩種軟件分析結(jié)果存在差異性；另一方面，機(jī)架部分還需要進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)，以達(dá)到所需的要求標(biāo)準(zhǔn)，綜合本次設(shè)計(jì)分析總體情況令人滿意。