蔣猛

（浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)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(gè)體大、數(shù)量多、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，是沿海漁民的捕撈對象之一。目前，國內(nèi)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(jià)位高、不破壞生態(tài)環(huán)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(yè)，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(jìn)入籠壺中達(dá)到捕撈目的[2]。但目前仍然存在一些問題：1）捕撈裝備自動(dòng)化水平落后；2）安全事故頻發(fā)。因此，研發(fā)蟹籠漁船自動(dòng)化脫鉤回收，實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人、機(jī)器減人，提高漁民作業(yè)安全性，具有重要的社會意義及經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 自動(dòng)脫鉤與回收裝置系統(tǒng)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(shè)備比較陳舊，自動(dòng)化水平低，遇到臺風(fēng)等惡劣天氣易發(fā)生人員傷亡等安全事故。所以，本文將從減員、機(jī)器代人的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出一款新型裝置，此裝置集自動(dòng)脫鉤、回收等多功能于一體。本文從宏觀的角度將蟹籠自動(dòng)脫鉤及其回收裝置分為自動(dòng)脫鉤裝置、自動(dòng)回收裝置。其中自動(dòng)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(dòng)回收裝置包括絞繩機(jī)、傳送帶等部分。以上兩大部分構(gòu)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(jìn)入起籠環(huán)節(jié)，絞繩機(jī)1提供動(dòng)力通過主繩從海中將蟹籠拖曳至自動(dòng)脫鉤裝置3中自動(dòng)脫鉤，實(shí)現(xiàn)蟹籠與掛鉤分離。蟹籠脫離掛鉤掉到傳送帶4，經(jīng)由人工輔助將蟹籠翻轉(zhuǎn)（出蟹口朝下）進(jìn)入滾輪傳送機(jī)5中，在滾輪作用下蟹籠經(jīng)過位置傳感器8。夾緊器6夾緊口打開將蟹籠夾緊，振動(dòng)臺9開始振動(dòng)。此時(shí)，蟹籠7、夾緊器6、振動(dòng)臺9已經(jīng)形成一個(gè)整體。在振動(dòng)臺的振動(dòng)作用下蟹籠中的梭子蟹與蟹籠分離，經(jīng)人工分揀將梭子蟹收入集裝箱中。夾緊口松開蟹籠7經(jīng)由滾輪傳送機(jī)5進(jìn)入傳送帶10由人工收集堆砌。

圖1 蟹籠漁船自動(dòng)脫鉤及回收裝置

2 自動(dòng)脫鉤裝置結(jié)構(gòu)與自動(dòng)脫鉤原理

2.1 自動(dòng)脫鉤裝置結(jié)構(gòu)

該裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,運(yùn)用三維建模軟件Pro/E對每一個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)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(fā)生90°旋轉(zhuǎn)到達(dá)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(shí)現(xiàn)進(jìn)入脫鉤器、自動(dòng)打開、使主支繩滑落、自動(dòng)復(fù)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(zhí)行限制掛鉤上下運(yùn)動(dòng)的趨勢、為掛鉤頂尖部位提供著力點(diǎn)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(diǎn)的絞繩機(jī)拉動(dòng)主繩[4]，從海里起出蟹籠。第一個(gè)導(dǎo)輪前部裝置了導(dǎo)向板及圓盤使蟹籠掛鉤和支繩順利滑過導(dǎo)輪。經(jīng)過導(dǎo)輪的導(dǎo)引，主支繩拖動(dòng)掛鉤由脫鉤器滑入端進(jìn)入脫鉤槽中，如圖3（a）所示。脫鉤槽限制掛鉤向下運(yùn)動(dòng)的趨勢，成為“第一個(gè)約束”。 主支繩繼續(xù)拖動(dòng)掛鉤組件沿脫鉤槽向左運(yùn)動(dòng)，直至掛鉤頂尖部位觸碰卡塊頂入卡槽，如圖3（b）所示?？ú凼箳煦^無法向左運(yùn)動(dòng)，成為“第二個(gè)約束”。至此，掛鉤完成了進(jìn)入的過程，脫鉤器組件實(shí)現(xiàn)了卡緊功能。

此時(shí)，脫鉤器中的推拉式電磁鐵得電產(chǎn)生電磁推力驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的趨勢，成為“第三個(gè)約束”。經(jīng)上述“三個(gè)約束”與支繩拖動(dòng)掛鉤等條件疊加，使掛鉤組件和脫鉤器組件成為一個(gè)新的整體——脫鉤器與掛鉤組件。接著，主支繩持續(xù)受力繃緊拉動(dòng)掛鉤，拖動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)脫鉤的后續(xù)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(dòng)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(jìn)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(xué)分析

2.2.1 掛鉤與主繩網(wǎng)格劃分

由于掛鉤與主繩屬于實(shí)體部件，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選用shell81單元。為保證單元格的質(zhì)量，采用四面體網(wǎng)格的劃分方式劃分時(shí)，將掛鉤與主繩中網(wǎng)格Element Size設(shè)置為4 mm，以便重點(diǎn)觀察變化情況。得到劃分后的掛鉤模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目為3756個(gè)，網(wǎng)格數(shù)目為1595個(gè)，如圖4（a）所示；主繩模型節(jié)點(diǎn)數(shù)目為673個(gè)，網(wǎng)格數(shù)目為105個(gè)，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(zhì)如表1所示。

圖3 自動(dòng)脫鉤原理圖

圖4 掛鉤與主繩網(wǎng)格劃分

表1 模型材料屬性

考慮到蟹籠漁船自動(dòng)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(tài)中受力時(shí)的極限工況。當(dāng)掛鉤在海中與在出海后被拖曳時(shí)，掛鉤支繩孔中心線與主繩之間呈現(xiàn)銳角（0°～90°），此時(shí)為掛鉤支繩孔的最危險(xiǎn)情況。而主繩的中間部位承受蟹籠最多，也最容易發(fā)生斷裂。

掛鉤的主要負(fù)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(gè)力看作合力，通過支繩施加在掛鉤上。

主繩的主要負(fù)載包括以下情況：1）在海中2000 m主繩承受250組負(fù)載，每組負(fù)載等于掛鉤所承受負(fù)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

在對掛鉤與主繩進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析之前，應(yīng)該先添加邊界條件，考慮到掛鉤與主繩及支繩相連接，在進(jìn)入脫鉤器后，掛鉤除能夠脫離脫鉤槽外的5個(gè)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(tài)，如圖5所示。

蟹籠漁船自動(dòng)脫鉤裝置在作業(yè)過程中，只有2000 m的主繩處于繃緊狀態(tài)，其一端纏繞在絞繩機(jī)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(tài)，如圖6所示。對掛鉤、主繩模型進(jìn)行靜力學(xué)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(yīng)力均出現(xiàn)在支繩孔處。這是因?yàn)椋颂帪閽煦^連接蟹籠過渡部位，當(dāng)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(shí)，此處節(jié)點(diǎn)屬于應(yīng)力集中區(qū)域，如圖7（a）所示。當(dāng)掛鉤出海后，支繩孔處只承受蟹籠與梭子蟹重力，其應(yīng)力集中區(qū)域如圖7（b）所示。最大等效應(yīng)力分別為238、85 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的屈服極限，說明掛鉤還有很大的優(yōu)化空間。掛鉤的最大等效應(yīng)變同樣出現(xiàn)在支繩孔處，此處節(jié)點(diǎn)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(jìn)行拖曳蟹籠時(shí)，支繩孔處出現(xiàn)變形，使得此處節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格相對其他部位變形量較大。

由圖8可知，當(dāng)主繩模型處于海中與出海狀態(tài)中，最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在主繩的中間部位，如圖8（a）、圖8（b）所示。因?yàn)?，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(yīng)力集中區(qū)域。最大等效應(yīng)力分別為38 288 MPa、14 089 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料的屈服極限，說明主繩很有可能會在起籠作業(yè)中發(fā)生斷裂。主繩的最大等效應(yīng)變同樣出現(xiàn)在主繩的中間部位，其節(jié)點(diǎn)的最大變形量分別為0.19、0.07 m。因此，在200個(gè)蟹籠向主繩施加外載荷下，進(jìn)行起籠作業(yè)時(shí)主繩中部出現(xiàn)彎曲變形，導(dǎo)致該處的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格變形量遠(yuǎn)大于其他處網(wǎng)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(dòng)脫鉤裝置控制設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)主要選擇三菱FX1N系列中的PLC作為控制單元，PLC在工業(yè)控制中的應(yīng)用, 提高了工業(yè)控制系統(tǒng)工作效率[5]。通過PLC上的控制開關(guān)來控制自動(dòng)脫鉤的運(yùn)行。其中SB按鈕與接近傳感器分別控制啟動(dòng)與檢測掛鉤是否到位，輸入端接有Ka1與Ka2兩個(gè)繼電器，分別用于控制電動(dòng)機(jī)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(shè)計(jì)控制程序的I/O分配表與內(nèi)存分配表（如表2、表3），控制程序圖如圖10所示。

圖9 自動(dòng)脫鉤裝置PLC控制流程圖

表2 自動(dòng)脫鉤裝置控制程序I/O分配

表3 自動(dòng)脫鉤裝置控制程序內(nèi)存分配表

采用PLC控制自動(dòng)脫鉤裝置運(yùn)行，可有效地避免人工脫鉤帶來的風(fēng)險(xiǎn)。在執(zhí)行自動(dòng)脫鉤過程中設(shè)置了延時(shí)指令，給予推拉式電磁鐵充足的時(shí)間實(shí)現(xiàn)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(dòng)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(dòng)脫鉤與回收裝置取代了人工脫鉤與回收，節(jié)約了人力資源，規(guī)避了人工脫鉤地風(fēng)險(xiǎn)，符合漁民實(shí)際生產(chǎn)梭子蟹的需求。此裝置可以在惡劣的海洋環(huán)境中重復(fù)使用，節(jié)約了漁民的原始投入成本與人工成本。

4 結(jié)論