程 海，袁躍峰，李德然

(浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

0 引 言

貽貝具有極高食用價值和藥用價值[1-4]。舟山嵊泗縣作為國內(nèi)貽貝重要養(yǎng)殖基地之一，2018年貽貝總產(chǎn)量突破8萬噸[5-7]。

貽貝在收割后，要經(jīng)過卸苗、打散、清洗和裝袋等工序。目前，貽貝打散作業(yè)主要利用攪拌機(jī)的旋轉(zhuǎn)臂對貽貝進(jìn)行攪動，迫使足絲發(fā)生破壞。清洗工序主要使用慣性篩對貽貝產(chǎn)生振動力，配合水流的沖洗[8-11]。由于振動篩主要輸出振動力，產(chǎn)生的摩擦力有限，清洗后的貽貝仍然存在一定的附著物，仍然需要進(jìn)一步清洗。

為了發(fā)展船上加工模式，同時保證加工效率，需要對設(shè)備進(jìn)行工序集成[12-13]，筆者提出一種集貽貝打散和清洗于一體的葉片式貽貝清洗設(shè)備。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

貽貝清洗設(shè)備要以緊湊為主，在提升清洗效率的同時，提升貽貝的清洗品質(zhì)。

設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 葉片式貽貝清洗機(jī)結(jié)構(gòu)圖1—噴頭；2—清洗桶；3—集水槽；4—出水口；5—打散葉片電機(jī)；6—同步帶；7—傳動齒輪；8—葉片驅(qū)動電機(jī)；9—電機(jī)支架；10—貽貝出料口；11—清洗桶支架；12—機(jī)架；13—水管；14—頂部支架；15—清洗葉片；16—第一級打散葉片；17—第二級打散葉片；18—第三級打散葉片

該設(shè)備清洗部分主要由清洗葉片和趕料葉片所組成，經(jīng)過葉片打散的貽貝，在清洗葉片的作用下，進(jìn)一步對足絲、泥沙和海草形成破壞，配合水流的沖洗，去除表面附著物。

清洗完成的貽貝由于重力的作用落入圓桶底部，由趕料葉片將貽貝送出清洗圓桶；同時設(shè)計了集水槽，安裝于清洗圓桶底部，由出水口排出污水。

為了保證最先進(jìn)入清洗桶內(nèi)的貽貝擁有足夠的清洗時間，特將清洗葉片電機(jī)延遲一定的時間后，再開始工作[14-15]。

2 部件的設(shè)計

2.1 貽貝相關(guān)尺寸

在設(shè)備設(shè)計之前，需要對貽貝相關(guān)尺寸進(jìn)行測量分析。筆者隨機(jī)抽取10顆貽貝作為樣本，貽貝殼長、殼寬和殼高的測量結(jié)果如表1所示。

表1 貽貝殼長、殼寬和殼高的測量結(jié)果(單位：mm)

從表1可知，貽貝的殼長基本在60 mm左右，殼寬在42 mm左右，殼高在35 mm左右。

2.2 清洗桶

清洗桶主要為貽貝提供清洗環(huán)境，考慮到設(shè)備的緊湊性等因素，筆者設(shè)計的清洗桶直徑為1 m，采用2 mm厚度的316#不銹鋼板進(jìn)行制作。在貽貝尺寸測量基礎(chǔ)上，可以得到正常厚殼貽貝的基本尺寸，殼長×殼寬×殼高基本保持在60 mm×42 mm×35 mm。基于以上數(shù)據(jù)，清洗桶的底部出水孔設(shè)計為直徑20 mm的圓孔。出料口的大小設(shè)計為L=150 mm、B=100 mm的方孔。

2.3 打散葉片

打散葉片主要承受貽貝倒入瞬間的沖擊力以及葉片和貽貝之間的撞擊力。該葉片設(shè)計為4葉式結(jié)構(gòu)；同時，每塊扇葉的邊角設(shè)計成具有刃口的菱角，以增強(qiáng)打散效果。

2.4 清洗葉片

清洗葉片結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該部件由清洗葉片和趕料葉片組成?？紤]到葉片終端與桶壁間隙過大，將葉片的最大旋轉(zhuǎn)軌跡直徑設(shè)計為990 mm。為防止貽貝在清洗葉片中卡住，將葉片間隙增大為70 mm。趕料葉片在清洗過程中受到貽貝和水的混合阻力，在葉片上開出大小均勻的通孔。

2.5 驅(qū)動軸之間的嵌套

由于該設(shè)備包含多個旋轉(zhuǎn)部件，運用多軸的嵌套設(shè)計，以保證各軸的獨立旋轉(zhuǎn)。

各軸之間的裝配如圖3所示。

該結(jié)構(gòu)主要由葉片軸、滾動軸承等組成，前一級軸的外表面與滾動軸承的內(nèi)圈形成過盈配合，后一級軸的內(nèi)表面與軸承的外圈形成過盈配合。

2.6 傳動路線

設(shè)備各部件的傳動路線如圖4所示。

由于工作轉(zhuǎn)速不同，筆者選用2臺電機(jī)分別為打散葉片和清洗葉片提供動力。打散葉片驅(qū)動電機(jī)，通過同步帶將動力傳送給中間軸，由中間軸將扭矩分送到各級打散葉片軸；由于打散葉片之間存在交錯旋轉(zhuǎn)運動，第1級和第3級打散葉片軸采用齒輪傳動，第2級打散葉片軸采用同步帶傳動。該設(shè)備清洗葉片采用正反轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行清洗，因此，電機(jī)與清洗葉片軸直接采用同步帶傳動方式進(jìn)行傳動[16]。

圖3 葉片軸裝配簡圖1—頂部固定支架；2—第1級滾動軸承；3—第1級打散葉片軸及葉片；4—第2級打散葉片軸及葉片；5—第2級滾動軸承；6—第3級打散葉片軸及葉片；7—第3級滾動軸承；8—清洗葉片軸及葉片；9—第4級滾動軸承

圖4 設(shè)備各部件的傳動路線1—打散葉片軸電機(jī)；2—第1級打散葉片軸傳動齒輪；3—第2級葉片軸傳動同步帶；4—清洗葉片軸電機(jī)；5—第3級打散葉片軸傳動齒輪；6—清洗葉片軸傳動同步帶；7—打散葉片軸電機(jī)傳動同步帶

3 關(guān)鍵部件有限元分析

3.1 清洗葉片有限元分析

清洗葉片工作的可靠性直接影響設(shè)備工作狀況，因此筆者對清洗葉片的應(yīng)力和變形進(jìn)行分析，主要是葉片滿載情況下的應(yīng)力分布和變形情況。

筆者選擇Solid works中Simulation模塊為分析軟件，并且理論分析選擇滿載的情況作為分析基礎(chǔ)。貽貝殼與清洗桶、葉片之間的摩擦系數(shù)選擇為0.21(鋼和鑄鐵摩擦系數(shù))。經(jīng)過相關(guān)計算得出滿載情況下，單個趕料葉片所受壓力為0.014 MPa，上端清洗葉片所受壓力載荷減半，即0.007 MPa，溫度設(shè)定為30 ℃，材料選取316#不銹鋼，采用材料標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，葉片轉(zhuǎn)速設(shè)為50 r/min和100 r/min。

仿真結(jié)果表明，兩種轉(zhuǎn)速下的最大應(yīng)力分別為1.19 MPa和1.23 MPa，最大變形量分別為0.007 9 mm和0.007 8 mm，兩種轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力最大值均未超出屈服極限206 MPa，變形最大值均在安全范圍之內(nèi)[17-18]。

3.2 打散葉片有限元分析

該設(shè)備擁有3塊打散葉片。在加工過程中，第一級打散葉片承受的沖擊力最大，因此對第一級打散葉片中的一塊扇葉受到?jīng)_擊時的瞬態(tài)動力學(xué)進(jìn)行分析。根據(jù)調(diào)研結(jié)果，采用3 kg質(zhì)量的塊狀貽貝作為沖擊力對象進(jìn)行葉片分析。仿真選取葉片的轉(zhuǎn)速分別為150 r/min和250 r/min，環(huán)境溫度設(shè)為30 ℃，材料選取316#不銹鋼，采用材料標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，分別設(shè)定轉(zhuǎn)速為150 r/min和250 r/min。

仿真結(jié)果表明，兩種轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力最大值分別為0.685 MPa和1.42 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度206 MPa；最大變形量為0.007 32 mm和0.007 26 mm，變形量較小，在實際中不影響加工。因此，該部件的設(shè)計滿足實際使用要求[19-21]。

3.3 設(shè)備機(jī)架的模態(tài)分析

仿真結(jié)果形成的機(jī)架模態(tài)云圖如圖5所示。

圖5 設(shè)備機(jī)架前7階模態(tài)云圖

仿真結(jié)果表明:前3階模態(tài)，振型主要集中于支架位置，支架發(fā)生較小的扭曲；第4階模態(tài)，振型主要集中于集水槽位置；第5、第6階模態(tài)，振型主要集中于支架和出料口位置；第7階模態(tài)，振型主要是機(jī)架和清洗圓桶的綜合變形，支架發(fā)生扭曲，清洗桶發(fā)生變形[22]。

機(jī)架共振頻率如表2所示。

表2 設(shè)備機(jī)架前7階共振頻率

從計算結(jié)果可知，機(jī)架前7階共振頻率在18 Hz～59 Hz之間，而該設(shè)備正常工作情況下，打散葉片和清洗葉片產(chǎn)生的振動均在10 Hz以下，避開了機(jī)架固有的共振頻率段，可見該設(shè)備可長時間正常工作。

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計

由于打散葉片和清洗葉片采用兩電機(jī)分別進(jìn)行動力輸送，根據(jù)設(shè)備運行要求，筆者利用PLC設(shè)定正反轉(zhuǎn)程序控制電機(jī)轉(zhuǎn)向和時間。打散葉片擁有專門的傳動部件，因此，控制電路中接有變頻器，控制打散葉片轉(zhuǎn)速。

電機(jī)主電路、控制電路及控制程序如圖6所示。

圖6 電機(jī)主電路、控制電路及控制程序M1—清洗葉片電機(jī)，利用接觸器KM1控制正轉(zhuǎn)，KM2控制反轉(zhuǎn)，變頻器1調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；M2—打散葉片電機(jī)，通過KM3控制運行，變頻器2調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速

圖6中，兩臺電機(jī)的主電路分別接入控制各自轉(zhuǎn)速的變頻器，葉片轉(zhuǎn)速可以通過變頻器的面板來調(diào)節(jié)。

控制電路采用西門子S7-200型號PLC。控制程序中，支路1和支路2分別為清洗葉片電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)控制電路，支路3為打散葉片控制電路。由于不同種類的貽貝清洗時間不同，具體清洗時間需要進(jìn)行實驗后才能確定；梯形圖定時器T37和T38的時間用X1和X2表示，為了保證貽貝擁有足夠的清洗時間，設(shè)定定時器T39在打散葉片工作10 s后，清洗葉片開始工作。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計了一款集打散、清洗工序于一體的葉片式貽貝清洗設(shè)備，打散部分由3層旋轉(zhuǎn)葉片組成；卸苗后的大塊貽貝經(jīng)過打散葉片被逐步細(xì)化，落入清洗部分，清洗葉片通過摩擦力促使貽貝表面附著物脫離。

研究結(jié)果表明：該設(shè)備的打散葉片和清洗葉片的工作應(yīng)力和變形均在安全范圍內(nèi)，工作產(chǎn)生的振動頻率均避開了機(jī)架固有的共振頻率段，設(shè)備可長時間正常運行。相對于振動式清洗設(shè)備，該設(shè)備清洗后的貽貝表面附著物更少；設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊、運行更加平穩(wěn)。