蔣猛

（浙江海洋大學海洋工程裝備學院，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，其中一些種類個體大、數(shù)量多、經(jīng)濟價值高，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入籠壺中達到捕撈目的[2]。但目前仍然存在一些問題：1）捕撈裝備自動化水平落后；2）安全事故頻發(fā)。因此，研發(fā)蟹籠漁船自動化脫鉤回收，實現(xiàn)機器換人、機器減人，提高漁民作業(yè)安全性，具有重要的社會意義及經(jīng)濟價值。

1 自動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，自動化水平低，遇到臺風等惡劣天氣易發(fā)生人員傷亡等安全事故。所以，本文將從減員、機器代人的角度出發(fā)，設(shè)計出一款新型裝置，此裝置集自動脫鉤、回收等多功能于一體。本文從宏觀的角度將蟹籠自動脫鉤及其回收裝置分為自動脫鉤裝置、自動回收裝置。其中自動脫鉤裝置分為固定框架、掛鉤、脫鉤器、推拉式電磁鐵等部分。自動回收裝置包括絞繩機、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：蟹籠漁船進入起籠環(huán)節(jié)，絞繩機1提供動力通過主繩從海中將蟹籠拖曳至自動脫鉤裝置3中自動脫鉤，實現(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）進入滾輪傳送機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，振動臺9開始振動。此時，蟹籠7、夾緊器6、振動臺9已經(jīng)形成一個整體。在振動臺的振動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5進入傳送帶10由人工收集堆砌。

圖1 蟹籠漁船自動脫鉤及回收裝置

2 自動脫鉤裝置結(jié)構(gòu)與自動脫鉤原理

2.1 自動脫鉤裝置結(jié)構(gòu)

該裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)設(shè)計要求,運用三維建模軟件Pro/E對每一個結(jié)構(gòu)進行實體建模[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），實現(xiàn)進入脫鉤器、自動打開、使主支繩滑落、自動復(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)行限制掛鉤上下運動的趨勢、為掛鉤頂尖部位提供著力點等。

圖2 脫鉤器組件

首先，該裝置通過具有制造簡單、使用方便特點的絞繩機拉動主繩[4]，從海里起出蟹籠。第一個導輪前部裝置了導向板及圓盤使蟹籠掛鉤和支繩順利滑過導輪。經(jīng)過導輪的導引，主支繩拖動掛鉤由脫鉤器滑入端進入脫鉤槽中，如圖3（a）所示。脫鉤槽限制掛鉤向下運動的趨勢，成為“第一個約束”。 主支繩繼續(xù)拖動掛鉤組件沿脫鉤槽向左運動，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^無法向左運動，成為“第二個約束”。至此，掛鉤完成了進入的過程，脫鉤器組件實現(xiàn)了卡緊功能。

此時，脫鉤器中的推拉式電磁鐵得電產(chǎn)生電磁推力驅(qū)動軸伸出并穿過通孔，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動的趨勢，成為“第三個約束”。經(jīng)上述“三個約束”與支繩拖動掛鉤等條件疊加，使掛鉤組件和脫鉤器組件成為一個新的整體——脫鉤器與掛鉤組件。接著，主支繩持續(xù)受力繃緊拉動掛鉤，拖動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，實現(xiàn)自動脫鉤的后續(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體部件，在進行網(wǎng)格劃分時選用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，將掛鉤與主繩中網(wǎng)格Element Size設(shè)置為4 mm，以便重點觀察變化情況。得到劃分后的掛鉤模型節(jié)點數(shù)目為3756個，網(wǎng)格數(shù)目為1595個，如圖4（a）所示；主繩模型節(jié)點數(shù)目為673個，網(wǎng)格數(shù)目為105個，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)中受力時的極限工況。當掛鉤在海中與在出海后被拖曳時，掛鉤支繩孔中心線與主繩之間呈現(xiàn)銳角（0°～90°），此時為掛鉤支繩孔的最危險情況。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，也可將這兩個力看作合力，通過支繩施加在掛鉤上。

主繩的主要負載包括以下情況：1）在海中2000 m主繩承受250組負載，每組負載等于掛鉤所承受負載（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)強度分析

在對掛鉤與主繩進行結(jié)構(gòu)強度分析之前，應(yīng)該先添加邊界條件，考慮到掛鉤與主繩及支繩相連接，在進入脫鉤器后，掛鉤除能夠脫離脫鉤槽外的5個自由度都被限制，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、主繩模型進行靜力學分析，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。這是因為，此處為掛鉤連接蟹籠過渡部位，當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，此處節(jié)點屬于應(yīng)力集中區(qū)域，如圖7（a）所示。當掛鉤出海后，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，遠遠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，掛鉤進行拖曳蟹籠時，支繩孔處出現(xiàn)變形，使得此處節(jié)點網(wǎng)格相對其他部位變形量較大。

由圖8可知，當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。因為，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，遠遠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)點的最大變形量分別為0.19、0.07 m。因此，在200個蟹籠向主繩施加外載荷下，進行起籠作業(yè)時主繩中部出現(xiàn)彎曲變形，導致該處的節(jié)點網(wǎng)格變形量遠大于其他處網(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 自動脫鉤裝置控制設(shè)計

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)來控制自動脫鉤的運行。其中SB按鈕與接近傳感器分別控制啟動與檢測掛鉤是否到位，輸入端接有Ka1與Ka2兩個繼電器，分別用于控制電動機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 自動脫鉤裝置PLC控制流程圖

表2 自動脫鉤裝置控制程序I/O分配

表3 自動脫鉤裝置控制程序內(nèi)存分配表

采用PLC控制自動脫鉤裝置運行，可有效地避免人工脫鉤帶來的風險。在執(zhí)行自動脫鉤過程中設(shè)置了延時指令，給予推拉式電磁鐵充足的時間實現(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)避了人工脫鉤地風險，符合漁民實際生產(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