葉片式貽貝清洗設備的結構設計與仿真分析*

程 海，袁躍峰，李德然

(浙江海洋大學 船舶與機電工程學院，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貽貝重要養殖基地之一，2018年貽貝總產量突破8萬噸[5-7]。

貽貝在收割后，要經過卸苗、打散、清洗和裝袋等工序。目前，貽貝打散作業主要利用攪拌機的旋轉臂對貽貝進行攪動，迫使足絲發生破壞。清洗工序主要使用慣性篩對貽貝產生振動力，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，仍然需要進一步清洗。

為了發展船上加工模式，同時保證加工效率，需要對設備進行工序集成[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備。

1 整機結構及工作原理

貽貝清洗設備要以緊湊為主，在提升清洗效率的同時，提升貽貝的清洗品質。

設備結構如圖1所示。

圖1 葉片式貽貝清洗機結構圖1—噴頭；2—清洗桶；3—集水槽；4—出水口；5—打散葉片電機；6—同步帶；7—傳動齒輪；8—葉片驅動電機；9—電機支架；10—貽貝出料口；11—清洗桶支架；12—機架；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

該設備清洗部分主要由清洗葉片和趕料葉片所組成，經過葉片打散的貽貝，在清洗葉片的作用下，進一步對足絲、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。

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

2 部件的設計

2.1 貽貝相關尺寸

在設備設計之前，需要對貽貝相關尺寸進行測量分析。筆者隨機抽取10顆貽貝作為樣本，貽貝殼長、殼寬和殼高的測量結果如表1所示。

表1 貽貝殼長、殼寬和殼高的測量結果(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境，考慮到設備的緊湊性等因素，筆者設計的清洗桶直徑為1 m，采用2 mm厚度的316#不銹鋼板進行制作。在貽貝尺寸測量基礎上，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。基于以上數據，清洗桶的底部出水孔設計為直徑20 mm的圓孔。出料口的大小設計為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。該葉片設計為4葉式結構；同時，每塊扇葉的邊角設計成具有刃口的菱角，以增強打散效果。

2.4 清洗葉片

清洗葉片結構如圖2所示。

該部件由清洗葉片和趕料葉片組成。考慮到葉片終端與桶壁間隙過大，將葉片的最大旋轉軌跡直徑設計為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 驅動軸之間的嵌套

由于該設備包含多個旋轉部件，運用多軸的嵌套設計，以保證各軸的獨立旋轉。

各軸之間的裝配如圖3所示。

該結構主要由葉片軸、滾動軸承等組成，前一級軸的外表面與滾動軸承的內圈形成過盈配合，后一級軸的內表面與軸承的外圈形成過盈配合。

2.6 傳動路線

設備各部件的傳動路線如圖4所示。

由于工作轉速不同，筆者選用2臺電機分別為打散葉片和清洗葉片提供動力。打散葉片驅動電機，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。該設備清洗葉片采用正反轉的方式進行清洗，因此，電機與清洗葉片軸直接采用同步帶傳動方式進行傳動[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 設備各部件的傳動路線1—打散葉片軸電機；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；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—打散葉片軸電機傳動同步帶

3 關鍵部件有限元分析

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備工作狀況，因此筆者對清洗葉片的應力和變形進行分析，主要是葉片滿載情況下的應力分布和變形情況。

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。貽貝殼與清洗桶、葉片之間的摩擦系數選擇為0.21(鋼和鑄鐵摩擦系數)。經過相關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，溫度設定為30 ℃，材料選取316#不銹鋼，采用材料標準參數，葉片轉速設為50 r/min和100 r/min。

仿真結果表明，兩種轉速下的最大應力分別為1.19 MPa和1.23 MPa，最大變形量分別為0.007 9 mm和0.007 8 mm，兩種轉速下的應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[17-18]。

3.2 打散葉片有限元分析

該設備擁有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沖擊時的瞬態動力學進行分析。根據調研結果，采用3 kg質量的塊狀貽貝作為沖擊力對象進行葉片分析。仿真選取葉片的轉速分別為150 r/min和250 r/min，環境溫度設為30 ℃，材料選取316#不銹鋼，采用材料標準參數，分別設定轉速為150 r/min和250 r/min。

仿真結果表明，兩種轉速下的應力最大值分別為0.685 MPa和1.42 MPa，遠小于材料的屈服強度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，該部件的設計滿足實際使用要求[19-21]。

3.3 設備機架的模態分析

仿真結果形成的機架模態云圖如圖5所示。

圖5 設備機架前7階模態云圖

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

機架共振頻率如表2所示。

表2 設備機架前7階共振頻率

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

4 控制系統的設計

由于打散葉片和清洗葉片采用兩電機分別進行動力輸送，根據設備運行要求，筆者利用PLC設定正反轉程序控制電機轉向和時間。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，控制打散葉片轉速。

電機主電路、控制電路及控制程序如圖6所示。

圖6 電機主電路、控制電路及控制程序M1—清洗葉片電機，利用接觸器KM1控制正轉，KM2控制反轉，變頻器1調節電機轉速；M2—打散葉片電機，通過KM3控制運行，變頻器2調節轉速

圖6中，兩臺電機的主電路分別接入控制各自轉速的變頻器，葉片轉速可以通過變頻器的面板來調節。

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正轉和反轉控制電路，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 結束語

筆者設計了一款集打散、清洗工序于一體的葉片式貽貝清洗設備，打散部分由3層旋轉葉片組成；卸苗后的大塊貽貝經過打散葉片被逐步細化，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。

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