基于ADAMS軟件的回轉式活魚分級裝置改進及運動仿真分析

徐宏治，陳 軍，江 濤，洪 揚，朱 燁，張現廣

(1 上海海洋大學工程學院，上海 201306；2 中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所，上海 20092)

分級在魚類的捕撈、養殖及加工過程中是一個重要的環節。在水產養殖中，通過分級能不斷調整養殖方案[1]，既保證了不同大小魚生長的需求，又節約了養殖資源，還能避免較大魚體對較小魚體生長產生不利影響，從而將魚類養殖的收益最大化[2]。傳統人工魚類分級的方式存在費時費力、分級精度低、損傷率高等問題[3]。20世紀80年代開始普遍使用的是格柵式分魚機[4-5]和篩網式分魚機[6]，通過電機帶動剛性格柵或篩網將大小魚分開，實現活魚分級的半自動化，但這類分級設備較為笨重，并且對魚體損傷較大，分級效率低[7-8]。后來有學者研究設計出輥軸式分級機[9]，通過一組間隙慢慢變大的輥軸將魚分成不同大小[10]，從而實現活魚分級的自動化，提高了活魚分級的效率[11]，但這類活魚分級裝置存在分級通道易被堵塞[12]和分級精度不高的問題。基于圖像處理技術的魚類分級方法目前正在研究初級階段，存在著活魚分布重疊、成本高和技術復雜等問題[13-15]。近幾年，洪揚等[20]對回轉式活魚分級設備進行了設計和試驗研究，該裝置將傳統的長條形分級設備改成圓形，減少了分級機所占空間；且裝置與魚體摩擦接觸少，減少了對魚體的摩擦損傷。

在制造物理樣機前，先對虛擬樣機進行仿真可以及時發現設計中存在的問題，節約研發成本，有效縮短產品的研發周期。仿真分析在農產品分級設備研發過程中起到重要作用：翟步金等[17]用ADAMS軟件對水果分級機進行仿真分析，找出了影響水果分級準確性的規律；陶寧等[18]對輥式蛤仔分級機進行仿真設計，確定了分級的合理工藝參數；王鵬云等[19]利用ADAMS軟件對雞蛋分級機的執行機構進行仿真，得出了其運動特性，優化了機構的設計。

針對洪揚等[20]設計的回轉式活魚分級設備在結構上進行了改進：原設備主要靠凸輪機構和彈簧回位機構來帶動分級擋板開啟閉合，這對凸輪的輪廓線要求較高，加工較困難；且凸輪機構和彈簧回位機構部件多，結構復雜，導致設備制造成本高、易發生故障。本設計以齒輪齒條機構提升分級閘門的方式代替凸輪機構和彈簧回位機構轉動分級擋板的方式，從而免去了凸輪輪廓加工的不便，可節約制造成本、降低故障發生率。為節約研發成本，在試驗樣機制作前先用Solidworks軟件建立了裝置的虛擬樣機，再利用ADAMS軟件對其運動特性進行仿真分析，為樣機制作提供重要參考。

1 結構與工作原理

1.1 裝置結構

設計的回轉式活魚分級裝置結構如圖1所示，其主要由入魚口、機架、雙層回轉裝置、滾輪連桿機構、閘門、變頻電機、噴淋水裝置、齒輪齒條機構、連桿調節裝置和接魚漏斗等組成。其中變頻電機驅動雙層回轉裝置逆時針轉動，上層回轉裝置上安裝有8套齒輪齒條運動副，齒條與閘門連接在一起，在外壁安裝有8套滾輪連桿運動副，通過轉軸將齒輪與連桿的一端連接起來。下層回轉裝置是一個8邊形錐形轉盤， 8個閘門與8邊形錐形轉盤的8個側面之間組成8個分級單元，轉盤的8個側面之間有隔板，確保每個單元之間相互獨立。機架上安裝有4個連桿調節裝置、噴淋水管、入魚口和接魚漏斗。分級裝置可將魚苗按大小分成3個等級，每個等級的檔位可以根據需要進行調節。

圖1 回轉式活魚分級裝置結構圖

1.2 工作原理

將分級裝置與吸魚泵連接，吸魚泵將目標魚從待分級養殖池抽取進入入魚口，電機驅動雙層回轉裝置逆時針旋轉，同時噴淋水管給魚苗供水，減少魚苗和不銹鋼之間的摩擦，給魚苗供水也能防止魚脫水損傷。分級單元開度大小由滾輪連桿機構的旋轉角度決定。如圖2所示，雙層回轉裝置旋轉過程中，上層回轉裝置上的滾輪連桿機構每次經過機架上的一個連桿調節裝置時，滾輪經過連桿調節裝置中的調節軌道，在軌道的滑動作用下連桿旋轉一定角度，連桿一端通過轉軸和齒輪連接，從而帶動齒輪旋轉一定角度。齒輪轉動帶動齒條移動，從而使得閘門上升一段距離，閘門和錐體轉盤之間就能形成一定大小的開度，背寬在此間隙范圍內的魚體落入接魚漏斗中。回轉裝置旋轉經過3次連桿調節后，閘門和錐體轉盤之間的開度達到最大，內部所有魚體均可落入對應等級的接魚漏斗中。最后經過1次反向軌道的調節可將分級單元的開度調整到初始位置，從而實現循環回轉分級。

圖2 回轉式活魚分級裝置工作原理圖

2 運動分析與調節軌道設計

2.1 關鍵部位設計

為實現裝置旋轉過程中閘門能在經過調節裝置時實現上升和下降的運動，設計了如圖3所示分級關鍵部位。滾輪連桿機構通過齒輪軸與齒輪連接，上層回轉壁上裝有ZB-48D14型旋轉阻尼器，扭矩與回轉速度成正相關。旋轉阻尼器與轉軸配合，使得轉軸在旋轉過程中保持平穩，并且在經過一次調節之后可以保持旋轉角度不變。上層回轉裝置下面有導向桿，使得閘門在升降過程中保持平穩。

圖3 分級關鍵部位圖

2.2 分級機工作參數設定

本設計以草魚魚種為分級對象，通過測量，魚種背寬12～35 mm，體質量65～365 g，體長102～289 mm。參照國內現有的回轉型活魚分級裝備的分級量[20]，確定分級量的設計要求為不低于10 000條/h。為將背寬范圍以內的魚種進行分級，分級閘門上升最大距離不小于極限背寬且留有余量，取分級閘門最大上升距離為40 mm。

回轉式活魚分級機有8個分級單元，每個分級單元中閘門與錐體轉盤之間的間隙長度為700 mm，可同時容納2～3 條魚種并列，故分級機旋轉一圈能分16～24 條魚種。根據分級量不低于10 000條/h的設計要求，結合現有回轉式活魚分級裝備試驗結果[20]，暫設電機旋轉速度為12 r/min。利用彈簧測力計和電子秤對不同質量的魚體做試驗，測得在噴淋水作用下魚體和不銹鋼之間的動摩擦系數。如圖4所示，魚體在下滑過程中受到自身重力G和沿斜邊的動摩擦力f作用，當錐體轉盤角度為50°時，魚體在50°斜坡能在噴淋水作用下順利下滑至閘門與錐體轉盤間隙處。

圖4 魚在錐體轉盤上的受力圖

2.3 關鍵機構運動分析

活魚分級等級調節原理如圖4所示，每個分級單元在一個旋轉周期內要進行4次閘門高度調節。可通過連桿調節裝置設定分級區間為1～40 mm。前3次調節逐漸增大，將待分級魚苗按從大到小依次分級，第4次調節連桿回位，閘門關閉，準備下一次分級周期。

圖5 分級調節原理示意圖

通過對分級裝置工作原理的分析可知，連桿機構和調節軌道的設計對分級裝置運行平穩性影響較大，閘門的開度大小由連桿機構的轉動角度和齒輪齒條機構的傳動比決定。根據分級要求，確定分級機的基本參數；通過運動學分析，設計合理的調節軌道。

2.4 調節軌道設計

在分級機運行過程中，處于上層回轉裝置外壁的滾輪會在安裝于機架上的調節軌道作用下轉動。在分析滾輪連桿運動參數時，看作軌道相對滾輪連桿機構作平移運動。如圖6所示，以連桿O點為靜止參考點，連桿OA長100 mm，設每次分級閘門需上升距離為H(mm)，即齒條移動距離也為H(mm)，則齒輪旋轉角度為α(°)。軌道相對連桿O點向左移動，滾輪從A點運動到A'點，橫向移動距離ΔX(mm)；縱向移動距離ΔY(mm)。

圖6 連桿運動示意圖

由幾何關系得式：

X′=100 cos(60-α)°

(1)

Y′=100 sin(60-α)°

(2)

式中：X′為A′橫坐標，mm；Y′為A′縱坐標，mm；α為齒輪旋轉角度，(°)。

為使連桿平穩旋轉，旋轉角度應該與時間成正比，即勻速旋轉。故設：在實際運動中電機轉速為12 r/min，回轉裝置半徑r為600 mm。如圖7所示，實際運動中參考點O點的移動速度為：

(3)

式中：v為O點在相對向右移動時速度，mm/s；r為回轉裝置半徑，r=600 mm。得出：v=750 m/s。

因坐標原點在曲線右上方會導致輸出軌道曲線有部分負值，為將曲線坐標轉化為正值，需在橫縱坐標上都加上桿長100 mm。則軌道曲線方程為：

X′=100 cos(60-10t)°+750t+100

(4)

Y′=100 sin(60-10t)°+100

(5)

式中：X′為A′橫坐標，mm；Y′為A′縱坐標，mm；t為運動時間，s。

由Matlab根據軌道曲線方程進行編程，根據式(4)、(5)在Matlab編輯器中編寫M文件程序。在Matlab環境下，運行程序生成以連桿O點為坐標原點的軌道輪廓曲線如圖8所示。

圖7 實際運動示意圖

圖8 Matlab計算下的軌道輪廓線

3 虛擬樣機的仿真分析

3.1 仿真過程

ADAMS軟件[23]使用交互式圖形環境及零件庫、約束庫、和力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷。根據設計相關參數，在Solidworks軟件中建立分級裝置三維模型，將上升調節軌道高度分別設置成10 mm、20 mm、30 mm，將其保存為x_t格式，如圖9所示，將模型導入到ADAMS/VIEW工作環境中，基于右手定則設置主要參考系OXYZ，將基本單位設置為MMKS單位組。在ADAMS中對零部件進行材料屬性定義，然后在ADAMS中建立約束、添加各種連接后，給雙層回轉裝置施加12 r/min旋轉驅動。在閘門底邊建立一個marker點，并將其重命名，然后建立測量，測量內容包括閘門相對于初始位置運動的位移、速度。把仿真時間設置為 10 s(兩個運動周期)，仿真步數設置為300步。

圖9 ADAMS中的分級裝置圖

3.2 仿真結果

圖10和圖11是分級裝置運行時閘門的移動位移和速度變化，從圖中可以看出，分級裝置在電機轉速為12 r/min運行時，分級閘門能平穩完成3次上升動作且每次上升10 mm和1次回位動作，且每次上升或回位的時間控制在1.25 s內，每次上升速度小于25 mm/s。

3.3 結果分析

在回轉式活魚分級設備運行過程中，分級閘門能否在指定的位置上升和回位，對魚體的連續有效分級具有重要影響，故需要對裝置運行過程進行運動學仿真。通過觀察分級閘門在裝置5 s旋轉一圈的過程中能否完成3次上升動作，每次上升10 mm和1次回位動作，且每次上升或回位的時間控制在1.25 s內，從而驗證了裝置設計的合理性。仿真結果可以說明，本設計對回轉式分級機運動分析準確、齒輪齒條機構選型合理、調節軌道曲線設計準確，分級閘門能在經過調節軌道后提升到預設高度。因此，對回轉式活魚分級裝置的改進設計達到了設計要求。

圖10 分級閘門位移圖

圖11 分級閘門速度圖

4 結論

根據回轉式活魚分級裝置的組成結構和工作原理，對分級關鍵部位進行了運動分析和設計，利用三維建模軟件Solidworks軟件建立了虛擬樣機模型，采用仿真軟件ADAMS對其進行運動學仿真分析。仿真結果表明，在電機轉速為12 r/min的條件下，分級閘門能夠在經過分級調節裝置時完成3次上升動作且每次上升10 mm和1次回位動作，且每次上升或回位的時間控制在1.25 s內，達到了預期的目標。該回轉式活魚分級裝置運行是可靠、穩定、安全的，為下一步總體設計方案的可行性提供重要參考。