新型海带夹苗机械系统的设计及仿真分析

张庆力侯贺启史 强刘 辉

（中国海洋大学工程学院山东青岛266100）

新型海带夹苗机械系统的设计及仿真分析

张庆力，侯贺启，史 强，刘 辉

（中国海洋大学工程学院山东青岛266100）

针对海带夹苗作业过程中劳动强度大、工作效率低等问题，设计一种新型海带夹苗机，以期实现苗绳破扣、后插送苗夹苗及苗绳复位等过程的自动化。介绍了新型海带夹苗机械结构组成、夹苗工艺及工作原理；设计了后插执行机构；利用仿真软件对海带夹苗机械装置进行操作过程的运动仿真分析。结果表明：苗绳破扣进给长度为60～80 mm较为理想；绳夹夹取苗绳扭矩应小于4.2 N·m；当破扣时，扭转角对破扣绳径的影响是转角越大则绳径越大；采用后插方式夹苗，可提高插苗成功率、降低伤苗率。新型海带夹苗机械系统设计可为海产植物种植装置的开发应用提供参考。

海带夹苗机；机械系统；破扣；后插机构；仿真分析

根据联合国粮食及农业组织（FAO）统计，2002年我国贡献了全球海带产量的 89%［3－4］；2014年，全国年产海带80多万t，产值60多亿元。国内外十分重视海带养殖加工技术研究，日本、美国、英国、加拿大等渔业发达国家处于较高水平［6－8］，而我国是世界上唯一在海带育苗、育种、种质保存和栽培技术等方面都具有完整技术体系的国家［5］。随着海带种植集中化、高产化的蓬勃发展，海带种植业已步入从育苗、夹苗、放养到采收的大规模化生产阶段，根据海带生长特性而研究设计了海带养殖系统［9－10］。

海带夹苗是海带种植业的关键工序，夹苗时首先由人工将绳索反向拧松，使绳股出现间隙，将海带苗根部插入，然后再松手使绳股复位，完成一个周期的夹苗动作。由于人工海带夹苗的效率低、劳动强度大，因此，海带夹苗自动化研究受到重视。如：马祖达等［11］试制出绳夹式、缝纫式、分绳机头式等3种海带夹苗机样机，但分别存在着进苗率较低、带苗会损伤或夹松、夹苗效果较差等问题；徐学渊［12］设计的海带苗钳工作效率高，但夹苗效果不佳；王家连［13］的立式海带夹苗机、朱金和［14］的自动海带夹苗机、王元孝［15］的电动海带夹苗机都优化了海带夹苗机的结构；张庆力等［16］研究了机械控制的海带夹苗机的实现形式，但最终未能实现海带夹苗过程的自动化。

为了解决自动海带夹苗过程中存在的诸如夹苗钳夹持海带苗准确性差、易伤苗，插苗后，苗容易随着夹苗钳退出而脱落，以及自动破扣绳股间隙位置和形状不确定等问题，本文提出了一种新型海带夹苗机的机械系统设计方案。

1 苗绳物理特性及海带夹苗机工作原理分析

海带夹苗工艺流程如图1所示。将苗绳破扣之后，把海带苗的根部插入绳股之间的间隙，再将苗绳复位，完成一个周期的夹苗动作。

图1 海带夹苗工艺流程Fig.1 Flow chart of kelp seedling clamping

1.1 苗绳特性分析

1.1.1 海带苗绳几何特性苗绳如图2所示。

图2 苗绳Fig.2 Seedling rope

苗绳是海带生长的根基，长年浸泡在水中，具有防腐、线应变系数不大的特点。1根苗绳由3股细尼龙绳束旋拧成，绳束直径6 mm，便于夹苗；苗绳长度一般为2 800 mm，绳径16 mm，苗绳螺距20 mm左右，苗绳一般5年更换1次。

1.1.2 海带苗绳物理特性

苗绳的特性是指：不同苗绳破扣长度对股绳间隙位置和大小的关系；苗绳破扣长度上，3根股绳之间的拧紧力；反螺旋的旋转角度对股绳间隙的关系。股绳间的拧紧力影响苗绳破扣时的反螺旋方向力矩和苗绳复位的力矩，旋转角影响股绳间隙的大小。通过实验对苗绳特性进行分析。由于股绳间隙形状的不确定性，研究苗绳破扣进给长度对股绳间隙的影响，采用不同进给长度的苗绳进行试验，破口旋转角度为180度（图3）。

图3 机械破扣的苗绳Fig.3 Rope of mechanical buckle breaking

试验结果：苗绳的进给长度为30～40 mm时，旋转破扣会使苗绳扭折（图3a）；60～80 mm的绳长在扭转力的作用下，绳扣破开缝隙比较理想（图3b）；90～110 mm的绳长破扣的效果会稍微减弱，会出现时而破扣时而不能完成破扣的现象（图3c）；当进给苗绳太长如120～140 mm不能实现破扣（图3d）。分析可知，苗绳进给的长短对苗绳的破扣是有影响的，进给苗绳太短，绳在扭转力作用下容易打滑或者扭折，太长就会失去破扣功能，苗绳破扣进给比较合适的长度为60～80 mm，此时破扣效果利于海带苗根部的夹取和固定。

试验中测量工具使用的是电子测力矩扳手。当夹苗装置夹好苗绳，使用测力矩扳手测绳夹扭开绳扣一个螺距的力矩（图4），结果显示，扭开一个绳扣的力矩一般小于4.2 N·m。

图4 力矩测试图Fig.4 Torque test chart

图5 为在给定进给长度下，研究旋转角度与股绳间隙大小关系的实验数据。实验表明，旋转角度越大，苗绳破扣后股绳的间隙越大。苗绳破扣的初期变化不大，旋转170°后，破口变得明显，最大间隙达到12 mm左右即可满足夹苗要求。

图5 旋转角度与苗绳孔径的关系图Fig.5 Relationship curve between round angle and the diameter of seedling rope

以上对研究苗绳物理特性的分析为插苗机械系统的设计提供了基础。人工夹苗方式采用简单的器具，手工将海带幼苗夹到苗绳上，插苗时利用人的适应性，将苗的根部插入不确定的股绳间隙中。采用海带夹苗机插苗，只有解决了苗的根部与股绳间隙的适应性，才能成功完成海带的夹苗动作。

1.2 苗绳破扣动作的原理

如图6所示，苗绳一端固定夹紧，另一端夹紧后施加反螺旋方向的力，苗绳在扭转力作用下，绳股之间产生间隙。

图6 苗绳破扣原理图Fig.6 Schematic diagram of seedling and rope buckle breaking

采用三爪绳夹完成旋转端夹紧和反螺旋方向旋转的动作，直线运动带动绳夹的张开闭合，旋转运动实现苗绳的破扣（图7），图中A点为苗绳旋转端夹紧的位置。

图7 旋转端夹紧原理图Fig.7 Schematic diagram of round end clamping

1.3 插苗动作的原理分析

夹苗钳首先穿过已破扣的绳口到3号工位夹苗，随后退出绳口，在2号工位的位置松开幼苗，苗绳复位时，夹苗钳再次回到1号工位，完成插苗动作（图8）。

图8 插苗动作原理示意图Fig.8 Schematic diagram of transplanting operation principle

2 新型海带夹苗机械系统设计

2.1 苗绳自动破扣复位装置

苗绳自动破扣装置要按图6所示的苗绳破扣，同时要实现苗绳的进给，为下一个破扣做好准备。其动作流程为：苗绳进给→固定端夹紧→旋转段夹紧→旋转端旋转→旋转端复位→固定端松开，完成一个破扣复位周期，再从第一步开始下一个周期的动作。

采用连杆组、直线运动装置和直线导轨等部件设计新型海带夹苗机的破扣插苗装置。其工作原理为：伸缩气缸向前运动到指定位置，旋转端夹紧部件夹紧，前夹紧钳松开，伸缩缸向后运动到指定位置，固定端夹紧部件夹紧，完成进绳运动；之后进入破扣环节，旋转缸旋转，实现破扣；完成插苗动作后，旋转缸反转实现苗绳复位，完成海带苗的夹苗工作（图9）。

旋转端夹紧部件既要夹持住苗绳，又要和夹持部分一同旋转，绳钳机构满足开合运动的自由度，符合机构学运动原理。根据上述机构原理，设计了通过直线运动带动夹苗机构开合运动的海带夹苗装置（图10），完善了夹苗、持苗、插苗的多运动衔接过程。整个系统简洁实用，装置工作快捷、高效。

图10 夹绳破扣装置Fig.10 Device diagram of buckle breaking of clamping rope

2.2 后插方式分析与结构设计

海带夹苗是将海带幼苗的1／2根部夹到破扣后的股绳间隙中，夹苗装置是实现海带夹苗的关键。

为解决夹苗钳抽出时海带苗脱落的问题，采用了后插方式插苗。其工作原理如图11所示：将夹苗钳向前穿过已破扣的股绳间隙（实线位置）进行夹苗，再退回股绳间隙后侧（虚线位置），最后松开夹苗钳，完成插苗动作。

图11 后插方式原理图Fig.11 Schematic diagram of post－transplanting mode

后插入苗的方式是海带夹苗机的新形式，其机构工作过程是：伸缩缸带动紧闭的夹苗钳向前运动，穿过已破扣的股绳间隙，钳口张开，继续向前运动将海带苗送入钳口之中，钳口闭合，夹苗钳向后运动，将海带苗拽入破扣后的股绳间隙中，完成海带苗的插苗（图12）。

图12 插苗机械结构系统图Fig.12 The mechanical system of seedling transplanting machine

3 新型海带夹苗机械系统的分析与优化

3.1 绳钳运动仿真分析

检测夹绳的质量和工作效率能否达到使用要求，对设计部件进行运动仿真分析。分析绳钳张开、闭合扭转，确保苗绳破扣的效果，为下一步的夹苗提供保障。对插苗机械系统进行动力学仿真处理，采用往复运动方式，由往复运动一个周期的位移和时间关系的曲线（图13）可知：直线运动行程为10 mm，一个周期时间是2 s，绳钳的开合运动为变速运动，由于结构连接多为转动副，结构运动受到阻尼等影响。绳钳闭合一个周期中，由速度与时间关系的曲线（图14）分析可知，平均速度0.021 m／s，最大加速度0.042 m／s2，该速度可以满足夹苗的需要。

图13 伸缩缸位移与时间的曲线图Fig.13 Curve of displacement of telescopic cylinder and time

图14 绳钳端点速度与时间的曲线图Fig.14 Curve of endpoint speed of the rope clamp and time

气缸往复直线运动带动夹苗钳的开合运动，对绳钳进行运动仿真分析。绳钳开合的角速度变化如图 15所示，最大角速度为 17°／s。分析图16、图17可知，绳钳的初始角度为2°，绳钳在1 s时间内的最大张开角度为 14°，最大距离56 mm，苗绳本身直径16 mm，绳钳为刚性件不需完全闭合，为此会留有2°的初始角度，作为海带夹苗机上的插苗装置，56 mm完全满足要求。

通过绳钳运动仿真分析，修改不合理的结构，使绳钳的运动和夹苗运动相适合，夹苗钳速度0.021 m／s可以满足工作；通过仿真分析，优化绳钳等运动部件，确保绳钳在张开距离内能够抓住苗绳。分析结果显示，绳钳张开距离为56 mm，满足海带苗的后插设计要求。该机械运动系统代替人工插苗，提高工作效率，为解决海带插苗中的瓶颈问题及后续研究提供参考。

图15 绳钳端点角速度与时间的曲线图Fig.15 Curve of endpoint angular velocity of the rope clamp and time

图16 绳钳端点位移与时间的曲线图Fig.16 Curve of the endpoint displacement of the rope clamp and time

图17 绳钳的角位移与时间的曲线图Fig.17 Curve of the angular displacement of rope clamp and time

4 结论

采用后插方式将海带幼苗插入苗绳中，可以实现海带夹苗机的自动插苗，降低伤苗率；自动控制的应用将机电一体化技术应用到海带夹苗机中，实现海带夹苗的连续自动化。机械系统试验及仿真分析结果表明，苗绳破扣进给的理想苗绳长度为60～80 mm，此长度破扣效果利于海带苗根部的夹取和固定；绳夹夹取苗绳扭转的力矩应小于4.2 N·m；破扣时，扭转角度对破扣的绳径有影响，旋转角度越大则绳径越大。新型海带夹苗机械系统设计可为海产植物种植装置的技术研究提供参考。 □

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Design and simulation analysis of a new type of kelp seedling clamping mechanical system

ZHANG Qingli，HOU Heqi，SHI Qiang，LIU Hui
（College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

In order to solve the problems of great labor intensity，low working efficiency，etc.in the process of kelp seedling clamping operation，a new type of kelp seedling clamping machine was designed，with the aims to automation of the process of seedling and rope buckle breaking，clamping of post－transplanting seedling and restoration of seedling and rope，etc..This paper introduces the mechanical structure，the technics and working principle of the machine.And post－insertation executive structure was also designed.The kinematical simulation analysis of operation process was performed by applying the stimulation software.The results showed that the ideal feeding length of seedling and rope buckle breaking was 60－80 mm；torque of rope clip and seedling clamping rope should be less than 4.2 N·m；when the buckle was broken，the larger the torsion angle is，the larger diameter of the rope is；adopting the clamping of post－transplanting seedlings could increase the survival rate of post－insertion seedlings and reduce the rate of damage to the seedlings.The design of a new type of mechanical system of kelp seedling clamping can provide references for the development and application of the planting device of marine plants.

kelp seedling clamping machine；mechanical system；buckle breaking；post－transplantation；simulation analysis

S969.37

A

1007－9580（2017）02－014－06

10.3969／j.issn.1007⁃9580.2017.02.003

2017－01－03

中国海洋大学工程学院青年教师资助项目“海带夹苗机的研制”

张庆力（1970—），男，高级工程师，硕士生导师，研究方向：海洋机电装备。E－mail：zql6129＠126.com