起网起锚机设计及动力学仿真分析*

何 洋，覃创业，刘 明

(渤海大学 工学院，辽宁 锦州 121000)

0 引言

近年来，我国捕鱼行业发展迅速，产量一直保持世界领先，其中中小渔船产量占到近一半。虽然中小渔船捕捞产量比重较高，但船用捕鱼机械配套难的问题仍然非常突出[1-3]。我国多数沿海、湖泊地区的中小渔船捕捞、起锚工作主要依靠自制的半机械半人力操作设备，缺少专用的起网起锚装备，工作强度大、效率低，而且自制的起网起锚设备缺少制动系统，致使断网或伤人的生产事故时有发生。而现有的捕捞渔船起锚、起网设备彼此独立，这样增加了设备购置成本[4-6]。因此，研制中小型渔船的起网起锚一体设备，对提高捕捞效率和生产安全性具有重要意义。

针对上述问题，研制了起网起锚机，该机改变了常规起网机使用功能单一的特点，将起网与起锚相结合。另外，该机在马达的进油口处设有高压回止阀，可防止空转，实现了制动系统的自动化。通过改变马达的输出转向，可实现起网、起锚功能，其结构紧凑且所占空间小，节约了成本，降低了劳动强度。

1 起网起锚机的结构及工作原理

起网起锚机由变速箱体、输入轴、传动齿轮、摩擦鼓轮、起锚鼓轮、连接盘和底座等几部分组成，如图1所示。

起网起锚机采用液压系统控制，由液压源输出液压油供给马达驱动，马达输出轴与变速箱内的输入轴连接配合并带动输入轴上的齿轮Z1与Z2、Z3两齿轮啮合，同时齿轮Z1带动齿轮Z4分别与Z5、Z6两齿轮相啮合，最后由与Z2、Z3、Z5、Z6齿轮相配合的输出轴带动缠绕在摩擦鼓轮的网纲，将网具平稳地收起。起锚时，将锚绳缠绕在起锚鼓轮，启动马达带动两个起锚毂轮旋转，实现起锚。另外，连接盘与底座可相对旋转以调节箱体与网纲和锚绳的夹角，防止其摩擦箱体。马达换向手柄的控制开关可完成收网、撒网和起锚的工作。

图1 起网起锚机结构简图

2 鼓轮的载荷模型

2.1 摩擦鼓轮载荷模型

网纲缠绕该机的四个摩擦鼓轮的顺序依次为Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅲ，包角分别为α1、α2、α4、α3，如图2所示。与输出轴Ⅰ相配合的摩擦鼓轮主要承受网纲拉力F、网纲与摩擦鼓轮的摩擦力f以及拉力F1的作用，其他摩擦鼓轮载荷计算可采用同样方法[7]。

取缠绕在摩擦鼓轮上的网纲AMB段，将AMB分为i△l等份，当i近于无穷大时，每个△l段网纲所受摩擦力几乎为零，且拉力可视为相等，即F=F1，则总压力N为：

(1)

其中：D为压力密度，N/m3；r为摩擦鼓轮半径，m。

由式(1)得单位长度摩擦鼓轮的压力为：

D=F/r.

(2)

考虑摩擦力的影响，单位长度网纲的摩擦力为：

f=Dμ=Fμ/r.

(3)

其中：μ为摩擦因数。

设AMB中任意△l段网纲两边的拉力分别为Fi和Fi+1，摩擦力为fi，则有：

(4)

(5)

由式(5)可得：

(6)

其中：l为缠绕在摩擦鼓轮的网纲长度，m。

由此，可确定F1，F2，F3，FT分别为：

(7)

则等效摩擦力fi′为：

(8)

其中：m为缠绕圈数。

图2 摩擦鼓轮受力分析

2.2 起锚鼓轮载荷模型

图3为起锚鼓轮受力情况，起锚鼓轮摩擦力为：

fT=Dμ=F′μ/r′.

(9)

其中：r′为起锚鼓轮半径，m；F′为锚绳拉力，F′=F1′eμ|β|，β为包角，(°)。

起锚鼓轮等效摩擦力为：

fT′=F1′(e2πmμ-1).

(10)

2.3 鼓轮的扭矩

根据文献[8]，鼓轮的扭矩为摩擦矩与空载时的扭矩之和，即：

(11)

其中：Ti为摩擦矩，N·m；Ti′为摩擦鼓轮扭矩，N·m；T为空载扭矩，N·m。

3 起网起锚机多刚体动力学模型

采用ADAMS建模工具建立复杂模型比较繁琐，本文借助Pro/E Wildfire5.0的实体造型技术，根据相关设计参数完成箱体、输入轴、输出轴、齿轮、摩擦鼓轮、起锚鼓轮、连接盘和底座等零件的建模以及装配，其三维实体模型如图4所示。

图3 起锚鼓轮受力分析

起网起锚机相关参数为：最大起网拉力F=11.5 kN，最大起网速度v=45.8 m/min，锚重G=1 kN，轴最大弯曲应力[σ]=60 MPa，回归系数b=0.007 78，最大阻尼系数c=50 N·s/mm，转向角γ=75°，马达额定转速n=200 r/min，马达额定功率P=13 kW。

将完成的起网起锚机三维实体模型导入ADAMS/View环境中，添加各零件的材料属性，根据上述相关参数和摩擦鼓轮和起锚鼓轮载荷的计算方法，定义零件间的接触力、添加载荷及驱动等[9-10]，完成仿真分析的前处理阶段，整机的多刚体动力学模型见图5。

图4起网起锚机三维模型图5起网起锚机多刚体动力学模型

4 仿真分析

4.1 鼓轮的摩擦力随时间的变化

摩擦鼓轮的摩擦力f、起锚鼓轮的摩擦力f′随时间的变化曲线分别如图6和图7所示。由图6和图7可见:0 s～1 s内是模型自调整阶段，载荷波动较大，其他时段较为平稳;摩擦鼓轮的摩擦力最大值为4.35 kN，趋于定值1.5 kN，主要原因为鼓轮与网纲之间无相对滑动，起网拉力由摩擦力承担，收网拉力FT为零;起锚鼓轮摩擦力最大值为0.7 kN，趋于定值0.25 kN。由此可见该机参数设计合理，该机工作状态较平稳。

图6 摩擦鼓轮摩擦力f随时间变化曲线

4.2 输入、输出轴扭矩随马达转速变化

图8为输入轴扭矩随马达转速变化的曲线。由图8可见：初始时刻输入轴扭矩为1 200 N·m，马达转速增加输入轴的扭矩逐渐减小，当n=100 r/min时扭矩达到最小，最小值为1 170 N·m，马达转速超过100 r/min时，输入轴扭矩逐渐增大。图9为输出轴Ⅰ的扭矩随马达转速变化曲线。由图9可见：马达转速范围在100 r/min～125 r/min时，输出轴Ⅰ的扭矩趋于最小，最小值为958 N·m，该转速范围内摩擦鼓轮摩擦性能最佳。因此，该机的马达最佳工作转速为100 r/min，起网速度为29 m/min。

图7起锚鼓轮摩擦力f′随时间变化曲线图8输入轴扭矩随马达转速变化曲线图9输出轴Ⅰ扭矩随马达转速变化曲线

5 结论

利用Pro/E建立了新型起网起锚机的三维实体模型，借助ADAMS多刚体动力学仿真软件对其进行仿真分析，搞清了摩擦鼓轮和起锚鼓轮的摩擦力随时间的变化情况，以及输入、输出轴随马达转速的变化，确定了该机马达工作的最佳转速、起网速度，其结论为进一步优化各部件的设计参数、提高捕捞效率提供了理论依据。