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    淡水魚(yú)水平往復(fù)振動(dòng)頭尾定向輸送方法

    2021-05-09 08:23:58郭三琴趙竣威譚鶴群
    關(guān)鍵詞:頭尾魚(yú)體輸送帶

    萬(wàn) 鵬,郭三琴,楊 俊,趙竣威,譚鶴群,朱 明

    (1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,武漢 430070;2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070)

    0 引 言

    中國(guó)是淡水魚(yú)養(yǎng)殖生產(chǎn)大國(guó),2019年全國(guó)淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量為30.137 4×109kg,其中淡水魚(yú)養(yǎng)殖產(chǎn)量為25.480 3×109kg,占整個(gè)淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的84.55%;淡水產(chǎn)品加工量為5.581 7×109kg,占淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的18.52%[1]。魚(yú)體定向是淡水魚(yú)機(jī)械化、自動(dòng)化加工前處理的重要步驟,通過(guò)定向使魚(yú)體按照預(yù)想的頭尾及腹背狀態(tài)進(jìn)行輸送,便于后續(xù)加工裝置進(jìn)行自動(dòng)喂料[2-3]。傳統(tǒng)的魚(yú)體定向大多由人工完成,勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低,在一定程度上制約了淡水魚(yú)自動(dòng)化加工業(yè)的發(fā)展,因此研究淡水魚(yú)魚(yú)體定向方法和裝備具有重要意義[4-5]。

    魚(yú)體頭尾定向是魚(yú)體定向的主要內(nèi)容,可使魚(yú)體按一定的頭尾順序依次輸送。目前,魚(yú)體的頭尾定向原理主要有3種。一是利用魚(yú)體的重心分布特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定向。如Webster等[6]基于魚(yú)體重心位置研究了魚(yú)體在旋流作用下通過(guò)倒置圓錐容器實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的頭尾定向方法;高星星等[7-8]利用鰱魚(yú)魚(yú)體摩擦特性及魚(yú)體重心靠近頭部的特點(diǎn),運(yùn)用傾斜振動(dòng)臺(tái)面對(duì)鰱魚(yú)進(jìn)行頭尾定向;張敏[9]通過(guò)魚(yú)體接觸擋板時(shí)重心在魚(yú)槽底板位置的變化,使魚(yú)頭和魚(yú)尾分別進(jìn)入不同的輸送帶實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向。二是利用魚(yú)體頭尾幾何形狀差異實(shí)現(xiàn)定向。如Wenzel[10]利用魚(yú)體頭尾的剛度差異調(diào)整魚(yú)體實(shí)現(xiàn)頭尾定向;Pegoraro等[11]利用傳感器檢測(cè)魚(yú)頭朝向并結(jié)合相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向;徐頌波等[12]利用魚(yú)體頭部和尾部的截面積差異以及彎曲變形量大小,利用魚(yú)頭魚(yú)尾判斷裝置、壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)和分選板的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向;王遠(yuǎn)[13]基于魚(yú)體魚(yú)頭較硬而魚(yú)尾較軟的物理特性,利用翻轉(zhuǎn)撥輪撥動(dòng)魚(yú)尾調(diào)整魚(yú)體姿勢(shì)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向。三是利用魚(yú)體表面的摩擦特性差異實(shí)現(xiàn)定向。如瑞典Vmp公司利用定向振動(dòng)槽和轉(zhuǎn)向盤(pán)共同作用使魚(yú)體沿魚(yú)頭方向運(yùn)動(dòng)[14];Knyszewki[15]利用振動(dòng)平臺(tái)的往復(fù)作用,實(shí)現(xiàn)細(xì)棘長(zhǎng)吻魚(yú)魚(yú)體頭尾定向。林啟儀等[16]利用竹篾條編織的簾片與魚(yú)體作用,通過(guò)搖臺(tái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向;向云鵬等[17-18]利用魚(yú)體沿振動(dòng)的傾斜臺(tái)面下滑時(shí)魚(yú)頭部分受到的摩擦力合力對(duì)魚(yú)體質(zhì)心的轉(zhuǎn)矩大于魚(yú)身部分實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向;劉偉[19]對(duì)比研究了圓振動(dòng)和往復(fù)振動(dòng)這2種振動(dòng)形式,對(duì)魚(yú)體頭尾和腹背定向設(shè)備進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。綜上所述,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)魚(yú)體的頭尾定向方法做了較多研究,設(shè)計(jì)了一些定向裝置,但是這些裝置大多適用于魚(yú)鱗細(xì)小的海水魚(yú),一些裝置定向速度慢、誤差大、生產(chǎn)效率不高,難以滿足具有不同表面結(jié)構(gòu)的淡水魚(yú)定向處理需求。

    振動(dòng)輸送是工業(yè)上應(yīng)用較多的一種輸送方法,在農(nóng)業(yè)物料分離、農(nóng)產(chǎn)品輸送、定量給料等方面具有較多應(yīng)用[20-22]。本文基于水平往復(fù)振動(dòng)原理,以同時(shí)完成魚(yú)體頭尾定向和輸送為目標(biāo),通過(guò)選擇適合魚(yú)體定向輸送的最佳表面結(jié)構(gòu)輸送帶,分析魚(yú)體在往復(fù)振動(dòng)式輸送帶上的運(yùn)動(dòng)機(jī)制,探索利用魚(yú)體表面摩擦特性實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向的可行性,以期為魚(yú)體定向設(shè)備的研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

    1 淡水魚(yú)魚(yú)體表面摩擦特性試驗(yàn)

    淡水魚(yú)魚(yú)體表面定向生長(zhǎng)有鱗片和魚(yú)鰓,魚(yú)體與輸送帶接觸時(shí)會(huì)表現(xiàn)出摩擦異性,即沿魚(yú)體順鱗方向(從魚(yú)頭至魚(yú)尾方向)滑動(dòng)和逆鱗方向(從魚(yú)尾至魚(yú)頭方向)滑動(dòng)時(shí)所受摩擦力不同[23-25]。為了明確魚(yú)體在不同材料表面的摩擦特性,為魚(yú)體頭尾定向輸送裝置選擇合適的輸送帶結(jié)構(gòu),本文利用自制的魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)量裝置探討魚(yú)體在不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶上的摩擦特性。

    1.1 魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

    魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)量裝置主要由機(jī)架、計(jì)算機(jī)、S型拉壓力傳感器、力值顯示控制儀、細(xì)繩、輸送帶、魚(yú)體、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)組成,主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    測(cè)量裝置機(jī)架由鋁合金型材搭建而成,由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng);輸送帶為PVC輸送帶;測(cè)量裝置尾部設(shè)置有一水平臺(tái)面,與輸送帶表面平齊;S型拉壓力傳感器和力值顯示控制儀固定于水平臺(tái)面上。

    試驗(yàn)時(shí),將不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶固定在測(cè)量裝置PVC輸送帶表面,再將試驗(yàn)魚(yú)體放在輸送帶表面,通過(guò)細(xì)繩與傳感器連接;伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)量裝置工作,帶動(dòng)輸送帶勻速運(yùn)動(dòng),使輸送帶相對(duì)于魚(yú)體作勻速直線運(yùn)動(dòng),同時(shí)由S型拉壓力傳感器采集拉力數(shù)值,通過(guò)力值顯示控制儀和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示并記錄拉力數(shù)值。記錄的拉力數(shù)值等于魚(yú)體沿順鱗方向或逆鱗方向滑動(dòng)時(shí)所受的摩擦力。

    為了增加魚(yú)體與輸送帶之間的摩擦,盡可能減少輸送過(guò)程中魚(yú)體在輸送帶表面的滑動(dòng),本文選用3種具有特殊表面結(jié)構(gòu)的輸送帶進(jìn)行試驗(yàn),分別為草坪紋輸送帶、一字紋輸送帶和倒三角紋輸送帶,如圖2所示。

    輸送帶由工業(yè)纖維布和聚氯乙烯膠組成,結(jié)構(gòu)為多層工業(yè)纖維布與聚氯乙烯膠隔層疊加,3種輸送帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

    表1 輸送帶結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of conveyor belt

    1.2 測(cè)量方法

    為了檢測(cè)魚(yú)體在不同輸送帶上的摩擦系數(shù),本文選用市售的鯽魚(yú)、鳊魚(yú)、草魚(yú)、白鰱4種大宗淡水魚(yú)作為試驗(yàn)樣本。選擇魚(yú)體新鮮、魚(yú)鱗完整的活魚(yú),每種魚(yú)20條,放入水池中暫養(yǎng)。魚(yú)體樣本質(zhì)量如表2所示。

    表2 魚(yú)體樣本質(zhì)量Table 2 Weight of fish samples g

    試驗(yàn)前,將水池中的大部分水排出,使魚(yú)缺氧自然死亡,但保持魚(yú)體表面的濕潤(rùn)狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí),先稱量并記錄各魚(yú)體質(zhì)量,再在魚(yú)體頭部中間鉆孔并用細(xì)繩將魚(yú)體與傳感器連接,將魚(yú)體平放在輸送帶表面,啟動(dòng)魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)量裝置,在0.1 m/s速度下依次測(cè)量輸送帶相對(duì)于魚(yú)體沿順鱗方向滑動(dòng)時(shí)的摩擦力;再在魚(yú)體尾部中間鉆孔并用細(xì)繩將魚(yú)體與傳感器連接,在相同條件下測(cè)量輸送帶相對(duì)于魚(yú)體沿逆鱗方向滑動(dòng)時(shí)的摩擦力。測(cè)量過(guò)程中,假定魚(yú)體兩側(cè)魚(yú)鱗結(jié)構(gòu)相同,首先利用魚(yú)體一側(cè)測(cè)量順鱗摩擦力,再利用魚(yú)體另一側(cè)測(cè)量逆鱗摩擦力;然后去鱗,再按同樣的方法,測(cè)量去鱗后魚(yú)體的順鱗摩擦力和逆鱗摩擦力。

    記輸送帶相對(duì)于魚(yú)體沿順鱗方向(從魚(yú)頭至魚(yú)尾方向)滑動(dòng)時(shí)的摩擦力為F1(N),沿逆鱗方向(從魚(yú)尾至魚(yú)頭方向)滑動(dòng)時(shí)的摩擦力為F2(N),魚(yú)體質(zhì)量為m(g),則魚(yú)體的摩擦系數(shù)計(jì)算公式如下:

    式中μ1為魚(yú)體順鱗方向摩擦系數(shù);μ2為魚(yú)體逆鱗方向摩擦系數(shù);Δμ為逆鱗和順鱗摩擦系數(shù)差值絕對(duì)值;g為重力加速度,m/s2。

    1.3 魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果與分析

    淡水魚(yú)魚(yú)體在不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶表面滑動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

    由圖3可知,對(duì)于試驗(yàn)用的4種淡水魚(yú),不論魚(yú)體表面是否有魚(yú)鱗,在3種不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶上分別沿逆鱗方向和順鱗方向滑動(dòng)時(shí),魚(yú)體逆鱗方向摩擦系數(shù)和順鱗方向摩擦系數(shù)均存在一定差異,且均表現(xiàn)為逆鱗方向摩擦系數(shù)大于順鱗方向摩擦系數(shù)。在草坪紋、一字紋、倒三角紋輸送帶上,有鱗魚(yú)體逆鱗方向和順鱗方向摩擦系數(shù)差值分別為:0.08±0.02、0.13±0.04、0.49±0.04,去鱗魚(yú)體逆鱗方向和順鱗方向摩擦系數(shù)差值分別為:0.29±0.06、0.17±0.04、0.38±0.11。

    2 魚(yú)體頭尾定向輸送過(guò)程分析

    進(jìn)行魚(yú)體頭尾定向輸送時(shí),輸送帶作快速水平往復(fù)振動(dòng),在摩擦力作用下帶動(dòng)魚(yú)體在輸送帶表面滑動(dòng),魚(yú)體的加速度用公式表示如下:

    式中a為魚(yú)體在輸送帶表面滑動(dòng)時(shí)的加速度,m/s2;F為魚(yú)體滑動(dòng)時(shí)受到的摩擦力,N;μ為魚(yú)體在輸送帶表面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

    當(dāng)輸送帶相對(duì)于魚(yú)體沿順鱗方向振動(dòng)時(shí),輸送帶作用于魚(yú)體的摩擦力沿魚(yú)鱗方向,記魚(yú)體加速度為a1;當(dāng)輸送帶相對(duì)于魚(yú)體沿逆鱗方向振動(dòng)時(shí),輸送帶作用于魚(yú)體的摩擦力沿魚(yú)體的逆鱗方向,記魚(yú)體的加速度為a2;根據(jù)魚(yú)體表面摩擦特性試驗(yàn)結(jié)果可知a1<a2。

    當(dāng)輸送帶作水平往復(fù)振動(dòng)時(shí),若輸送帶沿魚(yú)體順鱗方向運(yùn)動(dòng)的加速度a0小于或等于魚(yú)體的加速度a1,則魚(yú)體相對(duì)輸送帶靜止,能實(shí)現(xiàn)輸送[22]。若要實(shí)現(xiàn)魚(yú)體在輸送帶表面連續(xù)滑動(dòng),則輸送帶的加速度a0需要大于魚(yú)體的加速度a2,即a1<a2<a0時(shí),魚(yú)體相對(duì)于輸送帶表面沿順鱗方向和逆鱗方向均有連續(xù)滑動(dòng),魚(yú)體作周期性運(yùn)動(dòng),此時(shí)魚(yú)體加速度a1和a2相對(duì)較小,a0相對(duì)較大,輸送帶加速時(shí)間相對(duì)于整個(gè)輸送周期較短,忽略不計(jì);當(dāng)輸送帶水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),規(guī)定相對(duì)于魚(yú)體逆鱗方向運(yùn)動(dòng)為正向,相對(duì)于魚(yú)體順鱗方向運(yùn)動(dòng)為負(fù)向,則輸送帶和魚(yú)體的運(yùn)動(dòng)速度變化如圖4所示。

    由圖4可知,在0~t4時(shí)間段內(nèi),忽略0~t1和t2~t4時(shí)間段輸送帶的加速和減速過(guò)程,則輸送帶作速度為Vm的正向勻速直線運(yùn)動(dòng),此時(shí)魚(yú)體在輸送帶摩擦力的作用下開(kāi)始移動(dòng),作初速度為0、加速度為a2(m/s2)的勻加速直線運(yùn)動(dòng);到t3時(shí)刻魚(yú)體的速度為V1(m/s),位移為S1(m),則有:

    在t4~t8時(shí)間段內(nèi),忽略t4~t5和t6~t7時(shí)間段輸送帶的加速和減速過(guò)程,輸送帶作速度為Vm的反向勻速直線運(yùn)動(dòng)。魚(yú)體由于慣性作用,相對(duì)于輸送帶表面繼續(xù)沿逆鱗方向滑動(dòng),同時(shí)受到沿順鱗方向的摩擦力作用,作初速度為V1=a2t、加速度為a1的勻減速直線運(yùn)動(dòng);到t8時(shí)刻魚(yú)體的速度為V2,位移為S2,則有:

    以此類推,可得t7~t12和t12~t15時(shí)間段內(nèi)魚(yú)體的位移S3和S4分別為

    由此可得魚(yú)體的位移為

    則魚(yú)體經(jīng)過(guò)周期為n的循環(huán)之后總位移S為

    即:

    由公式(8)可知,在輸送帶水平振動(dòng)輸送魚(yú)體過(guò)程中,當(dāng)魚(yú)體加速度a1<a2時(shí),魚(yú)體總位移S>0,即魚(yú)體朝逆鱗方向滑動(dòng),且a2越大,a1越小,即逆鱗和順鱗摩擦系數(shù)差值Δμ越大,S越大。同理,當(dāng)輸送帶的初始振動(dòng)方向沿魚(yú)體順鱗方向時(shí),魚(yú)體沿逆鱗方向滑動(dòng),且a2越大,a1越小,即逆鱗和順鱗摩擦系數(shù)差值Δμ越大,魚(yú)體總位移S越大。

    綜上可知:不論輸送帶初始振動(dòng)方向沿魚(yú)體逆鱗方向還是沿魚(yú)體順鱗方向,在滿足a1<a2的條件下,魚(yú)體都將沿著逆鱗方向滑動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的頭尾定向輸送;且逆鱗和順鱗摩擦系數(shù)差值越大,越有利于定向輸送。

    3 魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)

    在前文分析的基礎(chǔ)上,為了探討不同因素對(duì)淡水魚(yú)頭尾定向輸送過(guò)程的影響,本文搭建了魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置,開(kāi)展淡水魚(yú)魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn),以確定相關(guān)影響因素和最佳作業(yè)參數(shù)。

    3.1 魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置與設(shè)備

    魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    試驗(yàn)裝置機(jī)架主體由鋁型材搭建而成,PVC輸送帶安裝于同步棒輪I和同步棒輪II上,兩側(cè)安裝有擋板。伺服電機(jī)型號(hào)130AEA26025-SH3,和同步棒輪II之間通過(guò)同步帶連接。伺服電機(jī)帶動(dòng)輸送帶作快速水平往復(fù)運(yùn)動(dòng),將不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶固定在PVC輸送帶表面即可實(shí)現(xiàn)不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶的快速水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

    試驗(yàn)所用設(shè)備還包括游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)、鋼尺(量程500 mm)、電子秤(精度0.01 g)、秒表(精度0.01 s)等。

    表3 試驗(yàn)裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Main structural parameters of the test device

    3.2 試驗(yàn)材料

    本文以鯽魚(yú)、鳊魚(yú)、草魚(yú)、白鰱4種大宗淡水魚(yú)品種作為試驗(yàn)對(duì)象。淡水魚(yú)樣本購(gòu)于某市場(chǎng),每種20條,樣本個(gè)體新鮮、外表完整,采購(gòu)回來(lái)后放入水池中暫養(yǎng)。魚(yú)體樣本質(zhì)量和外形尺寸如表4所示。

    試驗(yàn)前,將水池中的大部分水排出,使魚(yú)體缺氧自然死亡,但保持魚(yú)體表面的濕潤(rùn)狀態(tài)。

    表4 試驗(yàn)用淡水魚(yú)樣本質(zhì)量和外形尺寸Table 4 Test fresh water weight and fish body size

    3.3 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

    本文采用魚(yú)體定向輸送時(shí)間作為定向輸送效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。定向輸送時(shí)間T定義為魚(yú)體在輸送帶表面滑移距離為1 m時(shí)所用時(shí)間。將魚(yú)體隨機(jī)堆放于輸送帶的中間位置,然后啟動(dòng)試驗(yàn)裝置,魚(yú)體在輸送帶的作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng),從魚(yú)嘴進(jìn)入輸送帶表面規(guī)定的區(qū)域時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),到魚(yú)尾離開(kāi)規(guī)定距離的區(qū)域時(shí)停止計(jì)時(shí),記錄每條魚(yú)滑移所需的時(shí)間。

    每次試驗(yàn)隨機(jī)選取5條魚(yú)進(jìn)行試驗(yàn),重復(fù)3次,結(jié)果取平均值。

    3.4 結(jié)果與分析

    根據(jù)前文分析可知,影響魚(yú)體頭尾定向輸送效果的主要因素包括輸送帶類型、魚(yú)鱗狀態(tài)、振動(dòng)頻率、振動(dòng)振幅等,本文采用單因素試驗(yàn)對(duì)4個(gè)因素對(duì)魚(yú)體頭尾定向效果的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

    3.4.1 輸送帶表面結(jié)構(gòu)對(duì)定向輸送效果的影響

    為了確定3種輸送帶在連續(xù)水平往復(fù)振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)際定向效果,根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,為確保實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向輸送,設(shè)定定向輸送裝置振動(dòng)頻率為5 Hz,振幅為100 mm,魚(yú)體為有鱗狀態(tài),探究魚(yú)體在3種不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶上的頭尾定向輸送效果。魚(yú)體能快速完成頭尾定向輸送,記為“能定向輸送”;魚(yú)體在輸送帶上來(lái)回滑動(dòng),定向效果不明顯時(shí)記為“不明顯定向輸送”,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

    表5 輸送帶表面結(jié)構(gòu)對(duì)魚(yú)體頭尾定向的影響Table 5 Effects of surface structure of conveyor belt on head-to-tail orientation of fish body

    從表5中可以看出,有鱗淡水魚(yú)魚(yú)體在倒三角輸送帶表面有明顯的頭尾定向輸送效果,且定向輸送時(shí)間小于3 s;在草坪紋、一字紋輸送帶表面定向輸送所需時(shí)間均大于11 s,定向輸送效果不明顯;這是因?yàn)轸~(yú)體在一字紋、草坪紋輸送帶表面滑動(dòng)時(shí),逆鱗摩擦系數(shù)與順鱗摩擦系數(shù)差別不大,作用于魚(yú)體表面的摩擦力相差不大,導(dǎo)致魚(yú)體在輸送帶表面來(lái)回滑動(dòng)。對(duì)去鱗魚(yú)體進(jìn)行同樣試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在倒三角輸送帶表面頭尾定向輸送效果明顯,所需時(shí)間小于5 s;在草坪紋、一字紋輸送帶表面定向輸送所需時(shí)間大于14 s,定向輸送效果不明顯。故在實(shí)際頭尾定向輸送過(guò)程中,宜選用倒三角紋輸送帶作為魚(yú)體頭尾定向裝置的輸送帶。

    3.4.2 魚(yú)鱗狀態(tài)對(duì)定向輸送效果的影響

    為了探討魚(yú)體是否去鱗對(duì)頭尾定向輸送效果的影響,根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)定魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置的振動(dòng)頻率為5 Hz,振動(dòng)幅度為100 mm,定向輸送帶為倒三角紋輸送帶,探究魚(yú)體有鱗和去鱗2種狀態(tài)下頭尾定向輸送效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

    從圖6中可以看出,有鱗魚(yú)體和去鱗魚(yú)體在倒三角紋輸送帶表面都能實(shí)現(xiàn)頭尾定向輸送,有鱗狀態(tài)下4種魚(yú)魚(yú)體的頭尾定向輸送所需時(shí)間平均值為2.42 s;去鱗狀態(tài)下4種魚(yú)魚(yú)體也能實(shí)現(xiàn)定向輸送,所需時(shí)間平均值為3.39 s。在倒三角紋輸送帶表面,有鱗魚(yú)體逆鱗方向和順鱗方向摩擦系數(shù)差值大于去鱗魚(yú)體逆鱗方向和順鱗方向摩擦系數(shù)差值,輸送帶通過(guò)魚(yú)鱗作用于魚(yú)體,使有鱗魚(yú)體能夠更快移動(dòng),因此有鱗魚(yú)體實(shí)現(xiàn)頭尾定向輸送所需時(shí)間較去鱗魚(yú)體短。同時(shí),魚(yú)體結(jié)構(gòu)不同、魚(yú)鱗以及體表組織結(jié)構(gòu)差異,使體質(zhì)量和魚(yú)鱗較大的魚(yú)體定向輸送所需時(shí)間較短,如有鱗草魚(yú)體質(zhì)量和鱗片較大,頭尾定向輸送所需時(shí)間最短為2.08 s,去鱗鳊魚(yú)體質(zhì)量較小、無(wú)鱗片,頭尾定向輸送所需時(shí)間最長(zhǎng)為3.76 s。

    3.4.3 振動(dòng)頻率對(duì)定向輸送效果的影響

    試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),如果魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置的振動(dòng)頻率低于3 Hz,魚(yú)體會(huì)在輸送帶表明來(lái)回移動(dòng),定向效果不明顯;而振動(dòng)頻率超過(guò)7 Hz,魚(yú)體與輸送帶之間易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。根據(jù)預(yù)試驗(yàn),設(shè)定魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置的振動(dòng)幅度為100 mm,魚(yú)體為有鱗狀態(tài),定向輸送帶為倒三角輸送帶,取振動(dòng)頻率3~7 Hz,探究振動(dòng)頻率對(duì)魚(yú)體頭尾定向輸送的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

    從圖7可以看出,隨著振動(dòng)頻率逐漸增加,4種魚(yú)魚(yú)體的定向輸送時(shí)間均逐漸減??;當(dāng)振動(dòng)頻率小于5 Hz時(shí),定向輸送時(shí)間隨振動(dòng)頻率增大而減小的趨勢(shì)明顯;當(dāng)振動(dòng)頻率大于5 Hz時(shí),定向輸送時(shí)間隨振動(dòng)頻率增大而下降的趨勢(shì)不明顯,3~5 Hz范圍內(nèi)振動(dòng)頻率對(duì)魚(yú)體頭尾定向輸送效果影響較大。隨著試驗(yàn)裝置振動(dòng)頻率增加,魚(yú)體水平往復(fù)移動(dòng)速度加快,定向輸送時(shí)間減少。在同一振動(dòng)頻率下,體質(zhì)量和鱗片較大的魚(yú)體移動(dòng)速度較快,頭尾定向輸送時(shí)間較少。4種魚(yú)中,鯽魚(yú)體質(zhì)量小,草魚(yú)與白鰱的體質(zhì)量相差不大,但鱗片大一些,所以同一振動(dòng)頻率下草魚(yú)的頭尾定向輸送時(shí)間較短,鯽魚(yú)頭尾定向輸送時(shí)間較長(zhǎng)。

    3.4.4 振幅對(duì)定向輸送效果的影響

    試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),隨著魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置振幅的變化,魚(yú)體頭尾定向輸送時(shí)間也會(huì)變化。在輸送帶的1次振動(dòng)周期中,當(dāng)試驗(yàn)裝置振幅小于60 mm時(shí),魚(yú)體移動(dòng)距離較小,定向時(shí)間較長(zhǎng);當(dāng)試驗(yàn)裝置振幅大于140 mm時(shí),魚(yú)體移動(dòng)距離較大,振動(dòng)劇烈。為了研究振幅變化與魚(yú)體定向輸送時(shí)間之間的變化規(guī)律,設(shè)定魚(yú)體為有鱗狀態(tài),定向輸送帶為倒三角紋輸送帶,取振動(dòng)幅度為60~140 mm,探究振幅大小對(duì)魚(yú)體頭尾定向輸送效果的影響,試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

    從圖8可以看出,振幅對(duì)4種魚(yú)的定向輸送時(shí)間均有較大影響,魚(yú)體定向輸送時(shí)間隨振幅的增大而減小。當(dāng)振幅小于100 mm時(shí),定向輸送時(shí)間隨振幅增大而減小的趨勢(shì)明顯;當(dāng)振幅大于100 mm時(shí),定向輸送時(shí)間隨振幅增大而減小的趨勢(shì)變化相對(duì)變?nèi)?。根?jù)魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置的輸送效率及運(yùn)行穩(wěn)定性,80~120 mm的振幅范圍變化對(duì)魚(yú)體頭尾定向輸送效果的影響較大。試驗(yàn)裝置振幅小,輸送帶單次水平振動(dòng)時(shí)間短,魚(yú)體移動(dòng)距離較短,定向輸送時(shí)間較長(zhǎng);振幅大,輸送帶單次水平振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),魚(yú)體移動(dòng)距離較大,定向輸送時(shí)間較短。在同一振幅下,體質(zhì)量和鱗片大的魚(yú)體移動(dòng)速度較快,移動(dòng)距離長(zhǎng),定向輸送時(shí)間較短;體質(zhì)量和鱗片小的魚(yú)體移動(dòng)速度較慢,移動(dòng)距離短,定向輸送時(shí)間較長(zhǎng);4種魚(yú)中,鯽魚(yú)體質(zhì)量和鱗片較小,草魚(yú)體質(zhì)量和鱗片較大,在同一振幅下,草魚(yú)頭尾定向輸送所需時(shí)間較短,鯽魚(yú)頭尾定向輸送所需時(shí)間較長(zhǎng)。

    3.5 雙因素試驗(yàn)

    根據(jù)前文單因素試驗(yàn)結(jié)果可知,相對(duì)于草坪紋輸送帶和一字紋輸送帶,倒三角紋輸送帶對(duì)魚(yú)體的定向輸送效果更好,且對(duì)有鱗魚(yú)體和去鱗魚(yú)體都具有較好的適用性。試驗(yàn)裝置的振動(dòng)頻率和振幅對(duì)魚(yú)體頭尾定向輸送效果影響較大,振動(dòng)頻率過(guò)低或過(guò)高以及振幅過(guò)小或過(guò)大,都會(huì)造成魚(yú)體在振動(dòng)輸送帶表面滑動(dòng)或是來(lái)回振動(dòng),影響定向效果,也容易造成伺服電機(jī)過(guò)熱;因此在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上,采用雙因素?zé)o重復(fù)試驗(yàn)對(duì)振動(dòng)頻率和振幅組合進(jìn)行優(yōu)化。

    3.5.1 試驗(yàn)方案

    本文以帶魚(yú)鱗的完整鯽魚(yú)為試驗(yàn)對(duì)象,以定向輸送時(shí)間T為評(píng)價(jià)指標(biāo),以振動(dòng)頻率、振動(dòng)振幅為試驗(yàn)因素,試驗(yàn)因素水平如表6所示。

    表6 雙因素水平表Table 6 Table of factor and level

    3.5.2 結(jié)果與分析

    按照表6中的因素水平編碼進(jìn)行雙因素?zé)o重復(fù)試驗(yàn),結(jié)果如表7所示。

    表7 雙因素試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of double factor tests s

    對(duì)雙因素重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表8所示。

    表8 方差分析Table 8 Analysis of variances

    由表8可知,振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著。根據(jù)表7試驗(yàn)結(jié)果可知,在振動(dòng)頻率5 Hz,振動(dòng)振幅120 mm條件下,帶鱗鯽魚(yú)魚(yú)體頭尾定向輸送效果最好,定向輸送時(shí)間為2.65s。其他帶鱗或去鱗魚(yú)在振動(dòng)頻率5 Hz,振動(dòng)振幅120 mm條件下進(jìn)行頭尾定向輸送試驗(yàn),4種魚(yú)帶鱗狀態(tài)下的魚(yú)體定向輸送平均時(shí)間為2.45 s,去鱗狀態(tài)下為3.43 s。

    振動(dòng)頻率5 Hz、振動(dòng)振幅120 mm條件下,鯽魚(yú)魚(yú)體頭尾定向輸送過(guò)程如圖9所示。

    4 討 論

    魚(yú)體定向輸送過(guò)程中,由于魚(yú)體與輸送帶之間存在摩擦,輸送帶水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)與魚(yú)體之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng),輸送帶與魚(yú)體之間產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)魚(yú)體進(jìn)行移動(dòng);魚(yú)體與輸送帶之間順鱗方向摩擦系數(shù)與逆鱗方向摩擦系數(shù)存在差異,隨著輸送帶的往復(fù)運(yùn)動(dòng),作用于魚(yú)體的摩擦力大小不同,使魚(yú)體的運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生差異,從而實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的定向輸送。前文分析可知,相對(duì)于不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶,魚(yú)體順鱗方向摩擦系數(shù)與逆鱗方向摩擦系數(shù)差值越大,越有利于實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向輸送。

    當(dāng)魚(yú)體表面有鱗片時(shí),輸送帶通過(guò)鱗片與魚(yú)體發(fā)生作用。由于魚(yú)鱗具有一定硬度,在逆鱗方向,輸送帶的表面結(jié)構(gòu)直接作用于魚(yú)鱗的邊沿,進(jìn)而作用于魚(yú)體;而順鱗方向,輸送帶的表面結(jié)構(gòu)作用于魚(yú)鱗表面,產(chǎn)生滑移,因此,當(dāng)輸送帶與有鱗魚(yú)體接觸時(shí),魚(yú)體順鱗方向摩擦系數(shù)與逆鱗方向摩擦系數(shù)不同;當(dāng)輸送帶往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),可以帶動(dòng)魚(yú)體進(jìn)行定向移動(dòng)。

    當(dāng)魚(yú)體表面無(wú)鱗片時(shí),輸送帶直接作用于魚(yú)體表面。魚(yú)鱗為魚(yú)體表面真皮層的衍生物,去鱗之后,魚(yú)體表面的魚(yú)鱗連接組織仍然存在,逆鱗方向時(shí),輸送帶的表面結(jié)構(gòu)作用于魚(yú)鱗連接組織;順鱗方向時(shí),輸送帶的表面結(jié)構(gòu)從魚(yú)體表面及魚(yú)鱗連接組織上滑過(guò),作用力小于逆鱗方向,因此,魚(yú)體去鱗后,魚(yú)體順鱗方向摩擦系數(shù)與逆鱗方向摩擦系數(shù)均會(huì)減小,但逆鱗方向摩擦系數(shù)仍大于順鱗方向,輸送帶往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),可以帶動(dòng)魚(yú)體進(jìn)行定向移動(dòng)。

    當(dāng)魚(yú)體垂直或傾斜于輸送帶運(yùn)動(dòng)方向時(shí),隨著輸送帶的往復(fù)運(yùn)動(dòng),魚(yú)體會(huì)調(diào)整至頭尾方向與輸送帶運(yùn)動(dòng)方向一致。這是由于魚(yú)體從魚(yú)頭至魚(yú)尾各部分的結(jié)構(gòu)分布不均勻,各部分與輸送帶之間的摩擦力不相同;隨著輸送帶的往復(fù)運(yùn)動(dòng),輸送帶表面結(jié)構(gòu)作用在魚(yú)體不同部位的力大小不一樣,會(huì)使魚(yú)體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)輸送帶中堆積有多條魚(yú)體時(shí),隨著輸送帶的往復(fù)運(yùn)動(dòng),魚(yú)體逐漸散開(kāi),同時(shí)魚(yú)體之間發(fā)生碰撞,使魚(yú)體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),隨著輸送帶往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加,魚(yú)體最終實(shí)現(xiàn)頭尾調(diào)整并定向移動(dòng)。

    5 結(jié) 論

    1)本文搭建了魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)量裝置對(duì)淡水魚(yú)在不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶上的摩擦系數(shù)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果表明:不論魚(yú)體是否有鱗,在不同結(jié)構(gòu)輸送帶表面滑動(dòng)時(shí),魚(yú)體逆鱗方向摩擦系數(shù)與順鱗方向摩擦系數(shù)均不相等,可以利用這種差異實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的頭尾定向輸送。

    2)輸送帶水平往復(fù)振動(dòng)時(shí)魚(yú)體頭尾定向輸送過(guò)程分析表明:在滿足順鱗方向魚(yú)體加速度小于逆鱗方向魚(yú)體加速度的條件下,魚(yú)體都將沿著逆鱗方向滑動(dòng),且逆鱗和順鱗摩擦系數(shù)差值的絕對(duì)值越大,越有利于魚(yú)體頭尾定向輸送。

    3)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明:倒三角紋輸送帶的魚(yú)體頭尾定向輸送效果明顯;魚(yú)體在有鱗和去鱗狀態(tài)下均能實(shí)現(xiàn)頭尾定向輸送,且有鱗狀態(tài)下定向輸送更快;在振動(dòng)頻率3~5 Hz,振幅60~100 mm條件下魚(yú)體定向輸送時(shí)間隨振動(dòng)頻率和振幅增大而下降,且下降趨勢(shì)明顯。

    4)雙因素試驗(yàn)結(jié)果表明:振動(dòng)頻率和振幅對(duì)魚(yú)體定向輸送均有顯著影響;振動(dòng)頻率5 Hz、振幅120 mm條件下,帶鱗鯽魚(yú)魚(yú)體頭尾定向輸送效果最好,定向輸送時(shí)間為2.65 s。振動(dòng)頻率5 Hz、振幅120 mm條件下,4種淡水魚(yú)帶鱗狀態(tài)下魚(yú)體定向輸送平均時(shí)間為2.45 s,去鱗狀態(tài)下為3.43 s。

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