魚(yú)苗體型對(duì)輥道式分選機(jī)的適應(yīng)性研究

劉 虎，龔 宇，張 彪，周明剛

（湖北工業(yè)大學(xué) 湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院，湖北 武漢430068）

1 引言

魚(yú)苗分選是工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要環(huán)節(jié)之一，實(shí)現(xiàn)魚(yú)苗分選機(jī)械化對(duì)我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖增效和漁民致富具有重要意義［1-2］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)魚(yú)苗機(jī)械分選的技術(shù)與方法進(jìn)行了一系列研究，其中德國(guó)和挪威的水產(chǎn)分選技術(shù)處于世界領(lǐng)先的地位［3-5］。但鑒于挪威與中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖條件差異性較大，并不適合在中國(guó)各地區(qū)大面積推廣使用。

針對(duì)當(dāng)前中國(guó)養(yǎng)殖狀況，國(guó)內(nèi)學(xué)者展開(kāi)了相關(guān)魚(yú)苗力學(xué)模型與分選機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。其中文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)了一種淡水魚(yú)頭尾與腹背定向裝置，以鰱魚(yú)為定向?qū)ο?，通過(guò)理論分析和傾斜振動(dòng)臺(tái)面試驗(yàn)，測(cè)出了魚(yú)體與機(jī)械間的摩擦特性。文獻(xiàn)［7］設(shè)計(jì)的分魚(yú)機(jī)，提出一種皮帶式輥軸分級(jí)方法調(diào)整分級(jí)間距，實(shí)現(xiàn)不同體寬規(guī)格的魚(yú)苗分選。文獻(xiàn)［8］將擋板與分魚(yú)柵相結(jié)合，提出了一防敵害式分魚(yú)裝置，既能使魚(yú)類(lèi)按體型分選，同時(shí)有效保護(hù)魚(yú)類(lèi)免遭敵害捕食。但上述文獻(xiàn)鮮有魚(yú)苗分選機(jī)的適應(yīng)性方面研究，且當(dāng)前的分選機(jī)械大多采用天平與杠桿稱(chēng)重原理分級(jí)，不適合在有水環(huán)境進(jìn)行魚(yú)苗的稱(chēng)重分選，因此按照魚(yú)苗體型參數(shù)和三等級(jí)分選目標(biāo)，確定以體寬作為判別條件對(duì)魚(yú)苗分選。

采用離散元法構(gòu)建分選機(jī)關(guān)鍵部件-魚(yú)苗作用模型，以魚(yú)苗體長(zhǎng)、體寬及體高為試驗(yàn)因素，對(duì)魚(yú)苗分選過(guò)程進(jìn)行虛擬仿真分析，最后驗(yàn)證了不同種魚(yú)苗分選下分選機(jī)的適應(yīng)性，以期為魚(yú)苗分選機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 輥道式魚(yú)苗分選機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

輥道式魚(yú)苗分選機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主要由進(jìn)魚(yú)倉(cāng)3、分選裝置6、動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)1和傾角調(diào)節(jié)裝置8等組成。如圖2所示，魚(yú)苗經(jīng)吸魚(yú)泵進(jìn)入進(jìn)魚(yú)倉(cāng)實(shí)現(xiàn)初步離散，并在傾角調(diào)節(jié)裝置作用下傳送到分選裝置，該分選裝置設(shè)計(jì)了6根階梯式分選輥，每根分選輥主要由三段直徑依次遞減的空心軸組成，從而兩相鄰輥軸間形成大小不等的間距，魚(yú)苗可依次實(shí)現(xiàn)小中大分選。

圖1 輥道式魚(yú)苗分選機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic Diagram for The Structure of The Roller-Type Fry Sorting Machine

圖2 工作原理圖Fig.2 Working Principle Diagram

2.2 整機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證分選機(jī)械與魚(yú)苗的仿真模型的正確性，以1-100號(hào)鯽魚(yú)為分選對(duì)象，以工作參數(shù)為試驗(yàn)因素，評(píng)價(jià)指標(biāo)為分魚(yú)準(zhǔn)確率，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)樣機(jī)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)樣機(jī)Fig.3 Test Prototype

試驗(yàn)證明，仿真與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)一樣，其整體相對(duì)誤差分別為10.56%、24.73%、21.72%，但從整體上看具有較好的一致性。最后基于建立的仿真模型進(jìn)行工作參數(shù)的多因素正交仿真試驗(yàn)，得到最優(yōu)的參數(shù)組合為輥道轉(zhuǎn)速138.4r/min、輥道傾角10.47°、進(jìn)魚(yú)量3尾/s。在最優(yōu)工作參數(shù)組合下，分析魚(yú)苗的體長(zhǎng)、體寬、體高對(duì)魚(yú)苗分選機(jī)適應(yīng)性的影響。

3 基于離散元的魚(yú)苗分選機(jī)仿真分析

通過(guò)建立的魚(yú)苗分選機(jī)與魚(yú)苗耦合作用模型進(jìn)行模擬仿真，以分選過(guò)程中的分魚(yú)準(zhǔn)確率和魚(yú)苗進(jìn)槽率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，探究影響分選機(jī)適應(yīng)性的主要因素，為整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

3.1 仿真模型建立

3.1.1 魚(yú)苗模型建立

根據(jù)體寬分級(jí)規(guī)格要求，這里以體寬58mm以?xún)?nèi)的鯽魚(yú)、草魚(yú)、鰱魚(yú)及鳊魚(yú)為研究對(duì)象，如圖4所示。通過(guò)電子秤等儀器，對(duì)其尺寸參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)得表1數(shù)據(jù)。而為提高魚(yú)苗模型的收斂性，魚(yú)苗保留魚(yú)體主干，去除魚(yú)苗尾鰭、背鰭，并結(jié)合所測(cè)表1數(shù)據(jù)，運(yùn)用離散元多球面組合方式按體寬分級(jí)規(guī)格建模。

圖4 研究對(duì)象Fig.4 Research Target

表1 魚(yú)體尺寸特性參數(shù)Tab.1 Fish Size Characteristics Parameter

3.1.2 分選機(jī)模型建立

為了保證模擬的真實(shí)性，結(jié)合分選機(jī)相關(guān)的工作參數(shù)，采用Solidworks三維軟件對(duì)整機(jī)模型作以下簡(jiǎn)化，如圖5所示：

圖5 輥道式魚(yú)苗分選機(jī)簡(jiǎn)化模型Fig.5 Simplified Model of The Roller-Type Fry Sorter

（1）簡(jiǎn)化進(jìn)魚(yú)倉(cāng)、分選裝置為進(jìn)魚(yú)通道、分選輥道；

（2）抽象傾角調(diào)節(jié)裝置為角度支座；

（3）增加三個(gè)儲(chǔ)魚(yú)槽。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

主要采用魚(yú)苗在分選過(guò)程中的分魚(yú)準(zhǔn)確率y1魚(yú)苗進(jìn)槽率y2作為分選作業(yè)的評(píng)價(jià)指標(biāo)其公式可表述為：

式中：n1-在同樣的分選作業(yè)時(shí)間下，落入儲(chǔ)魚(yú)槽內(nèi)且符合分級(jí)間距魚(yú)苗數(shù)量（尾）；n2-在同樣的分選作業(yè)時(shí)間下，落入儲(chǔ)魚(yú)槽里的魚(yú)苗數(shù)量（尾）；n3-在同樣的分選作業(yè)時(shí)間下，投入分選機(jī)內(nèi)的魚(yú)苗總數(shù)量（尾）。

3.3 魚(yú)苗分選機(jī)虛擬仿真分析

由于魚(yú)苗分選過(guò)程受力較復(fù)雜，無(wú)法推算出魚(yú)苗的恢復(fù)系數(shù)，為便于計(jì)算將材料間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.5，同時(shí)通過(guò)圖6摩擦角試驗(yàn)和文獻(xiàn)［6］可測(cè)得無(wú)水情況下魚(yú)體與鋼的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.35，靜摩擦系數(shù)為0.4，而有水情況下魚(yú)體與鋼的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15，靜摩擦系數(shù)為0.2，魚(yú)體之間的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.015，靜摩擦系數(shù)為0.02。并按文獻(xiàn)［9］設(shè)置魚(yú)苗泊松比為0.45，彈性模量為1.64×106。

圖6 摩擦角試驗(yàn)Fig.6 Friction Angle Test

按照實(shí)際工況，設(shè)置分選輥轉(zhuǎn)速為138.4r/min，輥道傾角為10.47°，時(shí)間步長(zhǎng)為10%，其網(wǎng)格大小為2Rmin。仿真開(kāi)始時(shí)，分選輥道反向旋轉(zhuǎn)，以及開(kāi)始生成魚(yú)苗，直至魚(yú)苗全部生成完后1s仿真結(jié)束，其魚(yú)苗分選過(guò)程如圖7所示。

圖7 魚(yú)苗分選過(guò)程Fig.7 Fry Sorting Process

以分選過(guò)程中的分魚(yú)準(zhǔn)確率和魚(yú)苗進(jìn)槽率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)EDEM后處理模塊［10、11］來(lái)統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)束后各儲(chǔ)魚(yú)槽內(nèi)魚(yú)苗的數(shù)量，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)隨時(shí)間及魚(yú)苗初始速度變化的曲線(xiàn)，如圖8、圖9所示。

圖8 評(píng)價(jià)指標(biāo)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.8 Evaluation Index over Time Curve

圖9 評(píng)價(jià)指標(biāo)隨魚(yú)苗初始速度變化曲線(xiàn)Fig.9 Curve of the Evaluation Index with the Initial Speed of the Fry

由圖8可知，在魚(yú)苗分選過(guò)程中分魚(yú)準(zhǔn)確率和魚(yú)苗進(jìn)槽率均隨著時(shí)間增大趨于穩(wěn)定。在（20～120）s時(shí)間段，分魚(yú)準(zhǔn)確率和魚(yú)苗進(jìn)槽率迅速上升，主要是因?yàn)殡S著進(jìn)入分選輥組上魚(yú)苗的數(shù)量增加，部分二、三段體寬大些未落入儲(chǔ)魚(yú)槽的魚(yú)苗對(duì)體寬小的魚(yú)苗起到一定的阻擋的作用，促使落入第一段及第二段下方儲(chǔ)魚(yú)槽魚(yú)苗數(shù)量增加。

在（121～181）s時(shí)間內(nèi)，每秒?yún)⑴c分選輥組分選的魚(yú)苗數(shù)量趨于穩(wěn)定，其所受分魚(yú)準(zhǔn)確率和魚(yú)苗進(jìn)槽率逐漸平穩(wěn)，分魚(yú)準(zhǔn)確率保持在92.51%左右，魚(yú)苗進(jìn)槽率保持在97.53%左右。

由圖9可知，隨著魚(yú)苗初始速度的增加，分魚(yú)準(zhǔn)確率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，主要因?yàn)樵诤线m的初始速度下，輥道上魚(yú)苗的離散程度較好，落入一二段的魚(yú)苗數(shù)量增加，但當(dāng)魚(yú)苗初始速度過(guò)大，尚未來(lái)的及分選的魚(yú)苗被后來(lái)的魚(yú)苗推入到下一段間距，使落入一二段的魚(yú)苗數(shù)量減少，其分魚(yú)準(zhǔn)確率在0.3m/s與0.7m/s處取峰值為94.51%。而魚(yú)苗進(jìn)槽率隨著速度增加趨于穩(wěn)定，在（0～0.1）m/s之內(nèi)魚(yú)苗進(jìn)槽率迅速上升，主要在于魚(yú)苗的初始速度逐漸高于魚(yú)苗分選速度，減少了魚(yú)苗在輥道上的堵塞程度。在（0.1～1.5）m/s，參與分選輥組分選的魚(yú)苗數(shù)量趨于穩(wěn)定，其魚(yú)苗進(jìn)槽率逐漸平穩(wěn)。最后結(jié)合圖3整機(jī)試驗(yàn)，確定魚(yú)苗的仿真時(shí)間為170s，魚(yú)苗的初始速度為0.5m/s。

4 EDEM虛擬仿真試驗(yàn)與分析

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究不同種魚(yú)苗下分選機(jī)適應(yīng)性變化規(guī)律，分析影響?hù)~(yú)苗分選機(jī)適應(yīng)性的主要影響因素，在前期虛擬模型建立的基礎(chǔ)上，進(jìn)行EDEM虛擬仿真正交試驗(yàn)研究。以魚(yú)苗的體寬、體高和體長(zhǎng)為試驗(yàn)因素，分魚(yú)準(zhǔn)確率和魚(yú)苗進(jìn)槽率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用三因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)虛擬仿真試驗(yàn)方案［12-16］，選取L9（35）正交表，其工作參數(shù)試驗(yàn)因素與水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Test Factor Level

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與優(yōu)化

在分級(jí)規(guī)格范圍內(nèi)，分魚(yú)準(zhǔn)確率和魚(yú)苗進(jìn)槽率越高，表明魚(yú)苗分選機(jī)的適應(yīng)性越好。由表3仿真試驗(yàn)極差分析可知，影響分魚(yú)準(zhǔn)確率的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋后w長(zhǎng)C、體高B、體寬A，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為C1B1A3；影響?hù)~(yú)苗進(jìn)槽率的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋后w寬A、體高B、體長(zhǎng)C，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為A2B1C2。最后綜合實(shí)際作業(yè)分選要求，可確定影響?hù)~(yú)苗分選機(jī)適應(yīng)性的主次順序?yàn)轶w長(zhǎng)、體寬、體高。通過(guò)Design-Expert10.0軟件對(duì)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，以此判斷各試驗(yàn)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的顯著性，如表4所示。從表4可知，方差分析與表3極差分析結(jié)果一致，即體長(zhǎng)C對(duì)分魚(yú)準(zhǔn)確率影響非常顯著（F＞F0.05），體寬A和體高B對(duì)分魚(yú)準(zhǔn)確率影響不顯著（F＜F0.1）；體寬A對(duì)魚(yú)苗進(jìn)槽率影響顯著（F＞F0.1），體高B和體長(zhǎng)C對(duì)魚(yú)苗進(jìn)槽率影響不顯著（F＜F0.1）。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test Plan and Results

表4 分選性能指標(biāo)方差分析Tab.4 Analysis Of Variance Of Sorting Performance Indicators

綜合多因素正交試驗(yàn)結(jié)果，以當(dāng)前四種魚(yú)苗為分析對(duì)象，通過(guò)建立的仿真模型驗(yàn)證魚(yú)苗分選機(jī)的適應(yīng)性。從圖10中可知，同體寬下的四種魚(yú)苗，鯽魚(yú)的分魚(yú)準(zhǔn)確率最高，鳊魚(yú)的分魚(yú)準(zhǔn)確率最低，其分魚(yú)準(zhǔn)確率分別為91.96%、83.73%，主要因?yàn)橥w寬下的鯽魚(yú)的體長(zhǎng)與體高比例最低，受相鄰魚(yú)苗干擾也最小，鳊魚(yú)的體長(zhǎng)與體高綜合比例最高，受相鄰魚(yú)苗干擾最大。而魚(yú)苗的魚(yú)苗進(jìn)槽率都處于97.65%波動(dòng)，說(shuō)明魚(yú)苗進(jìn)槽率對(duì)同一體寬的魚(yú)苗分選沒(méi)有影響。由表2可知，鳊魚(yú)體高比例高于草魚(yú)1.1，但其分魚(yú)準(zhǔn)確率與鳊魚(yú)的分魚(yú)準(zhǔn)確率基本一致，說(shuō)明體高對(duì)分魚(yú)準(zhǔn)確率的影響不大；鰱魚(yú)的體長(zhǎng)比例較其他三種最長(zhǎng)，但體高介于草魚(yú)、鳊魚(yú)之間，綜合體長(zhǎng)與體高比例等同草魚(yú)與鳊魚(yú)，故三者的分魚(yú)準(zhǔn)確率基本都處于84.12%。

圖10 四種魚(yú)苗分選性能簡(jiǎn)圖Fig.10 Schematic Diagram of Four Fry Sorting Performance

5 結(jié)論

（1）以魚(yú)苗的體寬、體高和體長(zhǎng)為試驗(yàn)因素，分魚(yú)準(zhǔn)確率和魚(yú)苗進(jìn)槽率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用三因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)虛擬仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，影響分魚(yú)準(zhǔn)確率指標(biāo)的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋后w長(zhǎng)C、體高B、體寬A；影響?hù)~(yú)苗進(jìn)槽率的3個(gè)主次因素順序?yàn)椋后w寬A、體高B、體長(zhǎng)C。并經(jīng)方差分析驗(yàn)證，體長(zhǎng)對(duì)分魚(yú)準(zhǔn)確率影響非常顯著，體寬與體高對(duì)分魚(yú)準(zhǔn)確率影響不顯著；體寬對(duì)魚(yú)苗進(jìn)槽率影響顯著，體高與體長(zhǎng)對(duì)魚(yú)苗進(jìn)槽率影響不顯著。最后綜合實(shí)際作業(yè)分選要求，可確定影響?hù)~(yú)苗分選機(jī)適應(yīng)性的主次順序?yàn)轶w長(zhǎng)、體寬、體高。

（2）以當(dāng)前四種魚(yú)苗為分析對(duì)象，通過(guò)建立的仿真模型分析魚(yú)苗分選機(jī)的適應(yīng)性。結(jié)果表明：鯽魚(yú)的分魚(yú)準(zhǔn)確率最高，鳊魚(yú)的分魚(yú)準(zhǔn)確率最低，其分魚(yú)準(zhǔn)確率分別為91.96%、83.73%，由于鳊魚(yú)的綜合體長(zhǎng)與體高比例等同草魚(yú)與鳊魚(yú)，故三者的分魚(yú)準(zhǔn)確率基本都處于84.12%，而魚(yú)苗的魚(yú)苗進(jìn)槽率都處于97.65%，說(shuō)明魚(yú)苗進(jìn)槽率對(duì)同一體寬的魚(yú)苗分選沒(méi)有影響。