克氏原螯蝦頭尾自動定向裝置參數(shù)優(yōu)化及試驗

吳電建，張三強，楊光友

（1.湖北工業(yè)大學，農(nóng)機工程研究設(shè)計院，武漢 430068；2.湖北省農(nóng)機裝備智能化工程技術(shù)研究中心，武漢 430068）

0 引 言

近些年來，在國家對農(nóng)業(yè)大力扶持和餐飲市場火爆需求的雙重作用下，國內(nèi)已初步形成了較為完善的克氏原螯蝦產(chǎn)業(yè)鏈。雖然克氏原螯蝦養(yǎng)殖規(guī)模龐大、經(jīng)濟產(chǎn)值高，但機械自動化加工仍處于起步階段，存在機械化加工水平低、專用機械加工裝備少等問題，嚴重制約了國內(nèi)克氏原螯蝦自動化加工的發(fā)展進程。目前，國內(nèi)外學者已開展了關(guān)于蝦類的去蝦頭、剝蝦殼、開蝦背等機械加工裝備的研究。這些裝備均以對蝦為對象。由于克氏原螯蝦和對蝦的體型特征差異較大，很難將這些裝備直接應(yīng)用到克氏原螯蝦的機械加工過程中。目前，國內(nèi)大多數(shù)克氏原螯蝦加工企業(yè)對于去蝦頭、剝蝦殼等頭尾分離關(guān)鍵加工環(huán)節(jié)均采用手動方式。頻繁密集的手工送料操作導致工人勞動強度高、效率低、蝦肉易被污染等問題，直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)效益。近幾年，國內(nèi)關(guān)于克氏原螯蝦機械加工的研究成果較少。文獻[20]針對已去頭的克氏原螯蝦，設(shè)計了一種連續(xù)夾拉式蝦尾去腸機，但送料通過手工完成。文獻[20-22]發(fā)明了克氏原螯蝦去頭裝置、剝殼器和去腸機，但這些裝備均采用手動上料方式實現(xiàn)克氏原螯蝦的頭尾定向操作，自動化送料仍未得到有效地解決，無法滿足克氏原螯蝦連續(xù)自動送料和頭尾定向的應(yīng)用需求。

鑒于以上分析，基于克氏原螯蝦體型特征，本文優(yōu)化設(shè)計一種克氏原螯蝦自動頭尾定向裝置?；贓DEM軟件實現(xiàn)克氏原螯蝦在定向裝置中運動仿真，通過單因素和多因素正交試驗，確定影響該裝置工作性能主要因素的主次順序，利用Design-Expert 11軟件確定主要影響因素的最優(yōu)參數(shù)組合，并通過樣機試驗驗證了該定向裝置的有效性和可行性，以期為定向裝置提供最佳理論工作參數(shù)。

1 試驗裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 試驗材料

本試驗材料選用熟制克氏原螯蝦。為了準確地分析和統(tǒng)計克氏原螯蝦的體型特征參數(shù)，從生鮮市場上購買50只中等大小的克氏原螯蝦，經(jīng)過清洗和蒸煮后作為本試驗樣本。利用稱重器、量筒、游標卡尺等測量儀器對樣本中每只克氏原螯蝦的質(zhì)量、體長、體寬、體高、密度等體型特征參數(shù)進行計量，統(tǒng)計樣本中克氏原螯蝦的體型特征參數(shù)得知：常見熟制克氏原螯蝦質(zhì)量范圍20～40 g，密度約為1 119 kg/m，體長（包括蝦鉗）范圍為90～130 mm，體寬范圍為20～30 mm，體高范圍為25～35 mm。

1.2 定向裝置結(jié)構(gòu)

針對克氏原螯蝦體型特征，采用工業(yè)上通用的振動送料裝置進行改進，如圖1所示，其組成包括上端的定向機構(gòu)、中部的電磁振動機構(gòu)和底部的圓形底座三大部分。上端的定向機構(gòu)包括料斗、螺旋軌道、頭尾篩選結(jié)構(gòu)、回收倉等部分。料斗用于堆放大量雜亂無章的克氏原螯蝦，螺旋軌道為克氏原螯蝦提供運動軌道，頭尾篩選結(jié)構(gòu)利用多級篩選口剔除頭在前的克氏原螯蝦，實現(xiàn)克氏原螯蝦尾在前的定向功能，回收倉用于回收被剔除的克氏原螯蝦。電磁振動機構(gòu)由銜鐵、電磁鐵、板彈簧等組成。通過控制電磁鐵周期性得失電使銜鐵和板彈簧支架上產(chǎn)生周期性振動，配合定向裝置中關(guān)鍵機械部件，改變克氏原螯蝦的位置和運動姿態(tài)，實現(xiàn)克氏原螯蝦的離散排序功能。圓形底座起支撐和減震作用，保證裝置平穩(wěn)運作。

圖1 克氏原螯蝦頭尾自動定向裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structure diagram of continuous automatic head and tail orientation device for Procambarus clarkii

1.3 定向裝置工作原理

克氏原螯蝦在定向裝置中的運動過程如圖2所示。電磁振動機構(gòu)產(chǎn)生周期性振動導致克氏原螯蝦在該裝置的料斗中做連續(xù)扭擺振動，所有克氏原螯蝦逐漸朝料斗邊沿方向散開（圖2a）?？耸显r繼續(xù)貼著料斗內(nèi)側(cè)圓周運動，依次移動到與內(nèi)側(cè)相切的螺旋軌道上（圖2b）。該階段實現(xiàn)克氏原螯蝦離散和連續(xù)排序功能。當尾在前的克氏原螯蝦經(jīng)過篩選口時，由于蝦尾寬度大于篩選口縫寬，前端蝦尾及蝦身滑過篩選口縫隙后，后端蝦鉗呈現(xiàn)“一”字型直接滑過篩選口縫隙，整只克氏原螯蝦順利通過篩選口（圖2c）。當頭在前的克氏原螯蝦經(jīng)過篩選口時，由于蝦鉗厚度小于篩選口縫寬，前端蝦鉗垂直掉入篩選口縫隙后，呈現(xiàn)“7”字型的蝦鉗被篩選口卡住，克氏原螯蝦的運動方向改變，沿著篩選口開口方向運動到回收通道中，剔除頭在前的克氏原螯蝦（圖2d）。該階段實現(xiàn)克氏原螯蝦頭尾定向功能。在周期性振動作用下，該定向裝置能實現(xiàn)堆積在料斗中大量雜亂無章的克氏原螯蝦離散排序和頭尾自動定向功能。

圖2 克氏原螯蝦在定向裝置中的運動過程示意圖 Fig.2 Movement diagram of Procambarus clarkii in the orientation device

1.4 關(guān)鍵部件設(shè)計

參考適合克氏原螯蝦體型特征的振動送料裝置，電磁振動機構(gòu)內(nèi)部設(shè)計了4根沿圓周均勻分布的板彈簧，與料斗圓周方向相切，并且與料斗中螺旋軌道方向相反，與水平方向成75°夾角。圖3為克氏原螯蝦頭尾自動定向裝置中電磁振動機構(gòu)示意圖。

圖3 電磁振動機構(gòu)示意圖 Fig.3 Schematic diagram of electromagnetic vibration mechanism

在周期性電磁線圈對板彈簧的作用下，上端的定向機構(gòu)做周期性振動，其位移和對應(yīng)的加速度分別可表示為

式中為振幅，mm；為振動頻率，Hz；為時間，s。

周期性振動使該定向裝置上產(chǎn)生加速度，則克氏原螯蝦上產(chǎn)生的反方向慣性力為

式中為克氏原螯蝦的質(zhì)量，kg。

為了清晰地分析克氏原螯蝦在定向裝置中的運動規(guī)律，以圖4a中底盤方向的垂直截面作為克氏原螯蝦的受力分析面，其受力情況如圖4b所示。在振動作用下，當?shù)妆P由最上方斜向下移動到最下方，即由姿態(tài)1轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)2時，克氏原螯蝦受到斜向上的慣性力F，導致其支撐力F和摩擦力F均減小，打破克氏原螯蝦切向方向平衡狀態(tài)，產(chǎn)生速度(m/s)。同時，在斜向上的慣性力水平分量的作用下，將產(chǎn)生沿底盤切向內(nèi)方向加速度，導致速度。在速度和的聯(lián)合作用下，克氏原螯蝦在底盤上的運動軌跡如圖4a所示。當?shù)妆P由姿態(tài)2轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)1時，克氏原螯蝦受到的慣性力F導致其支撐力F和摩擦力F均增大，摩擦力和慣性力相互抵消，克氏原螯蝦處于力平衡狀態(tài)，保持原來位置不變。在周期性慣性力作用下，堆積在料斗底盤上的所有克氏原螯蝦逐漸朝四周離散出去。同時，移動到料斗邊沿處的克氏原螯蝦在慣性力作用下，沿著料斗內(nèi)側(cè)做順時針圓周運動，直到緩慢移動到順時針方向的螺旋軌道上，實現(xiàn)克氏原螯蝦的連續(xù)自動排序功能。因此，克氏原螯蝦在定向裝置中運動特性主要取決于周期性振動作用下產(chǎn)生的慣性力，由式（3）可知，振幅和頻率是控制克氏原螯蝦在定向裝置中運動變化的關(guān)鍵影響因素。

圖4 克氏原螯蝦在底盤上的運動和受力分析圖 Fig.4 Movement and force analysis of Procambarus clarkii on chassis

螺旋軌道作為料斗中克氏原螯蝦的運動路徑，其外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。螺旋軌道尺寸參數(shù)主要根據(jù)克氏原螯蝦體型特征和排序效果進行設(shè)計。為了實現(xiàn)克氏原螯蝦在螺旋軌道上快速排序，需適當提高螺旋軌道與底盤之間的夾角，即螺旋軌道的升角，但過大的夾角導致螺旋軌道對克氏原螯蝦的支撐力減小，降低克氏原螯蝦的靜摩擦力，可能會導致克氏原螯蝦無法在軌道上移動。常見的螺旋軌道升角范圍為4°～8°，螺旋軌道通常為1.5～3.5圈，為了提高克氏原螯蝦排序效率，定向裝置上的螺旋軌道的升角設(shè)計為8°，螺旋軌道的圈數(shù)設(shè)計為1.5圈。為了避免出現(xiàn)多只克氏原螯蝦在螺旋軌道并排移動的現(xiàn)象，基于克氏原螯蝦體寬范圍，確定螺旋軌道的寬度設(shè)置為1.5倍克氏原螯蝦的最大體寬，即=45 mm。

圖5 螺旋軌道示意圖 Fig.5 Diagram of spiral orbit

在周期性振動作用下，大量的克氏原螯蝦依次緊密地排序在螺旋軌道上，但這些克氏原螯蝦的頭尾姿態(tài)不一致，直接影響克氏原螯蝦后續(xù)加工操作。為了實現(xiàn)出蝦口處的克氏原螯蝦姿態(tài)一致化，基于其體型特征參數(shù)設(shè)計了一種由多級篩選口構(gòu)成的頭尾篩選結(jié)構(gòu)，如圖6a所示?；诳耸显r頭尾結(jié)構(gòu)的差異性，即蝦鉗細長并易于彎曲、蝦尾光滑呈現(xiàn)橢圓狀，同時考慮到克氏原螯蝦體寬和其蝦鉗厚度范圍分別為20～30 mm和4～8 mm，定向裝置上的篩選口寬度設(shè)計為最大蝦鉗厚度和最小體寬之和的一半，即篩選口寬度為14 mm，保證頭在前的克氏原螯蝦蝦鉗掉落入篩選口縫隙中，并且尾在前的克氏原螯蝦順利滑過篩選口。為了保證蝦鉗掉入篩選口縫隙中的克氏原螯蝦順利改變運動方向后快速移動到回收通道中，定向裝置上的篩選口開口方向設(shè)計成斜向前，基于克氏原螯蝦體型特征參數(shù)，通過經(jīng)驗設(shè)計和單個篩選口處局部振動試驗效果綜合分析確定篩選口的相關(guān)尺寸參數(shù)，如圖6b所示。

圖6 頭尾篩選結(jié)構(gòu)與參數(shù) Fig.6 Head and tail screening structure and parameters

2 克氏原螯蝦頭尾自動定向裝置參數(shù)優(yōu)化

2.1 試驗方法

為了保證克氏原螯蝦運動仿真的準確性，基于克氏原螯蝦體型特征參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果，確定克氏原螯蝦主要體型特征參數(shù)的平均值，并利用SolidWorks軟件設(shè)計其三維簡化模型，如圖7a所示。以克氏原螯蝦三維簡化模型的外部輪廓為約束外邊框，運用EDEM軟件中多種尺寸的球面組合的方式建立克氏原螯蝦的離散元模型，如圖7b所示。

圖7 克氏原螯蝦模型 Fig.7 Model of Procambarus clarkii

由于克氏原螯蝦只與定向裝置上端的定向機構(gòu)發(fā)生接觸，為了縮短仿真時間，將整個定向裝置的三維模型簡化為定向機構(gòu)的三維模型后導入EDEM軟件中；基于該裝置的最大工作能力，即一次存放和處理克氏原螯蝦的最大容量，設(shè)計該裝置的主要外觀尺寸參數(shù)，如圖8所示。利用EDEM軟件分別沿四個板彈簧作用力的方向上施加可調(diào)節(jié)的振幅和頻率，并通過更換包含不同篩選口數(shù)量的簡化定向機構(gòu)，實現(xiàn)篩選口數(shù)量的調(diào)節(jié)。

圖8 定向機構(gòu)EDEM模型圖 Fig.8 EDEM model diagram of orientation device

在EDEM仿真前處理過程中，需對顆粒材料和幾何結(jié)構(gòu)材料的屬性進行參數(shù)設(shè)置、確定顆粒材料和幾何材料之間的接觸模型等操作。通過參數(shù)標定試驗，得到相關(guān)的仿真參數(shù)，如表1所示。由于克氏原螯蝦之間、以及克氏原螯蝦與定向裝置間均存在著相互作用力，采用Hertz-Mindlin with JKR接觸模型。

表1 材料屬性參數(shù) Table 1 Material property parameters

定向裝置的工作振幅和頻率是作業(yè)效率的主要影響因素，篩選口數(shù)量是影響定向裝置實現(xiàn)克氏原螯蝦頭尾定向準確率的主要影響因素。因此，本文選取定向裝置工作的振幅和頻率、篩選口數(shù)量為試驗因素，以作業(yè)效率W和頭尾定向準確率A為優(yōu)化目標，通過仿真試驗分析每種試驗因素對優(yōu)化目標的影響規(guī)律。

優(yōu)化目標的計算式為

式中為工作時間，s；為在工作時間內(nèi)通過出蝦口的所有克氏原螯蝦數(shù)量；為在工作時間內(nèi)通過出蝦口尾在前的克氏原螯蝦數(shù)量。

基于上述在EDEM軟件中已建立的克氏原螯蝦模型和定向裝置模型，結(jié)合克氏原螯蝦在定向裝置中的實際工作過程，設(shè)置仿真總時長為50 s，在第1 s內(nèi)，利用顆粒工廠在定向裝置的料斗中隨機生成80只克氏原螯蝦離散元模型；從第2 s開始至仿真時間結(jié)束，在定向裝置底部增加4個正弦振動作用力，力作用點和方向與定向裝置的作用點保持一致，并設(shè)置其工作振幅和頻率。為了清晰地仿真整個工作過程，設(shè)置固定時間步長為50%，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為EDEM仿真中最小顆粒半徑的3倍。利用EDEM后處理模塊統(tǒng)計仿真過程中出蝦口的作業(yè)效率、所有的克氏原螯蝦數(shù)量以及尾在前的克氏原螯蝦數(shù)量，計算該定向裝置中作業(yè)效率和頭尾定向準確率。選取在25～50 s時間段內(nèi)的仿真過程，以定向裝置的出蝦口處為檢測點，記錄該時間段內(nèi)通過出蝦口的克氏原螯蝦數(shù)量及其姿態(tài)，如圖9所示。

圖9 EDEM仿真過程圖 Fig.9 Diagram of EDEM simulation process

2.2 結(jié)果與分析

振幅對作業(yè)效率和頭尾定向準確率的影響如圖10a所示。振幅太小，克氏原螯蝦運動速度很慢，導致作業(yè)效率很低；振幅太大，克氏原螯蝦運動速度過快，導致準確率很低。因此，選用振幅中間參數(shù)值作為多因素試驗的取值范圍，即振幅范圍選取0.3～0.6 mm。頻率對作業(yè)效率和頭尾定向準確率的影響如圖10b所示。當振動頻率接近其固有頻率時，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，此時作業(yè)效率最高。當振動頻率遠離其固有頻率時，作業(yè)效率降低。同時，頭尾定向準確率隨著頻率呈現(xiàn)出先減小后增大趨勢，因此，選用共振頻率周圍參數(shù)值作為多因素試驗的取值范圍，即頻率范圍選取50～80 Hz。篩選口數(shù)量對作業(yè)效率和頭尾定向準確率的影響如圖10c所示。篩選口對克氏原螯蝦起頭尾篩選作用，但也對克氏原螯蝦運動存在阻礙作用。隨著篩選口數(shù)量增加，頭尾定向準確率提高，但作業(yè)效率變慢，過多的篩選口數(shù)量導致作業(yè)效率太低。因此，選用篩選口數(shù)量適中的參數(shù)值作為多因素試驗的取值范圍，即篩選口數(shù)量范圍選取0～3個。

圖10 單因素對作業(yè)效率和頭尾定向準確率的影響 Fig.10 Influence of single factor on working efficiency, head and tail orientation accuracy

根據(jù)單因素仿真試驗結(jié)果分析初步確定每種影響因素的參數(shù)區(qū)間范圍，即振幅范圍為 0.3～0.6 mm、頻率范圍為 50～80 Hz、篩選口數(shù)量范圍為 0～3 個；基于此制定三因素四水平的因素水平表，如表2所示。在多因素的參數(shù)試驗范圍內(nèi)，作業(yè)效率和頭尾定向準確率越大表明裝置工作性能越好。

表2 試驗因素水平表 Table 2 Test factor and level

以作業(yè)效率W和頭尾定向準確率A為優(yōu)化目標，采用正交試驗表L(4)正交試驗表進行仿真試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

由表3中優(yōu)化目標的極差計算值可知，影響作業(yè)效率的三個因素主次順序為：頻率、篩選口數(shù)量、振幅，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為。影響定向準確率的三個因素主次順序為：篩選口數(shù)量、頻率、振幅，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為。通過極差分析確定了保證單個試驗優(yōu)化目標達到最優(yōu)的工作參數(shù)組合，但兩個試驗優(yōu)化目標間存在一定的沖突性，無法同時達到最優(yōu)狀態(tài)。

利用Design-Expert 11軟件對表3中的試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表4所示。頻率對作業(yè)效率的影響最為顯著，篩選口對作業(yè)效率影響比較顯著，振幅對作業(yè)效率影響不明顯。篩選口對定向裝置定向準確率的影響最為顯著，頻率對定向準確率影響比較顯著，振幅對定向準確率影響不明顯。方差分析各因素對優(yōu)化目標影響的主次順序和極差分析的結(jié)果相同。

表3 正交試驗結(jié)果 Table 3 Orthogonal test results

表4 方差分析結(jié)果 Table 4 Analysis of variance results

基于多因素正交試驗的試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，以定向裝置工作的振幅、頻率、和篩選口數(shù)量為約束條件，以作業(yè)效率W和頭尾定向準確率A為優(yōu)化目標，建立描述定向裝置工作性能的數(shù)學模型：

利用Design-Expert 11軟件中的Optimization優(yōu)化模塊進行求解，當定向裝置工作的振幅為0.3 mm，頻率為65.16 Hz，篩選口為2個時，定向裝置中作業(yè)效率為1.88只/s，頭尾定向準確率為92.52%。此時，該定向裝置的仿真工作狀態(tài)最佳。

2.3 樣機試驗

基于上述已完成的定向裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和工作參數(shù)仿真優(yōu)化試驗結(jié)果，試制了定向裝置樣機，如圖11所示。從生鮮市場上購買每只質(zhì)量20～40 g的克氏原螯蝦80只，經(jīng)過蒸煮后作為試驗材料。樣機的工作參數(shù)設(shè)置為仿真優(yōu)化得到的參數(shù)，即振幅為0.3 mm，頻率為65 Hz，篩選口數(shù)量為2個，并利用克氏原螯蝦樣本在樣機上進行5次試驗，試驗結(jié)果如表5所示，統(tǒng)計該表中實際作業(yè)效率和頭尾定向準確率，得到平均作業(yè)效率為1.71只/s，平均頭尾定向準確率為90.25%。與仿真優(yōu)化結(jié)果（作業(yè)效率為1.88只/s，頭尾定向準確率為92.52%）進行對比分析，其仿真試驗的作業(yè)效率和頭尾定向準確率的相對誤差為9.04%和2.45%。樣機試驗驗證了該定向裝置的可行性和有效性。

表5 樣機試驗結(jié)果 Table 5 Prototype test results

圖11 克氏原螯蝦頭尾自動定向裝置樣機試驗 Fig.11 Prototype test of head and tail automatic orientation device for Procambarus clarkii

2.4 討論

為了保證本文所設(shè)計的定向裝置快速、準確地實現(xiàn)克氏原螯蝦頭尾自動定向功能，在仿真試驗結(jié)果分析中，需同時考慮定向裝置中作業(yè)效率和頭尾定向準確率兩個優(yōu)化目標；但通過單因素仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，當作業(yè)效率增大時，頭尾定向準確率下降，兩個優(yōu)化目標存在一定的沖突性。在周期性振動作用下，當克氏原螯蝦快速移動時，少數(shù)克氏原螯蝦蝦鉗無法及時落入篩選口縫隙中，始終沿著設(shè)定的軌道移動至出蝦口，導致該裝置未能實現(xiàn)所有克氏原螯蝦頭尾自動定向功能。

針對上述存在少數(shù)克氏原螯蝦頭尾定向失敗的情況，為了保證該定向裝置的作業(yè)效率，后續(xù)研究考慮以下改進對策：1）降低該裝置作業(yè)效率的同時，改用并行多通道送料裝置；2）在出蝦口前增加視覺檢測設(shè)備，將頭尾定向失敗的克氏原螯蝦篩選出來，重新返回料斗中；3）設(shè)計分別實現(xiàn)克氏原螯蝦連續(xù)送料和頭尾自動定向功能的兩種可對接裝置。

3 結(jié) 論

本文基于克氏原螯蝦體型特征，利用建模和仿真分析，研制了克氏原螯蝦頭尾自動定向裝置，主要結(jié)論如下：

1）實現(xiàn)了克氏原螯蝦連續(xù)頭尾自動定向功能，并對關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計。

2）利用離散元軟件EDEM仿真分析了克氏原螯蝦在定向裝置的運動規(guī)律，在仿真試驗的基礎(chǔ)上，建立了該定向裝置工作參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學模型，得到理論最優(yōu)的工作參數(shù)組合。通過樣機試驗與仿真試驗的結(jié)果對比分析，仿真試驗的作業(yè)效率和頭尾定向準確率的相對誤差為9.04%和2.45%，驗證了該定向裝置的可行性和有效性。