投餌機(jī)下料及拋灑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

姜忠愛(ài) ,于 紅，吳俊峰，繆新穎，李鵬鵬

（大連海洋大學(xué)1.機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院/2.信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116023）

水產(chǎn)養(yǎng)殖中機(jī)械投餌是主要投餌方式，目前池塘投餌機(jī)械化水平約為79.71%[1]。在機(jī)械化投喂過(guò)程中，控制定量及拋灑加速的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)造成餌料破碎，破碎餌料進(jìn)入水中容易快速溶解，無(wú)法被養(yǎng)殖對(duì)象進(jìn)食，造成餌料浪費(fèi)及水質(zhì)污染[2-3]。因此，降低餌料破碎率對(duì)節(jié)約餌料成本及實(shí)現(xiàn)生態(tài)化養(yǎng)殖具有重要意義。在解決餌料破碎率方面，有學(xué)者研究改進(jìn)氣力輸送方法，根據(jù)不同的投喂效率及風(fēng)速，餌料破碎率控制在0.1～1.0%之間[4-5]。但氣力輸送投餌方式耗能大，定量投餌精度低，不適合池塘及工廠化養(yǎng)殖定量投餌需求。前人采用振動(dòng)下料方式，可減少餌料破碎，餌料破碎率降至0.1%左右，但受物料特性及稱重檢測(cè)精度影響，定量誤差高，工作可靠性較差[6-8]。螺旋推進(jìn)和旋轉(zhuǎn)葉輪是目前定量投餌常見(jiàn)的下料方式，在工作過(guò)程中，機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)擠壓餌料，造成較高的餌料破碎率，而且餌料拋灑需要通過(guò)拋灑盤(pán)離心加速完成，進(jìn)一步加劇餌料破碎，通常整體投餌破碎率在1.5%～3.0%之間[3,9-11]。馬迪紅[3]采用柔性螺旋送料方式及閉式拋灑盤(pán)，餌料破碎率降低50%，但是柔性送料方式一定程度上會(huì)影響定量送料精度。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究分析下料撥輪葉片型線與餌料受力之間的關(guān)系，建立餌料在拋灑盤(pán)溝槽中的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以期解決葉片式下料撥輪在定量下料過(guò)程中及餌料離心加速過(guò)程中造成的破碎問(wèn)題，降低餌料破碎率。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

投餌機(jī)械結(jié)構(gòu)由機(jī)架、料箱、下料撥輪、電機(jī)、拋灑盤(pán)等部分組成（圖1）。

1.2 工作原理

餌料受重力作用從料箱下料口流入撥輪葉片槽內(nèi)，下料撥輪在電機(jī)帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)定量下料，隨后餌料顆粒在導(dǎo)流槽的作用下落入拋灑盤(pán)，并在拋灑盤(pán)的離心加速下拋出，實(shí)現(xiàn)投喂。整個(gè)過(guò)程中，下料撥輪葉片與餌料之間相互作用容易造成餌料破碎，同時(shí)，在拋灑盤(pán)對(duì)餌料的加速拋灑過(guò)程中也容易造成餌料破碎。

2 主要運(yùn)動(dòng)件優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 下料撥輪優(yōu)化設(shè)計(jì)

本投餌機(jī)的定量下料方式為定容積撥輪下料，屬于旋轉(zhuǎn)葉輪式的一種（圖2）。

圖2 下料裝置Fig.2 Feeding device

餌料受重力作用從料箱下方流出充滿撥輪槽，由于餌料密度和輪槽容積是確定的，因此，撥輪旋轉(zhuǎn)一周的下料量可由式(1)計(jì)算獲得：

其中，m為撥輪每旋轉(zhuǎn)一周的下料量（kg）；ρ為顆粒餌料堆積狀態(tài)下的密度（kg/m3）；D為撥輪頂圓直徑（m）；d為撥輪中心傳動(dòng)孔直徑（m）；B為撥輪厚度（m）；V為撥輪體積（m3）。

為減少下料過(guò)程中撥輪葉片與定容腔之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致餌料破碎，設(shè)計(jì)撥輪徑向方向外形為曲線結(jié)構(gòu)，特別是在撥輪葉片與料箱下料口接觸區(qū)域，餌料受力如圖3所示。其中，F(xiàn)0為餌料顆粒自身重力m0g與其所受上方餌料壓力Fp的總和；F1為撥輪表面對(duì)餌料的作用力，接觸點(diǎn)為B點(diǎn)，方向沿?fù)茌喗孛嫘途€的法線方向，與接觸點(diǎn)基圓法線方向夾角為β（下料撥輪型線切線方向與基圓切線方向夾角）；F2為餌料顆粒受下料口A點(diǎn)處的作用力。

圖3 餌料顆粒受力分析Fig.3 Force analysis of bait particle

當(dāng)A、B 兩點(diǎn)距離小于餌料直徑且在餌料質(zhì)心上方時(shí)，餌料顆?？身樌M(jìn)入撥輪容腔而不被擠壓，若AB 連線在質(zhì)心下方，則餌料顆?？杀煌苹亓舷洹．?dāng)撥輪型線外表面與進(jìn)料口之間的距離接近餌料直徑時(shí)容易產(chǎn)生餌料顆?？ㄗ〔D碎。取A、B 距離恰為餌料直徑這一臨界情況進(jìn)行分析，以A點(diǎn)為基點(diǎn)，餌料靜力學(xué)力矩分析如下：

要滿足餌料能夠被退回料箱且不被擠碎，則要求MF1＞，且F1小于餌料的許用破碎力Fσ，即：

式(7)中，L0為下料口開(kāi)度（m）；de為定容腔腔室直徑（m）。

由以上分析可得出，要避免餌料破碎，接觸點(diǎn)B處，下料撥輪型線切線方向與基圓切線方向夾角β滿足：

從餌料受力分析可知，曲線型葉片型線切線方向與基圓切線方向存在夾角β，對(duì)餌料顆粒產(chǎn)生向上的推力作用。當(dāng)餌料處于下料口底部時(shí)，此推力可把即將進(jìn)入?yún)s無(wú)法進(jìn)入定容腔的餌料退回料箱。而直線型葉片β角為0，不存在向上的推力作用，其旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生撥動(dòng)力，更容易將餌料向已經(jīng)塞滿的定容腔內(nèi)擠壓，造成餌料破裂。此外，在相同轉(zhuǎn)速下，β角越大，定容腔體積變化率越小，更有利于餌料調(diào)整姿態(tài)退回料箱，而直線型葉片定容腔體積變化率快，餌料在撥輪作用下重新調(diào)整姿態(tài)時(shí)間短，加劇餌料的破碎。

因此，對(duì)葉片進(jìn)行曲線型優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效減少餌料破碎。β角越大，防破碎效果越好，由式(8)可見(jiàn)，該值大小與餌料質(zhì)量、餌料受上方餌料壓力以及下料口開(kāi)度成正比；與餌料許用破碎力及定容腔內(nèi)部直徑成反比。對(duì)于確定的下料口開(kāi)度及定容腔大小，結(jié)合實(shí)際餌料特性，可通過(guò)式(8)計(jì)算β角最小值，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果將傳統(tǒng)的直線型撥輪葉片優(yōu)化為曲線型葉片，以避免餌料破碎。同時(shí)，為防止下料口餌料板結(jié)、架空造成的壅塞，在撥輪軸上安裝一偏心輪（圖2中的零件2），偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生敲擊效應(yīng)，有助于消除壅塞，確保下料流暢。

2.2 拋灑盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

餌料從定容腔流出后，順著導(dǎo)流槽落入拋灑盤(pán)，拋灑盤(pán)上設(shè)計(jì)有溝槽，通過(guò)拋灑盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，餌料在溝槽中獲得離心加速度，最終沿拋灑盤(pán)徑向甩出。為減少拋灑過(guò)程中拋灑盤(pán)對(duì)餌料的加速?zèng)_擊造成的破壞，溝槽采用弧形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且將餌料從拋灑盤(pán)上方中心位置流入，以減少其初始加速度。拋灑盤(pán)結(jié)構(gòu)及餌料受力分析如圖4所示。

圖4 拋灑盤(pán)結(jié)構(gòu)(a)及餌料受力分析(b)Fig.4 Structure of throwing plate(a)and force analysis of the bait(b)

將餌料顆粒簡(jiǎn)化為質(zhì)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模。顆粒被拋灑盤(pán)加速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力F1為

其中，ω為餌料隨拋灑盤(pán)旋轉(zhuǎn)的角速度（rad/s）；l為餌料到拋灑盤(pán)中心點(diǎn)距離（m）。

餌料顆粒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科氏力Fk為

其中，γ為餌料與拋灑盤(pán)接觸點(diǎn)處溝槽型線切線方向與餌料離心力夾角。

餌料與拋灑盤(pán)溝槽接觸點(diǎn)壓力FN為

餌料與拋灑盤(pán)溝槽面摩擦力Ff及餌料自身重力產(chǎn)生的摩擦力F2分別為

其中，μ為餌料與拋灑盤(pán)表面之間的摩擦系數(shù)。

沿溝槽曲面切線方向，餌料顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)模型為

其中，r0為餌料首次落入拋灑盤(pán)位置距拋灑盤(pán)中心之間的距離（m）。

解得餌料顆粒在拋灑盤(pán)上，沿溝槽的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

從式(10)和(11)可見(jiàn)，對(duì)于直線型溝槽，其γ角為0，cosγ=1。將溝槽型線由直線優(yōu)化為曲線結(jié)構(gòu)，則0 ＜γ＜90°，從而0 ＜cosγ＜1，對(duì)于相同的ω，將降低Fk與FN的值，從而實(shí)現(xiàn)降低餌料拋灑加速過(guò)程的沖擊。

式(15)～(20)建立了餌料運(yùn)動(dòng)軌跡與硬件結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，為不同應(yīng)用場(chǎng)合下拋灑盤(pán)的大小、轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍及溝槽型線設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)硬件結(jié)構(gòu)柔性設(shè)計(jì)。在設(shè)定拋灑盤(pán)轉(zhuǎn)速600 r/min條件下，通過(guò)MATLAB 進(jìn)行餌料運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律仿真，獲得餌料速度隨γ角變化及加速時(shí)間的關(guān)系（圖5）。

圖5 餌料速度隨γ角變化及加速時(shí)間t的關(guān)系Fig.5 The relationship between bait speed and angle γ and acceleration time t

根據(jù)養(yǎng)殖投喂需求與實(shí)際情況，確定拋灑盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：拋灑盤(pán)轉(zhuǎn)速為600 r/min，直徑為0.15 m，γ角為30°，溝槽型線方程為y=根據(jù)以上結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過(guò)餌料運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算，餌料會(huì)在落入拋灑盤(pán)0.053 s 后被加速拋出，此過(guò)程餌料的速度和受力情況見(jiàn)圖6。

圖6 餌料離開(kāi)拋灑盤(pán)前運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)變化Fig.6 Ⅴariation of the kinematic parameters before the bait leaves the throwing plate

由圖6 可以得出，餌料顆粒在加速拋灑過(guò)程中最大受力0.095 N，最大速度3.5 m/s。

2.3 餌料拋灑過(guò)程EDEM仿真

為驗(yàn)證拋灑盤(pán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果，進(jìn)行直線和曲線溝槽拋灑效果EDEM 仿真，仿真條件設(shè)置如下：拋灑盤(pán)轉(zhuǎn)速為600 r/min，料粒直徑為0.01 m，下料排量1 800 cm3/min，餌料密度1 050 kg/m3，餌料泊松比為0.23，餌料剪切模量為9.74，餌料與料盤(pán)動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。

圖7 顯示溝槽型線優(yōu)化前后餌料運(yùn)動(dòng)軌跡，可見(jiàn)，在直線溝槽條件下餌料軌跡折轉(zhuǎn)劇烈，而曲線溝槽條件下餌料軌跡更平滑，餌料分布更均勻。對(duì)應(yīng)的受力和速度變化情況如圖8所示，其數(shù)值與圖6中運(yùn)動(dòng)學(xué)建模計(jì)算結(jié)果基本吻合，最大誤差在10%左右，對(duì)于在理想狀況下建立的數(shù)學(xué)模型而言，這個(gè)誤差范圍是可以接受的。

圖7 餌料運(yùn)動(dòng)軌跡仿真結(jié)果Fig.7 Simulation result of the bait movement trajectory

圖8 直線和曲線溝槽條件下餌料受力(a)與速度(b)曲線Fig.8 Force(a)and velocity(b)curve of the bait under linear and curve grooves throwing condition

從圖8(a)中可見(jiàn)，餌料在直線溝槽下受到的沖擊力更大，單個(gè)餌料受力最大值達(dá)0.181 N，而在曲線溝槽條件下餌料最大受力0.109 N，受力減小近40%；從圖8(b)速度曲線對(duì)比可見(jiàn)，在直線溝槽播撒過(guò)程中，速度變化急劇，平均加速度193 m/s2，而在曲線溝槽播撒過(guò)程中，餌料速度變化曲線更平穩(wěn)，平均加速度108 m/s2。這表明，通過(guò)優(yōu)化溝槽型線，餌料受到?jīng)_擊作用破碎的概率更小，可有效減少餌料破碎率，驗(yàn)證了溝槽優(yōu)化的效果和必要性。

3 實(shí)驗(yàn)與性能分析

根據(jù)對(duì)下料撥盤(pán)與拋灑盤(pán)優(yōu)化設(shè)計(jì)成果，設(shè)計(jì)投餌樣機(jī)（圖9），通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其工作可靠性及實(shí)際餌料破碎率。

圖9 投餌機(jī)樣機(jī)Fig.9 Prototype of the feeding machine

投餌樣機(jī)安裝在距離地面0.5 m 的平臺(tái)上，對(duì)3種不同規(guī)格的餌料進(jìn)行機(jī)械投餌實(shí)驗(yàn)，餌料形態(tài)如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)采用的三種不同規(guī)格的餌料Fig.10 Three kinds of bait with different specifications used in the experiments

對(duì)三種餌料按照大小編號(hào)分別為1 號(hào)、2 號(hào)和3號(hào)餌料，投餌實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 餌料破碎率測(cè)試實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 1 Experimental parameters of bait crushing rate test

播撒實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，修正餌料落地后的滾動(dòng)誤差，測(cè)量餌料實(shí)際落點(diǎn)均勻分布在半徑為1.0～2.5 m 的扇面區(qū)域內(nèi)，該結(jié)果與通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算結(jié)果及EDEM 仿真基本相同，圖11 為1 號(hào)餌料EDEM仿真及實(shí)驗(yàn)的播撒情況，其他兩種餌料也獲得的相同的吻合結(jié)果?？梢?jiàn)，本樣機(jī)能實(shí)現(xiàn)將餌料均勻拋灑在養(yǎng)殖水域中，滿足投餌需求，驗(yàn)證了其工作的可靠性。

圖11 投餌播撒分布Fig.11 Distribution of baiting

餌料破碎率方面，對(duì)三種餌料播撒結(jié)束后進(jìn)行破碎餌料數(shù)清點(diǎn)，并對(duì)播撒前后餌料顆粒進(jìn)行稱重，以確定下料過(guò)程中由于餌料表面不規(guī)則邊緣磨損形成的霧狀粉料比例，這一部分是評(píng)價(jià)餌料破碎率的重要參數(shù)。針對(duì)三種不同餌料分別進(jìn)行四次投餌的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2），其餌料破碎率包含擠壓破裂的餌料及形成霧狀粉料后的重量損失。由表2可見(jiàn)，餌料破碎率均值約為0.4%，而通常以撥輪下料配合之間，有的甚至更高，可見(jiàn)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)餌料破碎率大幅降低。

表2 餌料破碎率測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析Table 2 Experimental data and analysis of bait crushing rate test

4 結(jié)論

（1）為減少下料過(guò)程中餌料被撥輪擠壓破碎，進(jìn)行餌料顆粒在下料口處的受力分析，得出撥輪結(jié)構(gòu)對(duì)餌料破碎的影響因素，并通過(guò)優(yōu)化下料撥輪的型線，解決下料過(guò)程中餌料被擠壓破碎的問(wèn)題。

（2）為減少拋灑過(guò)程中餌料被拋灑盤(pán)沖擊破碎，建立餌料在拋灑盤(pán)溝槽作用下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)優(yōu)化溝槽型線，減小拋灑盤(pán)對(duì)餌料的沖擊力，解決拋灑過(guò)程中餌料被加速造成的破碎問(wèn)題。通過(guò)EDEM 仿真驗(yàn)證了溝槽曲線化改進(jìn)的效果和必要性，提升了系統(tǒng)的適用性。

（3）基于優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)研制投餌樣機(jī)，進(jìn)行餌料播撒實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明，優(yōu)化后的機(jī)械結(jié)構(gòu)在滿足餌料均勻投喂的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)餌料破碎率較同類結(jié)構(gòu)大幅降低。

后續(xù)將結(jié)合智能控制技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)投喂研究，提升系統(tǒng)的自動(dòng)化和智能化水平。