劉 虎 龔 宇 張 彪 陳 源 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)計院， 武漢 430068)

0 引言

伴隨著我國水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)轉(zhuǎn)型升級以及智慧漁業(yè)戰(zhàn)略的部署，水產(chǎn)養(yǎng)殖面積逐年增加，當(dāng)前水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量已經(jīng)穩(wěn)居世界首位。但是，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)仍然落后，無法解決養(yǎng)殖過程中投喂無序、飼料浪費等問題，其重要原因之一是分選機(jī)械相對比較落后，無法實現(xiàn)高品質(zhì)的分級作業(yè)[1-4]。目前，水產(chǎn)養(yǎng)殖分選作業(yè)主要依靠人工進(jìn)行，專用機(jī)械比較少，難以根據(jù)魚苗本身特性實現(xiàn)精準(zhǔn)分級。針對當(dāng)前的養(yǎng)殖狀況，國內(nèi)學(xué)者對魚苗分選機(jī)械技術(shù)與方法進(jìn)行了一系列研究。文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一種淡水魚頭尾與腹背定向裝置，以鰱魚為定向?qū)ο?，通過理論分析和傾斜振動臺面試驗，獲得了魚體與機(jī)械間的摩擦特性。文獻(xiàn)[6]研制的噴水滾筒式魚苗大小分選裝置，通過兩臺電機(jī)和換流器改變滾筒旋向，得出了旋向與筒速、噴水壓力和分選魚體寬之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[7]設(shè)計的分魚機(jī)，采用膠帶式輥軸分級方法，能依據(jù)不同魚苗規(guī)格，實現(xiàn)分級間距調(diào)整。但上述研究鮮有關(guān)于魚苗分選機(jī)分選性能方面的研究，且當(dāng)前的分選機(jī)械大多根據(jù)天平與杠桿稱量原理進(jìn)行分級，不適合在有水環(huán)境下進(jìn)行魚苗的稱量分選。因此按照魚苗體型參數(shù)和三等級分選目標(biāo)，以體寬作為判別條件對魚苗分選。

本文設(shè)計一種輥道式魚苗分選機(jī)，闡述其工作原理與整機(jī)結(jié)構(gòu)，并依據(jù)試驗魚苗分選狀態(tài)，運(yùn)用離散元軟件建立魚苗-機(jī)械部件耦合仿真模型，經(jīng)試驗驗證其仿真的準(zhǔn)確性，最后對其工作參數(shù)進(jìn)行單因素及多因素正交影響仿真分析，得到較優(yōu)參數(shù)組合，為分級機(jī)械性能優(yōu)化提供理論參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

魚苗分選試驗機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由動力傳輸機(jī)構(gòu)、水道裝置、間距調(diào)節(jié)分選裝置和傾角調(diào)節(jié)裝置等組成。其中水道裝置、間距調(diào)節(jié)分選裝置和傾角調(diào)節(jié)裝置是機(jī)具主要工作執(zhí)行部件。通過水道裝置在分選輥表面形成水膜，完成魚苗快捷篩選且降低魚皮損傷。通過間距調(diào)節(jié)分選裝置，實現(xiàn)奇數(shù)分選輥與偶數(shù)分選輥分級間距的調(diào)整，進(jìn)而滿足不同規(guī)格魚苗分級作業(yè)要求。通過傾角調(diào)節(jié)裝置和機(jī)架共同配合，實現(xiàn)間距調(diào)節(jié)裝置與水平地面夾角的調(diào)整，進(jìn)而調(diào)節(jié)魚苗沿輥道下落速度。

1.2 工作原理

工作原理如圖2所示，該魚苗分選機(jī)依靠電機(jī)提供動力，靠傾角調(diào)節(jié)裝置和分選輥的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)傾角調(diào)節(jié)和分選作業(yè)。吸魚泵首先將魚苗傳送至進(jìn)魚裝置，通過該裝置上的分離漏斗濾去水中部分雜質(zhì)。然后在傾角調(diào)節(jié)裝置作用下的魚苗被輸送到間距調(diào)節(jié)分選裝置，該裝置設(shè)計6根分選輥，每根分選輥主要由3段直徑依次遞減的空心軸組成，其旋轉(zhuǎn)方向如圖2所示。可以使魚苗在沿輥道下落的過程中進(jìn)行小中大依次分級，體寬稍小魚苗落至適合輥道間距下的導(dǎo)魚槽上，體寬較大則進(jìn)下一級間距分級，從而完成魚苗的整個分選過程。

圖1 魚苗分選機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams for whole machine of fry sorting1.動力傳輸機(jī)構(gòu) 2.機(jī)架 3.進(jìn)魚裝置 4.水道裝置 5.分魚罩殼 6.間距調(diào)節(jié)分選裝置 7.傳動鏈條 8.導(dǎo)魚槽 9.傾角調(diào)節(jié)裝置 10.行走腳輪

圖2 魚苗分選機(jī)工作原理圖Fig.2 Working principle diagram1.導(dǎo)魚槽 2.魚苗 3.固定擋魚板 4.移動擋魚板 5.奇數(shù)分選輥 6.偶數(shù)分選輥

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.1 傾角調(diào)節(jié)裝置

圖3 傾角調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of tilt adjustment device1.下機(jī)架 2.上機(jī)架 3.前鉸鏈 4.后上鉸鏈 5.連桿 6.后下鉸鏈 7.移動板 8.刻度盤手輪 9.固定側(cè)軸承座 10.滾珠螺母 11.螺母座 12.滑塊 13.墊管 14.驅(qū)動絲桿 15.導(dǎo)軌 16.支撐側(cè)軸承座

該裝置主要由上下機(jī)架、前后鉸鏈、滾珠螺母、驅(qū)動絲桿等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中上下機(jī)架通過前后鉸鏈鉸接，并與連桿鉸接于移動板，驅(qū)動絲桿帶動滾珠螺母，使移動板下滑塊在導(dǎo)軌上作直線移動，進(jìn)而可調(diào)整安裝于上機(jī)架的輥道與下機(jī)架水平面的夾角。

輥道角度直接影響魚苗沿著輥道下落的速度，進(jìn)而影響其分選性能。角度越大，魚苗在輥道摩擦的時間越短，使先進(jìn)入的魚沒來得及分選，被后來的魚推入下一間距，導(dǎo)致分選性能嚴(yán)重降低。因此，為保證魚苗在輥道上平穩(wěn)分選，最終確定輥道傾角為0～20°。

2.2 分選裝置

魚苗分選裝置主要由擋魚板、軸承座及分選輥等組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中奇數(shù)分選輥通過移動軸承座固定在移動板上，而移動板與連接桿形成剛性連體。為適應(yīng)不同規(guī)格魚苗的分選，驅(qū)動絲桿帶動連接桿左右移動，進(jìn)而可調(diào)整與偶數(shù)分選輥間的分級間距。

圖4 分選裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of sorting device1.固定擋魚板 2.固定軸承座 3.固定分選輥 4.移動分選輥 5.移動擋魚板 6.傳動鏈條 7.鏈輪 8.固定側(cè)軸承座 9.刻度盤手輪 10.導(dǎo)軌 11.移動軸承座 12.滑塊 13.滾珠螺母 14.螺母座 15.移動板 16.連接桿 17.支撐側(cè)軸承座 18.驅(qū)動絲桿

分選輥是魚苗分選裝置中的關(guān)鍵零部件，其結(jié)構(gòu)尺寸特點對分選效果具有重要影響。本文的分選輥尺寸依據(jù)草魚體寬-體質(zhì)量數(shù)據(jù)確定，如圖5所示，從圖中可知，體寬y與體質(zhì)量x的關(guān)系為y=3.69x0.415 6，根據(jù)前后兩級魚苗的體質(zhì)量相差10%～20%的設(shè)計目標(biāo)，確定相鄰分選輥間距延軸向以2 mm逐級遞增。同時考慮到輥軸的安裝空間，確定分選輥延軸向逐級遞減的3個不同直徑分別為58、56、54 mm。為保證魚苗在每段不同直徑段輥道上有充足的分選時間，不同直徑段輥道長度確定為400 mm，分選輥如圖6所示。相鄰分選輥的最大間距依據(jù)質(zhì)量為500 g的魚苗對應(yīng)的體寬58 mm確定，其延軸向逐級遞增，分別為56、58、60 mm，且該分級間距可按照魚苗規(guī)格進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖5 體寬-體質(zhì)量增長擬合曲線Fig.5 Body width-body mass growth fitting curve

圖6 分選輥Fig.6 Sorting roller diagram

3 仿真模型建立與試驗驗證

為加快仿真速度和模型收斂性，對上述整機(jī)模型簡化，并運(yùn)用離散元軟件EDEM建立魚苗-機(jī)械部件耦合仿真模型，以分級作業(yè)的工作參數(shù)為試驗因素，得出仿真結(jié)果,且結(jié)合試驗驗證仿真的準(zhǔn)確性，為后續(xù)進(jìn)行單因素及多因素正交影響仿真分析奠定基礎(chǔ)。

3.1 仿真模型建立

3.1.1魚苗模型

為真實還原魚苗分選狀態(tài)，保證仿真模擬可靠性，以鯽魚魚苗為研究對象，通過電子秤等儀器測得魚苗的平均體寬、體高、體長之比為1∶1.5∶6，平均密度為1 800 kg/m3?？紤]到鯽魚體型近似紡錘體，軀干斷面呈梭型，關(guān)于腹背軸線呈左右對稱[8]，故運(yùn)用EDEM軟件多球面組合方式按體寬分級規(guī)格建立3種體寬尺寸離散元魚苗模型，如圖7所示。

圖7 魚苗三維模型Fig.7 Fry model

3.1.2分選機(jī)模型

為了合理有效地仿真模擬與計算，結(jié)合魚苗分選機(jī)相關(guān)的作業(yè)參數(shù)，對整機(jī)模型簡化，將傾角調(diào)節(jié)裝置簡化為角度支座，分選機(jī)主體構(gòu)件抽象為進(jìn)魚通道、分選輥道和矩形導(dǎo)魚槽，簡化結(jié)果如圖8所示。分選機(jī)材料屬性均為45號鋼，泊松比為0.31，剪切模量為7×1010Pa，密度為7 800 kg/m3。

圖8 分選機(jī)模型Fig.8 Sorting machine model diagram1.導(dǎo)魚槽 2.進(jìn)魚通道 3.分選輥道 4.角度支座

3.1.3仿真模型參數(shù)確定

由于魚苗表面的粘彈性， 采用Hertz-Mindlin(JKR)接觸模型[9-10]，以模擬魚苗之間、魚苗與機(jī)械間相互作用。并通過摩擦角試驗(圖9)、虛擬仿真標(biāo)定和參照文獻(xiàn)[5-11]等方法對45號鋼-魚苗、魚苗-魚苗的動靜摩擦因數(shù)和恢復(fù)系數(shù)測定，測定的相關(guān)參數(shù)結(jié)果如表1所示。

圖9 摩擦角試驗Fig.9 Friction angle test1.角度支座 2.45號鋼 3.水瓶 4.魚苗

表1 仿真材料接觸參數(shù)

Tab.1 Simulation material contact parameters

材料動摩擦因數(shù)靜摩擦因數(shù)無水有水無水有水恢復(fù)系數(shù)45號鋼-魚苗0.350.150.400.200.50魚苗-魚苗0.0150.010.50

3.1.4仿真設(shè)置

依據(jù)機(jī)具實際分選過程，在虛擬分魚仿真過程中，設(shè)置魚苗位于進(jìn)魚一側(cè)進(jìn)行初始作業(yè)。以常規(guī)工況下的分選機(jī)進(jìn)行仿真，分析其參數(shù)與分選性能。為保證仿真的可靠性，設(shè)置魚苗初始速度為0.5 m/s，其固定時間步長為10%(Rayleigh時間步長10%)，并根據(jù)文獻(xiàn)[12]設(shè)置魚苗的泊松比為0.45，剪切模量為1.64×106Pa，其網(wǎng)格尺寸為2Rmin，其中Rmin為組成魚苗模型最小的顆粒半徑(6 mm)。仿真開始時分選輥道反向旋轉(zhuǎn), 同時魚苗開始生成，直至魚苗全部生成后10 s仿真結(jié)束，仿真過程如圖10所示。采用EDEM后處理模塊統(tǒng)計分選過程結(jié)束后各導(dǎo)魚槽內(nèi)魚苗的數(shù)量，以此計算分魚準(zhǔn)確率及分選效率。

圖10 仿真過程圖Fig.10 Simulation process diagram

3.2 試驗驗證

3.2.1試驗條件

為檢驗基于EDEM軟件的魚苗分選機(jī)虛擬仿真的準(zhǔn)確性，在實際工況下進(jìn)行整機(jī)驗證試驗，試驗條件如圖11所示。從圖11a所示樣本中選取多條鯽魚魚苗進(jìn)行魚寬測試，測試過程如圖11b所示，進(jìn)而得到圖11c所示的魚苗體寬與體質(zhì)量散點圖，以此選取小、中、大3等級魚苗各40尾，并結(jié)合圖11d所示的魚苗分選機(jī)樣機(jī)(試驗樣機(jī)采用三相380 V變頻器改變輥道轉(zhuǎn)速)，進(jìn)行試驗驗證。

圖11 試驗條件Fig.11 Test conditions

3.2.2評價指標(biāo)

綜合試驗樣機(jī)實際的工作情況，并查閱相關(guān)資料[13-21]，以分魚準(zhǔn)確率y1、分選效率y2作為分選作業(yè)的評價指標(biāo), 其定義為

(1)

(2)

式中n1——在同樣的分選作業(yè)時間下，被正確分選的魚苗數(shù)量，尾

n2——在同樣的分選作業(yè)時間下，落入導(dǎo)魚槽里的魚苗數(shù)量，尾

n3——在同樣的分選作業(yè)時間下，投入分選機(jī)中的魚苗總數(shù)量，尾

3.2.3試驗結(jié)果及分析

分選試驗如圖12所示，結(jié)合試驗條件，以各工作參數(shù)(輥道轉(zhuǎn)速、輥道傾角、進(jìn)魚量)為試驗因素，以分魚準(zhǔn)確率y1作為分選作業(yè)的評價指標(biāo)，所得試驗結(jié)果如圖13所示。

圖12 魚苗分選試驗Fig.12 Fry sorting test

圖13a為分魚準(zhǔn)確率隨輥道轉(zhuǎn)速變化的試驗和仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)試驗和仿真結(jié)果均呈現(xiàn)先急劇增大后緩慢減小的趨勢，其整體相對誤差為10.56%。

圖13b為分魚準(zhǔn)確率隨輥道傾角變化的試驗和仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)試驗和仿真結(jié)果均呈現(xiàn)先緩慢增加后緩慢減小的趨勢，其整體相對誤差為24.73%。

圖13c為分魚準(zhǔn)確率隨進(jìn)魚量變化的試驗和仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)試驗和仿真結(jié)果呈現(xiàn)線性遞減的趨勢，其整體相對誤差為21.72%。

由于在虛擬仿真試驗中，分選機(jī)魚苗入口處生成的魚苗離散性和均勻性較好，而實際試驗中，分選機(jī)魚苗投入的連續(xù)性和均勻性較差，且水道對魚苗表面始終存在噴淋壓力，試驗得到的分魚準(zhǔn)確率低于仿真的分魚準(zhǔn)確率。但是從總體上看，試驗結(jié)果和仿真結(jié)果具有較好的一致性。

圖13 分魚準(zhǔn)確率隨分選機(jī)工作參數(shù)的變化曲線Fig.13 Variation trend of fish splitting accuracy with sorting machine working parameters

4 EDEM仿真試驗與分析

4.1 單因素影響分析

4.1.1輥道轉(zhuǎn)速對分魚準(zhǔn)確率的影響

圖14 分魚準(zhǔn)確率隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.14 Changing curves of split fish accuracy rate with speed

輥道轉(zhuǎn)速是影響魚苗分選效果的主要因素之一，當(dāng)前分選機(jī)轉(zhuǎn)速一般取值范圍為0～400 r/min。本文主要是在輥道傾角θ為12°，進(jìn)魚量3尾/s時，通過建立的模型仿真分析兩分選輥反向旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速對分魚準(zhǔn)確率的影響，結(jié)果如圖14所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，分魚準(zhǔn)確率呈現(xiàn)先急劇增大后緩慢減小的趨勢，且在轉(zhuǎn)速為110 r/min左右時，3段間距分魚準(zhǔn)確率均達(dá)到最大值。

4.1.2輥道傾角對分魚準(zhǔn)確率的影響

輥道傾角指的是安裝于上機(jī)架的輥道與水平地面所形成的夾角。本文在轉(zhuǎn)速為150 r/min與進(jìn)魚量3尾/s時，通過建立的模型仿真分析輥道傾角對分魚準(zhǔn)確率的影響。仿真結(jié)果如圖15所示?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著角度的增加，分魚準(zhǔn)確率呈現(xiàn)先急劇增大后減小的趨勢，且在輥道傾角為8°左右時，3段間距分魚準(zhǔn)確率均達(dá)到最大值。

圖15 分魚準(zhǔn)確率隨輥道傾角變化曲線Fig.15 Changing curves of fish accuracy with roll inclination

4.1.3進(jìn)魚量對分魚準(zhǔn)確率的影響

進(jìn)魚量決定魚苗在輥道上的離散程度，進(jìn)而影響分魚效果。如圖16所示，本文在轉(zhuǎn)速為150 r/min與輥道傾角θ為8°時，通過建立的模型仿真分析輥道上的進(jìn)魚量對分魚準(zhǔn)確率的影響。仿真結(jié)果如圖16所示，可以發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)魚量的增加，分魚準(zhǔn)確率呈現(xiàn)線性遞減的趨勢，且在進(jìn)魚量等于3尾/s時，3段間距分魚準(zhǔn)確率達(dá)到最大值。

圖16 分魚準(zhǔn)確率隨進(jìn)魚量變化曲線Fig.16 Changing curves of accuracy of fish according to amount of fish entering

4.2 多因素正交影響分析

4.2.1仿真試驗設(shè)計

綜合考慮單因素影響分析結(jié)果，確定了如表2所示的各工作參數(shù)(輥道轉(zhuǎn)速、輥道傾角、進(jìn)魚量)的試驗因素水平，并以分魚準(zhǔn)確率y1及分選效率y2作為評價指標(biāo)，根據(jù)L16(45)正交試驗表安排仿真試驗[22]，以此確定最優(yōu)工作參數(shù)組合。其仿真試驗結(jié)果及方差分析如表3和表4所示，表中A、B、C為輥道轉(zhuǎn)速、輥道傾角、進(jìn)魚量水平值。

表2 試驗因素水平Tab.2 Test factors and levels

4.2.2試驗結(jié)果分析與優(yōu)化

在分級規(guī)格范圍內(nèi)，分魚準(zhǔn)確率和分選效率越高，表明綜合作業(yè)分選性能越好。由表3仿真試驗極差分析可知，影響分魚準(zhǔn)確率指標(biāo)的3個主次因素順序為：輥道傾角B、進(jìn)魚量C、輥道轉(zhuǎn)速A，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為B3C1A2；影響分選效率的3個主次因素順序為：輥道傾角B、進(jìn)魚量C、輥道轉(zhuǎn)速A,其較優(yōu)參數(shù)水平組合為B4C1A1。并綜合實際作業(yè)分選要求，可確定影響機(jī)具分選性能的主次順序為輥道傾角、進(jìn)魚量、輥道轉(zhuǎn)速。

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Test plan and results

通過Design-Expert 8.0.5軟件對正交試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，以此判斷各試驗因素對評價指標(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，即進(jìn)魚量C對分魚準(zhǔn)確率影響顯著(F>F0.05)，輥道傾角B對分魚準(zhǔn)確率影響非常顯著(F>F0.01)，輥道轉(zhuǎn)速A對分魚準(zhǔn)確率影響不顯著(FF0.05)，輥道傾角B對分選效率影響非常顯著(F>F0.01)，輥道轉(zhuǎn)速A對分選效率影響不顯著(F

為得到最佳工作參數(shù)組合，結(jié)合試驗結(jié)果和方差分析，采用多目標(biāo)多變量優(yōu)化方法，對正交試驗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。以提高分魚準(zhǔn)確率和分選效率為原則，建立數(shù)學(xué)模型

表4 分選性能指標(biāo)方差分析Tab.4 Analysis of variance of sorting performance indicators

注：*表示顯著；** 表示非常顯著。F0.01(3，6)=27.91，F(xiàn)0.05(3，6)=8.94。

(3)

基于Design-Expert 8.0.5軟件中的Optimization模塊對式(3)求解分析，可得到多組優(yōu)化后的參數(shù)組合。并對優(yōu)化后參數(shù)進(jìn)行結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)參數(shù)組合為輥道轉(zhuǎn)速138.40 r/min、輥道傾角10.47°、進(jìn)魚量3.00尾/s時，綜合分選作業(yè)性能最好，其分魚準(zhǔn)確率為97.99%，分選效率為95.29%。

對優(yōu)化后的工作參數(shù)組合進(jìn)行仿真分析驗證，得到分魚準(zhǔn)確率為94.22%，分選效率為99.77%。與優(yōu)化結(jié)果相比，仿真的分魚準(zhǔn)確率和分選效率的相對誤差分別為3.84%和4.70%。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種輥道式魚苗分選機(jī)，對該機(jī)器的工作機(jī)理與整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述，確定了關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為魚苗分選機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計提供了參考。

(2)通過仿真進(jìn)行單因素及多因素正交影響分析，結(jié)合多目標(biāo)多變量優(yōu)化方法，對試驗結(jié)果展開優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，各因素對分魚準(zhǔn)確率和分選效率影響的主次因素順序均為輥道傾角、進(jìn)魚量和輥道轉(zhuǎn)速。兼顧以提高分魚準(zhǔn)確率和分選效率為原則，采用Design-Expert 8.0.5軟件中的Optimization模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，確定了較優(yōu)組合為：輥道轉(zhuǎn)速138.40 r/min、輥道傾角10.47°、進(jìn)魚量3.00尾/s，此時機(jī)具綜合分選作業(yè)性能最佳。