彭才望 周 婷 宋世圣 孫松林 向 陽 許道軍

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 長沙 410128； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院， 長沙 410128)

0 引言

應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理構(gòu)建腐生生物鏈是發(fā)展畜牧業(yè)循環(huán)經(jīng)濟、減輕環(huán)境污染的重要舉措。其中，以畜禽糞便為食的腐生性昆蟲在畜禽廢棄物資源化與肥料化利用中得到初步研究與應(yīng)用[1-3]。

黑水虻，又名亮斑扁角水虻，幼蟲取食畜禽糞便等廢棄物，通過生物轉(zhuǎn)化獲得高附加值的黑水虻蟲沙混合物(即黑水虻幼蟲與有機肥)，其中，黑水虻幼蟲富含粗蛋白[4]，作為家禽[5]、家畜[6]和魚類[7]的良好活體飼料或飼料添加成分；有機肥肥效高，在果蔬、牧草中廣泛應(yīng)用，降低了臭味[8]，因此，黑水虻成為畜禽糞便資源化利用研究的熱點。近年來，國內(nèi)外學(xué)者主要圍繞黑水虻生長發(fā)育[9]、生物轉(zhuǎn)化效率[10]、幼蟲營養(yǎng)價值及利用[11]、有機肥肥效與應(yīng)用[12]等方面開展了大量的研究與探索。但是，在黑水虻蟲沙收集、輸送、分選等方面的研究較少，黑水虻生物轉(zhuǎn)化畜禽糞便過程中機械化水平較低，主要依靠人工完成，其勞動強度大，作業(yè)效率低。

黑水虻生物轉(zhuǎn)化畜禽糞便過程中，黑水虻蟲沙收集是勞動強度最大的環(huán)節(jié)之一，同時影響后續(xù)黑水虻蟲沙分選效率。少數(shù)大型黑水虻養(yǎng)殖企業(yè)采用機械層疊料盤式結(jié)構(gòu)，其翻轉(zhuǎn)卸料、轉(zhuǎn)移輸送作業(yè)效率較高，但制造與控制系統(tǒng)成本較高；大多數(shù)的小型黑水虻養(yǎng)殖企業(yè)或一般養(yǎng)殖戶受條件所限，主要依靠人工進行地槽式養(yǎng)殖，機械化程度低。因此，需要一種適合中小型養(yǎng)殖企業(yè)或養(yǎng)殖戶使用且機械化程度較高的蟲沙集料裝置。課題組前期針對機械層疊料盤式黑水虻養(yǎng)殖特點，設(shè)計并試驗研究了雙向螺旋[13]、斗式取料[14]等裝置，一定程度上實現(xiàn)了黑水虻蟲沙機械收集、輸送，提高了機械化作業(yè)效率。文獻[15-17]研究了黑水虻養(yǎng)殖或分選方面的裝置或方法，但地槽式黑水虻生物轉(zhuǎn)化畜禽糞便過程中收集、輸送、分選等環(huán)節(jié)仍缺乏針對性實用性裝備，相關(guān)研究成果鮮有報道。

針對上述問題，本文參照撒肥裝置或機構(gòu)中常用的葉輪[18-20]，結(jié)合黑水虻生物轉(zhuǎn)化畜禽糞便工藝與地槽式黑水虻養(yǎng)殖環(huán)境特點，設(shè)計一種并排式雙葉輪集料裝置，實現(xiàn)寬幅集料收集、提升，卸料口窄幅集中落料，并轉(zhuǎn)移輸送，完成黑水虻幼蟲的分選。通過理論分析與試驗研究確定集料裝置的最佳作業(yè)參數(shù)組合，以期為黑水虻蟲沙集料、輸送等機械設(shè)備研究提供理論參考與技術(shù)支撐。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)計的地槽黑水虻蟲沙集料輸送分選機結(jié)構(gòu)如圖1所示，配有輪式電動自走底盤，由并排式雙葉輪集料裝置、輸送裝置、分選裝置構(gòu)成，可將地槽中養(yǎng)殖黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化畜禽糞便后產(chǎn)生的層鋪狀態(tài)有機肥進行集料、提升、輸送、分選、分類利用。并排式雙葉輪集料裝置作為整機的關(guān)鍵取料結(jié)構(gòu)，主要實現(xiàn)層鋪狀態(tài)蟲沙的有序鏟收，轉(zhuǎn)移輸送。

黑水虻蟲沙集料輸送分選機主要技術(shù)參數(shù)：葉輪驅(qū)動電機功率120 W，行走底盤驅(qū)動電機功率250 W，整機質(zhì)量為55 kg(不包含分選裝置)，集料寬度為0.8 m，集料深度為0.15 m，車輪采用實心胎，車輪直徑為0.15 m，輪距為0.75 m，整機外形尺寸(長×寬×高)2.50 m×0.80 m×0.80 m(并排式雙葉輪前伸到極限位置)。

1.2 集料工作原理

并排式集料裝置用于地槽中黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化豬糞后的蟲沙收集、提升、轉(zhuǎn)移，如圖2所示。結(jié)合黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化豬糞工藝特點[10]，室內(nèi)水泥地面上設(shè)計地槽寬度為0.85 m，地槽兩側(cè)邊高為0.2 m，地槽長度可結(jié)合養(yǎng)殖規(guī)模需要調(diào)整，地槽兩端留有空間，便于集料裝置作業(yè)方向的調(diào)整。作業(yè)時，集料裝置沿地槽內(nèi)側(cè)勻速前移，通過電動推桿調(diào)節(jié)葉輪與水平面的傾角，同時調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速與葉輪前進速度，完成沿地槽鏟料、提升、轉(zhuǎn)移過程。集料時，左右葉輪電機驅(qū)動葉輪勻速旋轉(zhuǎn)，兩葉輪旋轉(zhuǎn)方向相對，在葉輪推力、滑動摩擦力、離心力、慣性力等作用力下，依次將地槽中的黑水虻蟲沙由地槽兩側(cè)向中間推送。葉輪集料底板后端中心處沿兩側(cè)對稱設(shè)計矩形開口，以便黑水虻蟲沙經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)集料后落料，進入下方傾斜的傳送帶，實現(xiàn)寬幅集料、窄幅落料、集中轉(zhuǎn)移輸送的過程。

2 關(guān)鍵部件與參數(shù)設(shè)計

并排式雙葉輪集料裝置的主要工作部件為雙葉輪，雙葉輪將地槽中層鋪狀態(tài)黑水虻蟲沙進行收集、提升、轉(zhuǎn)移，其作業(yè)性能直接影響后續(xù)蟲沙分選與分類利用。因此，需要對并排式雙葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與作業(yè)參數(shù)進行理論分析與設(shè)計。本文主要研究葉輪集料輸送性能，黑水虻蟲沙為黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化豬糞后形成的蟲沙，料蟲質(zhì)量比為8～10[14]，同時考慮黑水虻幼蟲負趨光機械蠕動特征明顯，不便于試驗設(shè)計，對黑水虻蟲沙中混雜的黑水虻幼蟲進行了預(yù)篩選處理，主要以蟲沙中有機肥顆粒作為主要研究與分析對象。

2.1 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

并排式雙葉輪集料裝置主要由兩個并排葉輪、電動機、弧形葉輪片、集料底板、葉輪軸等部件組成。弧形葉輪片沿葉輪軸圓周方向焊接，左右葉輪的結(jié)構(gòu)與參數(shù)相同，水平方向左右并排，左右葉輪軸軸心距離等于單個葉輪回轉(zhuǎn)直徑。并排式雙葉輪集料裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)包括整體外形參數(shù)和單個弧形葉輪片結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別如圖3和圖4所示。

并排式雙葉輪集料裝置整體外形參數(shù)根據(jù)地槽式黑水虻養(yǎng)殖特點及黑水虻蟲沙工藝特點設(shè)計，地槽寬度為0.8 m，因在豬糞堆積厚度為0.15 m環(huán)境下，黑水虻生物轉(zhuǎn)化效益相對較高[10]，經(jīng)中間加料管理，第5齡期的黑水虻蟲沙有機肥層鋪厚度均值為0.15 m，設(shè)計集料裝置外形長×高(a×c)為0.8 m×0.2 m，集料底板沿雙葉輪中心線后端兩側(cè)對稱開口，形成長×寬(b×k)為0.4 m×0.2 m的卸料口。葉輪由5IK60RGU-CF型電動機(晟邦公司，120 W)驅(qū)動，并排式葉輪對向勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)，如圖3所示。

根據(jù)并排式雙葉輪集料裝置整體外形參數(shù)，單個弧形葉輪片結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。本文設(shè)計的葉輪回轉(zhuǎn)直徑D1為0.4 m，單個弧形葉輪片水平長度l2為0.2 m，并排式雙葉輪作業(yè)水平寬度l3為0.8 m，并排式雙葉輪弧形葉輪片高度H為0.2 m，葉輪軸直徑d為0.02 m。沿葉輪軸圓周方向焊接的弧形葉輪片由直線段和弧形段組成，其中直線段l1為0.03 m，用于和葉輪軸軸向表面焊接固定。同時，為了使葉輪在一定轉(zhuǎn)速下，弧形葉輪片能對層鋪狀態(tài)有機肥進行刮料、收集，設(shè)計弧形葉輪片的圓弧段的彎曲方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，弧形葉輪片彎曲角γ結(jié)合弧形葉輪片曲線方程確定參數(shù)。為降低葉輪旋轉(zhuǎn)慣性，在滿足弧形葉輪片強度要求下，經(jīng)前期試驗確定，弧形葉輪片的材料為不銹鋼，厚度e為0.003 m，R為弧形葉輪片的半徑。

2.2 葉輪傾角設(shè)計

并排式雙葉輪回轉(zhuǎn)平面若水平接地，集料時將起不到對地槽層鋪狀態(tài)有機肥進行集料、提升、轉(zhuǎn)移輸送的作用。為解決上述問題，并排式雙葉輪回轉(zhuǎn)平面與水平面設(shè)計一定的傾角，即葉輪前傾接地方式，將雙葉輪集料底板前端局部接地，雙葉輪回轉(zhuǎn)平面與水平面設(shè)計一定的傾角θ，如圖5所示。

葉輪旋轉(zhuǎn)集料時，弧形葉輪片對集料底板上的有機肥產(chǎn)生推力F，同時受重力G、集料底板對其產(chǎn)生的摩擦阻力Ff等作用力的影響，有機肥M能夠沿集料底板向上運動的條件為

Fcosθ≥Gsinθ+Ff

(1)

其中

Ff=μ(Gcosθ+Fsinθ)

(2)

(3)

式中μ——集料底板與有機肥M間的摩擦因數(shù)

葉輪傾角θ的作用是將弧形葉輪片推送的有機肥進行一定高度的提升，便于轉(zhuǎn)移輸送。葉輪傾角θ的大小直接影響集料性能，由式(3)可知，葉輪傾角θ與弧形葉輪片對集料底板上有機肥的推力F、有機肥重力G、集料底板與有機肥間的摩擦因數(shù)μ有關(guān)，葉輪傾角θ過大，有機肥將會堵塞在弧形葉輪片上，工作阻力增加，集料性能降低；葉輪傾角θ過小，影響輸送帶結(jié)構(gòu)設(shè)計，弧形葉輪片無法有效提升、轉(zhuǎn)移輸送有機肥，從而影響整機作業(yè)性能。參照文獻[21-22]與有機肥物料滑動特性[23]，并考慮后端輸送帶安裝接地高度需要，葉輪傾角θ設(shè)置為10°～30°適宜，本設(shè)計通過試驗進一步確定葉輪傾角θ。

2.3 弧形葉輪片曲線方程

為使葉輪集料、提升、轉(zhuǎn)移有機肥過程可靠，需確保物料沿弧形葉輪片滑動，使物料輸送平穩(wěn)、不發(fā)生堵塞粘結(jié)[24-25]。葉輪運動分析如圖6所示。假定有機肥顆粒M在弧形葉輪片上的圓周徑向速度分量v3和切向的速度分量v2分別為

v3=ωR1cosαsinα

(4)

v2=ωR1(cosα)2

(5)

式中ω——弧形葉輪片旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

R1——物料顆粒M的瞬時回轉(zhuǎn)半徑，m

α——物料顆粒運動方向與圓周切線方向的夾角，(°)

因此，將物料顆粒M(x，y)作為研究對象，弧形葉輪片曲線方程為

F(x，y)=0

(6)

即

y=f(x，y)

(7)

已知物料顆粒M(x，y)在弧形葉輪片曲線上任一點，則

(8)

直線OM的斜率為

(9)

式中β——顆粒M徑向與水平方向夾角，(°)

(10)

(11)

即弧形葉輪片曲線方程為

(12)

式中c——任意實常數(shù)

2.4 葉輪運動學(xué)分析

集料過程中，弧形葉輪片依次完成對地槽中有機肥進行集料、沿集料底板提升、落料，在水平面上將形成一條余擺帶陰影軌跡，如圖7所示，弧形葉輪片自O(shè)2M1連線點接觸集料底板并向有機肥物料方向運動，集料底板開始鏟料、弧形葉輪片刮料、推動有機肥物料沿集料底板滑動提升；M2N2連線處弧形葉輪片開始往內(nèi)推動物料向落料口，M3N3連線處時，開始落料，弧形葉輪片集料的有機肥落入下端的輸送帶上。通過圖7分析可知，O2M1至O2M2過程中，為鏟料、刮料主要作業(yè)區(qū)域，O2M2至O2M3過程中，為弧形葉輪片推送、擠壓、提升物料主要階段，集料量降低，部分物料因受擠壓脫離弧形葉輪片內(nèi)側(cè)而外排；O2M3至O2M4過程中，在弧形葉輪片推力、有機肥自身重力以及慣性力等力作用下，物料脫離弧形葉輪片，落入輸送帶[26-27]。相鄰弧形葉輪片依次完成物料的鏟取、刮料、推送、落入輸送帶的過程。

弧形葉輪片尖端運動軌跡方程為

(13)

式中t——時間，s

v——弧形葉輪片前進速度，m/s

對時間t求導(dǎo)，得弧形葉輪片末端的速度方程為

(14)

而相鄰弧形葉輪片尖端運動軌跡方程為

(15)

式中φ——葉輪相鄰弧形葉輪片夾角，(°)

單個弧形葉輪片的前進距離S為

(16)

式中n——弧形葉輪片轉(zhuǎn)速，r/min

z——弧形葉輪片數(shù)量

在并排式雙葉輪集料過程中，根據(jù)地槽養(yǎng)殖特點及黑水虻養(yǎng)殖工藝要求，葉輪回轉(zhuǎn)直徑已經(jīng)固定，葉輪上弧形葉輪片過多，單個弧形葉輪片集料量降低，重復(fù)集料區(qū)域增大，考慮機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的對稱性與受力均衡，當φ為90°時，即葉輪由4個弧形葉輪片周向均勻布置，間隔角為90°，合理控制前進速度與葉輪轉(zhuǎn)速，利于減小葉輪相鄰兩個弧形葉輪片重復(fù)集料區(qū)域并實現(xiàn)不漏集。因此，設(shè)計弧形葉輪片數(shù)為4個。但是，當葉輪轉(zhuǎn)速n最小、前進速度v最大時，理論上將出現(xiàn)最大的漏集區(qū)域，為保證葉輪相鄰兩個弧形葉輪片不漏集，相鄰弧形葉輪片的運動軌跡不漏集的條件為

S≤s

(17)

其中

s=Rsin(ωt-φ)cosθ

(18)

式中s——單個弧形葉輪片集料區(qū)域在水平面上的直線投影距離，m

將式(16)、(18)代入式(17)整理得

(19)

由式(19)可見，并排式葉輪集料裝置在集料過程中，葉輪前進速度v、回轉(zhuǎn)半徑R、弧形葉輪片數(shù)量z、葉輪轉(zhuǎn)速n、葉輪傾角θ、葉輪相鄰弧形葉輪片的夾角φ等因素對集料過程有著直接的影響作用，在葉輪回轉(zhuǎn)半徑、弧形葉輪片數(shù)量、相鄰弧形葉輪片的夾角確定情況下，并排式雙葉輪集料性能與葉輪前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪傾角有直接關(guān)系。此外，前期預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，葉輪前進速度影響集料質(zhì)量，且前進速度的變化范圍遠小于葉輪轉(zhuǎn)速。綜上，由理論分析可知，影響并排式雙葉輪集料裝置作業(yè)性能的因素為葉輪前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪傾角，為后續(xù)進一步試驗優(yōu)化提供了依據(jù)。

3 試驗

3.1 試驗設(shè)備與方法

試驗時間：2021年7月；試驗地點：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)實訓(xùn)中心；試驗采用湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園黑水虻科研基地的黑水虻蟲沙(黑水虻幼蟲生物轉(zhuǎn)化豬糞后形成的有機肥)，試驗采用電熱鼓風干燥箱(型號為WGLL-230BE)烘干法測量取樣的蟲沙含水率，具體步驟為：首先用ACS-30型電子天平(精度為0.1 g)稱取，蟲沙濕質(zhì)量記作ma，然后，將該取樣蟲沙置于105℃的電熱鼓風干燥箱內(nèi)恒溫烘烤5～6 h至恒質(zhì)量，然后測定烘干取樣蟲沙，記作干質(zhì)量mb，通過兩次平行試驗計算獲得蟲沙含水率((1-mb)/ma×100%)均值為44.8%。其余試驗設(shè)備包括攝像機、鋼卷尺、秒表、DMI420型數(shù)顯傾角儀(精度為0.05°)等。

試驗根據(jù)理論設(shè)計模型，自制并排式黑水虻蟲沙雙葉輪集料裝置，主要研究集料性能，對整機后端分選裝置進行了刪減，部分支撐件進行了簡化，試驗裝置如圖8所示。試驗前，在自制地槽(長×寬×高為5 m×0.85 m×0.20 m)中鋪滿含水率為44.8%的黑水虻蟲沙，層鋪高度均值為0.15 m，與實際養(yǎng)殖條件保持相對一致。輸送帶單向長度為1.5 m，寬度為0.6 m，略寬于卸料口寬度，防止輸送帶兩邊側(cè)漏。然后，通過變頻控制器分別控制葉輪電動機、輸送帶電動機以及行走輪驅(qū)動電動機，分別調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速、輸送帶轉(zhuǎn)速以及葉輪前進速度。葉輪與地槽水平面傾角通過后端升降桿調(diào)節(jié)，數(shù)顯傾角儀輔助顯示葉輪與地槽水平面間的傾角。地槽兩端預(yù)留空余區(qū)域，用于集料裝置作業(yè)方向調(diào)整及葉輪傾角、葉輪轉(zhuǎn)速、輸送帶轉(zhuǎn)速、前進速度等參數(shù)預(yù)調(diào)節(jié)匹配。每次相同的集料時間間隔重復(fù)試驗測量3次，相同時間間隔試驗結(jié)束時，同步停止葉輪旋轉(zhuǎn)電動機與行走輪驅(qū)動電動機，待輸送帶上物料完全輸送卸料后，停止輸送帶電動機。最后，用電子天平稱取輸送帶后方集料平臺上的蟲沙質(zhì)量，取平均值，計算獲得集料效率與集料均勻度變異系數(shù)。

3.2 集料性能評價方法

由于國內(nèi)目前還沒有黑水虻蟲沙集料、輸送等方面的試驗標準以及評價作業(yè)效果的相關(guān)量化指標，本文主要研究并排式雙葉輪工作參數(shù)對集料性能的影響，以期在地槽黑水虻蟲沙集料、轉(zhuǎn)移輸送等作業(yè)過程中降低勞動強度，提高作業(yè)效率，同時，為后續(xù)蟲沙分選提供連續(xù)物料流。因此，結(jié)合黑水虻蟲沙養(yǎng)殖環(huán)境及工藝特點，為了準確評價并排式雙葉輪集料裝置在鏟料、刮料、提升、轉(zhuǎn)移方面的作業(yè)效果，參照文獻[14,18-20]，以集料效率和集料均勻度變異系數(shù)為評價指標。集料效率越大，單位時間集料質(zhì)量越大，作業(yè)效率越高；集料均勻度變異系數(shù)越小，相鄰均勻時間間隔內(nèi)的集料可靠性和均勻性越好，集料效果越佳，可為后續(xù)蟲沙的分選提供穩(wěn)定、連續(xù)的物料流。

3.3 單因素試驗

并排式雙葉輪集料裝置單因素試驗主要研究集料裝置前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪傾角與集料效率、集料均勻度變異系數(shù)之間的變化關(guān)系，為后續(xù)組合優(yōu)化試驗選取合適的因素水平值提供參考。

3.3.1前進速度

圖9為葉輪傾角15°，葉輪轉(zhuǎn)速15 r/min時，葉輪前進速度對集料性能的影響。由圖9可知，隨著前進速度的增加，葉輪集料效率增加趨勢先急后緩，集料均勻度變異系數(shù)先降低后增大。原因在于，隨著前進速度增大，集料底板鏟料、弧形葉輪片刮料填充量迅速增加，集料效率開始迅速增大；但隨著前進速度進一步提高，弧形葉輪片單次集料填充量增多，甚至出現(xiàn)阻礙弧形葉輪片運動，易形成物料擠壓黏結(jié)堵塞現(xiàn)象，集料效率增速減緩；而變異系數(shù)隨著前進速度增加，進給量增加，弧形葉輪片集料量變得充分、均勻，變異系數(shù)降低，但隨著前進速度持續(xù)增加，弧形葉輪片的前方物料填充量過大，存在相鄰弧形葉輪片刮料量不均現(xiàn)象，變異系數(shù)反而增大。

3.3.2葉輪傾角

圖10為前進速度0.03 m/s，葉輪轉(zhuǎn)速15 r/min時，葉輪傾角對集料性能的影響。由圖10可知，隨著葉輪傾角的增加，集料效率和變異系數(shù)先升高然后降低。原因在于，葉輪傾角最小時，葉輪集料底板鏟料不明顯，主要依靠弧形葉輪片對作業(yè)前方的物料進行刮料，刮料量少，集料效率較低，但葉輪相鄰弧形葉輪片刮料量相對較均勻，變異系數(shù)低；隨著葉輪傾角增大，葉輪集料底板在一定前進速度條件下，對作業(yè)前方的物料進行鏟料現(xiàn)象明顯，物料堆積量明顯增大，在自身重力、弧形葉輪片推力、物料與弧形葉輪片間滑動摩擦力等作用下，弧形葉輪片集料量增多，但易出現(xiàn)葉輪的相鄰弧形葉輪片鏟料量不均勻，變異系數(shù)提高；在葉輪傾角超過20°時，葉輪集料底板及弧形葉輪片對物料的鏟收、提升能力達到最大，然后受物料自身重力以及物料堆積滑動等因素影響而下滑，鏟料與刮料能力降低，集料性能降低。同時，因為傾角增大，葉輪相鄰弧形葉輪片集料量變小，但差異性降低，變異系數(shù)減小。

3.3.3葉輪轉(zhuǎn)速

圖11為葉輪在前進速度0.03 m/s，葉輪傾角15°時，葉輪轉(zhuǎn)速對集料性能的影響。由圖11可知，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，集料效率先增加后降低，變異系數(shù)先降低后增大。原因在于，葉輪轉(zhuǎn)速較低時，弧形葉輪片推送的物料運動緩慢，集料底板物料堆積現(xiàn)象嚴重，導(dǎo)致單位時間內(nèi)集料效率降低，葉輪相鄰弧形葉輪片推送、擠壓的物料量變化差異增大，變異系數(shù)較高；葉輪轉(zhuǎn)速較高時，單位時間內(nèi)弧形葉輪片推送提升物料增加，集料效率增大，尤其是相鄰弧形葉輪片擠壓、推送物料較小，但均勻性增強，變異系數(shù)降低，在10～20 r/min范圍內(nèi)，保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。但是當葉輪轉(zhuǎn)速逐漸提高，因離心力的作用，弧形葉輪片產(chǎn)生側(cè)向外拋現(xiàn)象，導(dǎo)致往內(nèi)推送、擠壓物料量減少，集料效率逐漸降低，尤其是葉輪相鄰弧形葉輪片因離心力作用向外側(cè)拋送物料量不一致，左右弧形葉輪片對向側(cè)拋，導(dǎo)致集料物料不均勻度增加，變異系數(shù)提高；但是當葉輪轉(zhuǎn)速超過30 r/min時，因為轉(zhuǎn)速過高，弧形葉輪片離心力作用過大，集料量不斷減小，集料效率持續(xù)降低，弧形葉輪片集料量變化幅度反而減小，變異系數(shù)降低。

3.4 響應(yīng)面試驗

3.4.1試驗設(shè)計

通過分析并排式雙葉輪集料裝置的前進速度、葉輪傾角、葉輪轉(zhuǎn)速對集料性能影響的單因素試驗，得到集料性能較好時的合理變化范圍，在此基礎(chǔ)上，以前進速度、葉輪傾角、葉輪轉(zhuǎn)速為試驗因素，集料效率和集料均勻度變異系數(shù)為評價指標，進行三因素三水平二次回歸正交試驗，試驗因素編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Codes of test factors

3.4.2試驗方案與結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗原理設(shè)計的三因素三水平二次回歸正交試驗結(jié)果如表2所示[28]，X1、X2、X3為因素編碼值。

3.4.3回歸模型建立與顯著性檢驗

采用Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合分析，建立集料效率、集料均勻度變異系數(shù)對葉輪前進速度、葉輪傾角、葉輪轉(zhuǎn)速的自變量編碼值二次多項式回歸模型

表2 試驗方案與結(jié)果Tab.2 Response surface analysis plan and test results

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(21)

對式(20)、(21)進行方差分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，響應(yīng)面回歸模型中集料效率Y1和集料均勻度變異系數(shù)Y2的P值均小于0.001，模型極顯著。失擬項P>0.05，說明回歸模型擬合度高。模型決定系數(shù)R2分別為0.969 1、0.955 9，表明95%以上的評價指標均可由上述2個模型進行優(yōu)化分析。

將不顯著的交互作用項的回歸平方和及自由度并入殘差項，對模型Y1、Y2進行優(yōu)化得

(22)

(23)

根據(jù)模型Y1、Y2的P值與模型Y1、Y2的失擬項P值可知優(yōu)化模型可靠。試驗因素影響葉輪集料效率的主次順序為：葉輪傾角、前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速。試驗因素影響集料均勻度變異系數(shù)的主次順序為：葉輪轉(zhuǎn)速、前進速度、葉輪傾角。

3.4.4交互因素對集料性能影響效應(yīng)分析

為了直觀了解各交互因素對試驗指標的影響，利用Design-Expert 8.0.6軟件分別做出影響顯著的各交互因素對集料效率與均勻度變異系數(shù)影響的響應(yīng)面分析圖，如圖12所示。

表3 回歸模型方差分析Tab.3 Variance analysis of regression model

圖12a為并排式雙葉輪集料裝置在葉輪傾角位于中心水平(20°)時，前進速度與葉輪轉(zhuǎn)速對集料效率Y1交互作用的響應(yīng)面圖。由圖12a可知，隨著前進速度增加，集料效率先增加后減小；隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，集料效率先增加后減小。且在中心水平下，前進速度對集料效率的影響比葉輪轉(zhuǎn)速的影響幅度明顯一些。原因在于，前進速度逐漸提高時，弧形葉輪片單位時間內(nèi)集料量逐漸增加，集料效率提高；但當前進速度過高時，弧形葉輪片前方物料堆積不斷增多，雙葉輪的弧形葉輪片交界處產(chǎn)生堵塞積壓現(xiàn)象、前進阻力增加，集料效率不穩(wěn)定，導(dǎo)致集料效率降低。葉輪轉(zhuǎn)速較低時，相鄰弧形葉輪片集料量分散程度高，單位時間集料量降低；葉輪轉(zhuǎn)速過高，葉輪相鄰弧形葉輪片集料量均勻度較高，能較好形成穩(wěn)定的物料流，盡管單個弧形葉輪片集料量明顯降低，集料效率相對降低。

圖12b為并排式雙葉輪集料裝置在葉輪傾角位于中心水平(20°)時，葉輪前進速度與葉輪轉(zhuǎn)速對集料均勻度變異系數(shù)Y2交互作用的響應(yīng)面圖。由圖12b可知，隨著前進速度的增加，均勻度變異系數(shù)先減小后增大，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，均勻度變異系數(shù)逐漸減小。原因在于，前進速度較小，集料底板鏟料量降低，葉輪弧形葉輪片依次集料量較均勻，均勻度變異系數(shù)??；前進速度過高，集料底板鏟料量增多，雙葉輪弧形葉輪片交界處積壓堵塞的物料增多，弧形葉輪片依次集料量不均勻度增大，均勻度變異系數(shù)升高。隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，單位時間內(nèi)弧形葉輪片集料次數(shù)增加，降低了葉輪前方物料積壓量，相鄰弧形葉輪片依次集料量雖然降低，但整體均勻性變好，均勻度變異系數(shù)降低。

4 參數(shù)優(yōu)化與驗證

為達到并排式雙葉輪集料裝置最佳的集料性能，并為后續(xù)提供連續(xù)的蟲沙物料流，以便提高分選效率，需要使集料效率較高，集料均勻度變異系數(shù)較小。通過交互因素對集料效率與集料均勻度變異系數(shù)的影響效應(yīng)分析可知：當要獲得較高的集料效率，就要滿足前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪傾角位于中心水平；要滿足集料均勻度變異系數(shù)較低，就要滿足前進速度與葉輪傾角位于中心水平、葉輪轉(zhuǎn)速較高?？紤]各因素指標對響應(yīng)值的影響程度變化不同，需進行多目標優(yōu)化分析。

按照集料效率最大、集料均勻度變異系數(shù)最小的原則，運用Design-Expert 8.0.6軟件對2個指標的全因子二次回歸模型最優(yōu)化進行求解，目標函數(shù)約束條件為

(24)

根據(jù)2個指標的重要性，設(shè)置集料效率與集料均勻度變異系數(shù)的權(quán)重分配配集為W={0.5,0.5}。優(yōu)化后得到最優(yōu)工作參數(shù)組合為：前進速度為0.06 m/s、葉輪傾角為17.72°、葉輪轉(zhuǎn)速為15.85 r/min，此時集料效率為4.54 kg/s，集料均勻度變異系數(shù)為2.66%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對數(shù)據(jù)進行取整，將前進速度設(shè)置為0.06 m/s、葉輪傾角為18°、葉輪轉(zhuǎn)速為16 r/min，其他條件不變，再次用軟件求優(yōu)，優(yōu)化參數(shù)結(jié)果為集料效率4.50 kg/s，集料均勻度變異系數(shù)2.63%。為驗證模型預(yù)測的準確性，在此方案下重復(fù)試驗3次，取平均值，結(jié)果如表4所示。

表4 模型優(yōu)化與試驗對比Tab.4 Comparison between model optimization and experiment

通過表4可知，試驗結(jié)果與優(yōu)化后的理論值相對誤差分別為3.78%與6.84%，可以看出Y1、Y2的試驗值與理論優(yōu)化值較接近，參數(shù)優(yōu)化模型可靠。

5 結(jié)論

(1)針對黑水虻蟲沙集料作業(yè)勞動強度大的問題，根據(jù)地槽黑水虻養(yǎng)殖特點與黑水虻蟲沙工藝，采用理論與試驗相結(jié)合的方法，設(shè)計了一種并排式雙葉輪集料裝置，通過雙葉輪對向旋轉(zhuǎn)集料，提高了地槽層鋪狀態(tài)黑水虻蟲沙的集料效率，降低了勞動強度，并為蟲沙分選提供了連續(xù)的物料流。

(2)采用Box-Behnken試驗方法進行回歸分析可知，并排式雙葉輪集料裝置的前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪傾角對集料效率影響主次順序依次為葉輪傾角、前進速度、葉輪轉(zhuǎn)速；各因素對集料均勻度變異系數(shù)影響主次順序依次為葉輪轉(zhuǎn)速、前進速度、葉輪傾角。

(3)并排式雙葉輪集料裝置最優(yōu)工作參數(shù)為前進速度0.06 m/s、葉輪傾角18°、葉輪轉(zhuǎn)速16 r/min，試驗結(jié)果為集料效率4.67 kg/s，集料均勻度變異系數(shù)2.81%，與優(yōu)化后的理論值相對誤差分別為3.78%與6.84%，驗證了模型參數(shù)的準確性，基本滿足試驗設(shè)計要求。