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        魚苗體型對(duì)輥道式分選機(jī)的適應(yīng)性研究

        2021-10-20 10:36:18周明剛
        機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2021年10期
        關(guān)鍵詞:鳊魚輥道體長(zhǎng)

        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)者展開了相關(guān)魚苗力學(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)了一種淡水魚頭尾與腹背定向裝置,以鰱魚為定向?qū)ο螅ㄟ^理論分析和傾斜振動(dòng)臺(tái)面試驗(yàn),測(cè)出了魚體與機(jī)械間的摩擦特性。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)的分魚機(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)格的魚苗分選。文獻(xiàn)[8]將擋板與分魚柵相結(jié)合,提出了一防敵害式分魚裝置,既能使魚類按體型分選,同時(shí)有效保護(hù)魚類免遭敵害捕食。但上述文獻(xiàn)鮮有魚苗分選機(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重原理分級(jí),不適合在有水環(huán)境進(jìn)行魚苗的稱重分選,因此按照魚苗體型參數(shù)和三等級(jí)分選目標(biāo),確定以體寬作為判別條件對(duì)魚苗分選。

        采用離散元法構(gòu)建分選機(jī)關(guān)鍵部件-魚苗作用模型,以魚苗體長(zhǎng)、體寬及體高為試驗(yàn)因素,對(duì)魚苗分選過程進(jìn)行虛擬仿真分析,最后驗(yàn)證了不同種魚苗分選下分選機(jī)的適應(yīng)性,以期為魚苗分選機(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)

        輥道式魚苗分選機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu),如圖1所示。主要由進(jìn)魚倉(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,魚苗經(jīng)吸魚泵進(jìn)入進(jìn)魚倉(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,魚苗可依次實(shí)現(xiàn)小中大分選。

        圖1 輥道式魚苗分選機(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)械與魚苗的仿真模型的正確性,以1-100號(hào)鯽魚為分選對(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)魚量3尾/s。在最優(yōu)工作參數(shù)組合下,分析魚苗的體長(zhǎng)、體寬、體高對(duì)魚苗分選機(jī)適應(yīng)性的影響。

        3 基于離散元的魚苗分選機(jī)仿真分析

        通過建立的魚苗分選機(jī)與魚苗耦合作用模型進(jìn)行模擬仿真,以分選過程中的分魚準(zhǔn)確率和魚苗進(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以內(nèi)的鯽魚、草魚、鰱魚及鳊魚為研究對(duì)象,如圖4所示。通過電子秤等儀器,對(duì)其尺寸參數(shù)進(jìn)行測(cè)定,測(cè)得表1數(shù)據(jù)。而為提高魚苗模型的收斂性,魚苗保留魚體主干,去除魚苗尾鰭、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)魚倉(cāng)、分選裝置為進(jìn)魚通道、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)魚槽。

        3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

        主要采用魚苗在分選過程中的分魚準(zhǔn)確率y1魚苗進(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)魚槽內(nèi)且符合分級(jí)間距魚苗數(shù)量(尾);n2-在同樣的分選作業(yè)時(shí)間下,落入儲(chǔ)魚槽里的魚苗數(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)的魚苗總數(shù)量(尾)。

        3.3 魚苗分選機(jī)虛擬仿真分析

        由于魚苗分選過程受力較復(fù)雜,無法推算出魚苗的恢復(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)通過圖6摩擦角試驗(yàn)和文獻(xiàn)[6]可測(cè)得無水情況下魚體與鋼的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.35,靜摩擦系數(shù)為0.4,而有水情況下魚體與鋼的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15,靜摩擦系數(shù)為0.2,魚體之間的動(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。仿真開始時(shí),分選輥道反向旋轉(zhuǎn),以及開始生成魚苗,直至魚苗全部生成完后1s仿真結(jié)束,其魚苗分選過程如圖7所示。

        圖7 魚苗分選過程Fig.7 Fry Sorting Process

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

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

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

        由圖8可知,在魚苗分選過程中分魚準(zhǔn)確率和魚苗進(jìn)槽率均隨著時(shí)間增大趨于穩(wěn)定。在(20~120)s時(shí)間段,分魚準(zhǔn)確率和魚苗進(jìn)槽率迅速上升,主要是因?yàn)殡S著進(jìn)入分選輥組上魚苗的數(shù)量增加,部分二、三段體寬大些未落入儲(chǔ)魚槽的魚苗對(duì)體寬小的魚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)魚槽魚苗數(shù)量增加。

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

        由圖9可知,隨著魚苗初始速度的增加,分魚準(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,輥道上魚苗的離散程度較好,落入一二段的魚苗數(shù)量增加,但當(dāng)魚苗初始速度過大,尚未來的及分選的魚苗被后來的魚苗推入到下一段間距,使落入一二段的魚苗數(shù)量減少,其分魚準(zhǔn)確率在0.3m/s與0.7m/s處取峰值為94.51%。而魚苗進(jìn)槽率隨著速度增加趨于穩(wěn)定,在(0~0.1)m/s之內(nèi)魚苗進(jìn)槽率迅速上升,主要在于魚苗的初始速度逐漸高于魚苗分選速度,減少了魚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苗數(shù)量趨于穩(wěn)定,其魚苗進(jìn)槽率逐漸平穩(wěn)。最后結(jié)合圖3整機(jī)試驗(yàn),確定魚苗的仿真時(shí)間為170s,魚苗的初始速度為0.5m/s。

        4 EDEM虛擬仿真試驗(yàn)與分析

        4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        為研究不同種魚苗下分選機(jī)適應(yīng)性變化規(guī)律,分析影響魚苗分選機(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。以魚苗的體寬、體高和體長(zhǎng)為試驗(yàn)因素,分魚準(zhǔn)確率和魚苗進(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),分魚準(zhǔn)確率和魚苗進(jìn)槽率越高,表明魚苗分選機(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;影響魚苗進(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,可確定影響魚苗分選機(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)分魚準(zhǔn)確率影響非常顯著(F>F0.05),體寬A和體高B對(duì)分魚準(zhǔn)確率影響不顯著(F<F0.1);體寬A對(duì)魚苗進(jìn)槽率影響顯著(F>F0.1),體高B和體長(zhǎng)C對(duì)魚苗進(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)前四種魚苗為分析對(duì)象,通過建立的仿真模型驗(yàn)證魚苗分選機(jī)的適應(yīng)性。從圖10中可知,同體寬下的四種魚苗,鯽魚的分魚準(zhǔn)確率最高,鳊魚的分魚準(zhǔn)確率最低,其分魚準(zhǔn)確率分別為91.96%、83.73%,主要因?yàn)橥w寬下的鯽魚的體長(zhǎng)與體高比例最低,受相鄰魚苗干擾也最小,鳊魚的體長(zhǎng)與體高綜合比例最高,受相鄰魚苗干擾最大。而魚苗的魚苗進(jìn)槽率都處于97.65%波動(dòng),說明魚苗進(jìn)槽率對(duì)同一體寬的魚苗分選沒有影響。由表2可知,鳊魚體高比例高于草魚1.1,但其分魚準(zhǔn)確率與鳊魚的分魚準(zhǔn)確率基本一致,說明體高對(duì)分魚準(zhǔn)確率的影響不大;鰱魚的體長(zhǎng)比例較其他三種最長(zhǎng),但體高介于草魚、鳊魚之間,綜合體長(zhǎng)與體高比例等同草魚與鳊魚,故三者的分魚準(zhǔn)確率基本都處于84.12%。

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

        5 結(jié)論

        (1)以魚苗的體寬、體高和體長(zhǎng)為試驗(yàn)因素,分魚準(zhǔn)確率和魚苗進(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;影響魚苗進(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)分魚準(zhǔn)確率影響非常顯著,體寬與體高對(duì)分魚準(zhǔn)確率影響不顯著;體寬對(duì)魚苗進(jìn)槽率影響顯著,體高與體長(zhǎng)對(duì)魚苗進(jìn)槽率影響不顯著。最后綜合實(shí)際作業(yè)分選要求,可確定影響魚苗分選機(jī)適應(yīng)性的主次順序?yàn)轶w長(zhǎng)、體寬、體高。

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

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