馬駿原，弋景剛，張秀花，王澤河，楊淑華，袁永偉，孔德剛

（河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，河北 保定 071001）

我國是對蝦主要生產(chǎn)國家之一，據(jù)統(tǒng)計，2019年我國對蝦養(yǎng)殖量約為181.5 多萬t，捕撈量約為21.5 萬t［1］。為匹配對蝦高產(chǎn)量的現(xiàn)狀，對蝦機械化加工也需要進一步提高生產(chǎn)效率。對蝦分級就是將對蝦按照尺寸的大小分為多個等級，便于后續(xù)的品質區(qū)分和機械化加工，是絕大部分對蝦機械化加工的第一道工序。提高對蝦分級的效率，可以為其余的加工工序的效率提升奠定基礎。

我國大部分企業(yè)正在使用的是對輥式對蝦分級機，通過上料裝置使對蝦落入反向旋轉的對輥之間，輥傾斜放置，為直徑逐漸減小的階梯型，從而使兩輥間隙逐漸增大。當對蝦體厚大于兩輥間隙時對蝦會沿著輥軸向下滑，當體厚小于間隙時，會從間隙下落，落入下方對應分級的出料輸送帶上，實現(xiàn)按對蝦體厚分級［2］。

為進一步提高對輥式分級機的分級效率，李影欣研究了輥傾斜角和分級效率的關系［3］，龔宇針對對輥式魚苗分級設備進行了設計和參數(shù)優(yōu)化［4］。但是他們兩位僅在輥組機構上做研究，未研究上料機構對對蝦分級效率和精度的影響。楊淑華等基于TRIZ理論為輥式對蝦分級機增加了1 組打散輥，防止對蝦堆積并對其定向［5］，熊師等針對去頭對蝦設計了逐只分離裝置和定向輸送裝置［6-7］，對對蝦上料的研究均集中在去頭和剝殼裝置的背腹定向上［8,13］，對對蝦分級機的上料機構的研究比較缺乏。本研究通過離散元仿真研究輥式對蝦分級機所需的最佳上料參數(shù)，據(jù)此設計1 種新型的對蝦上料機構。

1 最佳上料參數(shù)的確定

為了得到對蝦分級機所需最佳上料參數(shù)，為之后上料裝置的設計提供理論依據(jù)，使用EDEM 軟件對對蝦分級機進行仿真模擬。

1.1 EDEM 模型建立

通過查閱資料和實際測量得到，成熟對蝦的體長大部分在120 ～200 mm 之間，最長可達230 mm［14］。厚度在10 ～18 mm 之間，按照對蝦分級工藝，對蝦分級前，會放入冰水混合物中減小活性使其昏厥，然后上料分級。如圖1 所示，即為昏厥的對蝦。

圖1 昏厥對蝦Fig. 1 Fainting shrimp

此時的對蝦安靜且身體柔軟，自然狀態(tài)下略有弧度，基本處于伸直狀態(tài)，非常適合分級［15］。

為還原真實對蝦上料分級狀態(tài)，保證仿真結果真實可靠，以1 頭130 mm 長對蝦模型為藍本，去除足，觸角，尾肢等對上料效果影響較小的部位［16］，對主體部分使用EDEM 軟件顆粒建模，模型如圖2所示。針對5 級分級，自定義5 種對應尺寸的對蝦顆粒模型，各占20%。

圖2 對蝦顆粒建模圖Fig. 2 Modeling diagram of shrimp particles

為提升仿真速度，合理有效進行模擬，將對蝦分級機模型進行抽象簡化，僅保留1 組分級輥和出料機構，將出料輸送帶更改為儲料池，將分級完成的對蝦收集以便于后期數(shù)據(jù)統(tǒng)計與整理，將簡化后的模型導入離散元仿真軟件EDEM。仿真效果如圖3 所示［17,19］。

圖3 分級機仿真效果圖Fig. 3 Simulation effect diagram of classifier

分級輥為不銹鋼材質，查閱相關資料，確定材料屬性和接觸屬性如表1、表2 所示［20］。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

表2 接觸屬性Table 2 Contact propertics

1.2 分級評定指標確定

查閱相關資料［21］，并結合分級機實際工作情況，以分級成功率P1、分級正確率P2、成功分級效率η1，正確分級效率η2作為分級作業(yè)的評價指標，其定義為：

其中，t為分級時間，n1為在時間t內，成功落入出料儲料池中的對蝦數(shù)量，n2為在時間t內，落入了正確分級所對應的儲料池的對蝦數(shù)量，n3為時間t內，入料到分級輥間的對蝦數(shù)量。

1.3 入料姿態(tài)范圍確定

定義對蝦背脊線和輥軸線夾角為姿態(tài)角θ，如圖4 所示。對蝦在姿態(tài)角為0°時，才可實現(xiàn)體厚剛小于輥間隙時，就從間隙滑落。只要對蝦與輥軸線存在夾角就需要一段滑動過程，借助輥的轉動調整到姿態(tài)角約等于0°，若姿態(tài)角過大，則有可能無法調整姿態(tài)，從輥間隙中飛出，分級失敗。通過仿真，確定不影響分級精度的姿態(tài)角范圍。

圖4 姿態(tài)角示意圖Fig. 4 Schematic diagram of attitude angle

在分級輥的入料位置生成顆粒工廠，以24 g/s的速度生成對蝦模型，通過調整顆粒工廠的方向向量，分別生成姿態(tài)角0°、15°、30°、45°的對蝦，記錄這4 種姿態(tài)角下，對蝦分級的效果，因為該試驗旨在確定分級精度和姿態(tài)角的關系，故而以分級成功率P1和5 個級別的分級正確率P2作為評價指標，最終結果如表3 所示。

表3 姿態(tài)角影響Table 3 The influence of attitude angle

通過觀察表3，結合仿真效果可以得到，姿態(tài)角為0°時分級效果最好，15°時，對蝦落入輥間隙后能夠很快調整姿態(tài)，分級精度基本未受影響，30°時，前2 級的精度受到姿態(tài)調整慢的影響有所下降，45°時，分級正確率和分級成功率降幅明顯。綜合考慮，分級機對入料姿態(tài)角的需求為0°～30°。

1.4 入料速度確定

現(xiàn)有對蝦分級機上料裝置尺寸和上料速度均有所不同，對一現(xiàn)有分級機上料裝置的上料速度進行測算，其2 板條間距約為100 mm，上料輸送帶線速度大約為250 mm/s，1 排板條能為1 個輥組上料0 ～4只對蝦，所以設計試驗中上料速度分別為2、4、6、8 只/s。

尺寸自定義模式中，顆粒工廠生成速度只能以質量為指標，仿真模型中，5 種尺寸的對蝦平均質量大約為8 g/只。為了模擬真實上料中對蝦以不同姿態(tài)角上料的情況，設置5 個顆粒工廠同時工作，每個顆粒工廠上料速度為設計值的1/5，分別生成姿態(tài)角0°、-15°、15°、-30°、30°的對蝦，為模仿對蝦排隊逐只上料的情況，需使5 個顆粒工廠輪流產(chǎn)生對蝦，設置5 個顆粒工廠逐個開始生成對蝦，為后4 個顆粒工廠開始時間增加延時。對應設置的參數(shù)如表4 所示。

表4 入料速度仿真參數(shù)Table 4 Feeding speed simulation parameters

以分級成功率P1、分級正確率P2、成功分級效率η1，正確分級效率η2作為指標分析仿真結果，如表5 所示。

表5 入料速度影響Table 5 The influence of feeding speed

統(tǒng)計各入料速度下，每10 s 的分級正確率，將其整理為折線圖，如圖5 所示，以觀察分級正確率變化趨勢。

圖5 分級正確率—時間折線圖Fig. 5 Line chart of classification accuracy-time

觀察表5 和圖5，結合仿真效果可知，上料速度2、4、6 只/s 時，分級正確率和分級成功率沒有明顯差異，但是分級效率逐漸增加。上料速度為8 只/s 時，對蝦出現(xiàn)堆積情況，20 s 以前，未出現(xiàn)堆積，分級成功率和分級正確率和低上料速度時相近，23 s 時出現(xiàn)堆積，開始出現(xiàn)竄出分級輥間的對蝦，分級失敗的情況增加。而且由于堆積的對蝦相互影響，分級正確率也有所下降。鑒于仿真中的對蝦顆粒模型未模仿出最大尺寸對蝦，綜合考慮，對蝦分級機的上料速度應小于6 只/s，設計為5 只/s。

1.5 重疊上料對對蝦分級精度影響分析

對蝦上料裝置難免會遇到多只對蝦堆疊上料的情況，為驗證堆疊上料對分級精度的影響設置以下3 組仿真。第一組設置1 個顆粒工廠，以40 g/s 度生成對蝦，單只上料的情況，第二組設置2 個顆粒工廠，同時生成對蝦，1 個以40 g/s 速度生成，另一個以4 g/s 的速度生成，模擬偶爾出現(xiàn)堆疊上料的情況，第三組設置2 個顆粒工廠，1 個以40 g/s 的速度生成對蝦，另一個生成速度設置為20 g/s，模擬連續(xù)出現(xiàn)堆疊上料的情況，以分級成功率P1、分級正確率P2作為指標分析仿真結果，結果如表6 所示。

表6 對蝦堆疊影響Table 6 The effect of shrimp stacking

觀察表6 可得，間歇堆疊時，僅有堆疊上料的對蝦會相互糾纏而影響分級精度，正常逐只上料的部分精度和全部逐只上料的分組精度基本一致，沒有出現(xiàn)堆積現(xiàn)象。而連續(xù)堆疊上料的對蝦，會出現(xiàn)短暫性的堆積，產(chǎn)生分級失敗的對蝦，并影響到正常逐只上料的對蝦。綜上所述，偶發(fā)性的堆疊，對分級精度影響較小，大量的堆疊上料會產(chǎn)生影響分級精度。

2 上料裝置結構和工作原理

由上一章可以得到，對蝦分級機所需的上料裝置，需要實現(xiàn)以5 只/s 的速度逐只上料，并保證對蝦以小于30°的姿態(tài)角落入分級輥間。傳統(tǒng)的上料裝置無法完成這一動作。傳統(tǒng)的上料裝置通過輸送帶上的板條撈取儲料池中的對蝦完成上料。若板條寬度過大，在同一位置會撈取多只對蝦，影響分級效果。因此，輸送帶上的板條被設計的非常窄，保證每個板條最多能撈取1 排蝦，但是這樣就會導致大面積的板條空載，上料效率非常低。為達到按需求定量逐只上料的目的，設計了1 種新型的上料裝置。

2.1 總體結構

該上料裝置由儲料池，上料輸送帶，入料導料板，上料導料板，出料導料板，定量擋板，梳齒板條等結構組成，如圖6 所示。

圖6 上料裝置結構圖Fig. 6 Structure diagram of feeding device

上料輸送帶通過驅動電機帶動鏈輪鏈條傳動，先水平運動，后向上爬升，水平部分浸入儲料池中，上方覆蓋有入料導料板，在對蝦落入儲料池時改變其姿態(tài)，使其脊背線盡量與上料方向垂直。輸送帶上均勻布置梳齒板條，根據(jù)所用分級機分級輥組的數(shù)量，梳齒板條設有對應數(shù)量的梳齒組組成的撈取結構，本例中每個板條有6 個撈取結構。各撈取結構之間設置上料導料板，防止對蝦堆積在無梳齒組的部分，無法被撈取上料。定量擋板兩端分別固定在儲料池和上料輸送帶支撐架上，整體懸空覆蓋在輸送帶之上，其水平部分和輸送帶平行，在傾斜部分和輸送帶存在1 個小夾角，越向上，擋板和輸送帶之間間距越大。板條為梳型，定量擋板上有和梳齒對應的槽口，梳齒從定量擋板的槽口伸出到定量擋板上方。在輸送帶出料位置的正下方設置有出料導料板，用以改變對蝦姿態(tài)，使其以脊背線平行于分級輥軸的姿態(tài)落入2 輥間隙之間。

2.2 工作原理

新型上料裝置通過逐漸減少上料板條的空間來保證每次定量上料1 只對蝦。將該上料裝置分為3個區(qū)域：撈取區(qū)、定量區(qū)、出料區(qū)，如圖7 所示。輸送帶平動的部分為撈取區(qū)，梳齒板條從儲料池中撈取大量對蝦進入定量區(qū)。在定量區(qū)，輸送帶和定量擋板存在1 個很小的夾角，隨著梳齒板條向上爬升，輸送帶和定量擋板之間的間隙逐漸變大，梳齒板條和定量擋板之間的空擋逐漸減小，多只對蝦會因為空間的變小而被擠出梳齒板條落回儲料池，當空間減小到僅余1 只對蝦時，定量擋板再次彎折，在定量區(qū)最后一段和輸送帶保持平行，保證有足夠時間使多余對蝦滑落回儲料池。進入出料區(qū)后，對蝦隨輸送帶轉動，落入下方分級輥間隙，完成上料。

圖7 上料裝置原理圖Fig. 7 Schematic diagram of the feeding device

3 上料裝置關鍵部件設計與參數(shù)確定

3.1 梳齒板條尺寸與形狀設計

每條梳齒板條共有6 個撈取部分，每個撈取部分對應1 對分級輥組，撈取部分間隔與輥組間隔一致，下端固定在不銹鋼沖孔板式輸送帶上，隨輸送帶運動。

每個撈取部分均為1 組梳齒組，對蝦身體存在錐度，所以對蝦尾部落入兩梳齒間時可能被2 個梳齒夾住提起，因此兩梳齒間距應大于對蝦身體最厚處。但這樣有可能導致對蝦從2 個梳齒間滑落，滯留在梳齒間的縫隙無法再被其它梳齒撈起，因此將梳齒板條設計為2 排1 組，前后梳齒交錯排布。梳齒和定量擋板上的槽口間隔對應，梳齒寬度即為槽口寬度。若梳齒寬度過大，對蝦有可能從槽口落入定量擋板和輸送帶間的縫隙，因此槽口寬度應小于最小對蝦的體厚，設計槽口寬度和槽口間距均為9 mm，小于最小對蝦體厚，因此梳齒間隔為27 mm，大于最大對蝦體厚。對蝦不計算較薄和質量較小的尾肢和觸角等部分，長度大概為總長的0.8 倍，設置梳齒組有5 個梳齒，整個梳齒組寬度為153 mm，大于最大對蝦的體長的1/2，小于最小對蝦體長的2 倍。保證大尺寸對蝦重心一定在梳齒組上，不會滑落，對于小尺寸對蝦，梳齒組沒有足夠的空間并排容納2只。梳齒組尺寸如圖8 所示。

圖8 梳齒組尺寸示意圖Fig. 8 Schematic diagram of comb group size

為了保證在撈取區(qū)能夠穩(wěn)定的撈取對蝦，梳齒最開始探出的定量擋板的長度要足夠長，設計為40 mm，保證能夠撈取2 只對蝦以上。測量現(xiàn)有的對蝦上料裝置的板條長度為6 mm，所以設計板條升到最高處時，探出部分長度為6 mm，即定量擋板與輸送帶的最大間距為32 mm。如圖9 所示，為板條形狀示意圖。

圖9 梳齒形狀示意圖Fig. 9 Schematic diagram of comb tooth shape

為了防止對蝦在梳齒組探出部分逐漸縮小的過程中，被梳齒和定量擋板夾傷，設計板條向后傾倒，保證梳齒和定量擋板間夾角為鈍角。為防止對蝦因慣性下落，導致梳齒空載，在梳齒尾端加入一定弧度，擋住體厚較大的對蝦。

3.2 梳齒板條間距與輸送帶上料速度確定

梳齒板條的間距要適合沖孔板式輸送帶節(jié)距，經(jīng)過選型，確定沖孔板式輸送帶節(jié)距為31.75 mm。若梳齒板條間距過小，會導致較大的對蝦難以準確落入2 板條之間，出現(xiàn)有的板條之間沒有落入對蝦的情況，導致有板條空載。若梳齒板條間距過大，2個板條間落入過多的對蝦，但是最后對蝦會反復被撈起、排出，影響對蝦品質。綜合考慮，確定每2 節(jié)輸送帶設置1 排板條，所以板條間距為63.5 mm。為保證每秒上料5 只對蝦，上料輸送帶的速度vd應為：

由上文得到2 個板條間距sd為63.5 mm。代入公式得到輸送帶線速度為0.317 5 m/s，所以取輸送帶線速度為0.3 m/s。

3.3 出料導料板的設計

重新設計出料導料板，如圖10 所示。

圖10 出料導料板示意圖Fig. 10 Schematic diagram of discharge guide plate

使用鋼板彎折而成，整體內壁為1 整個曲面，防止對蝦在邊角和轉折處堆積，同時縮小出料口大小，使其呈條形，盡量減小對蝦下落時的姿態(tài)角。

4 上料裝置仿真及效果驗證

繼續(xù)使用上文搭建的對蝦顆粒模型，為驗證上料裝置對各種尺寸對蝦的上料情況，顆粒半徑大小分布設置為隨機，縮放比例上下限分別為1.8 倍和0.8 倍，對應的對蝦體長為104 ～234 mm，能夠涵蓋所有大小的對蝦。

將上料裝置進行簡化，將梳齒組縮減為2 組，去除鏈輪鏈條和支撐機架，簡化為輸送帶、梳齒板條、定量擋板、儲料池、入料導料板、上料導料板、出料導料板7 個部分，導入EDEM 軟件。梳齒板條僅導入2 排，其余通過延時復制功能生成。仿真開始時開始生成梳齒板條，同時生成大量對蝦，模仿儲料池中現(xiàn)有的對蝦。在3 s 后減少對蝦生成數(shù)量，模仿正常的2 級上料情況。20 s 后停止對蝦生成，觀察不存在2 級上料的情況。仿真效果如圖11 所示。

圖11 上料裝置仿真效果圖Fig. 11 Simulation effect drawing of feeding device

圖中對蝦的顏色表示其受力情況，觀察圖11得到，對蝦普遍受力在0.2 N 以下，基本沒有受力在1 N 以上的情況。上料過程中受力非常小，不會在上料過程中受到損傷，能夠保證對蝦品質。

4.1 上料評價指標確定

為驗證上料裝置是否能夠達到上文試驗中的理想?yún)?shù)，定義3 個評價指標：上料速度v、姿態(tài)正確率A1、逐只上料率A2，公式如下

式中t為時間，n為時間t內，從出料導料板中落下的對蝦數(shù)量，以完全離開出料導料板下端面為準，n1為時間t內，以小于30°的姿態(tài)角從出料導料板中落下的對蝦數(shù)量，同樣以完全離開出料導料板下端面為準。s為時間t內完成上料的梳齒組數(shù)，s1為上料數(shù)量為1 只的梳齒組數(shù)。因為板條生成需要時間，第一排板條到達輸送帶頂端的時間為7.03 s。所以統(tǒng)計時間區(qū)間設置為7 ～30 s。

4.2 仿真結果分析

出現(xiàn)4 只姿態(tài)角大于30°的對蝦，均為2 只由1 個梳齒上料的對蝦，相互影響的結果，姿態(tài)正確率A1為98.1%。統(tǒng)計逐只上料率A2為90.2%，梳齒組上料情況如表7 所示。

表7 梳齒組上料情況Table 7 Feeding situation of comb group

其中空載大多是因為幾只對蝦相互糾纏，從梳齒組上掉落時連帶其他對蝦一同掉落，上料2 只的情況大多是尺寸較小的2 只對蝦尾部相對，互相堆疊導致的，未出現(xiàn)同時上料3 只以上的情況?？傮w上上料失誤的概率較小，對分級精度影響較小。

最終得到7 ～30 s 間的2 排梳齒組的上料速度分別為4.52、4.57 只/s，每秒統(tǒng)計1 次上料速度v，繪制成折線圖如圖12 所示。

圖12 上料速度—時間折線圖Fig. 12 Line graph of the feeding speed-classifier

觀察圖12 可知，9 s 以后，2 排上料梳齒組的上料速度在3 ～6 只/s 浮動，波動的原因主要因為空載和2 只上料對速度的影響，而且對蝦若在下落時落在出料導料板上，沿板壁下滑，速度會下降，導致本應在這一秒完成出料的對蝦延時到下一秒。綜合考慮，該上料裝置基本按照理想狀態(tài)實現(xiàn)逐只排隊定量上料，滿足設計需求。

5 結論

（1）通過仿真模擬分級過程，得到最適宜對蝦分級的上料參數(shù)為：以5 只/s 的速度逐只上料，并保證對蝦以小于30°的姿態(tài)角落入分級輥間。該上料方式下，對蝦分級效率快，精度高。

（2）設計了1 種新型的上料裝置，該裝置能夠按照上述參數(shù)定量上料，確定了新型對蝦上料裝置的主要結構和關鍵參數(shù)，通過EDEM 仿真得到其在23 s 內的姿態(tài)正確率A1為98.1%，逐只上料率A2為90.2%，2 排梳齒組的上料速度分別為4.52、4.57 只/s。