吳電建，張三強(qiáng)，楊光友

（1.湖北工業(yè)大學(xué)，農(nóng)機(jī)工程研究設(shè)計(jì)院，武漢 430068；2.湖北省農(nóng)機(jī)裝備智能化工程技術(shù)研究中心，武漢 430068）

0 引 言

近些年來(lái)，在國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)大力扶持和餐飲市場(chǎng)火爆需求的雙重作用下，國(guó)內(nèi)已初步形成了較為完善的克氏原螯蝦產(chǎn)業(yè)鏈。雖然克氏原螯蝦養(yǎng)殖規(guī)模龐大、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值高，但機(jī)械自動(dòng)化加工仍處于起步階段，存在機(jī)械化加工水平低、專用機(jī)械加工裝備少等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了國(guó)內(nèi)克氏原螯蝦自動(dòng)化加工的發(fā)展進(jìn)程。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了關(guān)于蝦類的去蝦頭、剝蝦殼、開(kāi)蝦背等機(jī)械加工裝備的研究。這些裝備均以對(duì)蝦為對(duì)象。由于克氏原螯蝦和對(duì)蝦的體型特征差異較大，很難將這些裝備直接應(yīng)用到克氏原螯蝦的機(jī)械加工過(guò)程中。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)克氏原螯蝦加工企業(yè)對(duì)于去蝦頭、剝蝦殼等頭尾分離關(guān)鍵加工環(huán)節(jié)均采用手動(dòng)方式。頻繁密集的手工送料操作導(dǎo)致工人勞動(dòng)強(qiáng)度高、效率低、蝦肉易被污染等問(wèn)題，直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)效益。近幾年，國(guó)內(nèi)關(guān)于克氏原螯蝦機(jī)械加工的研究成果較少。文獻(xiàn)[20]針對(duì)已去頭的克氏原螯蝦，設(shè)計(jì)了一種連續(xù)夾拉式蝦尾去腸機(jī)，但送料通過(guò)手工完成。文獻(xiàn)[20-22]發(fā)明了克氏原螯蝦去頭裝置、剝殼器和去腸機(jī)，但這些裝備均采用手動(dòng)上料方式實(shí)現(xiàn)克氏原螯蝦的頭尾定向操作，自動(dòng)化送料仍未得到有效地解決，無(wú)法滿足克氏原螯蝦連續(xù)自動(dòng)送料和頭尾定向的應(yīng)用需求。

鑒于以上分析，基于克氏原螯蝦體型特征，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)一種克氏原螯蝦自動(dòng)頭尾定向裝置?；贓DEM軟件實(shí)現(xiàn)克氏原螯蝦在定向裝置中運(yùn)動(dòng)仿真，通過(guò)單因素和多因素正交試驗(yàn)，確定影響該裝置工作性能主要因素的主次順序，利用Design-Expert 11軟件確定主要影響因素的最優(yōu)參數(shù)組合，并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了該定向裝置的有效性和可行性，以期為定向裝置提供最佳理論工作參數(shù)。

1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料選用熟制克氏原螯蝦。為了準(zhǔn)確地分析和統(tǒng)計(jì)克氏原螯蝦的體型特征參數(shù)，從生鮮市場(chǎng)上購(gòu)買50只中等大小的克氏原螯蝦，經(jīng)過(guò)清洗和蒸煮后作為本試驗(yàn)樣本。利用稱重器、量筒、游標(biāo)卡尺等測(cè)量?jī)x器對(duì)樣本中每只克氏原螯蝦的質(zhì)量、體長(zhǎng)、體寬、體高、密度等體型特征參數(shù)進(jìn)行計(jì)量，統(tǒng)計(jì)樣本中克氏原螯蝦的體型特征參數(shù)得知：常見(jiàn)熟制克氏原螯蝦質(zhì)量范圍20～40 g，密度約為1 119 kg/m，體長(zhǎng)（包括蝦鉗）范圍為90～130 mm，體寬范圍為20～30 mm，體高范圍為25～35 mm。

1.2 定向裝置結(jié)構(gòu)

針對(duì)克氏原螯蝦體型特征，采用工業(yè)上通用的振動(dòng)送料裝置進(jìn)行改進(jìn)，如圖1所示，其組成包括上端的定向機(jī)構(gòu)、中部的電磁振動(dòng)機(jī)構(gòu)和底部的圓形底座三大部分。上端的定向機(jī)構(gòu)包括料斗、螺旋軌道、頭尾篩選結(jié)構(gòu)、回收倉(cāng)等部分。料斗用于堆放大量雜亂無(wú)章的克氏原螯蝦，螺旋軌道為克氏原螯蝦提供運(yùn)動(dòng)軌道，頭尾篩選結(jié)構(gòu)利用多級(jí)篩選口剔除頭在前的克氏原螯蝦，實(shí)現(xiàn)克氏原螯蝦尾在前的定向功能，回收倉(cāng)用于回收被剔除的克氏原螯蝦。電磁振動(dòng)機(jī)構(gòu)由銜鐵、電磁鐵、板彈簧等組成。通過(guò)控制電磁鐵周期性得失電使銜鐵和板彈簧支架上產(chǎn)生周期性振動(dòng)，配合定向裝置中關(guān)鍵機(jī)械部件，改變克氏原螯蝦的位置和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)克氏原螯蝦的離散排序功能。圓形底座起支撐和減震作用，保證裝置平穩(wěn)運(yùn)作。

圖1 克氏原螯蝦頭尾自動(dòng)定向裝置結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structure diagram of continuous automatic head and tail orientation device for Procambarus clarkii

1.3 定向裝置工作原理

克氏原螯蝦在定向裝置中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2所示。電磁振動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生周期性振動(dòng)導(dǎo)致克氏原螯蝦在該裝置的料斗中做連續(xù)扭擺振動(dòng)，所有克氏原螯蝦逐漸朝料斗邊沿方向散開(kāi)（圖2a）?？耸显r繼續(xù)貼著料斗內(nèi)側(cè)圓周運(yùn)動(dòng)，依次移動(dòng)到與內(nèi)側(cè)相切的螺旋軌道上（圖2b）。該階段實(shí)現(xiàn)克氏原螯蝦離散和連續(xù)排序功能。當(dāng)尾在前的克氏原螯蝦經(jīng)過(guò)篩選口時(shí)，由于蝦尾寬度大于篩選口縫寬，前端蝦尾及蝦身滑過(guò)篩選口縫隙后，后端蝦鉗呈現(xiàn)“一”字型直接滑過(guò)篩選口縫隙，整只克氏原螯蝦順利通過(guò)篩選口（圖2c）。當(dāng)頭在前的克氏原螯蝦經(jīng)過(guò)篩選口時(shí)，由于蝦鉗厚度小于篩選口縫寬，前端蝦鉗垂直掉入篩選口縫隙后，呈現(xiàn)“7”字型的蝦鉗被篩選口卡住，克氏原螯蝦的運(yùn)動(dòng)方向改變，沿著篩選口開(kāi)口方向運(yùn)動(dòng)到回收通道中，剔除頭在前的克氏原螯蝦（圖2d）。該階段實(shí)現(xiàn)克氏原螯蝦頭尾定向功能。在周期性振動(dòng)作用下，該定向裝置能實(shí)現(xiàn)堆積在料斗中大量雜亂無(wú)章的克氏原螯蝦離散排序和頭尾自動(dòng)定向功能。

圖2 克氏原螯蝦在定向裝置中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖 Fig.2 Movement diagram of Procambarus clarkii in the orientation device

1.4 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

參考適合克氏原螯蝦體型特征的振動(dòng)送料裝置，電磁振動(dòng)機(jī)構(gòu)內(nèi)部設(shè)計(jì)了4根沿圓周均勻分布的板彈簧，與料斗圓周方向相切，并且與料斗中螺旋軌道方向相反，與水平方向成75°夾角。圖3為克氏原螯蝦頭尾自動(dòng)定向裝置中電磁振動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖。

圖3 電磁振動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 Fig.3 Schematic diagram of electromagnetic vibration mechanism

在周期性電磁線圈對(duì)板彈簧的作用下，上端的定向機(jī)構(gòu)做周期性振動(dòng)，其位移和對(duì)應(yīng)的加速度分別可表示為

式中為振幅，mm；為振動(dòng)頻率，Hz；為時(shí)間，s。

周期性振動(dòng)使該定向裝置上產(chǎn)生加速度，則克氏原螯蝦上產(chǎn)生的反方向慣性力為

式中為克氏原螯蝦的質(zhì)量，kg。

為了清晰地分析克氏原螯蝦在定向裝置中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以圖4a中底盤方向的垂直截面作為克氏原螯蝦的受力分析面，其受力情況如圖4b所示。在振動(dòng)作用下，當(dāng)?shù)妆P由最上方斜向下移動(dòng)到最下方，即由姿態(tài)1轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)2時(shí)，克氏原螯蝦受到斜向上的慣性力F，導(dǎo)致其支撐力F和摩擦力F均減小，打破克氏原螯蝦切向方向平衡狀態(tài)，產(chǎn)生速度(m/s)。同時(shí)，在斜向上的慣性力水平分量的作用下，將產(chǎn)生沿底盤切向內(nèi)方向加速度，導(dǎo)致速度。在速度和的聯(lián)合作用下，克氏原螯蝦在底盤上的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4a所示。當(dāng)?shù)妆P由姿態(tài)2轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)1時(shí)，克氏原螯蝦受到的慣性力F導(dǎo)致其支撐力F和摩擦力F均增大，摩擦力和慣性力相互抵消，克氏原螯蝦處于力平衡狀態(tài)，保持原來(lái)位置不變。在周期性慣性力作用下，堆積在料斗底盤上的所有克氏原螯蝦逐漸朝四周離散出去。同時(shí)，移動(dòng)到料斗邊沿處的克氏原螯蝦在慣性力作用下，沿著料斗內(nèi)側(cè)做順時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)，直到緩慢移動(dòng)到順時(shí)針?lè)较虻穆菪壍郎?，?shí)現(xiàn)克氏原螯蝦的連續(xù)自動(dòng)排序功能。因此，克氏原螯蝦在定向裝置中運(yùn)動(dòng)特性主要取決于周期性振動(dòng)作用下產(chǎn)生的慣性力，由式（3）可知，振幅和頻率是控制克氏原螯蝦在定向裝置中運(yùn)動(dòng)變化的關(guān)鍵影響因素。

圖4 克氏原螯蝦在底盤上的運(yùn)動(dòng)和受力分析圖 Fig.4 Movement and force analysis of Procambarus clarkii on chassis

螺旋軌道作為料斗中克氏原螯蝦的運(yùn)動(dòng)路徑，其外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。螺旋軌道尺寸參數(shù)主要根據(jù)克氏原螯蝦體型特征和排序效果進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)克氏原螯蝦在螺旋軌道上快速排序，需適當(dāng)提高螺旋軌道與底盤之間的夾角，即螺旋軌道的升角，但過(guò)大的夾角導(dǎo)致螺旋軌道對(duì)克氏原螯蝦的支撐力減小，降低克氏原螯蝦的靜摩擦力，可能會(huì)導(dǎo)致克氏原螯蝦無(wú)法在軌道上移動(dòng)。常見(jiàn)的螺旋軌道升角范圍為4°～8°，螺旋軌道通常為1.5～3.5圈，為了提高克氏原螯蝦排序效率，定向裝置上的螺旋軌道的升角設(shè)計(jì)為8°，螺旋軌道的圈數(shù)設(shè)計(jì)為1.5圈。為了避免出現(xiàn)多只克氏原螯蝦在螺旋軌道并排移動(dòng)的現(xiàn)象，基于克氏原螯蝦體寬范圍，確定螺旋軌道的寬度設(shè)置為1.5倍克氏原螯蝦的最大體寬，即=45 mm。

圖5 螺旋軌道示意圖 Fig.5 Diagram of spiral orbit

在周期性振動(dòng)作用下，大量的克氏原螯蝦依次緊密地排序在螺旋軌道上，但這些克氏原螯蝦的頭尾姿態(tài)不一致，直接影響克氏原螯蝦后續(xù)加工操作。為了實(shí)現(xiàn)出蝦口處的克氏原螯蝦姿態(tài)一致化，基于其體型特征參數(shù)設(shè)計(jì)了一種由多級(jí)篩選口構(gòu)成的頭尾篩選結(jié)構(gòu)，如圖6a所示?；诳耸显r頭尾結(jié)構(gòu)的差異性，即蝦鉗細(xì)長(zhǎng)并易于彎曲、蝦尾光滑呈現(xiàn)橢圓狀，同時(shí)考慮到克氏原螯蝦體寬和其蝦鉗厚度范圍分別為20～30 mm和4～8 mm，定向裝置上的篩選口寬度設(shè)計(jì)為最大蝦鉗厚度和最小體寬之和的一半，即篩選口寬度為14 mm，保證頭在前的克氏原螯蝦蝦鉗掉落入篩選口縫隙中，并且尾在前的克氏原螯蝦順利滑過(guò)篩選口。為了保證蝦鉗掉入篩選口縫隙中的克氏原螯蝦順利改變運(yùn)動(dòng)方向后快速移動(dòng)到回收通道中，定向裝置上的篩選口開(kāi)口方向設(shè)計(jì)成斜向前，基于克氏原螯蝦體型特征參數(shù)，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和單個(gè)篩選口處局部振動(dòng)試驗(yàn)效果綜合分析確定篩選口的相關(guān)尺寸參數(shù)，如圖6b所示。

圖6 頭尾篩選結(jié)構(gòu)與參數(shù) Fig.6 Head and tail screening structure and parameters

2 克氏原螯蝦頭尾自動(dòng)定向裝置參數(shù)優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)方法

為了保證克氏原螯蝦運(yùn)動(dòng)仿真的準(zhǔn)確性，基于克氏原螯蝦體型特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定克氏原螯蝦主要體型特征參數(shù)的平均值，并利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)其三維簡(jiǎn)化模型，如圖7a所示。以克氏原螯蝦三維簡(jiǎn)化模型的外部輪廓為約束外邊框，運(yùn)用EDEM軟件中多種尺寸的球面組合的方式建立克氏原螯蝦的離散元模型，如圖7b所示。

圖7 克氏原螯蝦模型 Fig.7 Model of Procambarus clarkii

由于克氏原螯蝦只與定向裝置上端的定向機(jī)構(gòu)發(fā)生接觸，為了縮短仿真時(shí)間，將整個(gè)定向裝置的三維模型簡(jiǎn)化為定向機(jī)構(gòu)的三維模型后導(dǎo)入EDEM軟件中；基于該裝置的最大工作能力，即一次存放和處理克氏原螯蝦的最大容量，設(shè)計(jì)該裝置的主要外觀尺寸參數(shù)，如圖8所示。利用EDEM軟件分別沿四個(gè)板彈簧作用力的方向上施加可調(diào)節(jié)的振幅和頻率，并通過(guò)更換包含不同篩選口數(shù)量的簡(jiǎn)化定向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)篩選口數(shù)量的調(diào)節(jié)。

圖8 定向機(jī)構(gòu)EDEM模型圖 Fig.8 EDEM model diagram of orientation device

在EDEM仿真前處理過(guò)程中，需對(duì)顆粒材料和幾何結(jié)構(gòu)材料的屬性進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、確定顆粒材料和幾何材料之間的接觸模型等操作。通過(guò)參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)，得到相關(guān)的仿真參數(shù)，如表1所示。由于克氏原螯蝦之間、以及克氏原螯蝦與定向裝置間均存在著相互作用力，采用Hertz-Mindlin with JKR接觸模型。

表1 材料屬性參數(shù) Table 1 Material property parameters

定向裝置的工作振幅和頻率是作業(yè)效率的主要影響因素，篩選口數(shù)量是影響定向裝置實(shí)現(xiàn)克氏原螯蝦頭尾定向準(zhǔn)確率的主要影響因素。因此，本文選取定向裝置工作的振幅和頻率、篩選口數(shù)量為試驗(yàn)因素，以作業(yè)效率W和頭尾定向準(zhǔn)確率A為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)仿真試驗(yàn)分析每種試驗(yàn)因素對(duì)優(yōu)化目標(biāo)的影響規(guī)律。

優(yōu)化目標(biāo)的計(jì)算式為

式中為工作時(shí)間，s；為在工作時(shí)間內(nèi)通過(guò)出蝦口的所有克氏原螯蝦數(shù)量；為在工作時(shí)間內(nèi)通過(guò)出蝦口尾在前的克氏原螯蝦數(shù)量。

基于上述在EDEM軟件中已建立的克氏原螯蝦模型和定向裝置模型，結(jié)合克氏原螯蝦在定向裝置中的實(shí)際工作過(guò)程，設(shè)置仿真總時(shí)長(zhǎng)為50 s，在第1 s內(nèi)，利用顆粒工廠在定向裝置的料斗中隨機(jī)生成80只克氏原螯蝦離散元模型；從第2 s開(kāi)始至仿真時(shí)間結(jié)束，在定向裝置底部增加4個(gè)正弦振動(dòng)作用力，力作用點(diǎn)和方向與定向裝置的作用點(diǎn)保持一致，并設(shè)置其工作振幅和頻率。為了清晰地仿真整個(gè)工作過(guò)程，設(shè)置固定時(shí)間步長(zhǎng)為50%，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為EDEM仿真中最小顆粒半徑的3倍。利用EDEM后處理模塊統(tǒng)計(jì)仿真過(guò)程中出蝦口的作業(yè)效率、所有的克氏原螯蝦數(shù)量以及尾在前的克氏原螯蝦數(shù)量，計(jì)算該定向裝置中作業(yè)效率和頭尾定向準(zhǔn)確率。選取在25～50 s時(shí)間段內(nèi)的仿真過(guò)程，以定向裝置的出蝦口處為檢測(cè)點(diǎn)，記錄該時(shí)間段內(nèi)通過(guò)出蝦口的克氏原螯蝦數(shù)量及其姿態(tài)，如圖9所示。

圖9 EDEM仿真過(guò)程圖 Fig.9 Diagram of EDEM simulation process

2.2 結(jié)果與分析

振幅對(duì)作業(yè)效率和頭尾定向準(zhǔn)確率的影響如圖10a所示。振幅太小，克氏原螯蝦運(yùn)動(dòng)速度很慢，導(dǎo)致作業(yè)效率很低；振幅太大，克氏原螯蝦運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快，導(dǎo)致準(zhǔn)確率很低。因此，選用振幅中間參數(shù)值作為多因素試驗(yàn)的取值范圍，即振幅范圍選取0.3～0.6 mm。頻率對(duì)作業(yè)效率和頭尾定向準(zhǔn)確率的影響如圖10b所示。當(dāng)振動(dòng)頻率接近其固有頻率時(shí)，出現(xiàn)共振現(xiàn)象，此時(shí)作業(yè)效率最高。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離其固有頻率時(shí)，作業(yè)效率降低。同時(shí)，頭尾定向準(zhǔn)確率隨著頻率呈現(xiàn)出先減小后增大趨勢(shì)，因此，選用共振頻率周圍參數(shù)值作為多因素試驗(yàn)的取值范圍，即頻率范圍選取50～80 Hz。篩選口數(shù)量對(duì)作業(yè)效率和頭尾定向準(zhǔn)確率的影響如圖10c所示。篩選口對(duì)克氏原螯蝦起頭尾篩選作用，但也對(duì)克氏原螯蝦運(yùn)動(dòng)存在阻礙作用。隨著篩選口數(shù)量增加，頭尾定向準(zhǔn)確率提高，但作業(yè)效率變慢，過(guò)多的篩選口數(shù)量導(dǎo)致作業(yè)效率太低。因此，選用篩選口數(shù)量適中的參數(shù)值作為多因素試驗(yàn)的取值范圍，即篩選口數(shù)量范圍選取0～3個(gè)。

圖10 單因素對(duì)作業(yè)效率和頭尾定向準(zhǔn)確率的影響 Fig.10 Influence of single factor on working efficiency, head and tail orientation accuracy

根據(jù)單因素仿真試驗(yàn)結(jié)果分析初步確定每種影響因素的參數(shù)區(qū)間范圍，即振幅范圍為 0.3～0.6 mm、頻率范圍為 50～80 Hz、篩選口數(shù)量范圍為 0～3 個(gè)；基于此制定三因素四水平的因素水平表，如表2所示。在多因素的參數(shù)試驗(yàn)范圍內(nèi)，作業(yè)效率和頭尾定向準(zhǔn)確率越大表明裝置工作性能越好。

表2 試驗(yàn)因素水平表 Table 2 Test factor and level

以作業(yè)效率W和頭尾定向準(zhǔn)確率A為優(yōu)化目標(biāo)，采用正交試驗(yàn)表L(4)正交試驗(yàn)表進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3中優(yōu)化目標(biāo)的極差計(jì)算值可知，影響作業(yè)效率的三個(gè)因素主次順序?yàn)椋侯l率、篩選口數(shù)量、振幅，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為。影響定向準(zhǔn)確率的三個(gè)因素主次順序?yàn)椋汉Y選口數(shù)量、頻率、振幅，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為。通過(guò)極差分析確定了保證單個(gè)試驗(yàn)優(yōu)化目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的工作參數(shù)組合，但兩個(gè)試驗(yàn)優(yōu)化目標(biāo)間存在一定的沖突性，無(wú)法同時(shí)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

利用Design-Expert 11軟件對(duì)表3中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。頻率對(duì)作業(yè)效率的影響最為顯著，篩選口對(duì)作業(yè)效率影響比較顯著，振幅對(duì)作業(yè)效率影響不明顯。篩選口對(duì)定向裝置定向準(zhǔn)確率的影響最為顯著，頻率對(duì)定向準(zhǔn)確率影響比較顯著，振幅對(duì)定向準(zhǔn)確率影響不明顯。方差分析各因素對(duì)優(yōu)化目標(biāo)影響的主次順序和極差分析的結(jié)果相同。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果 Table 3 Orthogonal test results

表4 方差分析結(jié)果 Table 4 Analysis of variance results

基于多因素正交試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，以定向裝置工作的振幅、頻率、和篩選口數(shù)量為約束條件，以作業(yè)效率W和頭尾定向準(zhǔn)確率A為優(yōu)化目標(biāo)，建立描述定向裝置工作性能的數(shù)學(xué)模型：

利用Design-Expert 11軟件中的Optimization優(yōu)化模塊進(jìn)行求解，當(dāng)定向裝置工作的振幅為0.3 mm，頻率為65.16 Hz，篩選口為2個(gè)時(shí)，定向裝置中作業(yè)效率為1.88只/s，頭尾定向準(zhǔn)確率為92.52%。此時(shí)，該定向裝置的仿真工作狀態(tài)最佳。

2.3 樣機(jī)試驗(yàn)

基于上述已完成的定向裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和工作參數(shù)仿真優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，試制了定向裝置樣機(jī)，如圖11所示。從生鮮市場(chǎng)上購(gòu)買每只質(zhì)量20～40 g的克氏原螯蝦80只，經(jīng)過(guò)蒸煮后作為試驗(yàn)材料。樣機(jī)的工作參數(shù)設(shè)置為仿真優(yōu)化得到的參數(shù)，即振幅為0.3 mm，頻率為65 Hz，篩選口數(shù)量為2個(gè)，并利用克氏原螯蝦樣本在樣機(jī)上進(jìn)行5次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，統(tǒng)計(jì)該表中實(shí)際作業(yè)效率和頭尾定向準(zhǔn)確率，得到平均作業(yè)效率為1.71只/s，平均頭尾定向準(zhǔn)確率為90.25%。與仿真優(yōu)化結(jié)果（作業(yè)效率為1.88只/s，頭尾定向準(zhǔn)確率為92.52%）進(jìn)行對(duì)比分析，其仿真試驗(yàn)的作業(yè)效率和頭尾定向準(zhǔn)確率的相對(duì)誤差為9.04%和2.45%。樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了該定向裝置的可行性和有效性。

表5 樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果 Table 5 Prototype test results

圖11 克氏原螯蝦頭尾自動(dòng)定向裝置樣機(jī)試驗(yàn) Fig.11 Prototype test of head and tail automatic orientation device for Procambarus clarkii

2.4 討論

為了保證本文所設(shè)計(jì)的定向裝置快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)克氏原螯蝦頭尾自動(dòng)定向功能，在仿真試驗(yàn)結(jié)果分析中，需同時(shí)考慮定向裝置中作業(yè)效率和頭尾定向準(zhǔn)確率兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)；但通過(guò)單因素仿真結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)作業(yè)效率增大時(shí)，頭尾定向準(zhǔn)確率下降，兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)存在一定的沖突性。在周期性振動(dòng)作用下，當(dāng)克氏原螯蝦快速移動(dòng)時(shí)，少數(shù)克氏原螯蝦蝦鉗無(wú)法及時(shí)落入篩選口縫隙中，始終沿著設(shè)定的軌道移動(dòng)至出蝦口，導(dǎo)致該裝置未能實(shí)現(xiàn)所有克氏原螯蝦頭尾自動(dòng)定向功能。

針對(duì)上述存在少數(shù)克氏原螯蝦頭尾定向失敗的情況，為了保證該定向裝置的作業(yè)效率，后續(xù)研究考慮以下改進(jìn)對(duì)策：1）降低該裝置作業(yè)效率的同時(shí)，改用并行多通道送料裝置；2）在出蝦口前增加視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備，將頭尾定向失敗的克氏原螯蝦篩選出來(lái)，重新返回料斗中；3）設(shè)計(jì)分別實(shí)現(xiàn)克氏原螯蝦連續(xù)送料和頭尾自動(dòng)定向功能的兩種可對(duì)接裝置。

3 結(jié) 論

本文基于克氏原螯蝦體型特征，利用建模和仿真分析，研制了克氏原螯蝦頭尾自動(dòng)定向裝置，主要結(jié)論如下：

1）實(shí)現(xiàn)了克氏原螯蝦連續(xù)頭尾自動(dòng)定向功能，并對(duì)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）利用離散元軟件EDEM仿真分析了克氏原螯蝦在定向裝置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在仿真試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了該定向裝置工作參數(shù)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，得到理論最優(yōu)的工作參數(shù)組合。通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比分析，仿真試驗(yàn)的作業(yè)效率和頭尾定向準(zhǔn)確率的相對(duì)誤差為9.04%和2.45%，驗(yàn)證了該定向裝置的可行性和有效性。