黑水虻蟲沙并排式雙葉輪集料裝置設計與試驗

彭才望 周 婷 宋世圣 孫松林 向 陽 許道軍

(1.湖南農業大學機電工程學院， 長沙 410128； 2.湖南農業大學動物醫學院， 長沙 410128)

0 引言

應用生態學原理構建腐生生物鏈是發展畜牧業循環經濟、減輕環境污染的重要舉措。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，國內外學者主要圍繞黑水虻生長發育[9]、生物轉化效率[10]、幼蟲營養價值及利用[11]、有機肥肥效與應用[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，作業效率低。

黑水虻生物轉化畜禽糞便過程中，黑水虻蟲沙收集是勞動強度最大的環節之一，同時影響后續黑水虻蟲沙分選效率。少數大型黑水虻養殖企業采用機械層疊料盤式結構，其翻轉卸料、轉移輸送作業效率較高，但制造與控制系統成本較高；大多數的小型黑水虻養殖企業或一般養殖戶受條件所限，主要依靠人工進行地槽式養殖，機械化程度低。因此，需要一種適合中小型養殖企業或養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殖特點，設計并試驗研究了雙向螺旋[13]、斗式取料[14]等裝置，一定程度上實現了黑水虻蟲沙機械收集、輸送，提高了機械化作業效率。文獻[15-17]研究了黑水虻養殖或分選方面的裝置或方法，但地槽式黑水虻生物轉化畜禽糞便過程中收集、輸送、分選等環節仍缺乏針對性實用性裝備，相關研究成果鮮有報道。

針對上述問題，本文參照撒肥裝置或機構中常用的葉輪[18-20]，結合黑水虻生物轉化畜禽糞便工藝與地槽式黑水虻養殖環境特點，設計一種并排式雙葉輪集料裝置，實現寬幅集料收集、提升，卸料口窄幅集中落料，并轉移輸送，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參數組合，以期為黑水虻蟲沙集料、輸送等機械設備研究提供理論參考與技術支撐。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構及主要技術參數

設計的地槽黑水虻蟲沙集料輸送分選機結構如圖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、分選裝置構成，可將地槽中養殖黑水虻幼蟲生物轉化畜禽糞便后產生的層鋪狀態有機肥進行集料、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鍵取料結構，主要實現層鋪狀態蟲沙的有序鏟收，轉移輸送。

黑水虻蟲沙集料輸送分選機主要技術參數：葉輪驅動電機功率120 W，行走底盤驅動電機功率250 W，整機質量為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化豬糞后的蟲沙收集、提升、轉移，如圖2所示。結合黑水虻幼蟲生物轉化豬糞工藝特點[10]，室內水泥地面上設計地槽寬度為0.85 m，地槽兩側邊高為0.2 m，地槽長度可結合養殖規模需要調整，地槽兩端留有空間，便于集料裝置作業方向的調整。作業時，集料裝置沿地槽內側勻速前移，通過電動推桿調節葉輪與水平面的傾角，同時調節葉輪轉速與葉輪前進速度，完成沿地槽鏟料、提升、轉移過程。集料時，左右葉輪電機驅動葉輪勻速旋轉，兩葉輪旋轉方向相對，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向中間推送。葉輪集料底板后端中心處沿兩側對稱設計矩形開口，以便黑水虻蟲沙經葉輪旋轉集料后落料，進入下方傾斜的傳送帶，實現寬幅集料、窄幅落料、集中轉移輸送的過程。

2 關鍵部件與參數設計

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黑水虻蟲沙進行收集、提升、轉移，其作業性能直接影響后續蟲沙分選與分類利用。因此，需要對并排式雙葉輪結構參數與作業參數進行理論分析與設計。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化豬糞后形成的蟲沙，料蟲質量比為8～10[14]，同時考慮黑水虻幼蟲負趨光機械蠕動特征明顯，不便于試驗設計，對黑水虻蟲沙中混雜的黑水虻幼蟲進行了預篩選處理，主要以蟲沙中有機肥顆粒作為主要研究與分析對象。

2.1 葉輪結構設計

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，左右葉輪的結構與參數相同，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直徑。并排式雙葉輪集料裝置結構參數包括整體外形參數和單個弧形葉輪片結構參數，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根據地槽式黑水虻養殖特點及黑水虻蟲沙工藝特點設計，地槽寬度為0.8 m，因在豬糞堆積厚度為0.15 m環境下，黑水虻生物轉化效益相對較高[10]，經中間加料管理，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)驅動，并排式葉輪對向勻速旋轉，轉速可調，如圖3所示。

根據并排式雙葉輪集料裝置整體外形參數，單個弧形葉輪片結構參數如圖4所示。本文設計的葉輪回轉直徑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速下，弧形葉輪片能對層鋪狀態有機肥進行刮料、收集，設計弧形葉輪片的圓弧段的彎曲方向與葉輪旋轉方向相同，弧形葉輪片彎曲角γ結合弧形葉輪片曲線方程確定參數。為降低葉輪旋轉慣性，在滿足弧形葉輪片強度要求下，經前期試驗確定，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 葉輪傾角設計

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

葉輪旋轉集料時，弧形葉輪片對集料底板上的有機肥產生推力F，同時受重力G、集料底板對其產生的摩擦阻力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

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μ有關，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，影響輸送帶結構設計，弧形葉輪片無法有效提升、轉移輸送有機肥，從而影響整機作業性能。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設置為10°～30°適宜，本設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、不發生堵塞粘結[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——弧形葉輪片旋轉角速度，rad/s

R1——物料顆粒M的瞬時回轉半徑，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

2.4 葉輪運動學分析

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O2M1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、刮料主要作業區域，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側而外排；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，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——弧形葉輪片轉速，r/min

z——弧形葉輪片數量

在并排式雙葉輪集料過程中，根據地槽養殖特點及黑水虻養殖工藝要求，葉輪回轉直徑已經固定，葉輪上弧形葉輪片過多，單個弧形葉輪片集料量降低，重復集料區域增大，考慮機械結構設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速，利于減小葉輪相鄰兩個弧形葉輪片重復集料區域并實現不漏集。因此，設計弧形葉輪片數為4個。但是，當葉輪轉速n最小、前進速度v最大時，理論上將出現最大的漏集區域，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、回轉半徑R、弧形葉輪片數量z、葉輪轉速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，在葉輪回轉半徑、弧形葉輪片數量、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、葉輪轉速、葉輪傾角有直接關系。此外，前期預試驗發現，葉輪前進速度影響集料質量，且前進速度的變化范圍遠小于葉輪轉速。綜上，由理論分析可知，影響并排式雙葉輪集料裝置作業性能的因素為葉輪前進速度、葉輪轉速、葉輪傾角，為后續進一步試驗優化提供了依據。

3 試驗

3.1 試驗設備與方法

試驗時間：2021年7月；試驗地點：湖南農業大學實訓中心；試驗采用湖南農業大學耘園黑水虻科研基地的黑水虻蟲沙(黑水虻幼蟲生物轉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，蟲沙濕質量記作ma，然后，將該取樣蟲沙置于105℃的電熱鼓風干燥箱內恒溫烘烤5～6 h至恒質量，然后測定烘干取樣蟲沙，記作干質量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%。其余試驗設備包括攝像機、鋼卷尺、秒表、DMI420型數顯傾角儀(精度為0.05°)等。

試驗根據理論設計模型，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動電動機，分別調節葉輪轉速、輸送帶轉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節，數顯傾角儀輔助顯示葉輪與地槽水平面間的傾角。地槽兩端預留空余區域，用于集料裝置作業方向調整及葉輪傾角、葉輪轉速、輸送帶轉速、前進速度等參數預調節匹配。每次相同的集料時間間隔重復試驗測量3次，相同時間間隔試驗結束時，同步停止葉輪旋轉電動機與行走輪驅動電動機，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量，取平均值，計算獲得集料效率與集料均勻度變異系數。

3.2 集料性能評價方法

由于國內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效果的相關量化指標，本文主要研究并排式雙葉輪工作參數對集料性能的影響，以期在地槽黑水虻蟲沙集料、轉移輸送等作業過程中降低勞動強度，提高作業效率，同時，為后續蟲沙分選提供連續物料流。因此，結合黑水虻蟲沙養殖環境及工藝特點，為了準確評價并排式雙葉輪集料裝置在鏟料、刮料、提升、轉移方面的作業效果，參照文獻[14,18-20]，以集料效率和集料均勻度變異系數為評價指標。集料效率越大，單位時間集料質量越大，作業效率越高；集料均勻度變異系數越小，相鄰均勻時間間隔內的集料可靠性和均勻性越好，集料效果越佳，可為后續蟲沙的分選提供穩定、連續的物料流。

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、葉輪轉速、葉輪傾角與集料效率、集料均勻度變異系數之間的變化關系，為后續組合優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，甚至出現阻礙弧形葉輪片運動，易形成物料擠壓黏結堵塞現象，集料效率增速減緩；而變異系數隨著前進速度增加，進給量增加，弧形葉輪片集料量變得充分、均勻，變異系數降低，但隨著前進速度持續增加，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象，變異系數反而增大。

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，對作業前方的物料進行鏟料現象明顯，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，但易出現葉輪的相鄰弧形葉輪片鏟料量不均勻，變異系數提高；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，變異系數減小。

3.3.3葉輪轉速

圖11為葉輪在前進速度0.03 m/s，葉輪傾角15°時，葉輪轉速對集料性能的影響。由圖11可知，隨著葉輪轉速的增加，集料效率先增加后降低，變異系數先降低后增大。原因在于，葉輪轉速較低時，弧形葉輪片推送的物料運動緩慢，集料底板物料堆積現象嚴重，導致單位時間內集料效率降低，葉輪相鄰弧形葉輪片推送、擠壓的物料量變化差異增大，變異系數較高；葉輪轉速較高時，單位時間內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，變異系數降低，在10～20 r/min范圍內，保持相對穩定狀態。但是當葉輪轉速逐漸提高，因離心力的作用，弧形葉輪片產生側向外拋現象，導致往內推送、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拋送物料量不一致，左右弧形葉輪片對向側拋，導致集料物料不均勻度增加，變異系數提高；但是當葉輪轉速超過30 r/min時，因為轉速過高，弧形葉輪片離心力作用過大，集料量不斷減小，集料效率持續降低，弧形葉輪片集料量變化幅度反而減小，變異系數降低。

3.4 響應面試驗

3.4.1試驗設計

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，在此基礎上，以前進速度、葉輪傾角、葉輪轉速為試驗因素，集料效率和集料均勻度變異系數為評價指標，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試驗方案與結果

根據Box-Behnken試驗原理設計的三因素三水平二次回歸正交試驗結果如表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軟件對數據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對葉輪前進速度、葉輪傾角、葉輪轉速的自變量編碼值二次多項式回歸模型

表2 試驗方案與結果Tab.2 Response surface analysis plan and test results

(20)

(21)

對式(20)、(21)進行方差分析，結果如表3所示。由表3可知，響應面回歸模型中集料效率Y1和集料均勻度變異系數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進行優化得

(22)

(23)

根據模型Y1、Y2的P值與模型Y1、Y2的失擬項P值可知優化模型可靠。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、葉輪轉速。試驗因素影響集料均勻度變異系數的主次順序為：葉輪轉速、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影響的響應面分析圖，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，前進速度與葉輪轉速對集料效率Y1交互作用的響應面圖。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生堵塞積壓現象、前進阻力增加，集料效率不穩定，導致集料效率降低。葉輪轉速較低時，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速對集料均勻度變異系數Y2交互作用的響應面圖。由圖12b可知，隨著前進速度的增加，均勻度變異系數先減小后增大，隨著葉輪轉速的增加，均勻度變異系數逐漸減小。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，均勻度變異系數小；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，均勻度變異系數升高。隨著葉輪轉速的增加，單位時間內弧形葉輪片集料次數增加，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，均勻度變異系數降低。

4 參數優化與驗證

為達到并排式雙葉輪集料裝置最佳的集料性能，并為后續提供連續的蟲沙物料流，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較小。通過交互因素對集料效率與集料均勻度變異系數的影響效應分析可知：當要獲得較高的集料效率，就要滿足前進速度、葉輪轉速、葉輪傾角位于中心水平；要滿足集料均勻度變異系數較低，就要滿足前進速度與葉輪傾角位于中心水平、葉輪轉速較高。考慮各因素指標對響應值的影響程度變化不同，需進行多目標優化分析。

按照集料效率最大、集料均勻度變異系數最小的原則，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化進行求解，目標函數約束條件為

(24)

根據2個指標的重要性，設置集料效率與集料均勻度變異系數的權重分配配集為W={0.5,0.5}。優化后得到最優工作參數組合為：前進速度為0.06 m/s、葉輪傾角為17.72°、葉輪轉速為15.85 r/min，此時集料效率為4.54 kg/s，集料均勻度變異系數為2.66%。根據優化結果，對數據進行取整，將前進速度設置為0.06 m/s、葉輪傾角為18°、葉輪轉速為16 r/min，其他條件不變，再次用軟件求優，優化參數結果為集料效率4.50 kg/s，集料均勻度變異系數2.63%。為驗證模型預測的準確性，在此方案下重復試驗3次，取平均值，結果如表4所示。

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

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

5 結論

(1)針對黑水虻蟲沙集料作業勞動強度大的問題，根據地槽黑水虻養殖特點與黑水虻蟲沙工藝，采用理論與試驗相結合的方法，設計了一種并排式雙葉輪集料裝置，通過雙葉輪對向旋轉集料，提高了地槽層鋪狀態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、葉輪轉速；各因素對集料均勻度變異系數影響主次順序依次為葉輪轉速、前進速度、葉輪傾角。

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