魚苗體型對輥道式分選機的適應(yīng)性研究

劉 虎，龔 宇，張 彪，周明剛

（湖北工業(yè)大學(xué) 湖北省農(nóng)業(yè)機械工程研究設(shè)計院，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，實現(xiàn)魚苗分選機械化對我國水產(chǎn)養(yǎng)殖增效和漁民致富具有重要意義［1-2］。國內(nèi)外學(xué)者對魚苗機械分選的技術(shù)與方法進行了一系列研究，其中德國和挪威的水產(chǎn)分選技術(shù)處于世界領(lǐng)先的地位［3-5］。但鑒于挪威與中國水產(chǎn)養(yǎng)殖條件差異性較大，并不適合在中國各地區(qū)大面積推廣使用。

針對當前中國養(yǎng)殖狀況，國內(nèi)學(xué)者展開了相關(guān)魚苗力學(xué)模型與分選機設(shè)計與試驗。其中文獻［6］設(shè)計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臺面試驗，測出了魚體與機械間的摩擦特性。文獻［7］設(shè)計的分魚機，提出一種皮帶式輥軸分級方法調(diào)整分級間距，實現(xiàn)不同體寬規(guī)格的魚苗分選。文獻［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，同時有效保護魚類免遭敵害捕食。但上述文獻鮮有魚苗分選機的適應(yīng)性方面研究，且當前的分選機械大多采用天平與杠桿稱重原理分級，不適合在有水環(huán)境進行魚苗的稱重分選，因此按照魚苗體型參數(shù)和三等級分選目標，確定以體寬作為判別條件對魚苗分選。

采用離散元法構(gòu)建分選機關(guān)鍵部件-魚苗作用模型，以魚苗體長、體寬及體高為試驗因素，對魚苗分選過程進行虛擬仿真分析，最后驗證了不同種魚苗分選下分選機的適應(yīng)性，以期為魚苗分選機械的優(yōu)化設(shè)計提供參考依據(jù)。

2 輥道式魚苗分選機整機結(jié)構(gòu)與試驗

2.1 整機結(jié)構(gòu)

輥道式魚苗分選機整機結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主要由進魚倉3、分選裝置6、動力傳輸機構(gòu)1和傾角調(diào)節(jié)裝置8等組成。如圖2所示，魚苗經(jīng)吸魚泵進入進魚倉實現(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，魚苗可依次實現(xiàn)小中大分選。

圖1 輥道式魚苗分選機結(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 整機試驗

為驗證分選機械與魚苗的仿真模型的正確性，以1-100號鯽魚為分選對象，以工作參數(shù)為試驗因素，評價指標為分魚準確率，對樣機進行整機試驗，試驗樣機如圖3所示。

圖3 試驗樣機Fig.3 Test Prototype

試驗證明，仿真與試驗結(jié)果變化趨勢一樣，其整體相對誤差分別為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行工作參數(shù)的多因素正交仿真試驗，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°、進魚量3尾/s。在最優(yōu)工作參數(shù)組合下，分析魚苗的體長、體寬、體高對魚苗分選機適應(yīng)性的影響。

3 基于離散元的魚苗分選機仿真分析

通過建立的魚苗分選機與魚苗耦合作用模型進行模擬仿真，以分選過程中的分魚準確率和魚苗進槽率為評價指標，探究影響分選機適應(yīng)性的主要因素，為整機結(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象，如圖4所示。通過電子秤等儀器，對其尺寸參數(shù)進行測定，測得表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)合所測表1數(shù)據(jù)，運用離散元多球面組合方式按體寬分級規(guī)格建模。

圖4 研究對象Fig.4 Research Target

表1 魚體尺寸特性參數(shù)Tab.1 Fish Size Characteristics Parameter

3.1.2 分選機模型建立

為了保證模擬的真實性，結(jié)合分選機相關(guān)的工作參數(shù)，采用Solidworks三維軟件對整機模型作以下簡化，如圖5所示：

圖5 輥道式魚苗分選機簡化模型Fig.5 Simplified Model of The Roller-Type Fry Sorter

（1）簡化進魚倉、分選裝置為進魚通道、分選輥道；

（2）抽象傾角調(diào)節(jié)裝置為角度支座；

（3）增加三個儲魚槽。

3.2 評價指標

主要采用魚苗在分選過程中的分魚準確率y1魚苗進槽率y2作為分選作業(yè)的評價指標其公式可表述為：

式中：n1-在同樣的分選作業(yè)時間下，落入儲魚槽內(nèi)且符合分級間距魚苗數(shù)量（尾）；n2-在同樣的分選作業(yè)時間下，落入儲魚槽里的魚苗數(shù)量（尾）；n3-在同樣的分選作業(yè)時間下，投入分選機內(nèi)的魚苗總數(shù)量（尾）。

3.3 魚苗分選機虛擬仿真分析

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)，為便于計算將材料間的恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.5，同時通過圖6摩擦角試驗和文獻［6］可測得無水情況下魚體與鋼的動摩擦系數(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摩擦系數(shù)為0.15，靜摩擦系數(shù)為0.2，魚體之間的動摩擦系數(shù)為0.015，靜摩擦系數(shù)為0.02。并按文獻［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Fig.6 Friction Angle Test

按照實際工況，設(shè)置分選輥轉(zhuǎn)速為138.4r/min，輥道傾角為10.47°，時間步長為10%，其網(wǎng)格大小為2Rmin。仿真開始時，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確率和魚苗進槽率作為評價指標，通過EDEM后處理模塊［10、11］來統(tǒng)計仿真結(jié)束后各儲魚槽內(nèi)魚苗的數(shù)量，得到評價指標隨時間及魚苗初始速度變化的曲線，如圖8、圖9所示。

圖8 評價指標隨時間變化曲線Fig.8 Evaluation Index over Time Curve

圖9 評價指標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確率和魚苗進槽率均隨著時間增大趨于穩(wěn)定。在（20～120）s時間段，分魚準確率和魚苗進槽率迅速上升，主要是因為隨著進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魚槽的魚苗對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魚槽魚苗數(shù)量增加。

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

由圖9可知，隨著魚苗初始速度的增加，分魚準確率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，主要因為在合適的初始速度下，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，其分魚準確率在0.3m/s與0.7m/s處取峰值為94.51%。而魚苗進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，其魚苗進槽率逐漸平穩(wěn)。最后結(jié)合圖3整機試驗，確定魚苗的仿真時間為170s，魚苗的初始速度為0.5m/s。

4 EDEM虛擬仿真試驗與分析

4.1 試驗設(shè)計

為研究不同種魚苗下分選機適應(yīng)性變化規(guī)律，分析影響魚苗分選機適應(yīng)性的主要影響因素，在前期虛擬模型建立的基礎(chǔ)上，進行EDEM虛擬仿真正交試驗研究。以魚苗的體寬、體高和體長為試驗因素，分魚準確率和魚苗進槽率為評價指標，采用三因素三水平正交試驗設(shè)計虛擬仿真試驗方案［12-16］，選取L9（35）正交表，其工作參數(shù)試驗因素與水平如表2所示。

表2 試驗因素水平Tab.2 Test Factor Level

4.2 試驗結(jié)果分析與優(yōu)化

在分級規(guī)格范圍內(nèi)，分魚準確率和魚苗進槽率越高，表明魚苗分選機的適應(yīng)性越好。由表3仿真試驗極差分析可知，影響分魚準確率的3個主次因素順序為：體長C、體高B、體寬A，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為C1B1A3；影響魚苗進槽率的3個主次因素順序為：體寬A、體高B、體長C，其較優(yōu)參數(shù)水平組合為A2B1C2。最后綜合實際作業(yè)分選要求，可確定影響魚苗分選機適應(yīng)性的主次順序為體長、體寬、體高。通過Design-Expert10.0軟件對正交試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，以此判斷各試驗因素對評價指標的顯著性，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C對分魚準確率影響非常顯著（F＞F0.05），體寬A和體高B對分魚準確率影響不顯著（F＜F0.1）；體寬A對魚苗進槽率影響顯著（F＞F0.1），體高B和體長C對魚苗進槽率影響不顯著（F＜F0.1）。

表3 試驗方案與結(jié)果Tab.3 Test Plan and Results

表4 分選性能指標方差分析Tab.4 Analysis Of Variance Of Sorting Performance Indicators

綜合多因素正交試驗結(jié)果，以當前四種魚苗為分析對象，通過建立的仿真模型驗證魚苗分選機的適應(yīng)性。從圖10中可知，同體寬下的四種魚苗，鯽魚的分魚準確率最高，鳊魚的分魚準確率最低，其分魚準確率分別為91.96%、83.73%，主要因為同體寬下的鯽魚的體長與體高比例最低，受相鄰魚苗干擾也最小，鳊魚的體長與體高綜合比例最高，受相鄰魚苗干擾最大。而魚苗的魚苗進槽率都處于97.65%波動，說明魚苗進槽率對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，但其分魚準確率與鳊魚的分魚準確率基本一致，說明體高對分魚準確率的影響不大；鰱魚的體長比例較其他三種最長，但體高介于草魚、鳊魚之間，綜合體長與體高比例等同草魚與鳊魚，故三者的分魚準確率基本都處于84.12%。

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

5 結(jié)論

（1）以魚苗的體寬、體高和體長為試驗因素，分魚準確率和魚苗進槽率為評價指標，采用三因素三水平正交試驗設(shè)計虛擬仿真試驗。試驗結(jié)果表明，影響分魚準確率指標的3個主次因素順序為：體長C、體高B、體寬A；影響魚苗進槽率的3個主次因素順序為：體寬A、體高B、體長C。并經(jīng)方差分析驗證，體長對分魚準確率影響非常顯著，體寬與體高對分魚準確率影響不顯著；體寬對魚苗進槽率影響顯著，體高與體長對魚苗進槽率影響不顯著。最后綜合實際作業(yè)分選要求，可確定影響魚苗分選機適應(yīng)性的主次順序為體長、體寬、體高。

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