投餌機下料及拋灑結構優化設計

姜忠愛 ,于 紅，吳俊峰，繆新穎，李鵬鵬

（大連海洋大學1.機械與動力工程學院/2.信息工程學院，遼寧 大連 116023）

水產養殖中機械投餌是主要投餌方式，目前池塘投餌機械化水平約為79.71%[1]。在機械化投喂過程中，控制定量及拋灑加速的機械結構會造成餌料破碎，破碎餌料進入水中容易快速溶解，無法被養殖對象進食，造成餌料浪費及水質污染[2-3]。因此，降低餌料破碎率對節約餌料成本及實現生態化養殖具有重要意義。在解決餌料破碎率方面，有學者研究改進氣力輸送方法，根據不同的投喂效率及風速，餌料破碎率控制在0.1～1.0%之間[4-5]。但氣力輸送投餌方式耗能大，定量投餌精度低，不適合池塘及工廠化養殖定量投餌需求。前人采用振動下料方式，可減少餌料破碎，餌料破碎率降至0.1%左右，但受物料特性及稱重檢測精度影響，定量誤差高，工作可靠性較差[6-8]。螺旋推進和旋轉葉輪是目前定量投餌常見的下料方式，在工作過程中，機械結構會擠壓餌料，造成較高的餌料破碎率，而且餌料拋灑需要通過拋灑盤離心加速完成，進一步加劇餌料破碎，通常整體投餌破碎率在1.5%～3.0%之間[3,9-11]。馬迪紅[3]采用柔性螺旋送料方式及閉式拋灑盤，餌料破碎率降低50%，但是柔性送料方式一定程度上會影響定量送料精度。針對上述問題，本研究分析下料撥輪葉片型線與餌料受力之間的關系，建立餌料在拋灑盤溝槽中的運動學方程，對機械結構進行優化，以期解決葉片式下料撥輪在定量下料過程中及餌料離心加速過程中造成的破碎問題，降低餌料破碎率。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

投餌機械結構由機架、料箱、下料撥輪、電機、拋灑盤等部分組成（圖1）。

1.2 工作原理

餌料受重力作用從料箱下料口流入撥輪葉片槽內，下料撥輪在電機帶動下旋轉實現定量下料，隨后餌料顆粒在導流槽的作用下落入拋灑盤，并在拋灑盤的離心加速下拋出，實現投喂。整個過程中，下料撥輪葉片與餌料之間相互作用容易造成餌料破碎，同時，在拋灑盤對餌料的加速拋灑過程中也容易造成餌料破碎。

2 主要運動件優化設計

2.1 下料撥輪優化設計

本投餌機的定量下料方式為定容積撥輪下料，屬于旋轉葉輪式的一種（圖2）。

圖2 下料裝置Fig.2 Feeding device

餌料受重力作用從料箱下方流出充滿撥輪槽，由于餌料密度和輪槽容積是確定的，因此，撥輪旋轉一周的下料量可由式(1)計算獲得：

其中，m為撥輪每旋轉一周的下料量（kg）；ρ為顆粒餌料堆積狀態下的密度（kg/m3）；D為撥輪頂圓直徑（m）；d為撥輪中心傳動孔直徑（m）；B為撥輪厚度（m）；V為撥輪體積（m3）。

為減少下料過程中撥輪葉片與定容腔之間相對運動導致餌料破碎，設計撥輪徑向方向外形為曲線結構，特別是在撥輪葉片與料箱下料口接觸區域，餌料受力如圖3所示。其中，F0為餌料顆粒自身重力m0g與其所受上方餌料壓力Fp的總和；F1為撥輪表面對餌料的作用力，接觸點為B點，方向沿撥輪截面型線的法線方向，與接觸點基圓法線方向夾角為β（下料撥輪型線切線方向與基圓切線方向夾角）；F2為餌料顆粒受下料口A點處的作用力。

圖3 餌料顆粒受力分析Fig.3 Force analysis of bait particle

當A、B 兩點距離小于餌料直徑且在餌料質心上方時，餌料顆粒可順利進入撥輪容腔而不被擠壓，若AB 連線在質心下方，則餌料顆粒可被推回料箱。當撥輪型線外表面與進料口之間的距離接近餌料直徑時容易產生餌料顆粒卡住并擠碎。取A、B 距離恰為餌料直徑這一臨界情況進行分析，以A點為基點，餌料靜力學力矩分析如下：

要滿足餌料能夠被退回料箱且不被擠碎，則要求MF1＞，且F1小于餌料的許用破碎力Fσ，即：

式(7)中，L0為下料口開度（m）；de為定容腔腔室直徑（m）。

由以上分析可得出，要避免餌料破碎，接觸點B處，下料撥輪型線切線方向與基圓切線方向夾角β滿足：

從餌料受力分析可知，曲線型葉片型線切線方向與基圓切線方向存在夾角β，對餌料顆粒產生向上的推力作用。當餌料處于下料口底部時，此推力可把即將進入卻無法進入定容腔的餌料退回料箱。而直線型葉片β角為0，不存在向上的推力作用，其旋轉時產生撥動力，更容易將餌料向已經塞滿的定容腔內擠壓，造成餌料破裂。此外，在相同轉速下，β角越大，定容腔體積變化率越小，更有利于餌料調整姿態退回料箱，而直線型葉片定容腔體積變化率快，餌料在撥輪作用下重新調整姿態時間短，加劇餌料的破碎。

因此，對葉片進行曲線型優化設計可有效減少餌料破碎。β角越大，防破碎效果越好，由式(8)可見，該值大小與餌料質量、餌料受上方餌料壓力以及下料口開度成正比；與餌料許用破碎力及定容腔內部直徑成反比。對于確定的下料口開度及定容腔大小，結合實際餌料特性，可通過式(8)計算β角最小值，并根據計算結果將傳統的直線型撥輪葉片優化為曲線型葉片，以避免餌料破碎。同時，為防止下料口餌料板結、架空造成的壅塞，在撥輪軸上安裝一偏心輪（圖2中的零件2），偏心輪轉動過程中產生敲擊效應，有助于消除壅塞，確保下料流暢。

2.2 拋灑盤結構優化設計

餌料從定容腔流出后，順著導流槽落入拋灑盤，拋灑盤上設計有溝槽，通過拋灑盤的旋轉，餌料在溝槽中獲得離心加速度，最終沿拋灑盤徑向甩出。為減少拋灑過程中拋灑盤對餌料的加速沖擊造成的破壞，溝槽采用弧形結構設計，且將餌料從拋灑盤上方中心位置流入，以減少其初始加速度。拋灑盤結構及餌料受力分析如圖4所示。

圖4 拋灑盤結構(a)及餌料受力分析(b)Fig.4 Structure of throwing plate(a)and force analysis of the bait(b)

將餌料顆粒簡化為質點，對其進行運動學建模。顆粒被拋灑盤加速旋轉產生的離心力F1為

其中，ω為餌料隨拋灑盤旋轉的角速度（rad/s）；l為餌料到拋灑盤中心點距離（m）。

餌料顆粒旋轉產生的科氏力Fk為

其中，γ為餌料與拋灑盤接觸點處溝槽型線切線方向與餌料離心力夾角。

餌料與拋灑盤溝槽接觸點壓力FN為

餌料與拋灑盤溝槽面摩擦力Ff及餌料自身重力產生的摩擦力F2分別為

其中，μ為餌料與拋灑盤表面之間的摩擦系數。

沿溝槽曲面切線方向，餌料顆粒運動學模型為

其中，r0為餌料首次落入拋灑盤位置距拋灑盤中心之間的距離（m）。

解得餌料顆粒在拋灑盤上，沿溝槽的運動學方程為

從式(10)和(11)可見，對于直線型溝槽，其γ角為0，cosγ=1。將溝槽型線由直線優化為曲線結構，則0 ＜γ＜90°，從而0 ＜cosγ＜1，對于相同的ω，將降低Fk與FN的值，從而實現降低餌料拋灑加速過程的沖擊。

式(15)～(20)建立了餌料運動軌跡與硬件結構參數之間的關系，為不同應用場合下拋灑盤的大小、轉動速度范圍及溝槽型線設計提供科學依據，實現硬件結構柔性設計。在設定拋灑盤轉速600 r/min條件下，通過MATLAB 進行餌料運動學規律仿真，獲得餌料速度隨γ角變化及加速時間的關系（圖5）。

圖5 餌料速度隨γ角變化及加速時間t的關系Fig.5 The relationship between bait speed and angle γ and acceleration time t

根據養殖投喂需求與實際情況，確定拋灑盤結構參數如下：拋灑盤轉速為600 r/min，直徑為0.15 m，γ角為30°，溝槽型線方程為y=根據以上結構參數，通過餌料運動學方程計算，餌料會在落入拋灑盤0.053 s 后被加速拋出，此過程餌料的速度和受力情況見圖6。

圖6 餌料離開拋灑盤前運動學參數變化Fig.6 Ⅴariation of the kinematic parameters before the bait leaves the throwing plate

由圖6 可以得出，餌料顆粒在加速拋灑過程中最大受力0.095 N，最大速度3.5 m/s。

2.3 餌料拋灑過程EDEM仿真

為驗證拋灑盤結構優化效果，進行直線和曲線溝槽拋灑效果EDEM 仿真，仿真條件設置如下：拋灑盤轉速為600 r/min，料粒直徑為0.01 m，下料排量1 800 cm3/min，餌料密度1 050 kg/m3，餌料泊松比為0.23，餌料剪切模量為9.74，餌料與料盤動摩擦系數為0.1。

圖7 顯示溝槽型線優化前后餌料運動軌跡，可見，在直線溝槽條件下餌料軌跡折轉劇烈，而曲線溝槽條件下餌料軌跡更平滑，餌料分布更均勻。對應的受力和速度變化情況如圖8所示，其數值與圖6中運動學建模計算結果基本吻合，最大誤差在10%左右，對于在理想狀況下建立的數學模型而言，這個誤差范圍是可以接受的。

圖7 餌料運動軌跡仿真結果Fig.7 Simulation result of the bait movement trajectory

圖8 直線和曲線溝槽條件下餌料受力(a)與速度(b)曲線Fig.8 Force(a)and velocity(b)curve of the bait under linear and curve grooves throwing condition

從圖8(a)中可見，餌料在直線溝槽下受到的沖擊力更大，單個餌料受力最大值達0.181 N，而在曲線溝槽條件下餌料最大受力0.109 N，受力減小近40%；從圖8(b)速度曲線對比可見，在直線溝槽播撒過程中，速度變化急劇，平均加速度193 m/s2，而在曲線溝槽播撒過程中，餌料速度變化曲線更平穩，平均加速度108 m/s2。這表明，通過優化溝槽型線，餌料受到沖擊作用破碎的概率更小，可有效減少餌料破碎率，驗證了溝槽優化的效果和必要性。

3 實驗與性能分析

根據對下料撥盤與拋灑盤優化設計成果，設計投餌樣機（圖9），通過實驗驗證其工作可靠性及實際餌料破碎率。

圖9 投餌機樣機Fig.9 Prototype of the feeding machine

投餌樣機安裝在距離地面0.5 m 的平臺上，對3種不同規格的餌料進行機械投餌實驗，餌料形態如圖10所示。

圖10 實驗采用的三種不同規格的餌料Fig.10 Three kinds of bait with different specifications used in the experiments

對三種餌料按照大小編號分別為1 號、2 號和3號餌料，投餌實驗參數設置見表1。

表1 餌料破碎率測試實驗參數Table 1 Experimental parameters of bait crushing rate test

播撒實驗結束后，修正餌料落地后的滾動誤差，測量餌料實際落點均勻分布在半徑為1.0～2.5 m 的扇面區域內，該結果與通過運動學方程計算結果及EDEM 仿真基本相同，圖11 為1 號餌料EDEM仿真及實驗的播撒情況，其他兩種餌料也獲得的相同的吻合結果。可見，本樣機能實現將餌料均勻拋灑在養殖水域中，滿足投餌需求，驗證了其工作的可靠性。

圖11 投餌播撒分布Fig.11 Distribution of baiting

餌料破碎率方面，對三種餌料播撒結束后進行破碎餌料數清點，并對播撒前后餌料顆粒進行稱重，以確定下料過程中由于餌料表面不規則邊緣磨損形成的霧狀粉料比例，這一部分是評價餌料破碎率的重要參數。針對三種不同餌料分別進行四次投餌的實驗數據（表2），其餌料破碎率包含擠壓破裂的餌料及形成霧狀粉料后的重量損失。由表2可見，餌料破碎率均值約為0.4%，而通常以撥輪下料配合之間，有的甚至更高，可見優化后的結構可實現餌料破碎率大幅降低。

表2 餌料破碎率測試實驗數據與分析Table 2 Experimental data and analysis of bait crushing rate test

4 結論

（1）為減少下料過程中餌料被撥輪擠壓破碎，進行餌料顆粒在下料口處的受力分析，得出撥輪結構對餌料破碎的影響因素，并通過優化下料撥輪的型線，解決下料過程中餌料被擠壓破碎的問題。

（2）為減少拋灑過程中餌料被拋灑盤沖擊破碎，建立餌料在拋灑盤溝槽作用下的運動學模型，通過優化溝槽型線，減小拋灑盤對餌料的沖擊力，解決拋灑過程中餌料被加速造成的破碎問題。通過EDEM 仿真驗證了溝槽曲線化改進的效果和必要性，提升了系統的適用性。

（3）基于優化后的結構研制投餌樣機，進行餌料播撒實驗。實驗表明，優化后的機械結構在滿足餌料均勻投喂的基礎上，實現餌料破碎率較同類結構大幅降低。

后續將結合智能控制技術進行自動投喂研究，提升系統的自動化和智能化水平。