輥道式魚類分級機的設計與模擬仿真

趙 良,宋協法,李 賢,董登攀,黃志濤

(中國海洋大學水產學院,山東 青島 266003)

近年來,隨著中國水產養殖業規模不斷擴大,養殖技術水平不斷提高,水產養殖生產的全程機械化、智能化已經成為發展趨勢[1-2]。養殖過程中不論是魚苗入池,還是成品魚上市,都需要對大量活魚進行分級,分級工作主要依靠人工進行,費時費力[3]。

目前國內對于魚類分級機械的應用仍處于起步階段,對魚類分級裝置的設計和研究較少。彭永章[4]設計了一種噴水滾筒式魚苗分級裝置,該裝置可以通過改變滾筒旋轉方式適應機器對不同分選效率及準確率的要求,當滾筒兩兩逆向旋轉時,分選效率較低但準確率較高,當僅中間一對滾筒逆向旋轉其余滾筒正向旋轉時,分選準確率會減低但效率會大大提升,分選效率能達到每小時12.6萬尾。該裝置在分級過程中通過滾筒對魚體噴水從而達到提高分選效率的目的,噴水水壓可能會對魚體造成沖擊。洪揚等[5-6]設計了一種回轉式分級機,該機器分級效果與分級機轉速具有較高的相關性,通過調整轉速,可以有效提高機器分選效率和準確率,分選效率約為9 600～14 400尾/h,分選準確率約為90%,但該分級機機械設計較為復雜,控制系統不夠精確,同時存在成本過高問題。王志勇等[7]設計了一種可在捕撈船上使用的輥道式分級裝置,通過改變輥道間距實現魚體分級,分級效率能達到2.1 t/h,準確率約為94.2%,但由于該裝置應用場景為捕撈船,設計時并沒有考慮對魚體的保護,因此分級過程中易對魚體造成損傷,多適用于捕撈作業。隨著計算機技術的發展,利用機器視覺對魚類進行重量估算也成為新的發展方向[8]。傳統機械分級主要以魚體寬度作為分級指標,而機器視覺可以對魚體寬度、高度、周長和面積等多個指標進行統計,從而估算魚體重量[9-15]。該方法一般采用攝像機采集魚體圖像,使用計算機對收集到的圖像進行處理,從而達到估算魚體重量的目的[16]。但該技術在實際應用中受到養殖環境條件的限制,且無法實現多級分選的效果,因此不適用于大量魚體的分級工作[17]。

在分級機的設計過程中,受到物料和現場環境的制約,通常難以對設計參數進行精確計算,僅能通過對機器運行參數如輥軸轉速和傾角進行適當調整,從而測試不同參數下的分級效果,浪費人力物力,且多次分級易對魚體造成損傷。(Engineering Discrete Element Method,EDEM)是一種基于離散元的CAE軟件,其可以通過計算系統內的粒子信息來模擬模型的機械運動。近年來,許多學者使用EDEM離散元軟件進行模擬試驗設計各類機械或優化其工作參數,其優勢是通過仿真來模擬實機設計過程中的運行效果,減少了對實機試驗和試驗物料的需求,從而節省成本。

本研究設計了一種輥道式魚類分級機,使用EDEM離散元軟件建立魚機耦合模型,通過模擬仿真試驗對樣機輥軸主要運行參數進行優化,為魚類分級機設計和性能優化提供了新的技術支撐和思路。

1 材料與方法

1.1 輥道式魚類分級機的結構及工作原理

設計的輥道式分級機(圖1)結構主要包括魚水分離槽和分魚裝置兩部分。

圖1 輥道式魚類分級機示意圖

魚水分離槽設置兩個開孔,其中進水口用于連接吸魚泵,進水口設置為底部進水,魚水混合物從分離槽的底部涌出,避免了側部進水時水流的沖擊對魚體造成損傷,分離槽底部設有濾水格柵,在出水口可連接管道將水排回養殖池中。分魚裝置包含分魚軌道,分魚軌道上方設有可調節噴淋裝置,下方設有分級輥,分級輥上方設置分級擋板,分級輥的下方為導魚槽,導魚槽連接有排魚管道。

分級輥軸為輥道式魚類分級機的核心結構,其參數直接影響到分級機的工作性能。分級輥軸為粗細均勻的圓柱狀結構,兩根相鄰的分級輥軸成一定角度,組成一個分級輥道,通過調節分級輥軸之間的間距,在分級輥道上形成不同的分級區域,每個分級區域對應分級不同級別的魚體。

分級輥軸為兩兩逆向轉動,在分級過程中,魚體可能會伴隨分級輥軸的轉動,掉落到兩個分級輥道之間,造成分級準確率下降。在每個分級輥軸上方設置分級擋板,可以有效阻止魚體滾落至分級輥道間。

分級過程中,通常使用吸魚泵連接至魚體分級機,通過吸魚泵將待分級的魚體吸入分級機,魚體混合著水進入魚水分離槽后,魚體在水流的作用下進入分級軌道。每個分級軌道由兩根逆向旋轉的分級輥軸組成,且輥軸的間距不斷增大,魚體在重力的作用下向前滑動,當魚體寬小于輥軸間距時,魚體落入導魚槽中,不同級別的魚體會進入不同的導魚槽,從而完成分級作業。

1.2 魚機耦合仿真模型

1.2.1 魚體模型構建

使用SolidWorks構建大瀧六線魚魚體三維模型,受計算機性能限制,將魚體模型尺寸較實際魚體進行等比縮小,將模型存為stl.格式后導入EDEM軟件中,采用自動填充顆粒方式填充魚體模型,生成魚體模型后設置模型參數,模型參數查閱相關文獻設置[18-19],具體為:魚體模型長39.75 mm,寬5.9 mm,高10.58 mm,密度1 800 kg/m3,剪切模量為1.64×106Pa,材料恢復系數為0.5,靜摩擦系數為0.2,滾動摩擦系數為0.15,魚體模型如圖2所示。

圖2 大瀧六線魚魚體模型

1.2.2 樣機模型構建

因只需要模擬分級過程,用一個分級輥道代替多個輥道來模擬分級過程,為提高仿真效率,將分級機進行簡化處理,只保留分級擋板、分級輥道、集魚槽3個關鍵核心部件,集魚槽上方只設置1個分級輥道,由2根輥軸組成,每根輥軸上方設置分級擋板。使用SolidWorks建立分級機三維模型(圖3),受計算機性能限制,模型尺寸較實機進行了幾何相似處理,將模型導入EDEM軟件中,分級機模型參數通過查閱文獻設置[19],輥軸長度為220 mm,直徑為2 mm,材料泊松比為0.31,密度為7 850 kg/m3,剪切模量為7×1010Pa,材料恢復系數為0.5,靜摩擦系數為0.2,滾動摩擦系數為0.15。

圖3 輥道式魚類分級機模型

1.2.3 模擬參數設置

(1) 分級規格

樣機模型分級間距為0.50～1.25 mm,共3級分級區,分別為0.50～0.75 mm、0.75～1 mm、1～1.25 mm,魚體模型寬度約為5.9 mm,根據魚體模型及分級間距,設置6種不同規格魚體,寬度分別為0.590 mm、0.708 mm、0.806 mm、0.944 mm、1.062 mm、1.800 mm,每種規格所占比例分別為5%、5%、10%、20%、20%、40%,每級分級區對應兩種分級規格。

(2) 接觸模型

由于實際生產中魚體表面存有部分黏液和殘留水分,同時在分級軌道上方布設有噴淋裝置,因此選用Hertz-Mindlin with JKR模型,即黏性接觸模型,該模型多適用于模型顆粒間存在一定的黏性[20]。

(3) 其他參數

設置魚體模型生成后具有一定的初始水平速度,以模擬水流帶動魚體前進,根據多次試驗嘗試,設定魚體初始水平速度為0.4 m/s,在該速度下,魚體模型能夠較好地進入分級軌道,完成分級進程。根據設計的分級規格及比例,設置進魚總量共計0.2 g,進魚速度為0.014 g/s,平均約2尾/s。

1.3 仿真模擬試驗

1.3.1 單因素仿真試驗

通過前期預試驗確定了分級輥軸轉速、傾角、直徑的大概適宜范圍(轉速為2～6 r/s,傾角為5°～9°,直徑為1～3 mm),當輥軸參數值超過該范圍時,會出現無法分級或分級效率過低等情況。

依據以上條件,分別對分級輥軸轉速、傾角、直徑設置三個單因素試驗。試驗1設置分級輥軸直徑為2 mm,傾角為7°,轉速分別為2、3、4、5、6 r/s,測試不同轉速下分級的準確率;試驗2設置分級輥軸轉速為3 r/s,輥軸直徑為2 mm,傾角為5、6、7、8、9°,測試不同傾角下分級的準確率;試驗3設置輥軸轉速為3 r/s,傾角為7°,直徑為1、1.5、2、2.5、3 mm,測試不同直徑下的分級準確率。

1.3.2 多因素仿真試驗

Box-Behnken響應面法可以通過連續的響應面結果來探究試驗的最佳參數,考慮到3個因素對分級準確率的影響為非線性,且3個影響因素之間可能存在交互作用,為探究分級機工作最優參數組合,在Design Expert 13軟件中使用響應曲面(Box-Behnken)模塊設置三因素三水平組合仿真試驗,各試驗因素水平如表1所示。

表1 試驗因素編碼

1.4 數據分析處理

每組仿真試驗結束后,根據魚體量和符合分級規格的魚量計算輥道式魚類分級機的分級準確率。

(1)

式中:w為分級準確率;m為符合分級規格的魚量;n為分級總量。

使用Design Expert 13對數據進行分析處理,使用Origin 2021對單因素試驗和多因素響應面試驗結果圖進行繪制,并對試驗結果進行擬合分析。

2 結果

2.1 單因素試驗結果

輥道式魚類分級機單因素試驗結果如圖4所示,輥軸轉速、傾角和直徑3個因素均對分級準確率存在影響,相對于輥軸轉速和直徑,傾角對準確率的影響更為明顯。隨著輥軸轉速的增加,分級準確率呈現先上升后下降的趨勢,輥軸轉速在2～5 r/s時,分級準確率較高,均高于80%,其中輥軸轉速為3～4 r/s時,分級準確率最高,當輥軸轉速高于5 r/s時,準確率急劇下降(圖4 a)。隨著輥軸傾角的增加,分級準確率也呈現先上升后下降的趨勢,輥軸傾角在5°～8°時,分級準確率均高于80%,當傾角約為6.5°時,分級準確率最高,當輥軸傾角大于8°時,準確率急劇下降,在9°時準確率僅為60%(圖4 b)。隨著輥軸直徑的增加,分級準確率呈現上升的趨勢但趨勢逐漸變緩,在輥軸直徑為2.5 mm時達到最高點,當輥軸直徑超過2.5 mm后,準確率開始緩慢下降(圖4 c)。綜上,在改變輥軸參數時,分級機的準確率均發生變化,其中以傾角帶來的準確率變化最為顯著。

圖4 單因素試驗結果

2.2 多因素試驗結果

多因素試驗結果如表2所示,當輥軸轉速為2 r/s,傾角為7°,直徑為1 mm時,分級準確率最低,為56%;當輥軸轉速為4 r/s,傾角為7°,直徑為2 mm時,分級準確率較高。

表2 試驗結果

應用Design Expert軟件對試驗數據建立關于輥軸轉速A、傾角B、直徑C對分級準確率影響的二次多項式響應回歸模型,如下式所示。

Y=87.02+1.34A+1.68B+9.49C-5.07AB-2.7AC+2.03BC-3.46A2-5.28B2-8.21C2

式中:Y是分級準確率,回歸方程R2=0.857 9。

2.2.1 試驗方差分析

使用Design Expert13對試驗數據進行方差分析結果如表3所示,方差結果中模型P<0.05,差異顯著,失擬項P>0.05,差異不顯著,說明分級試驗模型擬合程度較好。

表3 試驗方差分析

2.2.2 多因素交互影響

輥軸多因素交互影響響應曲面結果如圖5所示,響應面越陡或響應面的等高線越接近橢圓說明兩種因素的交互影響越顯著,反之則說明交互影響不顯著。

圖5 多因素試驗結果(響應曲面法)

在確定輥軸直徑條件下,當輥軸轉速較低時,分級準確率隨著傾角的增加而升高,最后趨于穩定;當輥軸轉速較高時,分級準確率隨著傾角的增加先升高再降低,響應面等高線呈橢圓形,說明輥軸轉速和傾角交互作用明顯。

在確定輥軸轉速條件下,當輥軸直徑較低時,隨著傾角的增加,準確率呈現先上升后下降的趨勢;當輥軸直徑較高時,隨著傾角的增加,準確率同樣呈現先上升后下降的趨勢,因此輥軸直徑和傾角交互作用明顯,且輥軸直徑對分級準確率的影響高于輥軸傾角對分級準確率的影響。

在確定輥軸傾角條件下,當輥軸直徑較低時,準確率隨著轉速的增加而增加;當輥軸直徑較高時,準確率隨著轉速的增加而降低,響應面等高線呈橢圓形,因此輥軸直徑和轉速交互作用明顯,且輥軸直徑對分級準確率的影響高于輥軸轉速對分級準確率的影響。

由多因素響應面試驗可知,3個因素對分級準確率的影響排序為:直徑、轉速、傾角,且轉速與傾角,直徑與傾角,直徑與轉速均對分級準確率影響顯著。

通過Design Expert軟件中Optimization模塊對試驗結果進行分析,當分級輥軸轉速為3.4 r/s,傾角為7.8°,直徑為2.68 mm時,分級準確率最高,為90.5%。

3 討論

3.1 輥軸參數對分級性能的影響

輥軸是輥道式魚類分級機的核心部件,分級機的分級作業主要通過分級輥軸來完成,不同的輥軸設計對分級效果也會產生不同的影響。劉虎等[19]設計的輥道式分級機采用的是三段式輥軸,輥軸均勻地分為三段不同的直徑區,每個區域對應一種分級規格,根據對分級對象的體寬測定,設計輥軸的直徑,這種輥軸設計方式只能對相差一定體寬規格的魚體進行分級,對分級對象的體型要求較嚴格。殷遠等[21]設計的輥道式分級機是將輥軸設計成錐形,通過輥軸直徑的變化產生輥軸間距變化來實現對不同規格魚體分級,輥軸的間距固定的,無法靈活調整輥軸間距以應對不同的分級需求,因此只適用于秋刀魚和與其體型相似的魚體進行分級。與上述研究不同的是,本研究選取直徑均勻的輥軸作為分級輥,通過調節輥軸的旋轉軸來控制輥軸間距以實現分級,從而避免分級機僅能分級特定體型魚體的問題,根據本研究結果,輥軸直徑不同也會對分級性能產生影響,因此在分級機樣機設計時,就應把輥軸直徑作為關鍵因素加以考慮。

輥道式魚類分級機的分級準確率影響因素較多,包括輥軸轉速、傾角、直徑、長度等,其中轉速、傾角和直徑對分級準確率的影響最為顯著。魚體在輥道中滑動時,與輥軸之間產生摩擦力,魚體受到重力、輥軸壓力和摩擦力的共同作用。當輥軸轉速發生變化時,魚體受到輥軸的摩擦力作用,導致魚體沿輥軸向下的沖量改變,隨著轉速的增加,魚體沿輥軸方向的運動速度也會變快。當輥軸傾角發生變化時,魚體在輥軸上的受力情況也發生改變,隨著傾角的增加,垂直方向的受力逐漸增大,因此導致魚體在輥軸間的下滑速度加快。當輥軸直徑發生變化時,魚體與輥軸接觸面積隨之變化,魚體受到的摩擦力變化,當輥軸直徑增加時,魚體更容易產生被帶動離開輥軸的趨勢,魚體下滑速度變快。綜上,魚體滑動速度隨著輥軸轉速、傾角和直徑的增加均呈現上升的趨勢。

當魚體在分級輥道中隨輥軸下滑速度較低時,分級時長較長,魚體容易出現重疊等現象,導致分級準確率較低。隨著魚體下滑速度的增加,魚體在輥軸上的排列逐漸分散,魚體也有足夠時間完成分級,因而分級準確率隨之升高。隨著下滑速度的進一步增加,分級時長繼續縮短,有部分魚體尚未完成分級就進入下一級別的分級區,導致分級準確率下降。劉虎等[19]的研究發現,分級機的分級準確率隨輥軸轉速和傾角的增加先上升后下降,這與本研究類似,但忽略了直徑對分級準確率的影響,在本研究中,輥軸直徑對分級的準確率影響也較為顯著,其變化趨勢與輥軸轉速和傾角對分級準確率的影響一致。在多因素試驗中,任意兩個因素產生的交互作用對分級準確率的影響較為顯著,這表明在分級機的設計過程中,單一因素分析很難準確地反映輥軸參數對分級準確率的影響,應將輥軸轉速、傾角和直徑作為整體綜合考慮,才可能得到分級準確率最高的輥軸參數。

3.2 EDEM仿真在魚類分級機設計中的應用

3.2.1 降低實機試驗對魚體脅迫

輥道式魚類分級機在魚體分級過程中,由于存在魚體與機械的碰撞摩擦,機器可能會對魚體造成缺氧、噪聲、振動和擁擠等脅迫作用[22]。在實機分級過程中,輥軸參數設置除對分級準確率產生影響外,也會對分級效率產生影響,不合理的輥軸參數設置易導致魚體在輥道上堵塞,對魚體產生較長時間的脅迫。分級時間過長會導致魚類缺氧,進一步影響魚類行為、鰓的性能、滲透壓調節及生理生化指標[23-28]。也有研究表明,分級過程中長時間的噪聲、振動和擁擠等物理脅迫也會對魚體的生理指標造成影響[29-31]。通過EDEM仿真軟件,對分級過程進行模擬,以測試不同輥軸參數的分級效果,通過設置適宜的輥軸參數,提高分級效率,減少魚體在輥道上的停留時間,從而有效降低實機試驗過程中對魚體造成的損傷。

3.2.2 為實機設計提供參考

EDEM仿真試驗對樣機分級過程的模擬通常是較理想的情況,仿真試驗時魚體離散程度較好,仿真采用的魚體為同一模型,不同規格魚體之間不存在體型差異,因此仿真試驗相較于實機試驗仍存在不足。但通過仿真試驗對輥軸參數進行初步測試,其仿真試驗結果變化趨勢大致可以反映樣機實機試驗結果變化趨勢,因此仿真試驗雖然與實機試驗存在差異,但在樣機制造前通過仿真試驗可以對樣機性能進行初步探究,測試不同參數產生的準確率趨勢變化,為實機設計提供理論參考。

4 結論

設計了1臺輥道式魚類分級機,為探究輥軸最佳工作參數,通過EDEM仿真進行單因素試驗和多因素響應面試驗,得出結論如下:輥軸轉速、傾角和直徑均對分級準確率有顯著影響,且3個因素兩兩之間存在交互影響,在分級機性能相關研究時,應將輥軸3個因素作為整體進行分析,在本仿真試驗中,當輥軸轉速為3.4 r/s,傾角為7.8°,直徑為2.68 mm時,分級準確率最高,準確率為90.5%;在樣機設計的實機試驗前,可以通過仿真試驗對分級機性能進行初步探究,以減少實機設計的工作量,將來應根據魚種建立適應不同體型的分級參數數據庫,以降低魚類應激脅迫、提高分級效率,為實機試驗提供理論參考。