黑水虻蟲(chóng)沙并排式雙葉輪集料裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

彭才望 周 婷 宋世圣 孫松林 向 陽(yáng) 許道軍

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410128； 2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410128)

0 引言

應(yīng)用生態(tài)學(xué)原理構(gòu)建腐生生物鏈?zhǔn)前l(fā)展畜牧業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)、減輕環(huán)境污染的重要舉措。其中，以畜禽糞便為食的腐生性昆蟲(chóng)在畜禽廢棄物資源化與肥料化利用中得到初步研究與應(yīng)用[1-3]。

黑水虻，又名亮斑扁角水虻，幼蟲(chóng)取食畜禽糞便等廢棄物，通過(guò)生物轉(zhuǎn)化獲得高附加值的黑水虻蟲(chóng)沙混合物(即黑水虻幼蟲(chóng)與有機(jī)肥)，其中，黑水虻幼蟲(chóng)富含粗蛋白[4]，作為家禽[5]、家畜[6]和魚(yú)類[7]的良好活體飼料或飼料添加成分；有機(jī)肥肥效高，在果蔬、牧草中廣泛應(yīng)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(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要圍繞黑水虻生長(zhǎng)發(fā)育[9]、生物轉(zhuǎn)化效率[10]、幼蟲(chóng)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及利用[11]、有機(jī)肥肥效與應(yīng)用[12]等方面開(kāi)展了大量的研究與探索。但是，在黑水虻蟲(chóng)沙收集、輸送、分選等方面的研究較少，黑水虻生物轉(zhuǎn)化畜禽糞便過(guò)程中機(jī)械化水平較低，主要依靠人工完成，其勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低。

黑水虻生物轉(zhuǎn)化畜禽糞便過(guò)程中，黑水虻蟲(chóng)沙收集是勞動(dòng)強(qiáng)度最大的環(huán)節(jié)之一，同時(shí)影響后續(xù)黑水虻蟲(chóng)沙分選效率。少數(shù)大型黑水虻養(yǎng)殖企業(yè)采用機(jī)械層疊料盤式結(jié)構(gòu)，其翻轉(zhuǎn)卸料、轉(zhuǎn)移輸送作業(yè)效率較高，但制造與控制系統(tǒng)成本較高；大多數(shù)的小型黑水虻養(yǎng)殖企業(yè)或一般養(yǎng)殖戶受條件所限，主要依靠人工進(jìn)行地槽式養(yǎng)殖，機(jī)械化程度低。因此，需要一種適合中小型養(yǎng)殖企業(yè)或養(yǎng)殖戶使用且機(jī)械化程度較高的蟲(chóng)沙集料裝置。課題組前期針對(duì)機(jī)械層疊料盤式黑水虻養(yǎng)殖特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并試驗(yàn)研究了雙向螺旋[13]、斗式取料[14]等裝置，一定程度上實(shí)現(xiàn)了黑水虻蟲(chóng)沙機(jī)械收集、輸送，提高了機(jī)械化作業(yè)效率。文獻(xiàn)[15-17]研究了黑水虻養(yǎng)殖或分選方面的裝置或方法，但地槽式黑水虻生物轉(zhuǎn)化畜禽糞便過(guò)程中收集、輸送、分選等環(huán)節(jié)仍缺乏針對(duì)性實(shí)用性裝備，相關(guān)研究成果鮮有報(bào)道。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文參照撒肥裝置或機(jī)構(gòu)中常用的葉輪[18-20]，結(jié)合黑水虻生物轉(zhuǎn)化畜禽糞便工藝與地槽式黑水虻養(yǎng)殖環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種并排式雙葉輪集料裝置，實(shí)現(xiàn)寬幅集料收集、提升，卸料口窄幅集中落料，并轉(zhuǎn)移輸送，完成黑水虻幼蟲(chóng)的分選。通過(guò)理論分析與試驗(yàn)研究確定集料裝置的最佳作業(yè)參數(shù)組合，以期為黑水虻蟲(chóng)沙集料、輸送等機(jī)械設(shè)備研究提供理論參考與技術(shù)支撐。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)

設(shè)計(jì)的地槽黑水虻蟲(chóng)沙集料輸送分選機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，配有輪式電動(dòng)自走底盤，由并排式雙葉輪集料裝置、輸送裝置、分選裝置構(gòu)成，可將地槽中養(yǎng)殖黑水虻幼蟲(chóng)生物轉(zhuǎn)化畜禽糞便后產(chǎn)生的層鋪狀態(tài)有機(jī)肥進(jìn)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(jī)的關(guān)鍵取料結(jié)構(gòu)，主要實(shí)現(xiàn)層鋪狀態(tài)蟲(chóng)沙的有序鏟收，轉(zhuǎn)移輸送。

黑水虻蟲(chóng)沙集料輸送分選機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：葉輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率120 W，行走底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率250 W，整機(jī)質(zhì)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(shí)心胎，車輪直徑為0.15 m，輪距為0.75 m，整機(jī)外形尺寸(長(zhǎng)×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(chóng)生物轉(zhuǎn)化豬糞后的蟲(chóng)沙收集、提升、轉(zhuǎn)移，如圖2所示。結(jié)合黑水虻幼蟲(chóng)生物轉(zhuǎn)化豬糞工藝特點(diǎn)[10]，室內(nèi)水泥地面上設(shè)計(jì)地槽寬度為0.85 m，地槽兩側(cè)邊高為0.2 m，地槽長(zhǎng)度可結(jié)合養(yǎng)殖規(guī)模需要調(diào)整，地槽兩端留有空間，便于集料裝置作業(yè)方向的調(diào)整。作業(yè)時(shí)，集料裝置沿地槽內(nèi)側(cè)勻速前移，通過(guò)電動(dòng)推桿調(diào)節(jié)葉輪與水平面的傾角，同時(shí)調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速與葉輪前進(jìn)速度，完成沿地槽鏟料、提升、轉(zhuǎn)移過(guò)程。集料時(shí)，左右葉輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)葉輪勻速旋轉(zhuǎn)，兩葉輪旋轉(zhuǎn)方向相對(duì)，在葉輪推力、滑動(dòng)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(chóng)沙由地槽兩側(cè)向中間推送。葉輪集料底板后端中心處沿兩側(cè)對(duì)稱設(shè)計(jì)矩形開(kāi)口，以便黑水虻蟲(chóng)沙經(jīng)葉輪旋轉(zhuǎn)集料后落料，進(jìn)入下方傾斜的傳送帶，實(shí)現(xiàn)寬幅集料、窄幅落料、集中轉(zhuǎn)移輸送的過(guò)程。

2 關(guān)鍵部件與參數(shù)設(shè)計(jì)

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(tài)黑水虻蟲(chóng)沙進(jìn)行收集、提升、轉(zhuǎn)移，其作業(yè)性能直接影響后續(xù)蟲(chóng)沙分選與分類利用。因此，需要對(duì)并排式雙葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)與作業(yè)參數(shù)進(jìn)行理論分析與設(shè)計(jì)。本文主要研究葉輪集料輸送性能，黑水虻蟲(chóng)沙為黑水虻幼蟲(chóng)生物轉(zhuǎn)化豬糞后形成的蟲(chóng)沙，料蟲(chóng)質(zhì)量比為8～10[14]，同時(shí)考慮黑水虻幼蟲(chóng)負(fù)趨光機(jī)械蠕動(dòng)特征明顯，不便于試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)黑水虻蟲(chóng)沙中混雜的黑水虻幼蟲(chóng)進(jìn)行了預(yù)篩選處理，主要以蟲(chóng)沙中有機(jī)肥顆粒作為主要研究與分析對(duì)象。

2.1 葉輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

并排式雙葉輪集料裝置主要由兩個(gè)并排葉輪、電動(dòng)機(jī)、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(jié)構(gòu)與參數(shù)相同，水平方向左右并排，左右葉輪軸軸心距離等于單個(gè)葉輪回轉(zhuǎn)直徑。并排式雙葉輪集料裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)包括整體外形參數(shù)和單個(gè)弧形葉輪片結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(shù)根據(jù)地槽式黑水虻養(yǎng)殖特點(diǎn)及黑水虻蟲(chóng)沙工藝特點(diǎn)設(shè)計(jì)，地槽寬度為0.8 m，因在豬糞堆積厚度為0.15 m環(huán)境下，黑水虻生物轉(zhuǎn)化效益相對(duì)較高[10]，經(jīng)中間加料管理，第5齡期的黑水虻蟲(chóng)沙有機(jī)肥層鋪厚度均值為0.15 m，設(shè)計(jì)集料裝置外形長(zhǎng)×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(cè)對(duì)稱開(kāi)口，形成長(zhǎng)×寬(b×k)為0.4 m×0.2 m的卸料口。葉輪由5IK60RGU-CF型電動(dòng)機(jī)(晟邦公司，120 W)驅(qū)動(dòng)，并排式葉輪對(duì)向勻速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速可調(diào)，如圖3所示。

根據(jù)并排式雙葉輪集料裝置整體外形參數(shù)，單個(gè)弧形葉輪片結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。本文設(shè)計(jì)的葉輪回轉(zhuǎn)直徑D1為0.4 m，單個(gè)弧形葉輪片水平長(zhǎng)度l2為0.2 m，并排式雙葉輪作業(yè)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(shí)，為了使葉輪在一定轉(zhuǎn)速下，弧形葉輪片能對(duì)層鋪狀態(tài)有機(jī)肥進(jìn)行刮料、收集，設(shè)計(jì)弧形葉輪片的圓弧段的彎曲方向與葉輪旋轉(zhuǎn)方向相同，弧形葉輪片彎曲角γ結(jié)合弧形葉輪片曲線方程確定參數(shù)。為降低葉輪旋轉(zhuǎn)慣性，在滿足弧形葉輪片強(qiáng)度要求下，經(jīng)前期試驗(yàn)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(shè)計(jì)

并排式雙葉輪回轉(zhuǎn)平面若水平接地，集料時(shí)將起不到對(duì)地槽層鋪狀態(tài)有機(jī)肥進(jìn)行集料、提升、轉(zhuǎn)移輸送的作用。為解決上述問(wèn)題，并排式雙葉輪回轉(zhuǎn)平面與水平面設(shè)計(jì)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(zhuǎn)平面與水平面設(shè)計(jì)一定的傾角θ，如圖5所示。

葉輪旋轉(zhuǎn)集料時(shí)，弧形葉輪片對(duì)集料底板上的有機(jī)肥產(chǎn)生推力F，同時(shí)受重力G、集料底板對(duì)其產(chǎn)生的摩擦阻力Ff等作用力的影響，有機(jī)肥M能夠沿集料底板向上運(yùn)動(dòng)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(jī)肥M間的摩擦因數(shù)

葉輪傾角θ的作用是將弧形葉輪片推送的有機(jī)肥進(jìn)行一定高度的提升，便于轉(zhuǎn)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(duì)集料底板上有機(jī)肥的推力F、有機(jī)肥重力G、集料底板與有機(jī)肥間的摩擦因數(shù)μ有關(guān)，葉輪傾角θ過(guò)大，有機(jī)肥將會(huì)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(guò)小，影響輸送帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，弧形葉輪片無(wú)法有效提升、轉(zhuǎn)移輸送有機(jī)肥，從而影響整機(jī)作業(yè)性能。參照文獻(xiàn)[21-22]與有機(jī)肥物料滑動(dòng)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(shè)置為10°～30°適宜，本設(shè)計(jì)通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)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(zhuǎn)移有機(jī)肥過(guò)程可靠，需確保物料沿弧形葉輪片滑動(dòng)，使物料輸送平穩(wěn)、不發(fā)生堵塞粘結(jié)[24-25]。葉輪運(yùn)動(dòng)分析如圖6所示。假定有機(jī)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(zhuǎn)角速度，rad/s

R1——物料顆粒M的瞬時(shí)回轉(zhuǎn)半徑，m

α——物料顆粒運(yùn)動(dòng)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(duì)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(diǎn)，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(shí)常數(shù)

2.4 葉輪運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

集料過(guò)程中，弧形葉輪片依次完成對(duì)地槽中有機(jī)肥進(jìn)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O(shè)2M1連線點(diǎn)接觸集料底板并向有機(jī)肥物料方向運(yùn)動(dòng)，集料底板開(kāi)始鏟料、弧形葉輪片刮料、推動(dòng)有機(jī)肥物料沿集料底板滑動(dòng)提升；M2N2連線處弧形葉輪片開(kāi)始往內(nèi)推動(dòng)物料向落料口，M3N3連線處時(shí)，開(kāi)始落料，弧形葉輪片集料的有機(jī)肥落入下端的輸送帶上。通過(guò)圖7分析可知，O2M1至O2M2過(guò)程中，為鏟料、刮料主要作業(yè)區(qū)域，O2M2至O2M3過(guò)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(nèi)側(cè)而外排；O2M3至O2M4過(guò)程中，在弧形葉輪片推力、有機(jī)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(guò)程。

弧形葉輪片尖端運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(13)

式中t——時(shí)間，s

v——弧形葉輪片前進(jìn)速度，m/s

對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，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(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(15)

式中φ——葉輪相鄰弧形葉輪片夾角，(°)

單個(gè)弧形葉輪片的前進(jìn)距離S為

(16)

式中n——弧形葉輪片轉(zhuǎn)速，r/min

z——弧形葉輪片數(shù)量

在并排式雙葉輪集料過(guò)程中，根據(jù)地槽養(yǎng)殖特點(diǎn)及黑水虻養(yǎng)殖工藝要求，葉輪回轉(zhuǎn)直徑已經(jīng)固定，葉輪上弧形葉輪片過(guò)多，單個(gè)弧形葉輪片集料量降低，重復(fù)集料區(qū)域增大，考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的對(duì)稱性與受力均衡，當(dāng)φ為90°時(shí)，即葉輪由4個(gè)弧形葉輪片周向均勻布置，間隔角為90°，合理控制前進(jìn)速度與葉輪轉(zhuǎn)速，利于減小葉輪相鄰兩個(gè)弧形葉輪片重復(fù)集料區(qū)域并實(shí)現(xiàn)不漏集。因此，設(shè)計(jì)弧形葉輪片數(shù)為4個(gè)。但是，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速n最小、前進(jìn)速度v最大時(shí)，理論上將出現(xiàn)最大的漏集區(qū)域，為保證葉輪相鄰兩個(gè)弧形葉輪片不漏集，相鄰弧形葉輪片的運(yùn)動(dòng)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(gè)弧形葉輪片集料區(qū)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(jiàn)，并排式葉輪集料裝置在集料過(guò)程中，葉輪前進(jìn)速度v、回轉(zhuǎn)半徑R、弧形葉輪片數(shù)量z、葉輪轉(zhuǎn)速n、葉輪傾角θ、葉輪相鄰弧形葉輪片的夾角φ等因素對(duì)集料過(guò)程有著直接的影響作用，在葉輪回轉(zhuǎn)半徑、弧形葉輪片數(shù)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(jìn)速度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪傾角有直接關(guān)系。此外，前期預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葉輪前進(jìn)速度影響集料質(zhì)量，且前進(jìn)速度的變化范圍遠(yuǎn)小于葉輪轉(zhuǎn)速。綜上，由理論分析可知，影響并排式雙葉輪集料裝置作業(yè)性能的因素為葉輪前進(jìn)速度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪傾角，為后續(xù)進(jìn)一步試驗(yàn)優(yōu)化提供了依據(jù)。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)時(shí)間：2021年7月；試驗(yàn)地點(diǎn)：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)訓(xùn)中心；試驗(yàn)采用湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園黑水虻科研基地的黑水虻蟲(chóng)沙(黑水虻幼蟲(chóng)生物轉(zhuǎn)化豬糞后形成的有機(jī)肥)，試驗(yàn)采用電熱鼓風(fēng)干燥箱(型號(hào)為WGLL-230BE)烘干法測(cè)量取樣的蟲(chóng)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(chóng)沙濕質(zhì)量記作ma，然后，將該取樣蟲(chóng)沙置于105℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)恒溫烘烤5～6 h至恒質(zhì)量，然后測(cè)定烘干取樣蟲(chóng)沙，記作干質(zhì)量mb，通過(guò)兩次平行試驗(yàn)計(jì)算獲得蟲(chóng)沙含水率((1-mb)/ma×100%)均值為44.8%。其余試驗(yàn)設(shè)備包括攝像機(jī)、鋼卷尺、秒表、DMI420型數(shù)顯傾角儀(精度為0.05°)等。

試驗(yàn)根據(jù)理論設(shè)計(jì)模型，自制并排式黑水虻蟲(chóng)沙雙葉輪集料裝置，主要研究集料性能，對(duì)整機(jī)后端分選裝置進(jìn)行了刪減，部分支撐件進(jìn)行了簡(jiǎn)化，試驗(yàn)裝置如圖8所示。試驗(yàn)前，在自制地槽(長(zhǎng)×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(chóng)沙，層鋪高度均值為0.15 m，與實(shí)際養(yǎng)殖條件保持相對(duì)一致。輸送帶單向長(zhǎng)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(cè)漏。然后，通過(guò)變頻控制器分別控制葉輪電動(dòng)機(jī)、輸送帶電動(dòng)機(jī)以及行走輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，分別調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速、輸送帶轉(zhuǎn)速以及葉輪前進(jìn)速度。葉輪與地槽水平面傾角通過(guò)后端升降桿調(diào)節(jié)，數(shù)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(yù)留空余區(qū)域，用于集料裝置作業(yè)方向調(diào)整及葉輪傾角、葉輪轉(zhuǎn)速、輸送帶轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度等參數(shù)預(yù)調(diào)節(jié)匹配。每次相同的集料時(shí)間間隔重復(fù)試驗(yàn)測(cè)量3次，相同時(shí)間間隔試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，同步停止葉輪旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)與行走輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，待輸送帶上物料完全輸送卸料后，停止輸送帶電動(dòng)機(jī)。最后，用電子天平稱取輸送帶后方集料平臺(tái)上的蟲(chóng)沙質(zhì)量，取平均值，計(jì)算獲得集料效率與集料均勻度變異系數(shù)。

3.2 集料性能評(píng)價(jià)方法

由于國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有黑水虻蟲(chóng)沙集料、輸送等方面的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以及評(píng)價(jià)作業(yè)效果的相關(guān)量化指標(biāo)，本文主要研究并排式雙葉輪工作參數(shù)對(duì)集料性能的影響，以期在地槽黑水虻蟲(chóng)沙集料、轉(zhuǎn)移輸送等作業(yè)過(guò)程中降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，同時(shí)，為后續(xù)蟲(chóng)沙分選提供連續(xù)物料流。因此，結(jié)合黑水虻蟲(chóng)沙養(yǎng)殖環(huán)境及工藝特點(diǎn)，為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)并排式雙葉輪集料裝置在鏟料、刮料、提升、轉(zhuǎn)移方面的作業(yè)效果，參照文獻(xiàn)[14,18-20]，以集料效率和集料均勻度變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。集料效率越大，單位時(shí)間集料質(zhì)量越大，作業(yè)效率越高；集料均勻度變異系數(shù)越小，相鄰均勻時(shí)間間隔內(nèi)的集料可靠性和均勻性越好，集料效果越佳，可為后續(xù)蟲(chóng)沙的分選提供穩(wěn)定、連續(xù)的物料流。

3.3 單因素試驗(yàn)

并排式雙葉輪集料裝置單因素試驗(yàn)主要研究集料裝置前進(jìn)速度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪傾角與集料效率、集料均勻度變異系數(shù)之間的變化關(guān)系，為后續(xù)組合優(yōu)化試驗(yàn)選取合適的因素水平值提供參考。

3.3.1前進(jìn)速度

圖9為葉輪傾角15°，葉輪轉(zhuǎn)速15 r/min時(shí)，葉輪前進(jìn)速度對(duì)集料性能的影響。由圖9可知，隨著前進(jìn)速度的增加，葉輪集料效率增加趨勢(shì)先急后緩，集料均勻度變異系數(shù)先降低后增大。原因在于，隨著前進(jìn)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(kāi)始迅速增大；但隨著前進(jìn)速度進(jìn)一步提高，弧形葉輪片單次集料填充量增多，甚至出現(xiàn)阻礙弧形葉輪片運(yùn)動(dòng)，易形成物料擠壓黏結(jié)堵塞現(xiàn)象，集料效率增速減緩；而變異系數(shù)隨著前進(jìn)速度增加，進(jìn)給量增加，弧形葉輪片集料量變得充分、均勻，變異系數(shù)降低，但隨著前進(jìn)速度持續(xù)增加，弧形葉輪片的前方物料填充量過(guò)大，存在相鄰弧形葉輪片刮料量不均現(xiàn)象，變異系數(shù)反而增大。

3.3.2葉輪傾角

圖10為前進(jìn)速度0.03 m/s，葉輪轉(zhuǎn)速15 r/min時(shí)，葉輪傾角對(duì)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(shù)先升高然后降低。原因在于，葉輪傾角最小時(shí)，葉輪集料底板鏟料不明顯，主要依靠弧形葉輪片對(duì)作業(yè)前方的物料進(jìn)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(duì)較均勻，變異系數(shù)低；隨著葉輪傾角增大，葉輪集料底板在一定前進(jìn)速度條件下，對(duì)作業(yè)前方的物料進(jìn)行鏟料現(xiàn)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(dòng)摩擦力等作用下，弧形葉輪片集料量增多，但易出現(xiàn)葉輪的相鄰弧形葉輪片鏟料量不均勻，變異系數(shù)提高；在葉輪傾角超過(guò)20°時(shí)，葉輪集料底板及弧形葉輪片對(duì)物料的鏟收、提升能力達(dá)到最大，然后受物料自身重力以及物料堆積滑動(dòng)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(shí)，因?yàn)閮A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(shù)減小。

3.3.3葉輪轉(zhuǎn)速

圖11為葉輪在前進(jìn)速度0.03 m/s，葉輪傾角15°時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)集料性能的影響。由圖11可知，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，集料效率先增加后降低，變異系數(shù)先降低后增大。原因在于，葉輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)，弧形葉輪片推送的物料運(yùn)動(dòng)緩慢，集料底板物料堆積現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)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(shù)較高；葉輪轉(zhuǎn)速較高時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)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(qiáng)，變異系數(shù)降低，在10～20 r/min范圍內(nèi)，保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。但是當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速逐漸提高，因離心力的作用，弧形葉輪片產(chǎn)生側(cè)向外拋現(xiàn)象，導(dǎo)致往內(nèi)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(cè)拋送物料量不一致，左右弧形葉輪片對(duì)向側(cè)拋，導(dǎo)致集料物料不均勻度增加，變異系數(shù)提高；但是當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速超過(guò)30 r/min時(shí)，因?yàn)檗D(zhuǎn)速過(guò)高，弧形葉輪片離心力作用過(guò)大，集料量不斷減小，集料效率持續(xù)降低，弧形葉輪片集料量變化幅度反而減小，變異系數(shù)降低。

3.4 響應(yīng)面試驗(yàn)

3.4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)分析并排式雙葉輪集料裝置的前進(jìn)速度、葉輪傾角、葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)集料性能影響的單因素試驗(yàn)，得到集料性能較好時(shí)的合理變化范圍，在此基礎(chǔ)上，以前進(jìn)速度、葉輪傾角、葉輪轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，集料效率和集料均勻度變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Codes of test factors

3.4.2試驗(yàn)方案與結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)原理設(shè)計(jì)的三因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)結(jié)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(yàn)

采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，建立集料效率、集料均勻度變異系數(shù)對(duì)葉輪前進(jìn)速度、葉輪傾角、葉輪轉(zhuǎn)速的自變量編碼值二次多項(xiàng)式回歸模型

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Response surface analysis plan and test results

(20)

(21)

對(duì)式(20)、(21)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，響應(yīng)面回歸模型中集料效率Y1和集料均勻度變異系數(shù)Y2的P值均小于0.001，模型極顯著。失擬項(xiàng)P>0.05，說(shuō)明回歸模型擬合度高。模型決定系數(shù)R2分別為0.969 1、0.955 9，表明95%以上的評(píng)價(jià)指標(biāo)均可由上述2個(gè)模型進(jìn)行優(yōu)化分析。

將不顯著的交互作用項(xiàng)的回歸平方和及自由度并入殘差項(xiàng)，對(duì)模型Y1、Y2進(jìn)行優(yōu)化得

(22)

(23)

根據(jù)模型Y1、Y2的P值與模型Y1、Y2的失擬項(xiàng)P值可知優(yōu)化模型可靠。試驗(yàn)因素影響葉輪集料效率的主次順序?yàn)椋喝~輪傾角、前進(jìn)速度、葉輪轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)因素影響集料均勻度變異系數(shù)的主次順序?yàn)椋喝~輪轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、葉輪傾角。

3.4.4交互因素對(duì)集料性能影響效應(yīng)分析

為了直觀了解各交互因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)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(duì)集料效率與均勻度變異系數(shù)影響的響應(yīng)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(shí)，前進(jìn)速度與葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)集料效率Y1交互作用的響應(yīng)面圖。由圖12a可知，隨著前進(jìn)速度增加，集料效率先增加后減??；隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，集料效率先增加后減小。且在中心水平下，前進(jìn)速度對(duì)集料效率的影響比葉輪轉(zhuǎn)速的影響幅度明顯一些。原因在于，前進(jìn)速度逐漸提高時(shí)，弧形葉輪片單位時(shí)間內(nèi)集料量逐漸增加，集料效率提高；但當(dāng)前進(jìn)速度過(guò)高時(shí)，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(chǎn)生堵塞積壓現(xiàn)象、前進(jìn)阻力增加，集料效率不穩(wěn)定，導(dǎo)致集料效率降低。葉輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)，相鄰弧形葉輪片集料量分散程度高，單位時(shí)間集料量降低；葉輪轉(zhuǎn)速過(guò)高，葉輪相鄰弧形葉輪片集料量均勻度較高，能較好形成穩(wěn)定的物料流，盡管單個(gè)弧形葉輪片集料量明顯降低，集料效率相對(duì)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(shí)，葉輪前進(jìn)速度與葉輪轉(zhuǎn)速對(duì)集料均勻度變異系數(shù)Y2交互作用的響應(yīng)面圖。由圖12b可知，隨著前進(jìn)速度的增加，均勻度變異系數(shù)先減小后增大，隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，均勻度變異系數(shù)逐漸減小。原因在于，前進(jìn)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(shù)小；前進(jìn)速度過(guò)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(shù)升高。隨著葉輪轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)弧形葉輪片集料次數(shù)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(shù)降低。

4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

為達(dá)到并排式雙葉輪集料裝置最佳的集料性能，并為后續(xù)提供連續(xù)的蟲(chóng)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(shù)較小。通過(guò)交互因素對(duì)集料效率與集料均勻度變異系數(shù)的影響效應(yīng)分析可知：當(dāng)要獲得較高的集料效率，就要滿足前進(jìn)速度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪傾角位于中心水平；要滿足集料均勻度變異系數(shù)較低，就要滿足前進(jìn)速度與葉輪傾角位于中心水平、葉輪轉(zhuǎn)速較高。考慮各因素指標(biāo)對(duì)響應(yīng)值的影響程度變化不同，需進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析。

按照集料效率最大、集料均勻度變異系數(shù)最小的原則，運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)2個(gè)指標(biāo)的全因子二次回歸模型最優(yōu)化進(jìn)行求解，目標(biāo)函數(shù)約束條件為

(24)

根據(jù)2個(gè)指標(biāo)的重要性，設(shè)置集料效率與集料均勻度變異系數(shù)的權(quán)重分配配集為W={0.5,0.5}。優(yōu)化后得到最優(yōu)工作參數(shù)組合為：前進(jìn)速度為0.06 m/s、葉輪傾角為17.72°、葉輪轉(zhuǎn)速為15.85 r/min，此時(shí)集料效率為4.54 kg/s，集料均勻度變異系數(shù)為2.66%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取整，將前進(jìn)速度設(shè)置為0.06 m/s、葉輪傾角為18°、葉輪轉(zhuǎn)速為16 r/min，其他條件不變，再次用軟件求優(yōu)，優(yōu)化參數(shù)結(jié)果為集料效率4.50 kg/s，集料均勻度變異系數(shù)2.63%。為驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，在此方案下重復(fù)試驗(yàn)3次，取平均值，結(jié)果如表4所示。

表4 模型優(yōu)化與試驗(yàn)對(duì)比Tab.4 Comparison between model optimization and experiment

通過(guò)表4可知，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化后的理論值相對(duì)誤差分別為3.78%與6.84%，可以看出Y1、Y2的試驗(yàn)值與理論優(yōu)化值較接近，參數(shù)優(yōu)化模型可靠。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)黑水虻蟲(chóng)沙集料作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題，根據(jù)地槽黑水虻養(yǎng)殖特點(diǎn)與黑水虻蟲(chóng)沙工藝，采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一種并排式雙葉輪集料裝置，通過(guò)雙葉輪對(duì)向旋轉(zhuǎn)集料，提高了地槽層鋪狀態(tài)黑水虻蟲(chóng)沙的集料效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，并為蟲(chóng)沙分選提供了連續(xù)的物料流。

(2)采用Box-Behnken試驗(yàn)方法進(jìn)行回歸分析可知，并排式雙葉輪集料裝置的前進(jìn)速度、葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪傾角對(duì)集料效率影響主次順序依次為葉輪傾角、前進(jìn)速度、葉輪轉(zhuǎn)速；各因素對(duì)集料均勻度變異系數(shù)影響主次順序依次為葉輪轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度、葉輪傾角。

(3)并排式雙葉輪集料裝置最優(yōu)工作參數(shù)為前進(jìn)速度0.06 m/s、葉輪傾角18°、葉輪轉(zhuǎn)速16 r/min，試驗(yàn)結(jié)果為集料效率4.67 kg/s，集料均勻度變異系數(shù)2.81%，與優(yōu)化后的理論值相對(duì)誤差分別為3.78%與6.84%，驗(yàn)證了模型參數(shù)的準(zhǔn)確性，基本滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。