輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)與模擬仿真

趙 良,宋協(xié)法,李 賢,董登攀,黃志濤

(中國(guó)海洋大學(xué)水產(chǎn)學(xué)院,山東 青島 266003)

近年來(lái),隨著中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,養(yǎng)殖技術(shù)水平不斷提高,水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)的全程機(jī)械化、智能化已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。養(yǎng)殖過(guò)程中不論是魚(yú)苗入池,還是成品魚(yú)上市,都需要對(duì)大量活魚(yú)進(jìn)行分級(jí),分級(jí)工作主要依靠人工進(jìn)行,費(fèi)時(shí)費(fèi)力[3]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)械的應(yīng)用仍處于起步階段,對(duì)魚(yú)類(lèi)分級(jí)裝置的設(shè)計(jì)和研究較少。彭永章[4]設(shè)計(jì)了一種噴水滾筒式魚(yú)苗分級(jí)裝置,該裝置可以通過(guò)改變滾筒旋轉(zhuǎn)方式適應(yīng)機(jī)器對(duì)不同分選效率及準(zhǔn)確率的要求,當(dāng)滾筒兩兩逆向旋轉(zhuǎn)時(shí),分選效率較低但準(zhǔn)確率較高,當(dāng)僅中間一對(duì)滾筒逆向旋轉(zhuǎn)其余滾筒正向旋轉(zhuǎn)時(shí),分選準(zhǔn)確率會(huì)減低但效率會(huì)大大提升,分選效率能達(dá)到每小時(shí)12.6萬(wàn)尾。該裝置在分級(jí)過(guò)程中通過(guò)滾筒對(duì)魚(yú)體噴水從而達(dá)到提高分選效率的目的,噴水水壓可能會(huì)對(duì)魚(yú)體造成沖擊。洪揚(yáng)等[5-6]設(shè)計(jì)了一種回轉(zhuǎn)式分級(jí)機(jī),該機(jī)器分級(jí)效果與分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速具有較高的相關(guān)性,通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速,可以有效提高機(jī)器分選效率和準(zhǔn)確率,分選效率約為9 600～14 400尾/h,分選準(zhǔn)確率約為90%,但該分級(jí)機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)較為復(fù)雜,控制系統(tǒng)不夠精確,同時(shí)存在成本過(guò)高問(wèn)題。王志勇等[7]設(shè)計(jì)了一種可在捕撈船上使用的輥道式分級(jí)裝置,通過(guò)改變輥道間距實(shí)現(xiàn)魚(yú)體分級(jí),分級(jí)效率能達(dá)到2.1 t/h,準(zhǔn)確率約為94.2%,但由于該裝置應(yīng)用場(chǎng)景為捕撈船,設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有考慮對(duì)魚(yú)體的保護(hù),因此分級(jí)過(guò)程中易對(duì)魚(yú)體造成損傷,多適用于捕撈作業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,利用機(jī)器視覺(jué)對(duì)魚(yú)類(lèi)進(jìn)行重量估算也成為新的發(fā)展方向[8]。傳統(tǒng)機(jī)械分級(jí)主要以魚(yú)體寬度作為分級(jí)指標(biāo),而機(jī)器視覺(jué)可以對(duì)魚(yú)體寬度、高度、周長(zhǎng)和面積等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),從而估算魚(yú)體重量[9-15]。該方法一般采用攝像機(jī)采集魚(yú)體圖像,使用計(jì)算機(jī)對(duì)收集到的圖像進(jìn)行處理,從而達(dá)到估算魚(yú)體重量的目的[16]。但該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中受到養(yǎng)殖環(huán)境條件的限制,且無(wú)法實(shí)現(xiàn)多級(jí)分選的效果,因此不適用于大量魚(yú)體的分級(jí)工作[17]。

在分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,受到物料和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的制約,通常難以對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行精確計(jì)算,僅能通過(guò)對(duì)機(jī)器運(yùn)行參數(shù)如輥軸轉(zhuǎn)速和傾角進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,從而測(cè)試不同參數(shù)下的分級(jí)效果,浪費(fèi)人力物力,且多次分級(jí)易對(duì)魚(yú)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(guò)計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)的粒子信息來(lái)模擬模型的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。近年來(lái),許多學(xué)者使用EDEM離散元軟件進(jìn)行模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)各類(lèi)機(jī)械或優(yōu)化其工作參數(shù),其優(yōu)勢(shì)是通過(guò)仿真來(lái)模擬實(shí)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的運(yùn)行效果,減少了對(duì)實(shí)機(jī)試驗(yàn)和試驗(yàn)物料的需求,從而節(jié)省成本。

本研究設(shè)計(jì)了一種輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī),使用EDEM離散元軟件建立魚(yú)機(jī)耦合模型,通過(guò)模擬仿真試驗(yàn)對(duì)樣機(jī)輥軸主要運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,為魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了新的技術(shù)支撐和思路。

1 材料與方法

1.1 輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)計(jì)的輥道式分級(jí)機(jī)(圖1)結(jié)構(gòu)主要包括魚(yú)水分離槽和分魚(yú)裝置兩部分。

圖1 輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)示意圖

魚(yú)水分離槽設(shè)置兩個(gè)開(kāi)孔,其中進(jìn)水口用于連接吸魚(yú)泵,進(jìn)水口設(shè)置為底部進(jìn)水,魚(yú)水混合物從分離槽的底部涌出,避免了側(cè)部進(jìn)水時(shí)水流的沖擊對(duì)魚(yú)體造成損傷,分離槽底部設(shè)有濾水格柵,在出水口可連接管道將水排回養(yǎng)殖池中。分魚(yú)裝置包含分魚(yú)軌道,分魚(yú)軌道上方設(shè)有可調(diào)節(jié)噴淋裝置,下方設(shè)有分級(jí)輥,分級(jí)輥上方設(shè)置分級(jí)擋板,分級(jí)輥的下方為導(dǎo)魚(yú)槽,導(dǎo)魚(yú)槽連接有排魚(yú)管道。

分級(jí)輥軸為輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)的核心結(jié)構(gòu),其參數(shù)直接影響到分級(jí)機(jī)的工作性能。分級(jí)輥軸為粗細(xì)均勻的圓柱狀結(jié)構(gòu),兩根相鄰的分級(jí)輥軸成一定角度,組成一個(gè)分級(jí)輥道,通過(guò)調(diào)節(jié)分級(jí)輥軸之間的間距,在分級(jí)輥道上形成不同的分級(jí)區(qū)域,每個(gè)分級(jí)區(qū)域?qū)?yīng)分級(jí)不同級(jí)別的魚(yú)體。

分級(jí)輥軸為兩兩逆向轉(zhuǎn)動(dòng),在分級(jí)過(guò)程中,魚(yú)體可能會(huì)伴隨分級(jí)輥軸的轉(zhuǎn)動(dòng),掉落到兩個(gè)分級(jí)輥道之間,造成分級(jí)準(zhǔn)確率下降。在每個(gè)分級(jí)輥軸上方設(shè)置分級(jí)擋板,可以有效阻止魚(yú)體滾落至分級(jí)輥道間。

分級(jí)過(guò)程中,通常使用吸魚(yú)泵連接至魚(yú)體分級(jí)機(jī),通過(guò)吸魚(yú)泵將待分級(jí)的魚(yú)體吸入分級(jí)機(jī),魚(yú)體混合著水進(jìn)入魚(yú)水分離槽后,魚(yú)體在水流的作用下進(jìn)入分級(jí)軌道。每個(gè)分級(jí)軌道由兩根逆向旋轉(zhuǎn)的分級(jí)輥軸組成,且輥軸的間距不斷增大,魚(yú)體在重力的作用下向前滑動(dòng),當(dāng)魚(yú)體寬小于輥軸間距時(shí),魚(yú)體落入導(dǎo)魚(yú)槽中,不同級(jí)別的魚(yú)體會(huì)進(jìn)入不同的導(dǎo)魚(yú)槽,從而完成分級(jí)作業(yè)。

1.2 魚(yú)機(jī)耦合仿真模型

1.2.1 魚(yú)體模型構(gòu)建

使用SolidWorks構(gòu)建大瀧六線魚(yú)魚(yú)體三維模型,受計(jì)算機(jī)性能限制,將魚(yú)體模型尺寸較實(shí)際魚(yú)體進(jìn)行等比縮小,將模型存為stl.格式后導(dǎo)入EDEM軟件中,采用自動(dòng)填充顆粒方式填充魚(yú)體模型,生成魚(yú)體模型后設(shè)置模型參數(shù),模型參數(shù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)置[18-19],具體為:魚(yú)體模型長(zhǎng)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(fù)系數(shù)為0.5,靜摩擦系數(shù)為0.2,滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15,魚(yú)體模型如圖2所示。

圖2 大瀧六線魚(yú)魚(yú)體模型

1.2.2 樣機(jī)模型構(gòu)建

因只需要模擬分級(jí)過(guò)程,用一個(gè)分級(jí)輥道代替多個(gè)輥道來(lái)模擬分級(jí)過(guò)程,為提高仿真效率,將分級(jí)機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,只保留分級(jí)擋板、分級(jí)輥道、集魚(yú)槽3個(gè)關(guān)鍵核心部件,集魚(yú)槽上方只設(shè)置1個(gè)分級(jí)輥道,由2根輥軸組成,每根輥軸上方設(shè)置分級(jí)擋板。使用SolidWorks建立分級(jí)機(jī)三維模型(圖3),受計(jì)算機(jī)性能限制,模型尺寸較實(shí)機(jī)進(jìn)行了幾何相似處理,將模型導(dǎo)入EDEM軟件中,分級(jí)機(jī)模型參數(shù)通過(guò)查閱文獻(xiàn)設(shè)置[19],輥軸長(zhǎng)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(fù)系數(shù)為0.5,靜摩擦系數(shù)為0.2,滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.15。

圖3 輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)模型

1.2.3 模擬參數(shù)設(shè)置

(1) 分級(jí)規(guī)格

樣機(jī)模型分級(jí)間距為0.50～1.25 mm,共3級(jí)分級(jí)區(qū),分別為0.50～0.75 mm、0.75～1 mm、1～1.25 mm,魚(yú)體模型寬度約為5.9 mm,根據(jù)魚(yú)體模型及分級(jí)間距,設(shè)置6種不同規(guī)格魚(yú)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(guī)格所占比例分別為5%、5%、10%、20%、20%、40%,每級(jí)分級(jí)區(qū)對(duì)應(yīng)兩種分級(jí)規(guī)格。

(2) 接觸模型

由于實(shí)際生產(chǎn)中魚(yú)體表面存有部分黏液和殘留水分,同時(shí)在分級(jí)軌道上方布設(shè)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(shù)

設(shè)置魚(yú)體模型生成后具有一定的初始水平速度,以模擬水流帶動(dòng)魚(yú)體前進(jìn),根據(jù)多次試驗(yàn)嘗試,設(shè)定魚(yú)體初始水平速度為0.4 m/s,在該速度下,魚(yú)體模型能夠較好地進(jìn)入分級(jí)軌道,完成分級(jí)進(jìn)程。根據(jù)設(shè)計(jì)的分級(jí)規(guī)格及比例,設(shè)置進(jìn)魚(yú)總量共計(jì)0.2 g,進(jìn)魚(yú)速度為0.014 g/s,平均約2尾/s。

1.3 仿真模擬試驗(yàn)

1.3.1 單因素仿真試驗(yàn)

通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)確定了分級(jí)輥軸轉(zhuǎn)速、傾角、直徑的大概適宜范圍(轉(zhuǎn)速為2～6 r/s,傾角為5°～9°,直徑為1～3 mm),當(dāng)輥軸參數(shù)值超過(guò)該范圍時(shí),會(huì)出現(xiàn)無(wú)法分級(jí)或分級(jí)效率過(guò)低等情況。

依據(jù)以上條件,分別對(duì)分級(jí)輥軸轉(zhuǎn)速、傾角、直徑設(shè)置三個(gè)單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)1設(shè)置分級(jí)輥軸直徑為2 mm,傾角為7°,轉(zhuǎn)速分別為2、3、4、5、6 r/s,測(cè)試不同轉(zhuǎn)速下分級(jí)的準(zhǔn)確率;試驗(yàn)2設(shè)置分級(jí)輥軸轉(zhuǎn)速為3 r/s,輥軸直徑為2 mm,傾角為5、6、7、8、9°,測(cè)試不同傾角下分級(jí)的準(zhǔn)確率;試驗(yàn)3設(shè)置輥軸轉(zhuǎn)速為3 r/s,傾角為7°,直徑為1、1.5、2、2.5、3 mm,測(cè)試不同直徑下的分級(jí)準(zhǔn)確率。

1.3.2 多因素仿真試驗(yàn)

Box-Behnken響應(yīng)面法可以通過(guò)連續(xù)的響應(yīng)面結(jié)果來(lái)探究試驗(yàn)的最佳參數(shù),考慮到3個(gè)因素對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響為非線性,且3個(gè)影響因素之間可能存在交互作用,為探究分級(jí)機(jī)工作最優(yōu)參數(shù)組合,在Design Expert 13軟件中使用響應(yīng)曲面(Box-Behnken)模塊設(shè)置三因素三水平組合仿真試驗(yàn),各試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

每組仿真試驗(yàn)結(jié)束后,根據(jù)魚(yú)體量和符合分級(jí)規(guī)格的魚(yú)量計(jì)算輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)的分級(jí)準(zhǔn)確率。

(1)

式中:w為分級(jí)準(zhǔn)確率;m為符合分級(jí)規(guī)格的魚(yú)量;n為分級(jí)總量。

使用Design Expert 13對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,使用Origin 2021對(duì)單因素試驗(yàn)和多因素響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果圖進(jìn)行繪制,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析。

2 結(jié)果

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)單因素試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,輥軸轉(zhuǎn)速、傾角和直徑3個(gè)因素均對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率存在影響,相對(duì)于輥軸轉(zhuǎn)速和直徑,傾角對(duì)準(zhǔn)確率的影響更為明顯。隨著輥軸轉(zhuǎn)速的增加,分級(jí)準(zhǔn)確率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),輥軸轉(zhuǎn)速在2～5 r/s時(shí),分級(jí)準(zhǔn)確率較高,均高于80%,其中輥軸轉(zhuǎn)速為3～4 r/s時(shí),分級(jí)準(zhǔn)確率最高,當(dāng)輥軸轉(zhuǎn)速高于5 r/s時(shí),準(zhǔn)確率急劇下降(圖4 a)。隨著輥軸傾角的增加,分級(jí)準(zhǔn)確率也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),輥軸傾角在5°～8°時(shí),分級(jí)準(zhǔn)確率均高于80%,當(dāng)傾角約為6.5°時(shí),分級(jí)準(zhǔn)確率最高,當(dāng)輥軸傾角大于8°時(shí),準(zhǔn)確率急劇下降,在9°時(shí)準(zhǔn)確率僅為60%(圖4 b)。隨著輥軸直徑的增加,分級(jí)準(zhǔn)確率呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)但趨勢(shì)逐漸變緩,在輥軸直徑為2.5 mm時(shí)達(dá)到最高點(diǎn),當(dāng)輥軸直徑超過(guò)2.5 mm后,準(zhǔn)確率開(kāi)始緩慢下降(圖4 c)。綜上,在改變輥軸參數(shù)時(shí),分級(jí)機(jī)的準(zhǔn)確率均發(fā)生變化,其中以?xún)A角帶來(lái)的準(zhǔn)確率變化最為顯著。

圖4 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2 多因素試驗(yàn)結(jié)果

多因素試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,當(dāng)輥軸轉(zhuǎn)速為2 r/s,傾角為7°,直徑為1 mm時(shí),分級(jí)準(zhǔn)確率最低,為56%;當(dāng)輥軸轉(zhuǎn)速為4 r/s,傾角為7°,直徑為2 mm時(shí),分級(jí)準(zhǔn)確率較高。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

應(yīng)用Design Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立關(guān)于輥軸轉(zhuǎn)速A、傾角B、直徑C對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率影響的二次多項(xiàng)式響應(yīng)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(jí)準(zhǔn)確率,回歸方程R2=0.857 9。

2.2.1 試驗(yàn)方差分析

使用Design Expert13對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析結(jié)果如表3所示,方差結(jié)果中模型P<0.05,差異顯著,失擬項(xiàng)P>0.05,差異不顯著,說(shuō)明分級(jí)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿M合程度較好。

表3 試驗(yàn)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(yīng)曲面結(jié)果如圖5所示,響應(yīng)面越陡或響應(yīng)面的等高線越接近橢圓說(shuō)明兩種因素的交互影響越顯著,反之則說(shuō)明交互影響不顯著。

圖5 多因素試驗(yàn)結(jié)果(響應(yīng)曲面法)

在確定輥軸直徑條件下,當(dāng)輥軸轉(zhuǎn)速較低時(shí),分級(jí)準(zhǔn)確率隨著傾角的增加而升高,最后趨于穩(wěn)定;當(dāng)輥軸轉(zhuǎn)速較高時(shí),分級(jí)準(zhǔn)確率隨著傾角的增加先升高再降低,響應(yīng)面等高線呈橢圓形,說(shuō)明輥軸轉(zhuǎn)速和傾角交互作用明顯。

在確定輥軸轉(zhuǎn)速條件下,當(dāng)輥軸直徑較低時(shí),隨著傾角的增加,準(zhǔn)確率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì);當(dāng)輥軸直徑較高時(shí),隨著傾角的增加,準(zhǔn)確率同樣呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),因此輥軸直徑和傾角交互作用明顯,且輥軸直徑對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響高于輥軸傾角對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響。

在確定輥軸傾角條件下,當(dāng)輥軸直徑較低時(shí),準(zhǔn)確率隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加;當(dāng)輥軸直徑較高時(shí),準(zhǔn)確率隨著轉(zhuǎn)速的增加而降低,響應(yīng)面等高線呈橢圓形,因此輥軸直徑和轉(zhuǎn)速交互作用明顯,且輥軸直徑對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響高于輥軸轉(zhuǎn)速對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響。

由多因素響應(yīng)面試驗(yàn)可知,3個(gè)因素對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響排序?yàn)?直徑、轉(zhuǎn)速、傾角,且轉(zhuǎn)速與傾角,直徑與傾角,直徑與轉(zhuǎn)速均對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率影響顯著。

通過(guò)Design Expert軟件中Optimization模塊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,當(dāng)分級(jí)輥軸轉(zhuǎn)速為3.4 r/s,傾角為7.8°,直徑為2.68 mm時(shí),分級(jí)準(zhǔn)確率最高,為90.5%。

3 討論

3.1 輥軸參數(shù)對(duì)分級(jí)性能的影響

輥軸是輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)的核心部件,分級(jí)機(jī)的分級(jí)作業(yè)主要通過(guò)分級(jí)輥軸來(lái)完成,不同的輥軸設(shè)計(jì)對(duì)分級(jí)效果也會(huì)產(chǎn)生不同的影響。劉虎等[19]設(shè)計(jì)的輥道式分級(jí)機(jī)采用的是三段式輥軸,輥軸均勻地分為三段不同的直徑區(qū),每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一種分級(jí)規(guī)格,根據(jù)對(duì)分級(jí)對(duì)象的體寬測(cè)定,設(shè)計(jì)輥軸的直徑,這種輥軸設(shè)計(jì)方式只能對(duì)相差一定體寬規(guī)格的魚(yú)體進(jìn)行分級(jí),對(duì)分級(jí)對(duì)象的體型要求較嚴(yán)格。殷遠(yuǎn)等[21]設(shè)計(jì)的輥道式分級(jí)機(jī)是將輥軸設(shè)計(jì)成錐形,通過(guò)輥軸直徑的變化產(chǎn)生輥軸間距變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格魚(yú)體分級(jí),輥軸的間距固定的,無(wú)法靈活調(diào)整輥軸間距以應(yīng)對(duì)不同的分級(jí)需求,因此只適用于秋刀魚(yú)和與其體型相似的魚(yú)體進(jìn)行分級(jí)。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(jí)輥,通過(guò)調(diào)節(jié)輥軸的旋轉(zhuǎn)軸來(lái)控制輥軸間距以實(shí)現(xiàn)分級(jí),從而避免分級(jí)機(jī)僅能分級(jí)特定體型魚(yú)體的問(wèn)題,根據(jù)本研究結(jié)果,輥軸直徑不同也會(huì)對(duì)分級(jí)性能產(chǎn)生影響,因此在分級(jí)機(jī)樣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),就應(yīng)把輥軸直徑作為關(guān)鍵因素加以考慮。

輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)的分級(jí)準(zhǔn)確率影響因素較多,包括輥軸轉(zhuǎn)速、傾角、直徑、長(zhǎng)度等,其中轉(zhuǎn)速、傾角和直徑對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響最為顯著。魚(yú)體在輥道中滑動(dòng)時(shí),與輥軸之間產(chǎn)生摩擦力,魚(yú)體受到重力、輥軸壓力和摩擦力的共同作用。當(dāng)輥軸轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí),魚(yú)體受到輥軸的摩擦力作用,導(dǎo)致魚(yú)體沿輥軸向下的沖量改變,隨著轉(zhuǎn)速的增加,魚(yú)體沿輥軸方向的運(yùn)動(dòng)速度也會(huì)變快。當(dāng)輥軸傾角發(fā)生變化時(shí),魚(yú)體在輥軸上的受力情況也發(fā)生改變,隨著傾角的增加,垂直方向的受力逐漸增大,因此導(dǎo)致魚(yú)體在輥軸間的下滑速度加快。當(dāng)輥軸直徑發(fā)生變化時(shí),魚(yú)體與輥軸接觸面積隨之變化,魚(yú)體受到的摩擦力變化,當(dāng)輥軸直徑增加時(shí),魚(yú)體更容易產(chǎn)生被帶動(dòng)離開(kāi)輥軸的趨勢(shì),魚(yú)體下滑速度變快。綜上,魚(yú)體滑動(dòng)速度隨著輥軸轉(zhuǎn)速、傾角和直徑的增加均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

當(dāng)魚(yú)體在分級(jí)輥道中隨輥軸下滑速度較低時(shí),分級(jí)時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng),魚(yú)體容易出現(xiàn)重疊等現(xiàn)象,導(dǎo)致分級(jí)準(zhǔn)確率較低。隨著魚(yú)體下滑速度的增加,魚(yú)體在輥軸上的排列逐漸分散,魚(yú)體也有足夠時(shí)間完成分級(jí),因而分級(jí)準(zhǔn)確率隨之升高。隨著下滑速度的進(jìn)一步增加,分級(jí)時(shí)長(zhǎng)繼續(xù)縮短,有部分魚(yú)體尚未完成分級(jí)就進(jìn)入下一級(jí)別的分級(jí)區(qū),導(dǎo)致分級(jí)準(zhǔn)確率下降。劉虎等[19]的研究發(fā)現(xiàn),分級(jí)機(jī)的分級(jí)準(zhǔn)確率隨輥軸轉(zhuǎn)速和傾角的增加先上升后下降,這與本研究類(lèi)似,但忽略了直徑對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響,在本研究中,輥軸直徑對(duì)分級(jí)的準(zhǔn)確率影響也較為顯著,其變化趨勢(shì)與輥軸轉(zhuǎn)速和傾角對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響一致。在多因素試驗(yàn)中,任意兩個(gè)因素產(chǎn)生的交互作用對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響較為顯著,這表明在分級(jí)機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,單一因素分析很難準(zhǔn)確地反映輥軸參數(shù)對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率的影響,應(yīng)將輥軸轉(zhuǎn)速、傾角和直徑作為整體綜合考慮,才可能得到分級(jí)準(zhǔn)確率最高的輥軸參數(shù)。

3.2 EDEM仿真在魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.2.1 降低實(shí)機(jī)試驗(yàn)對(duì)魚(yú)體脅迫

輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī)在魚(yú)體分級(jí)過(guò)程中,由于存在魚(yú)體與機(jī)械的碰撞摩擦,機(jī)器可能會(huì)對(duì)魚(yú)體造成缺氧、噪聲、振動(dòng)和擁擠等脅迫作用[22]。在實(shí)機(jī)分級(jí)過(guò)程中,輥軸參數(shù)設(shè)置除對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率產(chǎn)生影響外,也會(huì)對(duì)分級(jí)效率產(chǎn)生影響,不合理的輥軸參數(shù)設(shè)置易導(dǎo)致魚(yú)體在輥道上堵塞,對(duì)魚(yú)體產(chǎn)生較長(zhǎng)時(shí)間的脅迫。分級(jí)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)缺氧,進(jìn)一步影響?hù)~(yú)類(lèi)行為、鰓的性能、滲透壓調(diào)節(jié)及生理生化指標(biāo)[23-28]。也有研究表明,分級(jí)過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間的噪聲、振動(dòng)和擁擠等物理脅迫也會(huì)對(duì)魚(yú)體的生理指標(biāo)造成影響[29-31]。通過(guò)EDEM仿真軟件,對(duì)分級(jí)過(guò)程進(jìn)行模擬,以測(cè)試不同輥軸參數(shù)的分級(jí)效果,通過(guò)設(shè)置適宜的輥軸參數(shù),提高分級(jí)效率,減少魚(yú)體在輥道上的停留時(shí)間,從而有效降低實(shí)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)魚(yú)體造成的損傷。

3.2.2 為實(shí)機(jī)設(shè)計(jì)提供參考

EDEM仿真試驗(yàn)對(duì)樣機(jī)分級(jí)過(guò)程的模擬通常是較理想的情況,仿真試驗(yàn)時(shí)魚(yú)體離散程度較好,仿真采用的魚(yú)體為同一模型,不同規(guī)格魚(yú)體之間不存在體型差異,因此仿真試驗(yàn)相較于實(shí)機(jī)試驗(yàn)仍存在不足。但通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)輥軸參數(shù)進(jìn)行初步測(cè)試,其仿真試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)大致可以反映樣機(jī)實(shí)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì),因此仿真試驗(yàn)雖然與實(shí)機(jī)試驗(yàn)存在差異,但在樣機(jī)制造前通過(guò)仿真試驗(yàn)可以對(duì)樣機(jī)性能進(jìn)行初步探究,測(cè)試不同參數(shù)產(chǎn)生的準(zhǔn)確率趨勢(shì)變化,為實(shí)機(jī)設(shè)計(jì)提供理論參考。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了1臺(tái)輥道式魚(yú)類(lèi)分級(jí)機(jī),為探究輥軸最佳工作參數(shù),通過(guò)EDEM仿真進(jìn)行單因素試驗(yàn)和多因素響應(yīng)面試驗(yàn),得出結(jié)論如下:輥軸轉(zhuǎn)速、傾角和直徑均對(duì)分級(jí)準(zhǔn)確率有顯著影響,且3個(gè)因素兩兩之間存在交互影響,在分級(jí)機(jī)性能相關(guān)研究時(shí),應(yīng)將輥軸3個(gè)因素作為整體進(jìn)行分析,在本仿真試驗(yàn)中,當(dāng)輥軸轉(zhuǎn)速為3.4 r/s,傾角為7.8°,直徑為2.68 mm時(shí),分級(jí)準(zhǔn)確率最高,準(zhǔn)確率為90.5%;在樣機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)機(jī)試驗(yàn)前,可以通過(guò)仿真試驗(yàn)對(duì)分級(jí)機(jī)性能進(jìn)行初步探究,以減少實(shí)機(jī)設(shè)計(jì)的工作量,將來(lái)應(yīng)根據(jù)魚(yú)種建立適應(yīng)不同體型的分級(jí)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù),以降低魚(yú)類(lèi)應(yīng)激脅迫、提高分級(jí)效率,為實(shí)機(jī)試驗(yàn)提供理論參考。