吳電建， 張 彪， 劉 虎， 陳 源， 周明剛

(湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院， 湖北 武漢 430068)

在工廠化養(yǎng)殖模式下，由于魚(yú)苗不同個(gè)體之間生長(zhǎng)速度存在差異[1]，需要及時(shí)通過(guò)分選分級(jí)后分池飼養(yǎng)[2]。在對(duì)魚(yú)苗通過(guò)分選機(jī)進(jìn)行分選后還應(yīng)進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)。Rob Feam[3]、王文靜[4]等利用圖像識(shí)別技術(shù)計(jì)算出魚(yú)苗數(shù)量，但其效率對(duì)工廠化養(yǎng)殖模式的漁場(chǎng)來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。彭磊[5]等發(fā)明的魚(yú)苗計(jì)數(shù)器沒(méi)有考慮魚(yú)苗可能會(huì)由于重疊導(dǎo)致計(jì)數(shù)不準(zhǔn)。1997年日本人矢田貞美等發(fā)明了一種滾筒式魚(yú)體分離機(jī)構(gòu)，這種魚(yú)苗分離機(jī)構(gòu)采用5根滾筒，滾筒之間的間距各不相同，魚(yú)苗在滾筒之間滑動(dòng)，進(jìn)入到相應(yīng)的間隙中才能落下，雖分散效果較好，但對(duì)魚(yú)苗傷害較大。洪揚(yáng)等發(fā)明的一種回轉(zhuǎn)凸輪式魚(yú)苗分散裝置，利用凸輪周期性轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)使得魚(yú)苗周期性地進(jìn)入魚(yú)苗計(jì)數(shù)裝置。這種分散裝置的缺點(diǎn)是工作效率不高且魚(yú)苗容易卡住，對(duì)魚(yú)苗傷害也較大。筆者在魚(yú)苗與鋼板之間的摩擦和碰撞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中設(shè)置了一種擋板式魚(yú)苗分散通道，此裝置分散過(guò)程連續(xù)性好，分散效率高，能夠保證魚(yú)苗計(jì)數(shù)前充分分散，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)。

1 分散通道結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 分散通道整體結(jié)構(gòu)

分散通道和魚(yú)苗分選機(jī)裝配三維圖如圖1所示。魚(yú)苗分散通道由3個(gè)導(dǎo)魚(yú)通道組成。3個(gè)導(dǎo)魚(yú)通道結(jié)構(gòu)相同，每個(gè)導(dǎo)魚(yú)通道由兩塊側(cè)板和一塊底板組成，通道內(nèi)有3塊形狀相同的擋板分布在側(cè)板兩側(cè)。這3塊擋板對(duì)魚(yú)苗分散處理起著重要作用。魚(yú)苗分散通道二維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-魚(yú)苗分選機(jī)； 2-分散通道圖 1 魚(yú)苗分選機(jī)與分散通道裝配

1-底板； 2-一級(jí)擋板； 3-二級(jí)擋板； 4-三級(jí)擋板； 5-側(cè)板圖 2 分散通道二維結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

魚(yú)苗分散通道是靠魚(yú)苗在通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)與擋板發(fā)生碰撞改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)魚(yú)苗速度變化以實(shí)現(xiàn)魚(yú)苗分散化(圖3)。魚(yú)苗在分散通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)主要有4個(gè)階段：1)魚(yú)苗通過(guò)魚(yú)苗分選機(jī)出口后到達(dá)一級(jí)擋板前預(yù)留了100 mm的距離，魚(yú)苗在這段距離里加速保證其與一級(jí)擋板碰撞時(shí)達(dá)到預(yù)計(jì)的速度;2)魚(yú)苗到達(dá)一級(jí)擋板與之發(fā)生碰撞后速度改變向二級(jí)擋板運(yùn)動(dòng)；3)魚(yú)苗到達(dá)二級(jí)擋板并與之發(fā)生碰撞，速度發(fā)生改變后向三級(jí)擋板運(yùn)動(dòng)；4)魚(yú)苗與三級(jí)擋板發(fā)生碰撞并改變速度運(yùn)動(dòng)。

1-魚(yú)苗運(yùn)動(dòng)軌跡；2-側(cè)板圖 3 魚(yú)苗在分散通道運(yùn)動(dòng)示意圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 擋板作用

擋板是魚(yú)苗分散通道對(duì)魚(yú)苗進(jìn)行分散化處理的重要零部件。由于魚(yú)苗與擋板碰撞使得魚(yú)苗原本在重力和水流沖擊作用下的勻加速運(yùn)動(dòng)變成了多級(jí)變加速運(yùn)動(dòng)，并且還增加了分散通道內(nèi)的魚(yú)苗運(yùn)動(dòng)行程，從而使得魚(yú)苗分散化，所以擋板的材料、形狀、尺寸直接影響到魚(yú)苗的分散效率以及魚(yú)苗的損傷。

2.1.1 擋板外形由于擋板是由剛性材料制作而成，在作業(yè)過(guò)程中擋板邊緣處可能會(huì)對(duì)魚(yú)苗造成刮傷，所以在擋板的邊緣處進(jìn)行折彎處理并用橡膠包裹來(lái)減少魚(yú)苗在通過(guò)通道時(shí)的損傷。擋板外形如圖4所示。擋板1處與分散通道側(cè)板相連接，擋板1處倒角(采用倒角處理方便與側(cè)板焊接)。魚(yú)苗在擋板2處與擋板碰撞后速度發(fā)生變化從而發(fā)生分散。3為擋板下部倒角，以避免魚(yú)苗在離開(kāi)擋板時(shí)刮傷。4為側(cè)邊倒角主要為了防止魚(yú)苗與擋板刮蹭。

1—擋板；2-擋板工作區(qū)域。3—擋板下部倒角；4-側(cè)邊倒角圖 4 擋板二維圖

表1 擋板部件參數(shù)

圖 5 導(dǎo)魚(yú)通道

表2 導(dǎo)魚(yú)通道部件

2.1.2 擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)擋板在側(cè)板上的分布情況決定了魚(yú)苗分散通道的分散系數(shù)。魚(yú)苗分散通道作為裝配在魚(yú)苗分選機(jī)上的工作部件，其參數(shù)結(jié)合魚(yú)苗分選機(jī)設(shè)計(jì)，即：長(zhǎng)度為800 mm，最優(yōu)裝置傾角為40°，魚(yú)苗離開(kāi)魚(yú)苗分選機(jī)時(shí)速度為0.8 m/s。由于魚(yú)苗離開(kāi)分選機(jī)做平拋運(yùn)動(dòng)。根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)方程

tanθ=y/x

其中：x為水平方向位移，x=vt；y為鉛錘方向的位移，y=1/2gt2；θ=40°。

解出t=0.139 s,魚(yú)苗掉落在分散通道底板145 mm處附近的位置。考慮到水流速度的不穩(wěn)定和魚(yú)的體積大小，故應(yīng)在側(cè)板140 mm處安裝一級(jí)擋板，由于魚(yú)苗的最大長(zhǎng)度為120 mm，故只要保證相鄰擋板間距離大于120 mm，則魚(yú)苗不會(huì)卡在擋板之間。魚(yú)苗分散通道兩側(cè)板之間距離為402 mm，只要保證擋板的長(zhǎng)度達(dá)到240 mm，魚(yú)苗與擋板能夠在擋板上完成碰撞并滑落。擋板的級(jí)數(shù)選用三級(jí)是因?yàn)槎?jí)擋板無(wú)法發(fā)揮作用，四級(jí)擋板雖然能發(fā)揮作用但容易造成擁堵。綜合考慮，擋板的級(jí)數(shù)應(yīng)選為三級(jí)。

2.2 導(dǎo)魚(yú)通道的設(shè)計(jì)

導(dǎo)魚(yú)通道的尺寸是根據(jù)仿真驗(yàn)證所得到的。導(dǎo)魚(yú)通道長(zhǎng)800 mm，保證導(dǎo)魚(yú)通道有足夠的行程使得魚(yú)苗能夠更加分散化，且滿足安裝條件。寬度為404 mm，符合魚(yú)苗分選機(jī)的出魚(yú)口要求。側(cè)板寬為142 mm，可防止擋板超出導(dǎo)魚(yú)通道的寬度導(dǎo)致魚(yú)苗飛出。導(dǎo)魚(yú)通道如圖5所示，部件參數(shù)如表2所示。

3 仿真模型的建立

3.1 魚(yú)苗仿真模型

以紅鯽魚(yú)作為試驗(yàn)研究對(duì)象，利用電子秤、游標(biāo)卡尺等儀器多次測(cè)量魚(yú)苗的體型特征，得到魚(yú)苗的平均體寬、體高、體長(zhǎng)之比約為1∶1.5∶7，平均密度為2000 kg/m3?？紤]到鯽魚(yú)體型近似梭形，腹背軸線呈左右對(duì)稱，故運(yùn)用多球面組合方式按體寬分級(jí)規(guī)格建立相應(yīng)尺寸魚(yú)苗離散元模型[6-11]。魚(yú)苗的泊松比為0.45，剪切模量為1.64×106Pa ，魚(yú)苗實(shí)體及離散元模型如圖6所示。

(a)魚(yú)苗實(shí)體

(b)魚(yú)苗模型正視圖

(c)魚(yú)苗模型俯視圖圖 6 魚(yú)苗實(shí)體模型對(duì)比

3.2 仿真參數(shù)設(shè)定

分散通道材料屬性均為45號(hào)鋼，泊松比為0.31，剪切模量為7×1010Pa,密度為7800 kg/m3。魚(yú)苗表面的粘性對(duì)模擬魚(yú)苗之間、魚(yú)苗與機(jī)械間相互作用有重要影響。通過(guò)查閱45號(hào)鋼-魚(yú)苗、魚(yú)苗-魚(yú)苗的動(dòng)靜摩擦因數(shù)與恢復(fù)因數(shù)[7-11]測(cè)得的相關(guān)參數(shù)結(jié)果如表3所示。根據(jù)實(shí)際分選工作過(guò)程，設(shè)置魚(yú)苗水平方向初始速度為0.8 m/s，其固定時(shí)間步長(zhǎng)為15%，其網(wǎng)格大小為2Rmin，仿真時(shí)長(zhǎng)55 s。采用離散元軟件后處理模塊[12-18]統(tǒng)計(jì)分選過(guò)程結(jié)束后各導(dǎo)魚(yú)槽內(nèi)魚(yú)苗的數(shù)量，以此計(jì)算魚(yú)苗分散系數(shù)。由于3個(gè)分散通道的結(jié)構(gòu)是一樣的，其仿真過(guò)程如圖7所示。

表3 相關(guān)材料參照

圖 7 仿真試驗(yàn)

4 分散通道正交仿真試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)的3個(gè)參數(shù)如圖8所示：a)傾角α，分散通道與水平面之間的夾角；b)擋板角度β，擋板所在平面與側(cè)板所在平面之間的夾角；c)進(jìn)魚(yú)量n，每秒鐘進(jìn)入單個(gè)導(dǎo)魚(yú)通道的魚(yú)苗數(shù)量。

圖 8 仿真參數(shù)

4.2 仿真試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)[19-20]簡(jiǎn)化試驗(yàn)次數(shù)。初步把裝置傾α、擋板角度β、進(jìn)魚(yú)量n這三個(gè)自變量設(shè)定為3個(gè)水平，把裝置傾角水平設(shè)為A1,A2,A3,擋板角度水平設(shè)為B1,B2，B3，進(jìn)魚(yú)量水平分別為C1,C2,C3，N1為計(jì)數(shù)裝置統(tǒng)計(jì)魚(yú)苗數(shù)，N2為魚(yú)苗實(shí)際數(shù)量。由于魚(yú)苗在分散時(shí)可能會(huì)有多條魚(yú)苗粘連在一起，計(jì)數(shù)裝置的特點(diǎn)會(huì)將其記作一條，因此魚(yú)苗分散系數(shù)與計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率數(shù)值相等，即

表4 試驗(yàn)因素水平

表5 L9(43)試驗(yàn)方案

表6 L9(43)試驗(yàn)方案結(jié)果分析

5 結(jié)果分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 單因素影響分析

5.1.1 裝置傾角α對(duì)分散系數(shù)的影響裝置傾角是指分散通道與水平面之間的夾角，其理論值為0～90°。當(dāng)裝置傾角過(guò)小時(shí)，通道內(nèi)魚(yú)苗堆積，降低了分散效率；當(dāng)裝置傾角過(guò)大，通道內(nèi)魚(yú)苗大量、迅速地通過(guò)通道，降低分散系數(shù)。魚(yú)苗分散系數(shù)和裝置傾角的關(guān)系如圖9所示。根據(jù)仿真效果，最優(yōu)的裝置傾角為40°。

圖 9 裝置傾角對(duì)分散系數(shù)的影響

5.1.2 擋板角度β對(duì)分散系數(shù)的影響擋板角度是指擋板與通道側(cè)面之間的夾角，對(duì)分散系數(shù)的影響較為重要。據(jù)仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果分析，擋板角度應(yīng)控制在30°～60°，角度過(guò)大過(guò)小都會(huì)降低分散系數(shù)。分散系數(shù)和擋板角度的關(guān)系如圖10所示。根據(jù)仿真效果，最優(yōu)的擋板角度為50°。

圖10 擋板角度對(duì)分散系數(shù)的影響

5.1.3 進(jìn)魚(yú)量n對(duì)分散系數(shù)的影響進(jìn)魚(yú)量指的是1 s內(nèi)進(jìn)入分散通道內(nèi)魚(yú)苗的數(shù)量。進(jìn)魚(yú)量的大小從根本上決定了分散通道的分散效果。魚(yú)苗分散系數(shù)與進(jìn)魚(yú)量關(guān)系如圖11所示。理論上講，進(jìn)魚(yú)量越小，分散效果越好，但這并不符合實(shí)際情況。為兼顧效率與分散系數(shù)，進(jìn)魚(yú)量應(yīng)取4條/s。

圖11 進(jìn)魚(yú)量對(duì)分散系數(shù)影響

5.2 試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證基于離散元軟件的試驗(yàn)準(zhǔn)確性，實(shí)際試驗(yàn)在上海某單位進(jìn)行(圖12)。選取80條紅鯽魚(yú)按步驟放入分散通道中，對(duì)其進(jìn)行單因素試驗(yàn)(圖13，圖14)。

圖12 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

圖13 裝置傾角仿真與試驗(yàn)對(duì)比

圖14 進(jìn)魚(yú)量仿真與試驗(yàn)對(duì)比

由圖13可見(jiàn)，裝置傾角為20°40°范圍時(shí)，分散系數(shù)隨裝置傾角的增加而增加。當(dāng)裝置傾角達(dá)到40°，分散系數(shù)最大。此后分散系數(shù)隨裝置傾角增加而減小，且試驗(yàn)與仿真(圖10)的趨勢(shì)一致。

6 結(jié)論

本文對(duì)現(xiàn)有的魚(yú)苗分散裝置進(jìn)行改進(jìn)，建立了一種利用擋板使魚(yú)苗進(jìn)行差速運(yùn)動(dòng)的魚(yú)苗分散裝置。通過(guò)離散元仿真試驗(yàn)，得出了影響魚(yú)苗分散系數(shù)的3個(gè)主要因素的主次程度為進(jìn)魚(yú)量、擋板角度、裝置傾角。正交仿真試驗(yàn)得出其在裝置傾角40°、擋板角度為50°、進(jìn)魚(yú)量為2條/s時(shí),分散通道分散系數(shù)可達(dá)到96%，且機(jī)械整體配合度最好。