黃偉，李秀辰,2,3，母剛,2,3，張國琛,2,3，白永安，張寒冰,2,3*

(1.大連海洋大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.設(shè)施漁業(yè)教育部重點實驗室(大連海洋大學(xué))，遼寧 大連 116023；3.遼寧省海洋漁業(yè)裝備專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧 大連 116023；4.盤錦光合蟹業(yè)有限公司，遼寧 盤錦 124200)

貝類灘涂養(yǎng)殖是中國海水養(yǎng)殖的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，2020年中國貝類產(chǎn)量為1.48×107t，占海水養(yǎng)殖產(chǎn)量的69%[1]。播苗是貝類養(yǎng)殖中的重要環(huán)節(jié)之一，當(dāng)前貝類播苗作業(yè)仍采用人工播苗方式，存在勞動強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低、播撒均勻度差等問題[2]，優(yōu)質(zhì)高效機(jī)械化播苗已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對貝類播苗進(jìn)行了諸多研究。Garrett等[3]研發(fā)出一種牡蠣播苗裝置，采用無極傳送帶將牡蠣苗輸送到離心盤上，再通過離心力將牡蠣苗播撒到養(yǎng)殖區(qū)域，但該裝置為專用設(shè)備，成本較高；Ware等[4]研制了一種底播象拔蚌幼苗裝置，其播種機(jī)設(shè)有進(jìn)水口，通過吸力從料斗中拾取貝類幼苗，播撒到貼近海底的位置，播苗均勻度較好，但作業(yè)幅寬窄，播苗效率較低；曹景秋等[5]研制的扇貝播苗裝置，采用出艙機(jī)提升貝苗，通過人工將貝苗倒入固定于船舷的滑槽，并借助水流沖出貝苗落入海面，播撒環(huán)節(jié)仍由人工完成，但播撒距離較近，作業(yè)范圍較小。此外，國內(nèi)學(xué)者苑春亭等[6]設(shè)計的貝苗底播裝置、母剛等[7]開發(fā)的重力式播苗設(shè)備等均未見實際應(yīng)用，播苗效果有待檢驗。

近年來，與貝類播苗作業(yè)相近的農(nóng)業(yè)播種、施肥裝備技術(shù)國內(nèi)外研究較多，如槽輪式、轉(zhuǎn)盤式和振動式等散粒體播撒裝備技術(shù)[8-16]，離心式施肥和播種裝置因其具有作業(yè)范圍廣、結(jié)構(gòu)簡單、播撒效率高等優(yōu)點被廣泛使用。Olieslagers等[17]建立了基于落料口位置、葉輪盤結(jié)構(gòu)及物料特性等因素的離心式施肥機(jī)數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明，圓盤角速度、葉片布置位置及顆粒流量的變化明顯影響顆粒分布的形態(tài)和作業(yè)幅寬；胡永光等[18]針對茶園施肥設(shè)計了一種離心式茶園施肥機(jī)，解決了茶園施肥效率低、均勻性差的問題；尚琴琴等[19]設(shè)計了一種錐盤式離心施肥機(jī)，解決了目前大多數(shù)施肥均勻度較低、排肥精度較差、調(diào)節(jié)時間過長等問題。然而，由于貝苗是活體且形態(tài)性狀不規(guī)則，因此，貝類播苗機(jī)械不僅要考慮播撒均勻度及效率，同時也要考慮作業(yè)時帶給貝苗的沖擊。目前，針對灘涂貝類機(jī)械化播苗裝備技術(shù)的深入研究和應(yīng)用尚未見報道。

本研究中，根據(jù)灘涂貝類機(jī)械化播苗技術(shù)要求，以四角蛤蜊Mactraveneriformis苗為研究對象，在本研究團(tuán)隊前期貝苗生物力學(xué)特性研究基礎(chǔ)上，對離心式灘涂貝類播苗裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和建模，通過離散元仿真和響應(yīng)面試驗分析，優(yōu)化播苗裝置結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)，以期為提升灘涂貝類養(yǎng)殖機(jī)械化水平提供理論與技術(shù)支撐。

1 離心式灘涂貝類播苗裝置設(shè)計

1.1 離心式灘涂貝類播苗裝置結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理

本研究中設(shè)計的離心式灘涂貝類播苗裝置如圖1所示。播苗裝置作業(yè)時固定在漁船甲板上或拖拉機(jī)車斗中，考慮裝置作業(yè)效率和空間布局，播苗裝置的長、寬、高分別為700 mm×700 mm×1 700 mm，主要包括料斗、機(jī)架、葉輪盤、落料管、限料擋板、直流電機(jī)、激振裝置和夾持裝置等，依據(jù)前期貝苗生物力學(xué)特性試驗結(jié)果[2]，在料斗和落料管內(nèi)側(cè)及葉輪盤表面包覆4 mm厚EVA材料，以防止貝苗撞擊破碎。料斗固定于機(jī)架上，落料管上端與料斗相連接，落料管下端與下料口間布置限料擋板，直流電機(jī)固定安裝于機(jī)架上，葉輪盤通過螺釘與電機(jī)輸出軸相連并位于落料口正下方。播苗時，將貝苗倒入料斗，接通直流電機(jī)電源，貝苗受到自身重力和激振裝置的協(xié)同作用，經(jīng)落料管進(jìn)入下料口中，調(diào)整限料擋板開度控制貝苗下落量，貝苗掉落到電機(jī)驅(qū)動的離心葉輪盤面，在一定轉(zhuǎn)速下經(jīng)由葉片推動，拋落至指定區(qū)域，完成貝類播苗，播苗過程如圖2所示。

1—料斗；2—落料管；3—激振裝置；4—下料口；5—蓄電池箱；6—夾持裝置；7—直流電機(jī)；8—葉輪盤；9—限料擋板;10—機(jī)架；11—電機(jī)調(diào)速旋鈕；12—轉(zhuǎn)速顯示器；13—振動調(diào)節(jié)旋鈕。

圖2 離心式灘涂貝類播苗裝置工作示意圖

1.2 貝苗播苗過程的運動分析

離心式灘涂貝類播苗裝置的播撒過程分為貝苗在葉輪盤面的滑移和脫離葉輪盤兩個階段。

1.2.1 貝苗在葉輪盤面的滑移運動 由圖3(a)可知，在播苗過程中，貝苗沿BA方向運動，OB長為h，葉輪盤半徑為R，假設(shè)貝苗在某一時刻∠OCB=γ，BC長為l，OC長為r，則貝苗運動的臨界條件：

μmg≤mrω2，

(1)

r≥μg/ω2。

(2)

其中：μ為貝苗與EVA摩擦系數(shù)；m為貝苗質(zhì)量(g)；g為重力加速度(m/s2)。

貝苗在葉輪盤上與葉片接觸的受力主視圖如圖3(b)所示，俯視圖如圖3(c)所示。

圖3 貝苗運動過程受力分析

圖中由重力引起的摩擦力(f1)和貝苗所受的離心力(Fce)分別為

f1=μmg，

(3)

(4)

其中：v為貝苗所在位置線速度(m/s)；ω為葉輪盤角速度(rad/s)。

貝苗所受的科氏力(Fco)和葉片側(cè)面對貝苗的摩擦力(f2)分別為

(5)

(6)

將式(3)～(6)代入式(1)可得貝苗離開葉輪盤的臨界條件為

≤0。

(7)

沿BA方向，根據(jù)牛頓第二運動定律可得：

(8)

(9)

由圖3(a)可知：

帶入式(9)得：

(10)

由式(10)可得，貝苗在離心葉輪盤上的運動方程為

lω2-μg。

(11)

1.2.2 貝苗脫離葉輪盤后的運動 貝苗脫離葉輪盤后，在重力和空氣阻力的協(xié)同作用下以拋物運動落入預(yù)定播苗區(qū)域。貝苗在空氣中運動時，空氣阻力系數(shù)K為

(12)

其中，阻力系數(shù)CD與雷諾數(shù)Re存在如下關(guān)系：

(13)

式中：ηa為空氣動力黏度(N/(s·m2))；vp為貝苗在空氣中運動的速度(m/s);ρp為貝苗的顆粒密度(g/cm3)；rp為貝苗尺寸(mm)。

設(shè)z軸正方向為與重力相反的方向，則3個方向的運動方程[20-22]為

(14)

(15)

(16)

其中：vpx為貝苗在x方向的速度分量(m/s)；vpy為貝苗在y方向的速度分量(m/s)；vpz為貝苗在z方向的速度分量(m/s)。

由式(11)、(14)～(16)可知，貝苗在葉輪盤上的運動軌跡主要受葉輪盤轉(zhuǎn)速的影響，離開葉輪盤后在空間中的運動軌跡主要受播苗裝置行進(jìn)速度、貝苗離開葉輪盤初始速度的影響，空中各向的速度相互關(guān)聯(lián)。

2 EDEM離散元仿真優(yōu)化試驗

2.1 離散元仿真試驗設(shè)計

為減少仿真計算量，選取關(guān)鍵運動部件進(jìn)行仿真，選用四角蛤蜊苗為研究對象，假定貝苗顆粒本身不具有黏附力，選擇Hert-Mindlin無滑動接觸模型，用多球形顆粒填充貝苗模型，建立四角蛤蜊苗離散元仿真(EDEM)模型如圖4所示，并建立邊長為10 m的正方形實體平面用于承接貝苗，相關(guān)仿真參數(shù)見表1、表2，仿真步長為2.72×10-6s，仿真時間為5 s。應(yīng)用EDEM后處理Selection模塊在所創(chuàng)建平面上方建立Bin group，統(tǒng)計一定時間內(nèi)在承接區(qū)域內(nèi)的貝苗數(shù)量[23-25]。分析播苗裝置葉輪盤葉片個數(shù)(簡稱葉片個數(shù))、葉輪盤轉(zhuǎn)速(簡稱葉輪轉(zhuǎn)速)和播苗裝置行進(jìn)速度(簡稱行進(jìn)速度)對播苗均勻性的影響，結(jié)合仿真結(jié)果，確定播苗裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合。

圖4 四角蛤蜊離心播苗過程仿真試驗?zāi)Ｐ?/p>

表1 四角蛤蜊苗相關(guān)參數(shù)

表2 四角蛤蜊苗與材料接觸參數(shù)

為探討播苗均勻性，以貝苗數(shù)量分布變異系數(shù)(簡稱分布變異系數(shù))Cv作為評價指標(biāo)，計算公式[26]為

(17)

(18)

(19)

采用3因素3水平響應(yīng)面優(yōu)化試驗，分別以葉片個數(shù)、葉輪轉(zhuǎn)速、行進(jìn)速度為試驗因素，以貝苗分布變異系數(shù)為評價指標(biāo)，進(jìn)行播苗作業(yè)的離散元仿真。運用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面優(yōu)化試驗設(shè)計，依據(jù)前期預(yù)試驗結(jié)果，擬定3種因素的水平范圍，并將3個試驗因素進(jìn)行水平編碼(表3)。播苗試驗方案如表4所示。

表3 因素水平編碼

2.2 試驗結(jié)果與分析

貝類播苗作業(yè)過程的EDEM仿真結(jié)果如圖5所示，播苗裝置行進(jìn)方向為水平向右，在播苗后形成的播苗區(qū)域內(nèi)劃分7×7網(wǎng)格，每個網(wǎng)格尺寸為1 m×1 m。統(tǒng)計每一網(wǎng)格內(nèi)貝苗的數(shù)量，通過計算得出貝苗的分布變異系數(shù)(表4)。

表4 試驗方案及結(jié)果

圖5 仿真結(jié)果

運用Design-Expert軟件進(jìn)行回歸分析，建立各因素關(guān)于貝苗分布變異系數(shù)影響程度的擬合方程，并進(jìn)行響應(yīng)面分析，探究影響因素交互作用對分布變異系數(shù)的影響規(guī)律。從表5可知，所建立的回歸模型極顯著(P<0.000 1)，失擬不顯著，表明模型能較好地反映各因素對貝苗分布變異系數(shù)的影響，并能較好地進(jìn)行預(yù)估[27]。

表5 回歸模型的方差分析

(20)

該方程中，因素前數(shù)字的絕對值大小代表貝苗分布變異系數(shù)受該因素的影響程度，由此可見，葉片個數(shù)(A1)、葉輪轉(zhuǎn)速(A2)和行進(jìn)速度(A3)3個單因素對貝苗顆粒分布變異系數(shù)的影響程度依次為A1>A2>A3。由于葉片個數(shù)與行進(jìn)速度(A1A3)的交互作用對貝苗分布變異系數(shù)的影響不顯著，故僅進(jìn)行了葉片個數(shù)與葉輪轉(zhuǎn)速、葉輪轉(zhuǎn)速與行進(jìn)速度交互作用對分布變異系數(shù)影響的響應(yīng)面分析，結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)可見：葉片個數(shù)與葉輪轉(zhuǎn)速的交互作用對貝苗分布變異系數(shù)具有較明顯的影響，其中分布變異系數(shù)受葉片個數(shù)的影響程度較葉輪轉(zhuǎn)速更大；分布變異系數(shù)隨葉片個數(shù)的增加呈先減小后增大，隨葉輪轉(zhuǎn)速的增加則逐漸增大；當(dāng)葉片個數(shù)為4～6、葉輪轉(zhuǎn)速為300～540 r/min時，分布變異系數(shù)較小。從圖6(b)可見：葉輪轉(zhuǎn)速對分布變異系數(shù)的影響較行進(jìn)速度更為明顯，分布變異系數(shù)隨葉輪轉(zhuǎn)速的增加逐漸增大，隨行進(jìn)速度的增大則先減小后增大；當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速為300～540 r/min、行進(jìn)速度為0.61～0.82 m/s時，分布變異系數(shù)均較小。

圖6 交互作用的響應(yīng)面分析

2.3 參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)所得的回歸方程，選擇Design-Expert軟件的中心組合響應(yīng)曲面設(shè)計進(jìn)行作業(yè)參數(shù)優(yōu)化，以貝苗分布變異系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，尋求目標(biāo)函數(shù)的最小值。在葉片個數(shù)為4個、葉輪轉(zhuǎn)速為500 r/min、行進(jìn)速度為0.77 m/s最優(yōu)參數(shù)條件下，裝置的貝苗分布變異系數(shù)最優(yōu)仿真值為8.53%。

3 灘涂試驗驗證

為驗證設(shè)計的離心式貝類播苗裝置的作業(yè)性能，加工樣機(jī)進(jìn)行灘涂現(xiàn)場播苗試驗，試驗裝置及作業(yè)效果如圖7所示。試驗時間為2021年5月26日，試驗地點為遼寧盤錦市蛤蜊崗灘涂，試驗當(dāng)天晴朗無風(fēng)。所用貝苗為盤錦市蛤蜊崗當(dāng)?shù)夭刹兜乃慕歉蝌?，其主要物理特性：三軸尺寸為28.75 mm×25.20 mm×18.59 mm，體質(zhì)量為(9.50±0.70)g，顆粒密度為2.93 g/cm3，壓潰強(qiáng)度為(95.00±2.25)N。為便于計算貝苗分布變異系數(shù)，在灘涂表面鋪設(shè)黑色尼龍布，并用白色尼龍線每間隔1 m劃分網(wǎng)格[28]，共7行7列，實際統(tǒng)計區(qū)域與仿真試驗一致。試驗時將播苗裝置安置于中泰VT-3000型號履帶拖拉機(jī)車一側(cè)，播苗裝置與所劃定區(qū)域邊緣間距為2.5 m，葉輪盤轉(zhuǎn)速為500 r/min，播苗裝置行進(jìn)速度為0.77 m/s，試驗重復(fù)3次[29]，結(jié)果如表6所示。

圖7 試驗裝置及作業(yè)效果

表6 驗證試驗結(jié)果

在最優(yōu)參數(shù)組合下，貝苗分布變異系數(shù)的平均實測值為9.33%，仿真值為8.53%，相對誤差為8.46%，驗證了基于離散元仿真的灘涂貝類播苗裝置設(shè)計優(yōu)化方法的準(zhǔn)確性，研制的離心式播苗裝置播苗均勻且破碎率較低，僅為2.17%，能滿足播苗作業(yè)需求。

4 討論

4.1 播撒裝置作業(yè)方式的選擇

物料播撒在大農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中研究較多，主要集中在施肥和播種等方面，作業(yè)方式包括氣力式、液力式、槽輪式和振動式等，并取得了廣泛應(yīng)用。不同作業(yè)方式的物料播撒裝置各具優(yōu)缺點，其中，氣力式播撒裝置主要通過氣流形成壓差，將來自下料口的種子或肥料顆粒播撒出去，其結(jié)構(gòu)簡單、播撒范圍廣，但沖擊作用較強(qiáng)；液力式播撒裝置主要通過高壓水射流的形式，將固液混合物一同播撒出去，顆粒噴射距離較遠(yuǎn)，但作業(yè)幅寬較窄，且播撒范圍和均勻度不易控制；槽輪式播撒裝置主要通過槽輪的間歇性旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)顆粒定量播撒，可實現(xiàn)定距、定量精播，但作業(yè)幅寬窄、效率低。本研究中，雖可借鑒大農(nóng)業(yè)播種及施肥裝置設(shè)計思路，但又因貝苗為活體，需考慮破碎率和成活率，且底播區(qū)域廣闊，載具燃油成本高[30]，故貝類播苗裝置應(yīng)具有較大的作業(yè)幅寬，盡可能提升作業(yè)效率，降低播苗成本，綜合考慮離心式作業(yè)方式適合灘涂貝類播苗。

相關(guān)研究中，張國忠等[31]針對藕田機(jī)械化施肥的實際需求，設(shè)計了一種離心側(cè)拋式撒肥機(jī)，應(yīng)用離散元法對撒肥盤轉(zhuǎn)速、葉片傾角和葉片偏角進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并用不同顆粒對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗證試驗，仿真與試驗結(jié)果相近，說明離散元法可提升播撒裝置設(shè)計效果。然而，本研究中的貝苗顆粒與肥料顆粒的幾何形狀、尺度方面差異性較大，為準(zhǔn)確模擬播苗效果，需應(yīng)用3D掃描獲取貝苗輪廓特征并使用不同尺度粒子填充，完成貝苗精準(zhǔn)建模。胡永光等[18]針對茶園無專用施肥設(shè)備，大田施肥機(jī)不能滿足茶樹間行距較窄的問題，設(shè)計優(yōu)化了一種茶園施肥機(jī)，結(jié)果表明，行進(jìn)速度、葉片個數(shù)是影響播撒均勻度的兩個主要因素，但葉輪轉(zhuǎn)速與行進(jìn)速度存在強(qiáng)耦合作用。本研究表明，葉片個數(shù)、葉輪轉(zhuǎn)速和裝置行進(jìn)速度是影響播撒貝苗的3個主要影響因素，與上述研究結(jié)果基本一致，同時還發(fā)現(xiàn)，因素間的交互作用也有顯著影響。

陳書法等[32]針對田間播種量不均及漏播、少播等問題，利用速度傳感器與導(dǎo)航系統(tǒng)控制播種裝置前進(jìn)速度，通過微處理器控制播種軸轉(zhuǎn)速和推肥傾角，實現(xiàn)了高效變量播種。金鑫等[33]為了提高冬小麥播種質(zhì)量與種肥利用率，設(shè)計了一種小麥精量播種變量施肥機(jī)，通過紅外光電檢測排種、排肥流量，并應(yīng)用GPS控制行進(jìn)速度，實現(xiàn)精準(zhǔn)播種施肥。本研究中只設(shè)計了一種離心式貝類播苗裝置，并對其作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，但在貝苗精準(zhǔn)播撒及控制方面有待進(jìn)一步研究。

4.2 離心式灘涂貝類播苗裝置參數(shù)對播撒均勻度的影響

本研究表明，葉片個數(shù)對播撒均勻度的影響最大，當(dāng)葉片個數(shù)為2～4時，隨葉片數(shù)增加貝苗分布變異系數(shù)逐漸減小，當(dāng)葉片個數(shù)為4～6時，隨葉片數(shù)增加分布變異系數(shù)逐漸增大。而胡永光等[18]對茶園施肥機(jī)設(shè)計與優(yōu)化研究中，發(fā)現(xiàn)分布變異系數(shù)隨葉片個數(shù)的增加呈線性減小，與本研究中所得出的規(guī)律不一致，原因可能是貝苗與肥料顆粒幾何尺寸及形狀特征相差較大，葉片個數(shù)過多會增加貝苗下落過程中與葉片上沿撞擊的概率，影響落苗均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致分布變異系數(shù)增大。

葉輪轉(zhuǎn)速與播撒均勻度也密切相關(guān)，本研究中所設(shè)計的貝類播苗裝置葉輪轉(zhuǎn)速為300～700 r/min，分布變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的升高而減小，與張國忠等[31]針對藕田所開發(fā)的離心側(cè)拋式施肥裝置關(guān)于圓盤轉(zhuǎn)速的規(guī)律一致。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)上施肥機(jī)械的轉(zhuǎn)速可達(dá)1 200 r/min，明顯高于本設(shè)計，原因是四角蛤蜊苗在轉(zhuǎn)速為700 r/min時，破碎率近15.4%，隨著轉(zhuǎn)速的提高破碎率急劇升高，因此，本設(shè)計葉輪盤轉(zhuǎn)速上限為700 r/min。

行進(jìn)速度也是影響播撒均勻度的重要因素，考慮到海上播苗作業(yè)船速一般為0.51～1.02 m/s(1～2 kn)，行進(jìn)速度在此區(qū)間內(nèi)增大時，貝苗分布變異系數(shù)呈現(xiàn)先減后增趨勢，該結(jié)果與楊懷君等[34]對離心式變量施肥機(jī)設(shè)計中機(jī)具前進(jìn)速度對分布變異系數(shù)的影響規(guī)律一致。

5 結(jié)論

1)離心式灘涂貝類播苗裝置的作業(yè)參數(shù)對貝苗分布變異系數(shù)的影響程度依次為葉片個數(shù)>葉輪轉(zhuǎn)速>行進(jìn)速度，且葉片個數(shù)與葉輪轉(zhuǎn)速及葉輪轉(zhuǎn)速與行進(jìn)速度的交互作用對分布變異系數(shù)影響顯著，表明這些參數(shù)是貝苗播撒裝置設(shè)計主要考慮的因素。

2)四角蛤蜊離心播苗裝置的最優(yōu)參數(shù)組合為葉片個數(shù)4、葉輪轉(zhuǎn)速500 r/min和行進(jìn)速度0.77 m/s，離散元仿真試驗和灘涂試驗顯示，在最優(yōu)參數(shù)組合下，離散元仿真試驗所得貝苗分布變異系數(shù)為8.53%，灘涂試驗所得貝苗分布變異系數(shù)為9.33%，二者相對誤差為8.46%，在進(jìn)行灘涂試驗時貝苗破碎率為2.17%，表明基于離散元的仿真分析方法可用于離心式灘涂貝類播苗裝置設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化，所設(shè)計的離心式灘涂貝類播苗裝置可為貝類產(chǎn)業(yè)機(jī)械化、規(guī)?；l(fā)展提供參考。