鱼苗体型对辊道式分选机的适应性研究

刘 虎，龚 宇，张 彪，周明刚

（湖北工业大学 湖北省农业机械工程研究设计院，湖北 武汉430068）

1 引言

鱼苗分选是工厂化水产养殖的重要环节之一，实现鱼苗分选机械化对我国水产养殖增效和渔民致富具有重要意义［1-2］。国内外学者对鱼苗机械分选的技术与方法进行了一系列研究，其中德国和挪威的水产分选技术处于世界领先的地位［3-5］。但鉴于挪威与中国水产养殖条件差异性较大，并不适合在中国各地区大面积推广使用。

针对当前中国养殖状况，国内学者展开了相关鱼苗力学模型与分选机设计与试验。其中文献［6］设计了一种淡水鱼头尾与腹背定向装置，以鲢鱼为定向对象，通过理论分析和倾斜振动台面试验，测出了鱼体与机械间的摩擦特性。文献［7］设计的分鱼机，提出一种皮带式辊轴分级方法调整分级间距，实现不同体宽规格的鱼苗分选。文献［8］将挡板与分鱼栅相结合，提出了一防敌害式分鱼装置，既能使鱼类按体型分选，同时有效保护鱼类免遭敌害捕食。但上述文献鲜有鱼苗分选机的适应性方面研究，且当前的分选机械大多采用天平与杠杆称重原理分级，不适合在有水环境进行鱼苗的称重分选，因此按照鱼苗体型参数和三等级分选目标，确定以体宽作为判别条件对鱼苗分选。

采用离散元法构建分选机关键部件-鱼苗作用模型，以鱼苗体长、体宽及体高为试验因素，对鱼苗分选过程进行虚拟仿真分析，最后验证了不同种鱼苗分选下分选机的适应性，以期为鱼苗分选机械的优化设计提供参考依据。

2 辊道式鱼苗分选机整机结构与试验

2.1 整机结构

辊道式鱼苗分选机整机结构，如图1所示。主要由进鱼仓3、分选装置6、动力传输机构1和倾角调节装置8等组成。如图2所示，鱼苗经吸鱼泵进入进鱼仓实现初步离散，并在倾角调节装置作用下传送到分选装置，该分选装置设计了6根阶梯式分选辊，每根分选辊主要由三段直径依次递减的空心轴组成，从而两相邻辊轴间形成大小不等的间距，鱼苗可依次实现小中大分选。

图1 辊道式鱼苗分选机结构示意图Fig.1 Schematic Diagram for The Structure of The Roller-Type Fry Sorting Machine

图2 工作原理图Fig.2 Working Principle Diagram

2.2 整机试验

为验证分选机械与鱼苗的仿真模型的正确性，以1-100号鲫鱼为分选对象，以工作参数为试验因素，评价指标为分鱼准确率，对样机进行整机试验，试验样机如图3所示。

图3 试验样机Fig.3 Test Prototype

试验证明，仿真与试验结果变化趋势一样，其整体相对误差分别为10.56%、24.73%、21.72%，但从整体上看具有较好的一致性。最后基于建立的仿真模型进行工作参数的多因素正交仿真试验，得到最优的参数组合为辊道转速138.4r/min、辊道倾角10.47°、进鱼量3尾/s。在最优工作参数组合下，分析鱼苗的体长、体宽、体高对鱼苗分选机适应性的影响。

3 基于离散元的鱼苗分选机仿真分析

通过建立的鱼苗分选机与鱼苗耦合作用模型进行模拟仿真，以分选过程中的分鱼准确率和鱼苗进槽率为评价指标，探究影响分选机适应性的主要因素，为整机结构优化提供参考。

3.1 仿真模型建立

3.1.1 鱼苗模型建立

根据体宽分级规格要求，这里以体宽58mm以内的鲫鱼、草鱼、鲢鱼及鳊鱼为研究对象，如图4所示。通过电子秤等仪器，对其尺寸参数进行测定，测得表1数据。而为提高鱼苗模型的收敛性，鱼苗保留鱼体主干，去除鱼苗尾鳍、背鳍，并结合所测表1数据，运用离散元多球面组合方式按体宽分级规格建模。

图4 研究对象Fig.4 Research Target

表1 鱼体尺寸特性参数Tab.1 Fish Size Characteristics Parameter

3.1.2 分选机模型建立

为了保证模拟的真实性，结合分选机相关的工作参数，采用Solidworks三维软件对整机模型作以下简化，如图5所示：

图5 辊道式鱼苗分选机简化模型Fig.5 Simplified Model of The Roller-Type Fry Sorter

（1）简化进鱼仓、分选装置为进鱼通道、分选辊道；

（2）抽象倾角调节装置为角度支座；

（3）增加三个储鱼槽。

3.2 评价指标

主要采用鱼苗在分选过程中的分鱼准确率y1鱼苗进槽率y2作为分选作业的评价指标其公式可表述为：

式中：n1-在同样的分选作业时间下，落入储鱼槽内且符合分级间距鱼苗数量（尾）；n2-在同样的分选作业时间下，落入储鱼槽里的鱼苗数量（尾）；n3-在同样的分选作业时间下，投入分选机内的鱼苗总数量（尾）。

3.3 鱼苗分选机虚拟仿真分析

由于鱼苗分选过程受力较复杂，无法推算出鱼苗的恢复系数，为便于计算将材料间的恢复系数设为0.5，同时通过图6摩擦角试验和文献［6］可测得无水情况下鱼体与钢的动摩擦系数为0.35，静摩擦系数为0.4，而有水情况下鱼体与钢的动摩擦系数为0.15，静摩擦系数为0.2，鱼体之间的动摩擦系数为0.015，静摩擦系数为0.02。并按文献［9］设置鱼苗泊松比为0.45，弹性模量为1.64×106。

图6 摩擦角试验Fig.6 Friction Angle Test

按照实际工况，设置分选辊转速为138.4r/min，辊道倾角为10.47°，时间步长为10%，其网格大小为2Rmin。仿真开始时，分选辊道反向旋转，以及开始生成鱼苗，直至鱼苗全部生成完后1s仿真结束，其鱼苗分选过程如图7所示。

图7 鱼苗分选过程Fig.7 Fry Sorting Process

以分选过程中的分鱼准确率和鱼苗进槽率作为评价指标，通过EDEM后处理模块［10、11］来统计仿真结束后各储鱼槽内鱼苗的数量，得到评价指标随时间及鱼苗初始速度变化的曲线，如图8、图9所示。

图8 评价指标随时间变化曲线Fig.8 Evaluation Index over Time Curve

图9 评价指标随鱼苗初始速度变化曲线Fig.9 Curve of the Evaluation Index with the Initial Speed of the Fry

由图8可知，在鱼苗分选过程中分鱼准确率和鱼苗进槽率均随着时间增大趋于稳定。在（20～120）s时间段，分鱼准确率和鱼苗进槽率迅速上升，主要是因为随着进入分选辊组上鱼苗的数量增加，部分二、三段体宽大些未落入储鱼槽的鱼苗对体宽小的鱼苗起到一定的阻挡的作用，促使落入第一段及第二段下方储鱼槽鱼苗数量增加。

在（121～181）s时间内，每秒参与分选辊组分选的鱼苗数量趋于稳定，其所受分鱼准确率和鱼苗进槽率逐渐平稳，分鱼准确率保持在92.51%左右，鱼苗进槽率保持在97.53%左右。

由图9可知，随着鱼苗初始速度的增加，分鱼准确率呈现先增大后减小的趋势，主要因为在合适的初始速度下，辊道上鱼苗的离散程度较好，落入一二段的鱼苗数量增加，但当鱼苗初始速度过大，尚未来的及分选的鱼苗被后来的鱼苗推入到下一段间距，使落入一二段的鱼苗数量减少，其分鱼准确率在0.3m/s与0.7m/s处取峰值为94.51%。而鱼苗进槽率随着速度增加趋于稳定，在（0～0.1）m/s之内鱼苗进槽率迅速上升，主要在于鱼苗的初始速度逐渐高于鱼苗分选速度，减少了鱼苗在辊道上的堵塞程度。在（0.1～1.5）m/s，参与分选辊组分选的鱼苗数量趋于稳定，其鱼苗进槽率逐渐平稳。最后结合图3整机试验，确定鱼苗的仿真时间为170s，鱼苗的初始速度为0.5m/s。

4 EDEM虚拟仿真试验与分析

4.1 试验设计

为研究不同种鱼苗下分选机适应性变化规律，分析影响鱼苗分选机适应性的主要影响因素，在前期虚拟模型建立的基础上，进行EDEM虚拟仿真正交试验研究。以鱼苗的体宽、体高和体长为试验因素，分鱼准确率和鱼苗进槽率为评价指标，采用三因素三水平正交试验设计虚拟仿真试验方案［12-16］，选取L9（35）正交表，其工作参数试验因素与水平如表2所示。

表2 试验因素水平Tab.2 Test Factor Level

4.2 试验结果分析与优化

在分级规格范围内，分鱼准确率和鱼苗进槽率越高，表明鱼苗分选机的适应性越好。由表3仿真试验极差分析可知，影响分鱼准确率的3个主次因素顺序为：体长C、体高B、体宽A，其较优参数水平组合为C1B1A3；影响鱼苗进槽率的3个主次因素顺序为：体宽A、体高B、体长C，其较优参数水平组合为A2B1C2。最后综合实际作业分选要求，可确定影响鱼苗分选机适应性的主次顺序为体长、体宽、体高。通过Design-Expert10.0软件对正交试验数据进行方差分析，以此判断各试验因素对评价指标的显著性，如表4所示。从表4可知，方差分析与表3极差分析结果一致，即体长C对分鱼准确率影响非常显著（F＞F0.05），体宽A和体高B对分鱼准确率影响不显著（F＜F0.1）；体宽A对鱼苗进槽率影响显著（F＞F0.1），体高B和体长C对鱼苗进槽率影响不显著（F＜F0.1）。

表3 试验方案与结果Tab.3 Test Plan and Results

表4 分选性能指标方差分析Tab.4 Analysis Of Variance Of Sorting Performance Indicators

综合多因素正交试验结果，以当前四种鱼苗为分析对象，通过建立的仿真模型验证鱼苗分选机的适应性。从图10中可知，同体宽下的四种鱼苗，鲫鱼的分鱼准确率最高，鳊鱼的分鱼准确率最低，其分鱼准确率分别为91.96%、83.73%，主要因为同体宽下的鲫鱼的体长与体高比例最低，受相邻鱼苗干扰也最小，鳊鱼的体长与体高综合比例最高，受相邻鱼苗干扰最大。而鱼苗的鱼苗进槽率都处于97.65%波动，说明鱼苗进槽率对同一体宽的鱼苗分选没有影响。由表2可知，鳊鱼体高比例高于草鱼1.1，但其分鱼准确率与鳊鱼的分鱼准确率基本一致，说明体高对分鱼准确率的影响不大；鲢鱼的体长比例较其他三种最长，但体高介于草鱼、鳊鱼之间，综合体长与体高比例等同草鱼与鳊鱼，故三者的分鱼准确率基本都处于84.12%。

图10 四种鱼苗分选性能简图Fig.10 Schematic Diagram of Four Fry Sorting Performance

5 结论

（1）以鱼苗的体宽、体高和体长为试验因素，分鱼准确率和鱼苗进槽率为评价指标，采用三因素三水平正交试验设计虚拟仿真试验。试验结果表明，影响分鱼准确率指标的3个主次因素顺序为：体长C、体高B、体宽A；影响鱼苗进槽率的3个主次因素顺序为：体宽A、体高B、体长C。并经方差分析验证，体长对分鱼准确率影响非常显著，体宽与体高对分鱼准确率影响不显著；体宽对鱼苗进槽率影响显著，体高与体长对鱼苗进槽率影响不显著。最后综合实际作业分选要求，可确定影响鱼苗分选机适应性的主次顺序为体长、体宽、体高。

（2）以当前四种鱼苗为分析对象，通过建立的仿真模型分析鱼苗分选机的适应性。结果表明：鲫鱼的分鱼准确率最高，鳊鱼的分鱼准确率最低，其分鱼准确率分别为91.96%、83.73%，由于鳊鱼的综合体长与体高比例等同草鱼与鳊鱼，故三者的分鱼准确率基本都处于84.12%，而鱼苗的鱼苗进槽率都处于97.65%，说明鱼苗进槽率对同一体宽的鱼苗分选没有影响。