基于Hertz接触理论的黑水虻幼虫碰撞恢复系数测定

彭才望 周 婷 宋世圣 方 芹 朱海英 孙松林

(湖南农业大学机电工程学院， 长沙 410128)

0 引言

黑水虻幼虫取食畜禽粪便进行生物转化，获得有机肥与黑水虻幼虫[1](黑水虻幼虫阶段分为5个龄期，其中第5龄期为预蛹前期，仍属于黑水虻幼虫，以下简称黑水虻幼虫)，其中黑水虻幼虫富含粗蛋白[2]，作为家禽[3]、家畜[4]和鱼类[5]的良好活体饲料或饲料添加成分，促进畜禽养殖低碳、可持续发展。然而，文献统计发现黑水虻幼虫机械化收集、输送、分离等相关方面的研究明显落后于黑水虻幼虫生长发育[6]、生物转化效率[7]、幼虫营养价值及利用[8]、有机肥肥效与应用[9]等方面的基础或应用研究。生物转化畜禽粪便过程中的第5龄期黑水虻幼虫即将进入预蛹阶段，需要完成有机肥收集、虫粪分离，以促进资源化利用。因此，需对第5龄期黑水虻幼虫碰撞恢复这一基础物理特性进行积累性探索研究。

黑水虻幼虫的恢复系数是进行黑水虻幼虫清选、筛分、收集、输送等环节相关工作部件参数设计与性能分析的基础数据，同时也是衡量黑水虻幼虫碰撞时变形恢复能力的重要参数，定义为碰撞后法向分离速度与碰撞前法向接近速度的比值[10]。在进行黑水虻幼虫分离、收集、输送等作业时，黑水虻幼虫的虫体间、虫体与机械部件间均发生碰撞、反弹、挤压、滚动等形式的运动，易导致虫体发生弹性变形或塑形变形，引起虫体表面组织损伤，黑水虻幼虫损伤概率增大，影响分离、收集、输送等环节的作业效果。随着我国畜禽养殖规模化发展，黑水虻幼虫生物转化畜禽粪便促进资源化利用已成为当前研究的热点之一[11]。为实现机械化收集、输送、分选黑水虻幼虫与有机肥混合物，降低劳动强度，提高产业规模化程度，文献[12-14]设计并公开了黑水虻养殖与分离方面的装置或方法，但缺乏具体的理论成果报道；笔者前期围绕黑水虻虫沙收集、输送，设计了双向螺旋集料装置[15-16]、斗式取料转移输送装置[17]，一定程度上提高了黑水虻虫沙集料与输送效率，但黑水虻幼虫与有机肥的收集、输送、分离等环节的机械作业性能仍有很大的提升空间。因此，黑水虻幼虫恢复系数的测定与分析对黑水虻虫沙相关的机械设备设计均具有重要的意义。

恢复系数的研究比较广泛[18-20]。文献[21-25]分别测定分析了包衣水稻种子、小麦、油菜籽、苹果、马铃薯等物料对象的恢复系数；文献[26]对蝇蛆间碰撞模型中的恢复系数进行了研究和测定分析。然而，黑水虻幼虫与蝇蛆在生物特性、虫体表征等方面具有明显的差异性，目前，关于黑水虻幼虫恢复系数的测定与研究尚未见报道。

本文选择湖南农业大学黑水虻科研基地养殖的黑水虻幼虫(4日龄幼虫生物转化猪粪10 d后分离获得)，综合考虑黑水虻幼虫自身的生物特征，基于Hertz弹性碰撞理论推导黑水虻幼虫碰撞过程动力学方程；应用物性分析仪测量黑水虻幼虫受力情况并结合运动学原理设计黑水虻幼虫恢复系数测试装置。采用混合正交试验方法研究影响黑水虻幼虫恢复系数的主要因素及其显著程度，并对碰撞材料、材料厚度、下落高度、碰撞角、跌落方向等重要因素进行单因素试验以获得影响规律及回归方程，以期为黑水虻幼虫分离、收集、输送等机械相关工作部件的设计提供基础数据和参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本文研究对象为黑水虻幼虫，来源于湖南农业大学黑水虻科研基地，由4日龄黑水虻幼虫在含水率为70%～75%的新鲜猪粪中生物转化10 d后分离获得，如图1所示。通过测量获得黑水虻幼虫的尺寸、含水率等基本参数，如表1所示(因生物转化工艺差异，虫体参数略有不同)。黑水虻幼虫表面光滑、外形扁平状，中间段断面椭圆形。将第5龄期的黑水虻幼虫初步清理和筛选，去除其中即将化蛹的暗褐色或生长缓慢的黑水虻幼虫，该部分虫体数量占样本数量的比例少于8%，对试验结果影响较小。随机挑选筛选过的黑水虻幼虫50条作为试验样本，应用游标卡尺(精度为0.01 mm)重复测量，自然状态下测得黑水虻幼虫首尾体长为19.4～23.3 mm，虫体中间段宽为4.5～5.5 mm，黑水虻幼虫长宽比为4.04～4.75，试验发现长宽比为4.24～4.53的黑水虻幼虫数量为36条，占样本的72%。为消除黑水虻虫体的长宽对试验结果的影响，进一步以长宽比为4.24～4.53的黑水虻幼虫作为试验对象，用天平(精度为0.001 g)测量该范围的50条黑水虻幼虫质量，重复3次，单条幼虫质量均值为0.177 g。采用卤素水分测定仪(HC-SFY001型，±0.5%，上海花潮实业有限公司)测量黑水虻幼虫含水率，测量精度为0.001 g。

表1 黑水虻幼虫主要参数Tab.1 Main parameters of black soldier fly larvae

1.2 碰撞接触理论分析

黑水虻幼虫自由落体碰撞模型如图2所示，假定黑水虻幼虫与碰撞板接触过程中没有产生相对滑移。黑水虻幼虫中间段部位表面为多个球面连接，虫体为长条形椭球体，接触时近似看作质量均匀的球形凸面接触。图2中点A为黑水虻幼虫与碰撞板碰撞起始点；点B为黑水虻幼虫压缩阶段向回弹阶段的过渡点，此时相对速度为零，但黑水虻幼虫的弹性变形处于最大；点C为黑水虻幼虫离开碰撞板的位置点。其中AB段是黑水虻幼虫压缩阶段，BC段是黑水虻幼虫反弹阶段。

从黑水虻幼虫自身生物特性出发，其具有粘弹性。黑水虻幼虫与碰撞板之间的碰撞过程为弹塑性碰撞，如图2所示。图中AB段是压缩阶段，黑水虻幼虫与碰撞板相互压缩受力，黑水虻幼虫在压缩阶段的变形依次经历了弹性阶段(AD段)和屈服阶段(DB段)，随着黑水虻幼虫变形量的逐渐增大，碰撞接触力F逐渐增大。由于黑水虻幼虫在屈服阶段存在不可逆的塑性变形，当接触力达到最大值时，黑水虻幼虫的压缩变形持续增加，碰撞接触力F逐渐减小。当压缩变形达到最大值时，黑水虻幼虫的相对速度为0。黑水虻幼虫进入反弹阶段BC，逐渐远离碰撞板，压缩变形逐渐恢复，碰撞接触力F逐渐减小。图中，v0为黑水虻幼虫碰撞前速度，m/s；v1为v0的法向速度，m/s;v2为v0的切向速度，m/s;v5为黑水虻幼虫反射速度，m/s；v3是v5的法向速度，m/s;v4是v5的切向速度，m/s;ω为黑水虻幼虫的角速度，rad/s；α1为碰撞前入射角，(°)；α2为碰撞后反射角，(°)。

黑水虻幼虫与碰撞板碰撞时的接触区域相比于物体尺寸非常小，针对黑水虻幼虫虫体规则的凸面接触情况，对于法向接触，基于Hertz弹性接触理论，将黑水虻幼虫虫体凸面和碰撞板接触区域视为弹性半空间，且接触面的摩擦力很小，可以忽略不计，黑水虻幼虫与碰撞板接触碰撞示意图如图3所示。在碰撞力作用下接触区域可近似看作半径为a的圆，接触面的任一点的法向位移为b，其到接触中心的水平距离为r，黑水虻幼虫球形凸面压入半空间的最大深度为c。接触区域压力P(r)可表示为

(1)

式中P——接触区域的中心压力，N

碰撞力F和碰撞半径之间的关系可以表示为

(2)

黑水虻幼虫球形凸面单元体在法向作用力下，其表面的法向位移可表示为

(3)

式中E——黑水虻幼虫球形凸面物体单元弹性模量

υ——黑水虻幼虫球形凸面物体单元泊松比

对于黑水虻幼虫虫体半径为R的外凸曲面对称虫体，当接触面与其横截面比非常小时，法向位移可简化为

(4)

(5)

式中δ——黑水虻幼虫与碰撞板接触中心的压缩位移求和

δ1、δ2——黑水虻幼虫凸面球形单元和碰撞板的压缩位移，mm

联合式(1)～(5)推导出黑水虻幼虫接触半径与碰撞力之间的关系为

(6)

其中

式中R1、R2——黑水虻幼虫凸面球形和碰撞板在接触区域的曲率半径，mm

E1、E2——黑水虻幼虫凸面球形单元和碰撞板的弹性模量

υ1、υ2——黑水虻幼虫凸面球形单元和碰撞板的泊松比

式(6)确定了黑水虻幼虫凸面球形体与碰撞板接触时的碰撞接触面半径，对于黑水虻幼虫低速碰撞问题，可用于评估该碰撞过程的最大接触半径及其二者之间的接触力。

1.3 试验方法

1.3.1力学试验

针对黑水虻幼虫这一特殊对象，进行碰撞试验前，必须考虑黑水虻幼虫所能承受的极限作用力，以免黑水虻虫体表面严重损伤。因此，利用TA.XT Plus-36/R型物性分析仪在室内温度为20～30℃，相对湿度为50%～60%环境下，对被测黑水虻幼虫进行压缩试验，如图4所示。物性分析仪所用传感器量程范围为0～5 kg，压缩试验时，将黑水虻幼虫水平放置在平板上，设定加载速度和加载时间分别为1 mm/s和3 s，使用直径为36 mm的圆柱形探头，沿黑水虻幼虫厚度方向加载直至黑水虻虫体挤压受损后停机。利用软件后处理模块得到黑水虻幼虫压缩试验过程中的载荷-位移数据，重复试验3次(试验过的黑水虻幼虫不重复试验)，取加载最大作用力F的平均值。

假定黑水虻幼虫从高H处自由落体下落时，落到地面后瞬间反弹高度记为h0，则

(7)

式中m——黑水虻幼虫质量，g

g——重力加速度，m/s2

由式(7)可知，黑水虻幼虫自由落体与地面之间的作用力F与H和m成正比，与h0成反比，g取9.81 m/s2。H大于h0，因此，F总是大于黑水虻幼虫的重力G，本文由物性分析仪测得黑水虻幼虫最大承受作用力F为2.94 N。

1.3.2碰撞试验

黑水虻幼虫的虫体中间段为椭球体，沿虫体长度方向的厚度不一致，虫体表面柔软，虫体与接触材料碰撞接触时，可近似看作虫体某部位的球形对象之间的对心碰撞[27]。参照文献[28-29]，黑水虻幼虫恢复系数的测定采用基于质点对固定面的碰撞测试方法，图5为恢复系数测试装置图和黑水虻幼虫跌落运动分析图。如图5所示，碰撞板与竖直线呈夹角θ(碰撞角，(°))安装在试验台的支撑杆上，碰撞板在支撑杆上高度可调，且与水平面的倾斜角[0°,90°]范围内可调，碰撞板上可安放相同尺寸的不同碰撞材料(Q235钢、有机玻璃、橡胶板、铝板)。试验时，将预先筛选过的黑水虻幼虫从养殖基料中取出，从设定的高度水平投料基准平面的点A投料孔投放，点A投料孔设计2种形状(黑水虻幼虫体长方向矩形投料孔和黑水虻幼虫体宽方向的圆形投料孔)，投料面板厚度为10 mm，可保证跌落方向的可靠性，以实现黑水虻幼虫2种不同的部位与碰撞板接触碰撞。黑水虻幼虫自投料孔A处自由落体后与安装倾角为θ的碰撞板接触发生碰撞，经反弹后以抛物线轨迹运动后落到铺满养殖基料的物料收集台上的点B位置，高速相机记录黑水虻幼虫落料点位置。调整物料收集台的高度，为减小试验误差，重新选取一条黑水虻幼虫，测量其自由落体经碰撞后的落料位置点C，得到2组黑水虻幼虫的运动水平位移s1、s2和竖直位移h1、h2。根据牛顿恢复系数定义[10]，基于碰撞试验原理及运动学方程计算相应条件下的黑水虻幼虫恢复系数。

1.4 试验原理

(1)黑水虻幼虫从试验台高度为H的投料孔自由落体后，与下方的碰撞板发生接触碰撞，碰撞板的倾斜角可调，且碰撞板上碰撞材料可置换。黑水虻幼虫受重力影响，根据运动学公式可计算黑水虻幼虫与碰撞板发生碰撞前的瞬时运动速度，即

(8)

式中t——自由落体下落时间，s

由式(8)可得黑水虻幼虫在碰撞板点O处碰撞前瞬时速度v0为

(9)

(2)假设黑水虻幼虫与碰撞板碰撞结束后，其反弹运动轨迹以水平方向分速度vx作水平匀速直线运动和以竖直方向分速度vy作加速恒定的匀变速直线运动，忽略黑水虻幼虫非线性几何形状的影响，近似认为黑水虻幼虫反弹轨迹为抛物线，根据抛物运动规律可知

(10)

式中t1——黑水虻虫体反弹运动时间，s

s——运动的水平位移，m

h——黑水虻幼虫碰撞后自由落体高度，m

因黑水虻幼虫自由落体下落时间很难准确测量，式(10)无法直接求解t1、vx、vy，因此，调整接料盘高度(高度差为150 mm)，进行2次试验。测得2组不同物料收集台高度条件下的黑水虻幼虫运动水平位移和竖直位移。通过测量工具获得黑水虻虫体自碰撞点反弹后的水平位移s1、s2和竖直位移h1、h2，得到其水平方向分速度vx和竖直方向分速度vy，即

(11)

定义恢复系数为碰撞结束时接触点的瞬时法向分离速度与碰撞前法向接近速度比值，计算公式为

(12)

式中e——恢复系数

vn——碰撞后法向分离速度，m/s

v0n——碰撞前法向接近速度，m/s

结合黑水虻幼虫在收集、输送、分离过程中的机械运动情况，进行黑水虻幼虫自由落体碰撞试验，调整图5中碰撞板角度，使得θ为90°，让黑水虻幼虫与碰撞板垂直碰撞，下落高度为1 000 mm(远大于落差最大的筛分机械物料下落高度差)通过高速相机拍摄黑水虻幼虫反弹高度h0为2.3 mm。根据式(7)可知，碰撞力为0.754 N，远小于黑水虻幼虫所受碰撞最大作用力(2.94 N)，因此，一般机械作业的高度落差不会对黑水虻幼虫造成严重的碰撞冲击损伤，本文试验最大自由落体高度H为500 mm。

1.5 试验设计

基于黑水虻幼虫在分离、收集、输送等环节机械作业情况，黑水虻幼虫恢复系数受碰撞材料种类、跌落方向、碰撞角、碰撞材料厚度、自由落体高度、含水率等关键因素的影响，为减少试验次数，本文设计L16(44×23)正交表，对上述影响黑水虻虫体恢复系数的关键因素进行混合正交试验研究，确定各因素水平对黑水虻虫体恢复系数影响的主次顺序及显著性水平，然后对影响显著因素分别进行单因素试验，求出对应的回归方程及决定系数，为黑水虻幼虫恢复系数预估提供基础数据支撑。

1.5.1混合正交试验因素与水平

混合正交试验因素水平如表2所示。为研究各因素对黑水虻幼虫恢复系数的影响程度，各因素水平取值时，黑水虻幼虫分离、收集、输送等机械相关部件材料主要考虑有机玻璃、橡胶、铝合金、Q235钢等材料，因此，碰撞材料类型主要选取以上4种。结合课题组前期调研黑水虻幼虫筛分、收集、输送等机械设备，同时根据力学试验，黑水虻幼虫承受自由落体最大高度极限，黑水虻幼虫与机械设备表面的高度差范围为20～500 mm，自由落体下落高度因素水平分别取20、180、340、500 mm(不同高度通过锁紧螺钉固定)。结合机械设备制造情况和制造材料实际厚度范围，材料厚度分别取1、2、3、4 mm。不同含水率的养殖基料对黑水虻幼虫生长发育及其对养殖基料的生物转化效率具有较大差异，研究结果表明，以获得黑水虻幼虫增重最大为原则，黑水虻幼虫在含水率为60%～80%的养殖基料中，增重较为明显[30-31]。结合黑水虻幼虫生物转化猪粪工艺[7]，统计分析黑水虻幼虫在含水率为70%～75%的新鲜猪粪中生物转化后其幼虫含水率为71.25%～74.19%，因此，试验选取含水率为71.25%和74.19%的黑水虻幼虫作为研究对象。考虑黑水虻幼虫与机械分离、收集、输送设备接触碰撞角，分别选取1°、15°、30°、45°，碰撞板倾角借助数显倾角仪(东莞三量量具有限公司生产，精度为0.01°)确定(不同碰撞角可通过碰撞板旋转)。结合黑水虻幼虫与碰撞材料碰撞的主要部位，选择黑水虻幼虫的虫体横向和纵向2种状态朝下投放，通过高速相机记录对应碰撞部位碰撞时的图像并保存。

表2 混合正交试验因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal experiment

1.5.2单因素试验的因素水平

为进一步明确相关因素对黑水虻幼虫恢复系数的影响规律，针对影响显著的因素进行单因素试验，并求出对应的回归方程。碰撞材料因素无法量化，不做回归分析，只做单因素试验。单因素试验时，因机械设备分离、输送黑水虻虫粪混合物常采用Q235钢，因此为接近实际情况，选取Q235钢作为试验材料；材料厚度选取常用的2 mm；碰撞高度选取分离、输送作业过程跌落高度差的中间值340 mm；碰撞角选取中间值30°；因自身重力影响，黑水虻幼虫横向跌落概率较大，选取横向跌落作为试验条件。含水率变化范围小，对黑水虻幼虫恢复系数影响不显著。

2 结果与分析

2.1 混合正交试验结果与方差分析

混合正交试验设计与结果如表3所示，A、B、C、D、E、F为因素水平值。由表3中极差分析可知，影响黑水虻幼虫恢复系数的主次顺序为：碰撞材料、下落高度、碰撞角、跌落方向、材料厚度、含水率。为确定这6种因素的影响程度，对正交试验结果进行方差分析(表4)，由表4可知，下落高度和跌落方向对恢复系数的影响极显著(P<0.01)，碰撞材料、材料厚度、碰撞角对恢复系数的影响显著(P<0.05)，含水率对恢复系数影响不显著。

表3 正交试验方案及结果Tab.3 Orthogonal experiment scheme and results

2.2 单因素试验结果与分析

从表4可知，碰撞材料、材料厚度、下落高度、碰撞角、跌落方向是影响恢复系数的主要因素。因此，分别针对碰撞材料、材料厚度、下落高度、碰撞角、跌落方向进行单因素试验。

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

2.2.1碰撞材料

混合正交试验表明，试验因素中碰撞材料对黑水虻幼虫恢复系数的影响极显著。在黑水虻幼虫碰撞材料厚度为2 mm、下落高度为340 mm、碰撞角为30°、跌落方向为横向的试验条件下，以碰撞材料为单因素的试验结果进一步表明，黑水虻幼虫与各种碰撞材料间恢复系数从大到小依次为：Q235钢、铝合金、有机玻璃、橡胶，分别为0.363 5、0.334 1、0.297 6、0.221 8。原因在于，Q235钢的硬度与强度最大，碰撞时黑水虻幼虫接触面积小，碰撞能量损失最低，恢复系数最大；而橡胶的硬度和强度最弱，碰撞时黑水虻幼虫接触面积大，变形量最大，恢复系数最小。在机械分离黑水虻幼虫时，分离部件应尽量选用恢复系数较大的材料，以增加黑水虻幼虫的反弹能力，提高分离效率；而对于机械输送、收集黑水虻幼虫时，在满足强度要求前提下，应选用恢复系数较小的材料降低黑水虻幼虫的碰撞反弹，提高稳定输送效果。

2.2.2材料厚度

材料厚度影响其刚度，当碰撞材料厚度较大时，黑水虻幼虫碰撞后的碰撞材料发生的变形量更小，引起的损失能量较小，导致黑水虻幼虫与碰撞材料间的恢复系数较大。同时，黑水虻幼虫质量与碰撞材料的质量比很小，碰撞发生前，黑水虻幼虫自身能量也较低，对碰撞材料的影响程度低。试验选用常用的Q235钢作为碰撞材料、下落高度为340 mm、碰撞角为30°、跌落方向为横向试验条件下，材料厚度对恢复系数的影响如图6所示。图6表明，在一定范围内，恢复系数随着碰撞材料厚度的增加而逐渐增大，但碰撞材料厚度达到一定值后，恢复系数增长趋势趋于平缓。原因在于，随着Q235钢厚度的增加，刚度变大，碰撞时相对变形量更小，碰撞能量损失更低，结合碰撞能量守恒定律，黑水虻幼虫在厚度越大的Q235钢料上反弹速度越高，恢复系数越大；但是，当Q235钢料厚度达到一定值后，其变形量变化相当小，此时，恢复系数增加趋势变得平缓。本文研究对象黑水虻幼虫质量相对碰撞材料非常小，因此，对碰撞材料的形变影响很低，与表3极差分析结果一致，相对其他因素碰撞材料厚度对恢复系数的影响较小。对于机械分离黑水虻幼虫部件，为增加其反弹能力，减小堆积现象，应选用厚度较大的材料；而对于转移、输送黑水虻幼虫机械部件，应选用厚度小的材料，提高稳定输送能力。

2.2.3下落高度

所有因素中下落高度对黑水虻幼虫恢复系数的影响仅次于碰撞材料。在碰撞材料为Q235钢、碰撞角为30°、跌落方向为横向、材料厚度为2 mm试验条件下，下落高度对恢复系数的影响如图7所示。由图7可知，黑水虻幼虫恢复系数随下落高度的增加而逐渐减小。原因在于，黑水虻幼虫自由落体的高度越大，碰撞时的初速度越大，其虫体本身为软体组织，碰撞的相对变形量很大，碰撞过程能量损失增大。因此，碰撞后的反弹速度降低，导致恢复系数减小。相反，自由落体高度越小，碰撞能量损失越小，恢复系数越大。自由落体高度影响黑水虻幼虫反弹前的瞬时速度和反弹后的水平分速度，与此相关的环节如机械筛分机构的结构参数、输送后下落收料装置结构参数等设计过程中需要重点考虑。

2.2.4碰撞角

碰撞角对黑水虻幼虫恢复系数的影响显著性仅次于碰撞材料、下落高度，在碰撞材料为Q235钢、下落高度为340 mm、跌落方向为横向、材料厚度为2 mm的试验条件下，其单因素试验结果如图8所示。由图8可知，恢复系数总体随碰撞角的增大而增大，具体表现为：碰撞角为1°～30°时，恢复系数随碰撞角增加而增大；当碰撞角为30°～45°时，恢复系数随碰撞角的增大而逐渐减小；当碰撞角为45°～60°时，恢复系数随碰撞角增大而增大。原因在于：当碰撞角为1°～30°时，黑水虻幼虫与碰撞材料接触主要为摩擦做功和虫体表面弹性变形，碰撞角小，恢复系数较小，碰撞角增大，摩擦损失能量减少，斜面撞击概率增大，反弹速度增加，恢复系数增大；当碰撞角为30°～45°时，黑水虻幼虫与碰撞材料主要为斜面撞击，黑水虻幼虫虫体表面某凸起点与碰撞材料发生碰撞时，产生旋转、摩擦等运动，能量损失增大，恢复系数有所降低；而当碰撞角为45°～60°时，黑水虻幼虫自由落体后与碰撞材料发生正面碰撞可能性不断增加，接触时间缩短，摩擦与旋转消耗能量减少，恢复系数增大。图9为不同碰撞角下，黑水虻幼虫自离开碰撞点、相同单位时间后的落点位置。由图9可知，碰撞角影响黑水虻幼虫横向速度vx和纵向速度vy，黑水虻幼虫碰撞后的反弹速度随碰撞角增大而增大，但在碰撞角为30°～45°时，有所降低，而碰撞角为45°～60°时，反弹速度不断增大，反弹距离增大。图8和图9的结果分析一致。因此，对于黑水虻幼虫与有机肥混合物在螺旋输送集料、转移输送过程中，满足强度条件下尽可能减小碰撞角，以降低黑水虻幼虫在作业过程中的反弹飞溅损失。而对于滚筒筛或其他筛分分离部件，可适当考虑增大碰撞角，提高黑水虻幼虫反弹概率，增加透筛流动性。

2.2.5跌落方向

黑水虻幼虫碰撞恢复系数测定试验中，为使黑水虻幼虫自由落体过程更加符合黑水虻幼虫在收集、输送、分离机械上的实际运动和抛送运动情况，选取黑水虻幼虫与投料基准面呈纵向垂直和横向平行2种跌落方向，在碰撞材料为Q235钢、下落高度为340 mm、碰撞角为30°、材料厚度为2 mm的试验条件下，跌落方向单因素试验结果为：纵向跌落方向的恢复系数为0.221 7，横向跌落方向下的恢复系数为0.332 5，不同的跌落方向造成黑水虻幼虫碰撞过程中能量损失不一致。原因在于，黑水虻幼虫纵向跌落，自由落体过程中，黑水虻幼虫根据虫体自身重心进行调整，将产生一定程度的旋转，能量损失较大；另外，碰撞发生时，黑水虻幼虫纵向端为头部或尾部接触瞬间，生物应激性最为明显，产生蜷缩，形变较大，能量损失增大，一定程度降低了反弹运动速度，恢复系数较小；而横向跌落，自由落体过程中状态较为稳定，虫体本身较软，但表皮具有一定的硬度且接触点面积较大，碰撞瞬间形变较小，恢复系数较大。

3 结论

(1)混合正交试验结果表明：黑水虻幼虫碰撞过程中恢复系数的影响因素影响由大到小为：碰撞材料、下落高度、碰撞角、跌落方向、碰撞材料厚度、含水率。其中，下落高度与跌落方向对恢复系数影响极显著(P<0.01)，碰撞材料、材料厚度、碰撞角对恢复系数影响较显著(P<0.05)，而含水率对恢复系数影响不显著。

(2)单因素试验结果表明：在材料厚度、下落高度、碰撞角、跌落方向一致情况下，黑水虻幼虫与Q235钢、铝合金、有机玻璃、橡胶等碰撞材料的恢复系数依次降低；在其他相同条件下，恢复系数随碰撞材料厚度的增加而逐渐增大，随下落高度的增加而逐渐减小，随碰撞角的增大而整体呈增大趋势，并且得到材料厚度、下落高度、碰撞角与恢复系数的回归方程，决定系数分别为0.942 7、0.998 8、0.955 1。

(3)在机械收集、输送、分离黑水虻幼虫等部件设计过程中，对于需要减少黑水虻幼虫反弹的环节(如收集、输送)应尽可能选用恢复系数较小的材料如橡胶等，同时降低使用材料的厚度并选取适宜的下落高度；而对于机械分离黑水虻幼虫环节(如振动筛、弹跳筛或滚筒筛、风选等)，需要提高分离效率与物料的流动性，则尽量增加材料厚度并选取合适下落高度。而第5龄期黑水虻幼虫含水率分布范围分布很小，对恢复系数的影响最小，且影响不显著。同时，黑水虻幼虫碰撞过程中除了受文中所述一些因素外，可能还受其自身生物应激蠕动特性等难以控制的因素影响，得到的结果可能会存在差异。