离心式滩涂贝类播苗装置设计与试验

黄伟，李秀辰,2,3，母刚,2,3，张国琛,2,3，白永安，张寒冰,2,3*

(1.大连海洋大学 机械与动力工程学院，辽宁 大连 116023；2.设施渔业教育部重点实验室(大连海洋大学)，辽宁 大连 116023；3.辽宁省海洋渔业装备专业技术创新中心，辽宁 大连 116023；4.盘锦光合蟹业有限公司，辽宁 盘锦 124200)

贝类滩涂养殖是中国海水养殖的主导产业，2020年中国贝类产量为1.48×107t，占海水养殖产量的69%[1]。播苗是贝类养殖中的重要环节之一，当前贝类播苗作业仍采用人工播苗方式，存在劳动强度高、生产效率低、播撒均匀度差等问题[2]，优质高效机械化播苗已成为产业发展的迫切需求。目前，国内外学者针对贝类播苗进行了诸多研究。Garrett等[3]研发出一种牡蛎播苗装置，采用无极传送带将牡蛎苗输送到离心盘上，再通过离心力将牡蛎苗播撒到养殖区域，但该装置为专用设备，成本较高；Ware等[4]研制了一种底播象拔蚌幼苗装置，其播种机设有进水口，通过吸力从料斗中拾取贝类幼苗，播撒到贴近海底的位置，播苗均匀度较好，但作业幅宽窄，播苗效率较低；曹景秋等[5]研制的扇贝播苗装置，采用出舱机提升贝苗，通过人工将贝苗倒入固定于船舷的滑槽，并借助水流冲出贝苗落入海面，播撒环节仍由人工完成，但播撒距离较近，作业范围较小。此外，国内学者苑春亭等[6]设计的贝苗底播装置、母刚等[7]开发的重力式播苗设备等均未见实际应用，播苗效果有待检验。

近年来，与贝类播苗作业相近的农业播种、施肥装备技术国内外研究较多，如槽轮式、转盘式和振动式等散粒体播撒装备技术[8-16]，离心式施肥和播种装置因其具有作业范围广、结构简单、播撒效率高等优点被广泛使用。Olieslagers等[17]建立了基于落料口位置、叶轮盘结构及物料特性等因素的离心式施肥机数学模型，结果表明，圆盘角速度、叶片布置位置及颗粒流量的变化明显影响颗粒分布的形态和作业幅宽；胡永光等[18]针对茶园施肥设计了一种离心式茶园施肥机，解决了茶园施肥效率低、均匀性差的问题；尚琴琴等[19]设计了一种锥盘式离心施肥机，解决了目前大多数施肥均匀度较低、排肥精度较差、调节时间过长等问题。然而，由于贝苗是活体且形态性状不规则，因此，贝类播苗机械不仅要考虑播撒均匀度及效率，同时也要考虑作业时带给贝苗的冲击。目前，针对滩涂贝类机械化播苗装备技术的深入研究和应用尚未见报道。

本研究中，根据滩涂贝类机械化播苗技术要求，以四角蛤蜊Mactraveneriformis苗为研究对象，在本研究团队前期贝苗生物力学特性研究基础上，对离心式滩涂贝类播苗装置进行结构设计和建模，通过离散元仿真和响应面试验分析，优化播苗装置结构和运动参数，以期为提升滩涂贝类养殖机械化水平提供理论与技术支撑。

1 离心式滩涂贝类播苗装置设计

1.1 离心式滩涂贝类播苗装置结构及作业原理

本研究中设计的离心式滩涂贝类播苗装置如图1所示。播苗装置作业时固定在渔船甲板上或拖拉机车斗中，考虑装置作业效率和空间布局，播苗装置的长、宽、高分别为700 mm×700 mm×1 700 mm，主要包括料斗、机架、叶轮盘、落料管、限料挡板、直流电机、激振装置和夹持装置等，依据前期贝苗生物力学特性试验结果[2]，在料斗和落料管内侧及叶轮盘表面包覆4 mm厚EVA材料，以防止贝苗撞击破碎。料斗固定于机架上，落料管上端与料斗相连接，落料管下端与下料口间布置限料挡板，直流电机固定安装于机架上，叶轮盘通过螺钉与电机输出轴相连并位于落料口正下方。播苗时，将贝苗倒入料斗，接通直流电机电源，贝苗受到自身重力和激振装置的协同作用，经落料管进入下料口中，调整限料挡板开度控制贝苗下落量，贝苗掉落到电机驱动的离心叶轮盘面，在一定转速下经由叶片推动，抛落至指定区域，完成贝类播苗，播苗过程如图2所示。

1—料斗；2—落料管；3—激振装置；4—下料口；5—蓄电池箱；6—夹持装置；7—直流电机；8—叶轮盘；9—限料挡板;10—机架；11—电机调速旋钮；12—转速显示器；13—振动调节旋钮。

图2 离心式滩涂贝类播苗装置工作示意图

1.2 贝苗播苗过程的运动分析

离心式滩涂贝类播苗装置的播撒过程分为贝苗在叶轮盘面的滑移和脱离叶轮盘两个阶段。

1.2.1 贝苗在叶轮盘面的滑移运动 由图3(a)可知，在播苗过程中，贝苗沿BA方向运动，OB长为h，叶轮盘半径为R，假设贝苗在某一时刻∠OCB=γ，BC长为l，OC长为r，则贝苗运动的临界条件：

μmg≤mrω2，

(1)

r≥μg/ω2。

(2)

其中：μ为贝苗与EVA摩擦系数；m为贝苗质量(g)；g为重力加速度(m/s2)。

贝苗在叶轮盘上与叶片接触的受力主视图如图3(b)所示，俯视图如图3(c)所示。

图3 贝苗运动过程受力分析

图中由重力引起的摩擦力(f1)和贝苗所受的离心力(Fce)分别为

f1=μmg，

(3)

(4)

其中：v为贝苗所在位置线速度(m/s)；ω为叶轮盘角速度(rad/s)。

贝苗所受的科氏力(Fco)和叶片侧面对贝苗的摩擦力(f2)分别为

(5)

(6)

将式(3)～(6)代入式(1)可得贝苗离开叶轮盘的临界条件为

≤0。

(7)

沿BA方向，根据牛顿第二运动定律可得：

(8)

(9)

由图3(a)可知：

带入式(9)得：

(10)

由式(10)可得，贝苗在离心叶轮盘上的运动方程为

lω2-μg。

(11)

1.2.2 贝苗脱离叶轮盘后的运动 贝苗脱离叶轮盘后，在重力和空气阻力的协同作用下以抛物运动落入预定播苗区域。贝苗在空气中运动时，空气阻力系数K为

(12)

其中，阻力系数CD与雷诺数Re存在如下关系：

(13)

式中：ηa为空气动力黏度(N/(s·m2))；vp为贝苗在空气中运动的速度(m/s);ρp为贝苗的颗粒密度(g/cm3)；rp为贝苗尺寸(mm)。

设z轴正方向为与重力相反的方向，则3个方向的运动方程[20-22]为

(14)

(15)

(16)

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

由式(11)、(14)～(16)可知，贝苗在叶轮盘上的运动轨迹主要受叶轮盘转速的影响，离开叶轮盘后在空间中的运动轨迹主要受播苗装置行进速度、贝苗离开叶轮盘初始速度的影响，空中各向的速度相互关联。

2 EDEM离散元仿真优化试验

2.1 离散元仿真试验设计

为减少仿真计算量，选取关键运动部件进行仿真，选用四角蛤蜊苗为研究对象，假定贝苗颗粒本身不具有黏附力，选择Hert-Mindlin无滑动接触模型，用多球形颗粒填充贝苗模型，建立四角蛤蜊苗离散元仿真(EDEM)模型如图4所示，并建立边长为10 m的正方形实体平面用于承接贝苗，相关仿真参数见表1、表2，仿真步长为2.72×10-6s，仿真时间为5 s。应用EDEM后处理Selection模块在所创建平面上方建立Bin group，统计一定时间内在承接区域内的贝苗数量[23-25]。分析播苗装置叶轮盘叶片个数(简称叶片个数)、叶轮盘转速(简称叶轮转速)和播苗装置行进速度(简称行进速度)对播苗均匀性的影响，结合仿真结果，确定播苗装置关键结构参数的最优组合。

图4 四角蛤蜊离心播苗过程仿真试验模型

表1 四角蛤蜊苗相关参数

表2 四角蛤蜊苗与材料接触参数

为探讨播苗均匀性，以贝苗数量分布变异系数(简称分布变异系数)Cv作为评价指标，计算公式[26]为

(17)

(18)

(19)

采用3因素3水平响应面优化试验，分别以叶片个数、叶轮转速、行进速度为试验因素，以贝苗分布变异系数为评价指标，进行播苗作业的离散元仿真。运用Design-Expert 8.0.6软件进行响应面优化试验设计，依据前期预试验结果，拟定3种因素的水平范围，并将3个试验因素进行水平编码(表3)。播苗试验方案如表4所示。

表3 因素水平编码

2.2 试验结果与分析

贝类播苗作业过程的EDEM仿真结果如图5所示，播苗装置行进方向为水平向右，在播苗后形成的播苗区域内划分7×7网格，每个网格尺寸为1 m×1 m。统计每一网格内贝苗的数量，通过计算得出贝苗的分布变异系数(表4)。

表4 试验方案及结果

图5 仿真结果

运用Design-Expert软件进行回归分析，建立各因素关于贝苗分布变异系数影响程度的拟合方程，并进行响应面分析，探究影响因素交互作用对分布变异系数的影响规律。从表5可知，所建立的回归模型极显著(P<0.000 1)，失拟不显著，表明模型能较好地反映各因素对贝苗分布变异系数的影响，并能较好地进行预估[27]。

表5 回归模型的方差分析

(20)

该方程中，因素前数字的绝对值大小代表贝苗分布变异系数受该因素的影响程度，由此可见，叶片个数(A1)、叶轮转速(A2)和行进速度(A3)3个单因素对贝苗颗粒分布变异系数的影响程度依次为A1>A2>A3。由于叶片个数与行进速度(A1A3)的交互作用对贝苗分布变异系数的影响不显著，故仅进行了叶片个数与叶轮转速、叶轮转速与行进速度交互作用对分布变异系数影响的响应面分析，结果如图6所示。从图6(a)可见：叶片个数与叶轮转速的交互作用对贝苗分布变异系数具有较明显的影响，其中分布变异系数受叶片个数的影响程度较叶轮转速更大；分布变异系数随叶片个数的增加呈先减小后增大，随叶轮转速的增加则逐渐增大；当叶片个数为4～6、叶轮转速为300～540 r/min时，分布变异系数较小。从图6(b)可见：叶轮转速对分布变异系数的影响较行进速度更为明显，分布变异系数随叶轮转速的增加逐渐增大，随行进速度的增大则先减小后增大；当叶轮转速为300～540 r/min、行进速度为0.61～0.82 m/s时，分布变异系数均较小。

图6 交互作用的响应面分析

2.3 参数优化

根据所得的回归方程，选择Design-Expert软件的中心组合响应曲面设计进行作业参数优化，以贝苗分布变异系数为目标函数，寻求目标函数的最小值。在叶片个数为4个、叶轮转速为500 r/min、行进速度为0.77 m/s最优参数条件下，装置的贝苗分布变异系数最优仿真值为8.53%。

3 滩涂试验验证

为验证设计的离心式贝类播苗装置的作业性能，加工样机进行滩涂现场播苗试验，试验装置及作业效果如图7所示。试验时间为2021年5月26日，试验地点为辽宁盘锦市蛤蜊岗滩涂，试验当天晴朗无风。所用贝苗为盘锦市蛤蜊岗当地采捕的四角蛤蜊，其主要物理特性：三轴尺寸为28.75 mm×25.20 mm×18.59 mm，体质量为(9.50±0.70)g，颗粒密度为2.93 g/cm3，压溃强度为(95.00±2.25)N。为便于计算贝苗分布变异系数，在滩涂表面铺设黑色尼龙布，并用白色尼龙线每间隔1 m划分网格[28]，共7行7列，实际统计区域与仿真试验一致。试验时将播苗装置安置于中泰VT-3000型号履带拖拉机车一侧，播苗装置与所划定区域边缘间距为2.5 m，叶轮盘转速为500 r/min，播苗装置行进速度为0.77 m/s，试验重复3次[29]，结果如表6所示。

图7 试验装置及作业效果

表6 验证试验结果

在最优参数组合下，贝苗分布变异系数的平均实测值为9.33%，仿真值为8.53%，相对误差为8.46%，验证了基于离散元仿真的滩涂贝类播苗装置设计优化方法的准确性，研制的离心式播苗装置播苗均匀且破碎率较低，仅为2.17%，能满足播苗作业需求。

4 讨论

4.1 播撒装置作业方式的选择

物料播撒在大农业生产中研究较多，主要集中在施肥和播种等方面，作业方式包括气力式、液力式、槽轮式和振动式等，并取得了广泛应用。不同作业方式的物料播撒装置各具优缺点，其中，气力式播撒装置主要通过气流形成压差，将来自下料口的种子或肥料颗粒播撒出去，其结构简单、播撒范围广，但冲击作用较强；液力式播撒装置主要通过高压水射流的形式，将固液混合物一同播撒出去，颗粒喷射距离较远，但作业幅宽较窄，且播撒范围和均匀度不易控制；槽轮式播撒装置主要通过槽轮的间歇性旋转实现颗粒定量播撒，可实现定距、定量精播，但作业幅宽窄、效率低。本研究中，虽可借鉴大农业播种及施肥装置设计思路，但又因贝苗为活体，需考虑破碎率和成活率，且底播区域广阔，载具燃油成本高[30]，故贝类播苗装置应具有较大的作业幅宽，尽可能提升作业效率，降低播苗成本，综合考虑离心式作业方式适合滩涂贝类播苗。

相关研究中，张国忠等[31]针对藕田机械化施肥的实际需求，设计了一种离心侧抛式撒肥机，应用离散元法对撒肥盘转速、叶片倾角和叶片偏角进行参数优化，并用不同颗粒对优化结果进行验证试验，仿真与试验结果相近，说明离散元法可提升播撒装置设计效果。然而，本研究中的贝苗颗粒与肥料颗粒的几何形状、尺度方面差异性较大，为准确模拟播苗效果，需应用3D扫描获取贝苗轮廓特征并使用不同尺度粒子填充，完成贝苗精准建模。胡永光等[18]针对茶园无专用施肥设备，大田施肥机不能满足茶树间行距较窄的问题，设计优化了一种茶园施肥机，结果表明，行进速度、叶片个数是影响播撒均匀度的两个主要因素，但叶轮转速与行进速度存在强耦合作用。本研究表明，叶片个数、叶轮转速和装置行进速度是影响播撒贝苗的3个主要影响因素，与上述研究结果基本一致，同时还发现，因素间的交互作用也有显著影响。

陈书法等[32]针对田间播种量不均及漏播、少播等问题，利用速度传感器与导航系统控制播种装置前进速度，通过微处理器控制播种轴转速和推肥倾角，实现了高效变量播种。金鑫等[33]为了提高冬小麦播种质量与种肥利用率，设计了一种小麦精量播种变量施肥机，通过红外光电检测排种、排肥流量，并应用GPS控制行进速度，实现精准播种施肥。本研究中只设计了一种离心式贝类播苗装置，并对其作业参数进行了优化，但在贝苗精准播撒及控制方面有待进一步研究。

4.2 离心式滩涂贝类播苗装置参数对播撒均匀度的影响

本研究表明，叶片个数对播撒均匀度的影响最大，当叶片个数为2～4时，随叶片数增加贝苗分布变异系数逐渐减小，当叶片个数为4～6时，随叶片数增加分布变异系数逐渐增大。而胡永光等[18]对茶园施肥机设计与优化研究中，发现分布变异系数随叶片个数的增加呈线性减小，与本研究中所得出的规律不一致，原因可能是贝苗与肥料颗粒几何尺寸及形状特征相差较大，叶片个数过多会增加贝苗下落过程中与叶片上沿撞击的概率，影响落苗均匀性，进而导致分布变异系数增大。

叶轮转速与播撒均匀度也密切相关，本研究中所设计的贝类播苗装置叶轮转速为300～700 r/min，分布变异系数随转速的升高而减小，与张国忠等[31]针对藕田所开发的离心侧抛式施肥装置关于圆盘转速的规律一致。传统农业上施肥机械的转速可达1 200 r/min，明显高于本设计，原因是四角蛤蜊苗在转速为700 r/min时，破碎率近15.4%，随着转速的提高破碎率急剧升高，因此，本设计叶轮盘转速上限为700 r/min。

行进速度也是影响播撒均匀度的重要因素，考虑到海上播苗作业船速一般为0.51～1.02 m/s(1～2 kn)，行进速度在此区间内增大时，贝苗分布变异系数呈现先减后增趋势，该结果与杨怀君等[34]对离心式变量施肥机设计中机具前进速度对分布变异系数的影响规律一致。

5 结论

1)离心式滩涂贝类播苗装置的作业参数对贝苗分布变异系数的影响程度依次为叶片个数>叶轮转速>行进速度，且叶片个数与叶轮转速及叶轮转速与行进速度的交互作用对分布变异系数影响显著，表明这些参数是贝苗播撒装置设计主要考虑的因素。

2)四角蛤蜊离心播苗装置的最优参数组合为叶片个数4、叶轮转速500 r/min和行进速度0.77 m/s，离散元仿真试验和滩涂试验显示，在最优参数组合下，离散元仿真试验所得贝苗分布变异系数为8.53%，滩涂试验所得贝苗分布变异系数为9.33%，二者相对误差为8.46%，在进行滩涂试验时贝苗破碎率为2.17%，表明基于离散元的仿真分析方法可用于离心式滩涂贝类播苗装置设计与参数优化，所设计的离心式滩涂贝类播苗装置可为贝类产业机械化、规模化发展提供参考。