基于EDEM的魚苗分選機設計與工作參數優化

劉 虎 龔 宇 張 彪 陳 源 周明剛

(湖北工業大學湖北省農業機械工程研究設計院， 武漢 430068)

0 引言

伴隨著我國水產養殖業轉型升級以及智慧漁業戰略的部署，水產養殖面積逐年增加，當前水產養殖總產量已經穩居世界首位。但是，我國水產養殖技術仍然落后，無法解決養殖過程中投喂無序、飼料浪費等問題，其重要原因之一是分選機械相對比較落后，無法實現高品質的分級作業[1-4]。目前，水產養殖分選作業主要依靠人工進行，專用機械比較少，難以根據魚苗本身特性實現精準分級。針對當前的養殖狀況，國內學者對魚苗分選機械技術與方法進行了一系列研究。文獻[5]設計了一種淡水魚頭尾與腹背定向裝置，以鰱魚為定向對象，通過理論分析和傾斜振動臺面試驗，獲得了魚體與機械間的摩擦特性。文獻[6]研制的噴水滾筒式魚苗大小分選裝置，通過兩臺電機和換流器改變滾筒旋向，得出了旋向與筒速、噴水壓力和分選魚體寬之間的關系。文獻[7]設計的分魚機，采用膠帶式輥軸分級方法，能依據不同魚苗規格，實現分級間距調整。但上述研究鮮有關于魚苗分選機分選性能方面的研究，且當前的分選機械大多根據天平與杠桿稱量原理進行分級，不適合在有水環境下進行魚苗的稱量分選。因此按照魚苗體型參數和三等級分選目標，以體寬作為判別條件對魚苗分選。

本文設計一種輥道式魚苗分選機，闡述其工作原理與整機結構，并依據試驗魚苗分選狀態，運用離散元軟件建立魚苗-機械部件耦合仿真模型，經試驗驗證其仿真的準確性，最后對其工作參數進行單因素及多因素正交影響仿真分析，得到較優參數組合，為分級機械性能優化提供理論參考。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

魚苗分選試驗機整機結構如圖1所示，主要由動力傳輸機構、水道裝置、間距調節分選裝置和傾角調節裝置等組成。其中水道裝置、間距調節分選裝置和傾角調節裝置是機具主要工作執行部件。通過水道裝置在分選輥表面形成水膜，完成魚苗快捷篩選且降低魚皮損傷。通過間距調節分選裝置，實現奇數分選輥與偶數分選輥分級間距的調整，進而滿足不同規格魚苗分級作業要求。通過傾角調節裝置和機架共同配合，實現間距調節裝置與水平地面夾角的調整，進而調節魚苗沿輥道下落速度。

1.2 工作原理

工作原理如圖2所示，該魚苗分選機依靠電機提供動力，靠傾角調節裝置和分選輥的轉動實現傾角調節和分選作業。吸魚泵首先將魚苗傳送至進魚裝置，通過該裝置上的分離漏斗濾去水中部分雜質。然后在傾角調節裝置作用下的魚苗被輸送到間距調節分選裝置，該裝置設計6根分選輥，每根分選輥主要由3段直徑依次遞減的空心軸組成，其旋轉方向如圖2所示。可以使魚苗在沿輥道下落的過程中進行小中大依次分級，體寬稍小魚苗落至適合輥道間距下的導魚槽上，體寬較大則進下一級間距分級，從而完成魚苗的整個分選過程。

圖1 魚苗分選機整機結構圖Fig.1 Structure diagrams for whole machine of fry sorting1.動力傳輸機構 2.機架 3.進魚裝置 4.水道裝置 5.分魚罩殼 6.間距調節分選裝置 7.傳動鏈條 8.導魚槽 9.傾角調節裝置 10.行走腳輪

圖2 魚苗分選機工作原理圖Fig.2 Working principle diagram1.導魚槽 2.魚苗 3.固定擋魚板 4.移動擋魚板 5.奇數分選輥 6.偶數分選輥

2 關鍵機構設計

2.1 傾角調節裝置

圖3 傾角調節裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of tilt adjustment device1.下機架 2.上機架 3.前鉸鏈 4.后上鉸鏈 5.連桿 6.后下鉸鏈 7.移動板 8.刻度盤手輪 9.固定側軸承座 10.滾珠螺母 11.螺母座 12.滑塊 13.墊管 14.驅動絲桿 15.導軌 16.支撐側軸承座

該裝置主要由上下機架、前后鉸鏈、滾珠螺母、驅動絲桿等組成，其結構如圖3所示。其中上下機架通過前后鉸鏈鉸接，并與連桿鉸接于移動板，驅動絲桿帶動滾珠螺母，使移動板下滑塊在導軌上作直線移動，進而可調整安裝于上機架的輥道與下機架水平面的夾角。

輥道角度直接影響魚苗沿著輥道下落的速度，進而影響其分選性能。角度越大，魚苗在輥道摩擦的時間越短，使先進入的魚沒來得及分選，被后來的魚推入下一間距，導致分選性能嚴重降低。因此，為保證魚苗在輥道上平穩分選，最終確定輥道傾角為0～20°。

2.2 分選裝置

魚苗分選裝置主要由擋魚板、軸承座及分選輥等組成，結構如圖4所示。其中奇數分選輥通過移動軸承座固定在移動板上，而移動板與連接桿形成剛性連體。為適應不同規格魚苗的分選，驅動絲桿帶動連接桿左右移動，進而可調整與偶數分選輥間的分級間距。

圖4 分選裝置結構圖Fig.4 Structure diagram of sorting device1.固定擋魚板 2.固定軸承座 3.固定分選輥 4.移動分選輥 5.移動擋魚板 6.傳動鏈條 7.鏈輪 8.固定側軸承座 9.刻度盤手輪 10.導軌 11.移動軸承座 12.滑塊 13.滾珠螺母 14.螺母座 15.移動板 16.連接桿 17.支撐側軸承座 18.驅動絲桿

分選輥是魚苗分選裝置中的關鍵零部件，其結構尺寸特點對分選效果具有重要影響。本文的分選輥尺寸依據草魚體寬-體質量數據確定，如圖5所示，從圖中可知，體寬y與體質量x的關系為y=3.69x0.415 6，根據前后兩級魚苗的體質量相差10%～20%的設計目標，確定相鄰分選輥間距延軸向以2 mm逐級遞增。同時考慮到輥軸的安裝空間，確定分選輥延軸向逐級遞減的3個不同直徑分別為58、56、54 mm。為保證魚苗在每段不同直徑段輥道上有充足的分選時間，不同直徑段輥道長度確定為400 mm，分選輥如圖6所示。相鄰分選輥的最大間距依據質量為500 g的魚苗對應的體寬58 mm確定，其延軸向逐級遞增，分別為56、58、60 mm，且該分級間距可按照魚苗規格進行調節。

圖5 體寬-體質量增長擬合曲線Fig.5 Body width-body mass growth fitting curve

圖6 分選輥Fig.6 Sorting roller diagram

3 仿真模型建立與試驗驗證

為加快仿真速度和模型收斂性，對上述整機模型簡化，并運用離散元軟件EDEM建立魚苗-機械部件耦合仿真模型，以分級作業的工作參數為試驗因素，得出仿真結果,且結合試驗驗證仿真的準確性，為后續進行單因素及多因素正交影響仿真分析奠定基礎。

3.1 仿真模型建立

3.1.1魚苗模型

為真實還原魚苗分選狀態，保證仿真模擬可靠性，以鯽魚魚苗為研究對象，通過電子秤等儀器測得魚苗的平均體寬、體高、體長之比為1∶1.5∶6，平均密度為1 800 kg/m3。考慮到鯽魚體型近似紡錘體，軀干斷面呈梭型，關于腹背軸線呈左右對稱[8]，故運用EDEM軟件多球面組合方式按體寬分級規格建立3種體寬尺寸離散元魚苗模型，如圖7所示。

圖7 魚苗三維模型Fig.7 Fry model

3.1.2分選機模型

為了合理有效地仿真模擬與計算，結合魚苗分選機相關的作業參數，對整機模型簡化，將傾角調節裝置簡化為角度支座，分選機主體構件抽象為進魚通道、分選輥道和矩形導魚槽，簡化結果如圖8所示。分選機材料屬性均為45號鋼，泊松比為0.31，剪切模量為7×1010Pa，密度為7 800 kg/m3。

圖8 分選機模型Fig.8 Sorting machine model diagram1.導魚槽 2.進魚通道 3.分選輥道 4.角度支座

3.1.3仿真模型參數確定

由于魚苗表面的粘彈性， 采用Hertz-Mindlin(JKR)接觸模型[9-10]，以模擬魚苗之間、魚苗與機械間相互作用。并通過摩擦角試驗(圖9)、虛擬仿真標定和參照文獻[5-11]等方法對45號鋼-魚苗、魚苗-魚苗的動靜摩擦因數和恢復系數測定，測定的相關參數結果如表1所示。

圖9 摩擦角試驗Fig.9 Friction angle test1.角度支座 2.45號鋼 3.水瓶 4.魚苗

表1 仿真材料接觸參數

Tab.1 Simulation material contact parameters

材料動摩擦因數靜摩擦因數無水有水無水有水恢復系數45號鋼-魚苗0.350.150.400.200.50魚苗-魚苗0.0150.010.50

3.1.4仿真設置

依據機具實際分選過程，在虛擬分魚仿真過程中，設置魚苗位于進魚一側進行初始作業。以常規工況下的分選機進行仿真，分析其參數與分選性能。為保證仿真的可靠性，設置魚苗初始速度為0.5 m/s，其固定時間步長為10%(Rayleigh時間步長10%)，并根據文獻[12]設置魚苗的泊松比為0.45，剪切模量為1.64×106Pa，其網格尺寸為2Rmin，其中Rmin為組成魚苗模型最小的顆粒半徑(6 mm)。仿真開始時分選輥道反向旋轉, 同時魚苗開始生成，直至魚苗全部生成后10 s仿真結束，仿真過程如圖10所示。采用EDEM后處理模塊統計分選過程結束后各導魚槽內魚苗的數量，以此計算分魚準確率及分選效率。

圖10 仿真過程圖Fig.10 Simulation process diagram

3.2 試驗驗證

3.2.1試驗條件

為檢驗基于EDEM軟件的魚苗分選機虛擬仿真的準確性，在實際工況下進行整機驗證試驗，試驗條件如圖11所示。從圖11a所示樣本中選取多條鯽魚魚苗進行魚寬測試，測試過程如圖11b所示，進而得到圖11c所示的魚苗體寬與體質量散點圖，以此選取小、中、大3等級魚苗各40尾，并結合圖11d所示的魚苗分選機樣機(試驗樣機采用三相380 V變頻器改變輥道轉速)，進行試驗驗證。

圖11 試驗條件Fig.11 Test conditions

3.2.2評價指標

綜合試驗樣機實際的工作情況，并查閱相關資料[13-21]，以分魚準確率y1、分選效率y2作為分選作業的評價指標, 其定義為

(1)

(2)

式中n1——在同樣的分選作業時間下，被正確分選的魚苗數量，尾

n2——在同樣的分選作業時間下，落入導魚槽里的魚苗數量，尾

n3——在同樣的分選作業時間下，投入分選機中的魚苗總數量，尾

3.2.3試驗結果及分析

分選試驗如圖12所示，結合試驗條件，以各工作參數(輥道轉速、輥道傾角、進魚量)為試驗因素，以分魚準確率y1作為分選作業的評價指標，所得試驗結果如圖13所示。

圖12 魚苗分選試驗Fig.12 Fry sorting test

圖13a為分魚準確率隨輥道轉速變化的試驗和仿真結果，可以發現試驗和仿真結果均呈現先急劇增大后緩慢減小的趨勢，其整體相對誤差為10.56%。

圖13b為分魚準確率隨輥道傾角變化的試驗和仿真結果，可以發現試驗和仿真結果均呈現先緩慢增加后緩慢減小的趨勢，其整體相對誤差為24.73%。

圖13c為分魚準確率隨進魚量變化的試驗和仿真結果，可以發現試驗和仿真結果呈現線性遞減的趨勢，其整體相對誤差為21.72%。

由于在虛擬仿真試驗中，分選機魚苗入口處生成的魚苗離散性和均勻性較好，而實際試驗中，分選機魚苗投入的連續性和均勻性較差，且水道對魚苗表面始終存在噴淋壓力，試驗得到的分魚準確率低于仿真的分魚準確率。但是從總體上看，試驗結果和仿真結果具有較好的一致性。

圖13 分魚準確率隨分選機工作參數的變化曲線Fig.13 Variation trend of fish splitting accuracy with sorting machine working parameters

4 EDEM仿真試驗與分析

4.1 單因素影響分析

4.1.1輥道轉速對分魚準確率的影響

圖14 分魚準確率隨轉速變化曲線Fig.14 Changing curves of split fish accuracy rate with speed

輥道轉速是影響魚苗分選效果的主要因素之一，當前分選機轉速一般取值范圍為0～400 r/min。本文主要是在輥道傾角θ為12°，進魚量3尾/s時，通過建立的模型仿真分析兩分選輥反向旋轉時轉速對分魚準確率的影響，結果如圖14所示。可以發現，隨著轉速的增加，分魚準確率呈現先急劇增大后緩慢減小的趨勢，且在轉速為110 r/min左右時，3段間距分魚準確率均達到最大值。

4.1.2輥道傾角對分魚準確率的影響

輥道傾角指的是安裝于上機架的輥道與水平地面所形成的夾角。本文在轉速為150 r/min與進魚量3尾/s時，通過建立的模型仿真分析輥道傾角對分魚準確率的影響。仿真結果如圖15所示。可以發現隨著角度的增加，分魚準確率呈現先急劇增大后減小的趨勢，且在輥道傾角為8°左右時，3段間距分魚準確率均達到最大值。

圖15 分魚準確率隨輥道傾角變化曲線Fig.15 Changing curves of fish accuracy with roll inclination

4.1.3進魚量對分魚準確率的影響

進魚量決定魚苗在輥道上的離散程度，進而影響分魚效果。如圖16所示，本文在轉速為150 r/min與輥道傾角θ為8°時，通過建立的模型仿真分析輥道上的進魚量對分魚準確率的影響。仿真結果如圖16所示，可以發現，隨著進魚量的增加，分魚準確率呈現線性遞減的趨勢，且在進魚量等于3尾/s時，3段間距分魚準確率達到最大值。

圖16 分魚準確率隨進魚量變化曲線Fig.16 Changing curves of accuracy of fish according to amount of fish entering

4.2 多因素正交影響分析

4.2.1仿真試驗設計

綜合考慮單因素影響分析結果，確定了如表2所示的各工作參數(輥道轉速、輥道傾角、進魚量)的試驗因素水平，并以分魚準確率y1及分選效率y2作為評價指標，根據L16(45)正交試驗表安排仿真試驗[22]，以此確定最優工作參數組合。其仿真試驗結果及方差分析如表3和表4所示，表中A、B、C為輥道轉速、輥道傾角、進魚量水平值。

表2 試驗因素水平Tab.2 Test factors and levels

4.2.2試驗結果分析與優化

在分級規格范圍內，分魚準確率和分選效率越高，表明綜合作業分選性能越好。由表3仿真試驗極差分析可知，影響分魚準確率指標的3個主次因素順序為：輥道傾角B、進魚量C、輥道轉速A，其較優參數水平組合為B3C1A2；影響分選效率的3個主次因素順序為：輥道傾角B、進魚量C、輥道轉速A,其較優參數水平組合為B4C1A1。并綜合實際作業分選要求，可確定影響機具分選性能的主次順序為輥道傾角、進魚量、輥道轉速。

表3 試驗方案與結果Tab.3 Test plan and results

通過Design-Expert 8.0.5軟件對正交試驗數據進行方差分析，以此判斷各試驗因素對評價指標的顯著性，如表4所示。從表4可知，方差分析與表3極差分析結果一致，即進魚量C對分魚準確率影響顯著(F>F0.05)，輥道傾角B對分魚準確率影響非常顯著(F>F0.01)，輥道轉速A對分魚準確率影響不顯著(FF0.05)，輥道傾角B對分選效率影響非常顯著(F>F0.01)，輥道轉速A對分選效率影響不顯著(F

為得到最佳工作參數組合，結合試驗結果和方差分析，采用多目標多變量優化方法，對正交試驗進行優化設計。以提高分魚準確率和分選效率為原則，建立數學模型

表4 分選性能指標方差分析Tab.4 Analysis of variance of sorting performance indicators

注：*表示顯著；** 表示非常顯著。F0.01(3，6)=27.91，F0.05(3，6)=8.94。

(3)

基于Design-Expert 8.0.5軟件中的Optimization模塊對式(3)求解分析，可得到多組優化后的參數組合。并對優化后參數進行結果分析，發現當參數組合為輥道轉速138.40 r/min、輥道傾角10.47°、進魚量3.00尾/s時，綜合分選作業性能最好，其分魚準確率為97.99%，分選效率為95.29%。

對優化后的工作參數組合進行仿真分析驗證，得到分魚準確率為94.22%，分選效率為99.77%。與優化結果相比，仿真的分魚準確率和分選效率的相對誤差分別為3.84%和4.70%。

5 結論

(1)設計了一種輥道式魚苗分選機，對該機器的工作機理與整機結構進行闡述，確定了關鍵機構的結構參數，為魚苗分選機械的優化設計提供了參考。

(2)通過仿真進行單因素及多因素正交影響分析，結合多目標多變量優化方法，對試驗結果展開優化設計。結果表明，各因素對分魚準確率和分選效率影響的主次因素順序均為輥道傾角、進魚量和輥道轉速。兼顧以提高分魚準確率和分選效率為原則，采用Design-Expert 8.0.5軟件中的Optimization模塊進行參數優化，確定了較優組合為：輥道轉速138.40 r/min、輥道傾角10.47°、進魚量3.00尾/s，此時機具綜合分選作業性能最佳。