魚苗分散通道的設(shè)計(jì)與工作參數(shù)

吳電建， 張 彪， 劉 虎， 陳 源， 周明剛

(湖北省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計(jì)院， 湖北 武漢 430068)

在工廠化養(yǎng)殖模式下，由于魚苗不同個體之間生長速度存在差異[1]，需要及時通過分選分級后分池飼養(yǎng)[2]。在對魚苗通過分選機(jī)進(jìn)行分選后還應(yīng)進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計(jì)。Rob Feam[3]、王文靜[4]等利用圖像識別技術(shù)計(jì)算出魚苗數(shù)量，但其效率對工廠化養(yǎng)殖模式的漁場來說是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。彭磊[5]等發(fā)明的魚苗計(jì)數(shù)器沒有考慮魚苗可能會由于重疊導(dǎo)致計(jì)數(shù)不準(zhǔn)。1997年日本人矢田貞美等發(fā)明了一種滾筒式魚體分離機(jī)構(gòu)，這種魚苗分離機(jī)構(gòu)采用5根滾筒，滾筒之間的間距各不相同，魚苗在滾筒之間滑動，進(jìn)入到相應(yīng)的間隙中才能落下，雖分散效果較好，但對魚苗傷害較大。洪揚(yáng)等發(fā)明的一種回轉(zhuǎn)凸輪式魚苗分散裝置，利用凸輪周期性轉(zhuǎn)動來使得魚苗周期性地進(jìn)入魚苗計(jì)數(shù)裝置。這種分散裝置的缺點(diǎn)是工作效率不高且魚苗容易卡住，對魚苗傷害也較大。筆者在魚苗與鋼板之間的摩擦和碰撞運(yùn)動過程中設(shè)置了一種擋板式魚苗分散通道，此裝置分散過程連續(xù)性好，分散效率高，能夠保證魚苗計(jì)數(shù)前充分分散，實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)。

1 分散通道結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 分散通道整體結(jié)構(gòu)

分散通道和魚苗分選機(jī)裝配三維圖如圖1所示。魚苗分散通道由3個導(dǎo)魚通道組成。3個導(dǎo)魚通道結(jié)構(gòu)相同，每個導(dǎo)魚通道由兩塊側(cè)板和一塊底板組成，通道內(nèi)有3塊形狀相同的擋板分布在側(cè)板兩側(cè)。這3塊擋板對魚苗分散處理起著重要作用。魚苗分散通道二維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1-魚苗分選機(jī)； 2-分散通道圖 1 魚苗分選機(jī)與分散通道裝配

1-底板； 2-一級擋板； 3-二級擋板； 4-三級擋板； 5-側(cè)板圖 2 分散通道二維結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

魚苗分散通道是靠魚苗在通道內(nèi)運(yùn)動時與擋板發(fā)生碰撞改變運(yùn)動狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)魚苗速度變化以實(shí)現(xiàn)魚苗分散化(圖3)。魚苗在分散通道內(nèi)的運(yùn)動主要有4個階段：1)魚苗通過魚苗分選機(jī)出口后到達(dá)一級擋板前預(yù)留了100 mm的距離，魚苗在這段距離里加速保證其與一級擋板碰撞時達(dá)到預(yù)計(jì)的速度;2)魚苗到達(dá)一級擋板與之發(fā)生碰撞后速度改變向二級擋板運(yùn)動；3)魚苗到達(dá)二級擋板并與之發(fā)生碰撞，速度發(fā)生改變后向三級擋板運(yùn)動；4)魚苗與三級擋板發(fā)生碰撞并改變速度運(yùn)動。

1-魚苗運(yùn)動軌跡；2-側(cè)板圖 3 魚苗在分散通道運(yùn)動示意圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 擋板作用

擋板是魚苗分散通道對魚苗進(jìn)行分散化處理的重要零部件。由于魚苗與擋板碰撞使得魚苗原本在重力和水流沖擊作用下的勻加速運(yùn)動變成了多級變加速運(yùn)動，并且還增加了分散通道內(nèi)的魚苗運(yùn)動行程，從而使得魚苗分散化，所以擋板的材料、形狀、尺寸直接影響到魚苗的分散效率以及魚苗的損傷。

2.1.1 擋板外形由于擋板是由剛性材料制作而成，在作業(yè)過程中擋板邊緣處可能會對魚苗造成刮傷，所以在擋板的邊緣處進(jìn)行折彎處理并用橡膠包裹來減少魚苗在通過通道時的損傷。擋板外形如圖4所示。擋板1處與分散通道側(cè)板相連接，擋板1處倒角(采用倒角處理方便與側(cè)板焊接)。魚苗在擋板2處與擋板碰撞后速度發(fā)生變化從而發(fā)生分散。3為擋板下部倒角，以避免魚苗在離開擋板時刮傷。4為側(cè)邊倒角主要為了防止魚苗與擋板刮蹭。

1—擋板；2-擋板工作區(qū)域。3—擋板下部倒角；4-側(cè)邊倒角圖 4 擋板二維圖

表1 擋板部件參數(shù)

圖 5 導(dǎo)魚通道

表2 導(dǎo)魚通道部件

2.1.2 擋板結(jié)構(gòu)參數(shù)擋板在側(cè)板上的分布情況決定了魚苗分散通道的分散系數(shù)。魚苗分散通道作為裝配在魚苗分選機(jī)上的工作部件，其參數(shù)結(jié)合魚苗分選機(jī)設(shè)計(jì)，即：長度為800 mm，最優(yōu)裝置傾角為40°，魚苗離開魚苗分選機(jī)時速度為0.8 m/s。由于魚苗離開分選機(jī)做平拋運(yùn)動。根據(jù)平拋運(yùn)動方程

tanθ=y/x

其中：x為水平方向位移，x=vt；y為鉛錘方向的位移，y=1/2gt2；θ=40°。

解出t=0.139 s,魚苗掉落在分散通道底板145 mm處附近的位置。考慮到水流速度的不穩(wěn)定和魚的體積大小，故應(yīng)在側(cè)板140 mm處安裝一級擋板，由于魚苗的最大長度為120 mm，故只要保證相鄰擋板間距離大于120 mm，則魚苗不會卡在擋板之間。魚苗分散通道兩側(cè)板之間距離為402 mm，只要保證擋板的長度達(dá)到240 mm，魚苗與擋板能夠在擋板上完成碰撞并滑落。擋板的級數(shù)選用三級是因?yàn)槎墦醢鍩o法發(fā)揮作用，四級擋板雖然能發(fā)揮作用但容易造成擁堵。綜合考慮，擋板的級數(shù)應(yīng)選為三級。

2.2 導(dǎo)魚通道的設(shè)計(jì)

導(dǎo)魚通道的尺寸是根據(jù)仿真驗(yàn)證所得到的。導(dǎo)魚通道長800 mm，保證導(dǎo)魚通道有足夠的行程使得魚苗能夠更加分散化，且滿足安裝條件。寬度為404 mm，符合魚苗分選機(jī)的出魚口要求。側(cè)板寬為142 mm，可防止擋板超出導(dǎo)魚通道的寬度導(dǎo)致魚苗飛出。導(dǎo)魚通道如圖5所示，部件參數(shù)如表2所示。

3 仿真模型的建立

3.1 魚苗仿真模型

以紅鯽魚作為試驗(yàn)研究對象，利用電子秤、游標(biāo)卡尺等儀器多次測量魚苗的體型特征，得到魚苗的平均體寬、體高、體長之比約為1∶1.5∶7，平均密度為2000 kg/m3?？紤]到鯽魚體型近似梭形，腹背軸線呈左右對稱，故運(yùn)用多球面組合方式按體寬分級規(guī)格建立相應(yīng)尺寸魚苗離散元模型[6-11]。魚苗的泊松比為0.45，剪切模量為1.64×106Pa ，魚苗實(shí)體及離散元模型如圖6所示。

(a)魚苗實(shí)體

(b)魚苗模型正視圖

(c)魚苗模型俯視圖圖 6 魚苗實(shí)體模型對比

3.2 仿真參數(shù)設(shè)定

分散通道材料屬性均為45號鋼，泊松比為0.31，剪切模量為7×1010Pa,密度為7800 kg/m3。魚苗表面的粘性對模擬魚苗之間、魚苗與機(jī)械間相互作用有重要影響。通過查閱45號鋼-魚苗、魚苗-魚苗的動靜摩擦因數(shù)與恢復(fù)因數(shù)[7-11]測得的相關(guān)參數(shù)結(jié)果如表3所示。根據(jù)實(shí)際分選工作過程，設(shè)置魚苗水平方向初始速度為0.8 m/s，其固定時間步長為15%，其網(wǎng)格大小為2Rmin，仿真時長55 s。采用離散元軟件后處理模塊[12-18]統(tǒng)計(jì)分選過程結(jié)束后各導(dǎo)魚槽內(nèi)魚苗的數(shù)量，以此計(jì)算魚苗分散系數(shù)。由于3個分散通道的結(jié)構(gòu)是一樣的，其仿真過程如圖7所示。

表3 相關(guān)材料參照

圖 7 仿真試驗(yàn)

4 分散通道正交仿真試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)的3個參數(shù)如圖8所示：a)傾角α，分散通道與水平面之間的夾角；b)擋板角度β，擋板所在平面與側(cè)板所在平面之間的夾角；c)進(jìn)魚量n，每秒鐘進(jìn)入單個導(dǎo)魚通道的魚苗數(shù)量。

圖 8 仿真參數(shù)

4.2 仿真試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)[19-20]簡化試驗(yàn)次數(shù)。初步把裝置傾α、擋板角度β、進(jìn)魚量n這三個自變量設(shè)定為3個水平，把裝置傾角水平設(shè)為A1,A2,A3,擋板角度水平設(shè)為B1,B2，B3，進(jìn)魚量水平分別為C1,C2,C3，N1為計(jì)數(shù)裝置統(tǒng)計(jì)魚苗數(shù)，N2為魚苗實(shí)際數(shù)量。由于魚苗在分散時可能會有多條魚苗粘連在一起，計(jì)數(shù)裝置的特點(diǎn)會將其記作一條，因此魚苗分散系數(shù)與計(jì)數(shù)準(zhǔn)確率數(shù)值相等，即

表4 試驗(yàn)因素水平

表5 L9(43)試驗(yàn)方案

表6 L9(43)試驗(yàn)方案結(jié)果分析

5 結(jié)果分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 單因素影響分析

5.1.1 裝置傾角α對分散系數(shù)的影響裝置傾角是指分散通道與水平面之間的夾角，其理論值為0～90°。當(dāng)裝置傾角過小時，通道內(nèi)魚苗堆積，降低了分散效率；當(dāng)裝置傾角過大，通道內(nèi)魚苗大量、迅速地通過通道，降低分散系數(shù)。魚苗分散系數(shù)和裝置傾角的關(guān)系如圖9所示。根據(jù)仿真效果，最優(yōu)的裝置傾角為40°。

圖 9 裝置傾角對分散系數(shù)的影響

5.1.2 擋板角度β對分散系數(shù)的影響擋板角度是指擋板與通道側(cè)面之間的夾角，對分散系數(shù)的影響較為重要。據(jù)仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果分析，擋板角度應(yīng)控制在30°～60°，角度過大過小都會降低分散系數(shù)。分散系數(shù)和擋板角度的關(guān)系如圖10所示。根據(jù)仿真效果，最優(yōu)的擋板角度為50°。

圖10 擋板角度對分散系數(shù)的影響

5.1.3 進(jìn)魚量n對分散系數(shù)的影響進(jìn)魚量指的是1 s內(nèi)進(jìn)入分散通道內(nèi)魚苗的數(shù)量。進(jìn)魚量的大小從根本上決定了分散通道的分散效果。魚苗分散系數(shù)與進(jìn)魚量關(guān)系如圖11所示。理論上講，進(jìn)魚量越小，分散效果越好，但這并不符合實(shí)際情況。為兼顧效率與分散系數(shù)，進(jìn)魚量應(yīng)取4條/s。

圖11 進(jìn)魚量對分散系數(shù)影響

5.2 試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證基于離散元軟件的試驗(yàn)準(zhǔn)確性，實(shí)際試驗(yàn)在上海某單位進(jìn)行(圖12)。選取80條紅鯽魚按步驟放入分散通道中，對其進(jìn)行單因素試驗(yàn)(圖13，圖14)。

圖12 現(xiàn)場試驗(yàn)

圖13 裝置傾角仿真與試驗(yàn)對比

圖14 進(jìn)魚量仿真與試驗(yàn)對比

由圖13可見，裝置傾角為20°40°范圍時，分散系數(shù)隨裝置傾角的增加而增加。當(dāng)裝置傾角達(dá)到40°，分散系數(shù)最大。此后分散系數(shù)隨裝置傾角增加而減小，且試驗(yàn)與仿真(圖10)的趨勢一致。

6 結(jié)論

本文對現(xiàn)有的魚苗分散裝置進(jìn)行改進(jìn)，建立了一種利用擋板使魚苗進(jìn)行差速運(yùn)動的魚苗分散裝置。通過離散元仿真試驗(yàn)，得出了影響魚苗分散系數(shù)的3個主要因素的主次程度為進(jìn)魚量、擋板角度、裝置傾角。正交仿真試驗(yàn)得出其在裝置傾角40°、擋板角度為50°、進(jìn)魚量為2條/s時,分散通道分散系數(shù)可達(dá)到96%，且機(jī)械整體配合度最好。