辊道式鱼类分级机的设计与模拟仿真.pdf
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1、第 50 卷第 4 期渔 业 现 代 化Vol.50 No.42023 年 8 月FISHERY MODERNIZATIONAug.2023DOI:10.3969/j.issn.1007-9580.2023.04.008收稿日期:2023-02-20基金项目:国家重点研发计划(2019YFD0900503)作者简介:赵良(1994),男,硕士研究生,研究方向:设施渔业。E-mail:21200511177 通信作者:黄志涛(1982),男,博士,副教授,研究方向:设施渔业。E-mail:huangzt 辊道式鱼类分级机的设计与模拟仿真赵 良,宋协法,李 贤,董登攀,黄志涛(中国海洋大学水产学院
2、,山东 青岛 266003)摘要:随着中国水产养殖业的发展,对水产养殖的机械化、智能化程度要求不断提高。针对国内目前对于鱼类分级机械研究和应用较少,人工分级工作效率低等问题,设计了 1 台参数可调的辊道式鱼类分级机,以构建的大泷六线鱼模型为研究对象,通过 EDEM 仿真开展辊轴转速、直径和倾角对分级准确率的单因素和多因素响应面试验,分析分级过程中辊轴参数对鱼体分级准确率的影响以优化其工作参数。结果显示:辊轴转速、倾角和直径均对分级准确率有显著影响。其中,辊轴转速和倾角以及转速和直径之间存在交互影响,当分级辊轴转速为 3.4 r/s,倾角为 7.8,直径为 2.68 mm 时,分级准确率最高,准
3、确率为 90.5%。本研究为EDEM 仿真方法在水产机械领域的应用提供了参考,并为鱼类分级机的设计及优化提供了新的思路。关键词:辊道式分级机;鱼机耦合模型;工作参数;EDEM 仿真中图分类号:S985.12 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2023)04-0068-008 近年来,随着中国水产养殖业规模不断扩大,养殖技术水平不断提高,水产养殖生产的全程机械化、智能化已经成为发展趋势1-2。养殖过程中不论是鱼苗入池,还是成品鱼上市,都需要对大量活鱼进行分级,分级工作主要依靠人工进行,费时费力3。目前国内对于鱼类分级机械的应用仍处于起步阶段,对鱼类分级装置的设计和研究较少。彭永章4设
4、计了一种喷水滚筒式鱼苗分级装置,该装置可以通过改变滚筒旋转方式适应机器对不同分选效率及准确率的要求,当滚筒两两逆向旋转时,分选效率较低但准确率较高,当仅中间一对滚筒逆向旋转其余滚筒正向旋转时,分选准确率会减低但效率会大大提升,分选效率能达到每小时12.6 万尾。该装置在分级过程中通过滚筒对鱼体喷水从而达到提高分选效率的目的,喷水水压可能会对鱼体造成冲击。洪扬等5-6设计了一种回转式分级机,该机器分级效果与分级机转速具有较高的相关性,通过调整转速,可以有效提高机器分选效率和准确率,分选效率约为 9 600 14 400 尾/h,分选准确率约为 90%,但该分级机机械设计较为复杂,控制系统不够精确
5、,同时存在成本过高问题。王志勇等7设计了一种可在捕捞船上使用的辊道式分级装置,通过改变辊道间距实现鱼体分级,分级效率能达到 2.1 t/h,准确率约为 94.2%,但由于该装置应用场景为捕捞船,设计时并没有考虑对鱼体的保护,因此分级过程中易对鱼体造成损伤,多适用于捕捞作业。随着计算机技术的发展,利用机器视觉对鱼类进行重量估算也成为新的发展方向8。传统机械分级主要以鱼体宽度作为分级指标,而机器视觉可以对鱼体宽度、高度、周长和面积等多个指标进行统计,从而估算鱼体重量9-15。该方法一般采用摄像机采集鱼体图像,使用计算机对收集到的图像进行处理,从而达到估算鱼体重量的目的16。但该技术在实际应用中受到
6、养殖环境条件的限制,且无法实现多级分选的效果,因此不适用于大量鱼体的分级工作17。在分级机的设计过程中,受到物料和现场环境的制约,通常难以对设计参数进行精确计算,仅能通过对机器运行参数如辊轴转速和倾角进行适当调整,从而测试不同参数下的分级效果,浪费人力物 力,且 多 次 分 级 易 对 鱼 体 造 成 损 伤。(Engineering Discrete Element Method,EDEM)是第 4 期赵良等:辊道式鱼类分级机的设计与模拟仿真一种基于离散元的 CAE 软件,其可以通过计算系统内的粒子信息来模拟模型的机械运动。近年来,许多学者使用 EDEM 离散元软件进行模拟试验设计各类机械或
7、优化其工作参数,其优势是通过仿真来模拟实机设计过程中的运行效果,减少了对实机试验和试验物料的需求,从而节省成本。本研究设计了一种辊道式鱼类分级机,使用EDEM 离散元软件建立鱼机耦合模型,通过模拟仿真试验对样机辊轴主要运行参数进行优化,为鱼类分级机设计和性能优化提供了新的技术支撑和思路。1 材料与方法1.1 辊道式鱼类分级机的结构及工作原理设计的辊道式分级机(图 1)结构主要包括鱼水分离槽和分鱼装置两部分。图 1 辊道式鱼类分级机示意图Fig.1 Schematic diagram of roller fish grader 鱼水分离槽设置两个开孔,其中进水口用于连接吸鱼泵,进水口设置为底部进
8、水,鱼水混合物从分离槽的底部涌出,避免了侧部进水时水流的冲击对鱼体造成损伤,分离槽底部设有滤水格栅,在出水口可连接管道将水排回养殖池中。分鱼装置包含分鱼轨道,分鱼轨道上方设有可调节喷淋装置,下方设有分级辊,分级辊上方设置分级挡板,分级辊的下方为导鱼槽,导鱼槽连接有排鱼管道。分级辊轴为辊道式鱼类分级机的核心结构,其参数直接影响到分级机的工作性能。分级辊轴为粗细均匀的圆柱状结构,两根相邻的分级辊轴成一定角度,组成一个分级辊道,通过调节分级辊轴之间的间距,在分级辊道上形成不同的分级区域,每个分级区域对应分级不同级别的鱼体。分级辊轴为两两逆向转动,在分级过程中,鱼体可能会伴随分级辊轴的转动,掉落到两个
9、分级辊道之间,造成分级准确率下降。在每个分级辊轴上方设置分级挡板,可以有效阻止鱼体滚落至分级辊道间。分级过程中,通常使用吸鱼泵连接至鱼体分级机,通过吸鱼泵将待分级的鱼体吸入分级机,鱼体混合着水进入鱼水分离槽后,鱼体在水流的作用下进入分级轨道。每个分级轨道由两根逆向旋转的分级辊轴组成,且辊轴的间距不断增大,鱼体在重力的作用下向前滑动,当鱼体宽小于辊轴间距时,鱼体落入导鱼槽中,不同级别的鱼体会进入不同的导鱼槽,从而完成分级作业。1.2 鱼机耦合仿真模型1.2.1 鱼体模型构建使用 SolidWorks 构建大泷六线鱼鱼体三维模型,受计算机性能限制,将鱼体模型尺寸较实际鱼96渔 业 现 代 化202
10、3 年体进行等比缩小,将模型存为 stl.格式后导入EDEM 软件中,采用自动填充颗粒方式填充鱼体模型,生成鱼体模型后设置模型参数,模型参数查阅相关文献设置 18-19,具体为:鱼体模型长 39.75 mm,宽 5.9 mm,高 10.58 mm,密度 1 800 kg/m3,剪切模量为 1.64106 Pa,材料恢复系数为 0.5,静摩擦系数为 0.2,滚动摩擦系数为 0.15,鱼体模型如图 2 所示。图 2 大泷六线鱼鱼体模型Fig.2 Fish body model of fat greenling1.2.2 样机模型构建因只需要模拟分级过程,用一个分级辊道代替多个辊道来模拟分级过程,为
11、提高仿真效率,将分级机进行简化处理,只保留分级挡板、分级辊道、集鱼槽 3 个关键核心部件,集鱼槽上方只设置1 个分级辊道,由 2 根辊轴组成,每根辊轴上方设置分级挡板。使用 SolidWorks 建立分级机三维模型(图 3),受计算机性能限制,模型尺寸较实机进行了几何相似处理,将模型导入 EDEM 软件中,分级机模型参数通过查阅文献设置 19,辊轴长度为 220 mm,直径为 2 mm,材料泊松比为 0.31,密度为 7 850 kg/m3,剪切模量为 71010 Pa,材料恢复系数为 0.5,静摩擦系数为 0.2,滚动摩擦系数为 0.15。图 3 辊道式鱼类分级机模型Fig.3 Roller
12、 fish grader model1.2.3 模拟参数设置(1)分级规格样机模型分级间距为 0.50 1.25 mm,共3 级分级区,分别为 0.500.75 mm、0.751 mm、11.25 mm,鱼体模型宽度约为 5.9 mm,根据鱼体模型及分级间距,设置 6 种不同规格鱼体,宽度分别为 0.590 mm、0.708 mm、0.806 mm、0.944 mm、1.062 mm、1.800 mm,每种规格所占比例分别为 5%、5%、10%、20%、20%、40%,每级分级区对应两种分级规格。(2)接触模型由于实际生产中鱼体表面存有部分黏液和残留水分,同时在分级轨道上方布设有喷淋装置,因此
13、选用 Hertz-Mindlin with JKR 模型,即黏性接触模型,该模型多适用于模型颗粒间存在一定的黏性20。(3)其他参数设置鱼体模型生成后具有一定的初始水平速度,以模拟水流带动鱼体前进,根据多次试验尝试,设定鱼体初始水平速度为 0.4 m/s,在该速度下,鱼体模型能够较好地进入分级轨道,完成分级进程。根据设计的分级规格及比例,设置进鱼总量共计 0.2 g,进鱼速度为 0.014 g/s,平均约 2尾/s。1.3 仿真模拟试验1.3.1 单因素仿真试验通过前期预试验确定了分级辊轴转速、倾角、直径的大概适宜范围(转速为 2 6 r/s,倾角为59,直径为 13 mm),当辊轴参数值超过
14、该范围时,会出现无法分级或分级效率过低等情况。依据以上条件,分别对分级辊轴转速、倾角、直径设置三个单因素试验。试验 1 设置分级辊轴直径为 2 mm,倾角为 7,转速分别为 2、3、4、5、6 r/s,测试不同转速下分级的准确率;试验 2 设置分级辊轴转速为 3 r/s,辊轴直径为 2 mm,倾角为 5、6、7、8、9,测试不同倾角下分级的准确率;07第 4 期赵良等:辊道式鱼类分级机的设计与模拟仿真试验 3 设置辊轴转速为 3 r/s,倾角为 7,直径为1、1.5、2、2.5、3 mm,测试不同直径下的分级准确率。1.3.2 多因素仿真试验Box-Behnken 响应面法可以通过连续的响应面
15、结果来探究试验的最佳参数,考虑到 3 个因素对分级准确率的影响为非线性,且 3 个影响因素之间可能存在交互作用,为探究分级机工作最优参数组合,在 Design Expert 13 软件中使用响应曲面(Box-Behnken)模块设置三因素三水平组合仿真试验,各试验因素水平如表 1 所示。表 1 试验因素编码Tab.1 Test factor code水平辊轴转速/(r/s)辊轴倾角/()辊轴直径/mm-1251047216931.4 数据分析处理每组仿真试验结束后,根据鱼体量和符合分级规格的鱼量计算辊道式鱼类分级机的分级准确率。w=mn 100%(1)式中:w 为分级准确率;m 为符合分级规格
16、的鱼量;n 为分级总量。使用 Design Expert 13 对数据进行分析处理,使用 Origin 2021 对单因素试验和多因素响应面试验结果图进行绘制,并对试验结果进行拟合分析。2 结果2.1 单因素试验结果辊道式鱼类分级机单因素试验结果如图 4 所示,辊轴转速、倾角和直径 3 个因素均对分级准确率存在影响,相对于辊轴转速和直径,倾角对准确率的影响更为明显。随着辊轴转速的增加,分级准确率呈现先上升后下降的趋势,辊轴转速在 25 r/s 时,分级准确率较高,均高于 80%,其中辊轴转速为 34 r/s 时,分级准确率最高,当辊轴转速高于 5 r/s 时,准确率急剧下降(图 4 a)。随着
17、辊轴倾角的增加,分级准确率也呈现先上升后下降的趋势,辊轴倾角在 58时,分级准确率均高于80%,当倾角约为 6.5时,分级准确率最高,当辊轴倾角大于 8时,准确率急剧下降,在 9时准确率仅为 60%(图 4 b)。随着辊轴直径的增加,分级准确率呈现上升的趋势但趋势逐渐变缓,在辊轴直径为 2.5 mm 时达到最高点,当辊轴直径超过 2.5 mm 后,准确率开始缓慢下降(图 4 c)。综上,在改变辊轴参数时,分级机的准确率均发生变化,其中以倾角带来的准确率变化最为显著。ST10090807060502 3 4 5 65 6 7 8 91.0 1.5 2.0 2.5 3.01009080706050
18、1009080706050?NN图 4 单因素试验结果Fig.4 Single factor test results17渔 业 现 代 化2023 年2.2 多因素试验结果多因素试验结果如表 2 所示,当辊轴转速为2 r/s,倾角为 7,直径为 1 mm 时,分级准确率最低,为 56%;当辊轴转速为 4 r/s,倾角为 7,直径为 2 mm 时,分级准确率较高。表 2 试验结果Tab.2 Test result组号辊轴转速/(r/s)辊轴倾角/()辊轴直径/mm准确率/%125275.0265281.5329285.2469271.4527156.0667170.4727385.786738
19、9.3945165.41049168.01145375.01249385.71347292.91447289.31547285.71647281.51747285.7 应用 Design Expert 软件对试验数据建立关于辊轴转速 A、倾角 B、直径 C 对分级准确率影响的二次多项式响应回归模型,如下式所示。Y=87.02+1.34A+1.68B+9.49C-5.07AB-2.7AC+2.03BC-3.46A2-5.28B2-8.21C2式中:Y 是分级准确率,回归方程 R2=0.857 9。2.2.1 试验方差分析使用 Design Expert13 对试验数据进行方差分析结果如表 3 所
20、示,方差结果中模型 P0.05,差异不显著,说明分级试验模型拟合程度较好。2.2.2 多因素交互影响辊轴多因素交互影响响应曲面结果如图 5 所示,响应面越陡或响应面的等高线越接近椭圆说明两种因素的交互影响越显著,反之则说明交互影响不显著。表 3 试验方差分析Tab.3 Test variance analysis方差来源 平方和 自由度 均方F 值显著性 P模型1 402.319155.814.700.026 8 P0.05误差73.73418.43总和1 634.5416 在确定辊轴直径条件下,当辊轴转速较低时,分级准确率随着倾角的增加而升高,最后趋于稳定;当辊轴转速较高时,分级准确率随着倾
21、角的增加先升高再降低,响应面等高线呈椭圆形,说明辊轴转速和倾角交互作用明显。在确定辊轴转速条件下,当辊轴直径较低时,随着倾角的增加,准确率呈现先上升后下降的趋势;当辊轴直径较高时,随着倾角的增加,准确率同样呈现先上升后下降的趋势,因此辊轴直径和倾角交互作用明显,且辊轴直径对分级准确率的影响高于辊轴倾角对分级准确率的影响。在确定辊轴倾角条件下,当辊轴直径较低时,准确率随着转速的增加而增加;当辊轴直径较高时,准确率随着转速的增加而降低,响应面等高线呈椭圆形,因此辊轴直径和转速交互作用明显,且辊轴直径对分级准确率的影响高于辊轴转速对分级准确率的影响。由多因素响应面试验可知,3 个因素对分级准确率的影
22、响排序为:直径、转速、倾角,且转速与倾角,直径与倾角,直径与转速均对分级准确率影响显著。通过 Design Expert 软件中 Optimization 模块对试 验 结 果 进 行 分 析,当 分 级 辊 轴 转 速 为3.4 r/s,倾角为 7.8,直径为 2.68 mm 时,分级准确率最高,为 90.5%。27第 4 期赵良等:辊道式鱼类分级机的设计与模拟仿真NNNNST?ST1009080706050 6.05.55.04.54.03.53.02.52.03.02.82.62.42.22.01.81.61.41.21.03.02.82.62.42.22.01.81.61.41.21.
23、09.08.58.07.57.06.56.05.55.09.08.58.07.57.06.56.05.55.06.05.55.04.54.03.53.02.52.01009080706050 1009080706050 图 5 多因素试验结果(响应曲面法)Fig.5 Multi factor test results(Response surface methodology)3 讨论3.1 辊轴参数对分级性能的影响辊轴是辊道式鱼类分级机的核心部件,分级机的分级作业主要通过分级辊轴来完成,不同的辊轴设计对分级效果也会产生不同的影响。刘虎等19设计的辊道式分级机采用的是三段式辊轴,辊轴均匀地分为三
24、段不同的直径区,每个区域对应一种分级规格,根据对分级对象的体宽测定,设计辊轴的直径,这种辊轴设计方式只能对相差一定体宽规格的鱼体进行分级,对分级对象的体型要求较严格。殷远等21设计的辊道式分级机是将辊轴设计成锥形,通过辊轴直径的变化产生辊轴间距变化来实现对不同规格鱼体分级,辊轴的间距固定的,无法灵活调整辊轴间距以应对不同的分级需求,因此只适用于秋刀鱼和与其体型相似的鱼体进行分级。与上述研究不同的是,本研究选取直径均匀的辊轴作为分级辊,通过调节辊轴的旋转轴来控制辊轴间距以实现分级,从而避免分级机仅能分级特定体型鱼体的问题,根据本研究结果,辊轴直径不同也会对分级性能产生影响,因此在分级机样机设计时
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