对虾分级设备定量上料装置的设计与仿真

马骏原，弋景刚，张秀花，王泽河，杨淑华，袁永伟，孔德刚

（河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001）

我国是对虾主要生产国家之一，据统计，2019年我国对虾养殖量约为181.5 多万t，捕捞量约为21.5 万t［1］。为匹配对虾高产量的现状，对虾机械化加工也需要进一步提高生产效率。对虾分级就是将对虾按照尺寸的大小分为多个等级，便于后续的品质区分和机械化加工，是绝大部分对虾机械化加工的第一道工序。提高对虾分级的效率，可以为其余的加工工序的效率提升奠定基础。

我国大部分企业正在使用的是对辊式对虾分级机，通过上料装置使对虾落入反向旋转的对辊之间，辊倾斜放置，为直径逐渐减小的阶梯型，从而使两辊间隙逐渐增大。当对虾体厚大于两辊间隙时对虾会沿着辊轴向下滑，当体厚小于间隙时，会从间隙下落，落入下方对应分级的出料输送带上，实现按对虾体厚分级［2］。

为进一步提高对辊式分级机的分级效率，李影欣研究了辊倾斜角和分级效率的关系［3］，龚宇针对对辊式鱼苗分级设备进行了设计和参数优化［4］。但是他们两位仅在辊组机构上做研究，未研究上料机构对对虾分级效率和精度的影响。杨淑华等基于TRIZ理论为辊式对虾分级机增加了1 组打散辊，防止对虾堆积并对其定向［5］，熊师等针对去头对虾设计了逐只分离装置和定向输送装置［6-7］，对对虾上料的研究均集中在去头和剥壳装置的背腹定向上［8,13］，对对虾分级机的上料机构的研究比较缺乏。本研究通过离散元仿真研究辊式对虾分级机所需的最佳上料参数，据此设计1 种新型的对虾上料机构。

为了得到对虾分级机所需最佳上料参数，为之后上料装置的设计提供理论依据，使用EDEM 软件对对虾分级机进行仿真模拟。

1.1 EDEM 模型建立

通过查阅资料和实际测量得到，成熟对虾的体长大部分在120 ～200 mm 之间，最长可达230 mm［14］。厚度在10 ～18 mm 之间，按照对虾分级工艺，对虾分级前，会放入冰水混合物中减小活性使其昏厥，然后上料分级。如图1 所示，即为昏厥的对虾。

图1 昏厥对虾Fig. 1 Fainting shrimp

此时的对虾安静且身体柔软，自然状态下略有弧度，基本处于伸直状态，非常适合分级［15］。

为还原真实对虾上料分级状态，保证仿真结果真实可靠，以1 头130 mm 长对虾模型为蓝本，去除足，触角，尾肢等对上料效果影响较小的部位［16］，对主体部分使用EDEM 软件颗粒建模，模型如图2所示。针对5 级分级，自定义5 种对应尺寸的对虾颗粒模型，各占20%。

图2 对虾颗粒建模图Fig. 2 Modeling diagram of shrimp particles

为提升仿真速度，合理有效进行模拟，将对虾分级机模型进行抽象简化，仅保留1 组分级辊和出料机构，将出料输送带更改为储料池，将分级完成的对虾收集以便于后期数据统计与整理，将简化后的模型导入离散元仿真软件EDEM。仿真效果如图3 所示［17,19］。

图3 分级机仿真效果图Fig. 3 Simulation effect diagram of classifier

分级辊为不锈钢材质，查阅相关资料，确定材料属性和接触属性如表1、表2 所示［20］。

表1 材料属性Table 1 Material properties

表2 接触属性Table 2 Contact propertics

1.2 分级评定指标确定

查阅相关资料［21］，并结合分级机实际工作情况，以分级成功率P1、分级正确率P2、成功分级效率η1，正确分级效率η2作为分级作业的评价指标，其定义为：

其中，t为分级时间，n1为在时间t内，成功落入出料储料池中的对虾数量，n2为在时间t内，落入了正确分级所对应的储料池的对虾数量，n3为时间t内，入料到分级辊间的对虾数量。

1.3 入料姿态范围确定

定义对虾背脊线和辊轴线夹角为姿态角θ，如图4 所示。对虾在姿态角为0°时，才可实现体厚刚小于辊间隙时，就从间隙滑落。只要对虾与辊轴线存在夹角就需要一段滑动过程，借助辊的转动调整到姿态角约等于0°，若姿态角过大，则有可能无法调整姿态，从辊间隙中飞出，分级失败。通过仿真，确定不影响分级精度的姿态角范围。

图4 姿态角示意图Fig. 4 Schematic diagram of attitude angle

在分级辊的入料位置生成颗粒工厂，以24 g/s的速度生成对虾模型，通过调整颗粒工厂的方向向量，分别生成姿态角0°、15°、30°、45°的对虾，记录这4 种姿态角下，对虾分级的效果，因为该试验旨在确定分级精度和姿态角的关系，故而以分级成功率P1和5 个级别的分级正确率P2作为评价指标，最终结果如表3 所示。

表3 姿态角影响Table 3 The influence of attitude angle

通过观察表3，结合仿真效果可以得到，姿态角为0°时分级效果最好，15°时，对虾落入辊间隙后能够很快调整姿态，分级精度基本未受影响，30°时，前2 级的精度受到姿态调整慢的影响有所下降，45°时，分级正确率和分级成功率降幅明显。综合考虑，分级机对入料姿态角的需求为0°～30°。

1.4 入料速度确定

现有对虾分级机上料装置尺寸和上料速度均有所不同，对一现有分级机上料装置的上料速度进行测算，其2 板条间距约为100 mm，上料输送带线速度大约为250 mm/s，1 排板条能为1 个辊组上料0 ～4只对虾，所以设计试验中上料速度分别为2、4、6、8 只/s。

尺寸自定义模式中，颗粒工厂生成速度只能以质量为指标，仿真模型中，5 种尺寸的对虾平均质量大约为8 g/只。为了模拟真实上料中对虾以不同姿态角上料的情况，设置5 个颗粒工厂同时工作，每个颗粒工厂上料速度为设计值的1/5，分别生成姿态角0°、-15°、15°、-30°、30°的对虾，为模仿对虾排队逐只上料的情况，需使5 个颗粒工厂轮流产生对虾，设置5 个颗粒工厂逐个开始生成对虾，为后4 个颗粒工厂开始时间增加延时。对应设置的参数如表4 所示。

表4 入料速度仿真参数Table 4 Feeding speed simulation parameters

以分级成功率P1、分级正确率P2、成功分级效率η1，正确分级效率η2作为指标分析仿真结果，如表5 所示。

表5 入料速度影响Table 5 The influence of feeding speed

统计各入料速度下，每10 s 的分级正确率，将其整理为折线图，如图5 所示，以观察分级正确率变化趋势。

图5 分级正确率—时间折线图Fig. 5 Line chart of classification accuracy-time

观察表5 和图5，结合仿真效果可知，上料速度2、4、6 只/s 时，分级正确率和分级成功率没有明显差异，但是分级效率逐渐增加。上料速度为8 只/s 时，对虾出现堆积情况，20 s 以前，未出现堆积，分级成功率和分级正确率和低上料速度时相近，23 s 时出现堆积，开始出现窜出分级辊间的对虾，分级失败的情况增加。而且由于堆积的对虾相互影响，分级正确率也有所下降。鉴于仿真中的对虾颗粒模型未模仿出最大尺寸对虾，综合考虑，对虾分级机的上料速度应小于6 只/s，设计为5 只/s。

1.5 重叠上料对对虾分级精度影响分析

对虾上料装置难免会遇到多只对虾堆叠上料的情况，为验证堆叠上料对分级精度的影响设置以下3 组仿真。第一组设置1 个颗粒工厂，以40 g/s 度生成对虾，单只上料的情况，第二组设置2 个颗粒工厂，同时生成对虾，1 个以40 g/s 速度生成，另一个以4 g/s 的速度生成，模拟偶尔出现堆叠上料的情况，第三组设置2 个颗粒工厂，1 个以40 g/s 的速度生成对虾，另一个生成速度设置为20 g/s，模拟连续出现堆叠上料的情况，以分级成功率P1、分级正确率P2作为指标分析仿真结果，结果如表6 所示。

表6 对虾堆叠影响Table 6 The effect of shrimp stacking

观察表6 可得，间歇堆叠时，仅有堆叠上料的对虾会相互纠缠而影响分级精度，正常逐只上料的部分精度和全部逐只上料的分组精度基本一致，没有出现堆积现象。而连续堆叠上料的对虾，会出现短暂性的堆积，产生分级失败的对虾，并影响到正常逐只上料的对虾。综上所述，偶发性的堆叠，对分级精度影响较小，大量的堆叠上料会产生影响分级精度。

由上一章可以得到，对虾分级机所需的上料装置，需要实现以5 只/s 的速度逐只上料，并保证对虾以小于30°的姿态角落入分级辊间。传统的上料装置无法完成这一动作。传统的上料装置通过输送带上的板条捞取储料池中的对虾完成上料。若板条宽度过大，在同一位置会捞取多只对虾，影响分级效果。因此，输送带上的板条被设计的非常窄，保证每个板条最多能捞取1 排虾，但是这样就会导致大面积的板条空载，上料效率非常低。为达到按需求定量逐只上料的目的，设计了1 种新型的上料装置。

2.1 总体结构

该上料装置由储料池，上料输送带，入料导料板，上料导料板，出料导料板，定量挡板，梳齿板条等结构组成，如图6 所示。

图6 上料装置结构图Fig. 6 Structure diagram of feeding device

上料输送带通过驱动电机带动链轮链条传动，先水平运动，后向上爬升，水平部分浸入储料池中，上方覆盖有入料导料板，在对虾落入储料池时改变其姿态，使其脊背线尽量与上料方向垂直。输送带上均匀布置梳齿板条，根据所用分级机分级辊组的数量，梳齿板条设有对应数量的梳齿组组成的捞取结构，本例中每个板条有6 个捞取结构。各捞取结构之间设置上料导料板，防止对虾堆积在无梳齿组的部分，无法被捞取上料。定量挡板两端分别固定在储料池和上料输送带支撑架上，整体悬空覆盖在输送带之上，其水平部分和输送带平行，在倾斜部分和输送带存在1 个小夹角，越向上，挡板和输送带之间间距越大。板条为梳型，定量挡板上有和梳齿对应的槽口，梳齿从定量挡板的槽口伸出到定量挡板上方。在输送带出料位置的正下方设置有出料导料板，用以改变对虾姿态，使其以脊背线平行于分级辊轴的姿态落入2 辊间隙之间。

2.2 工作原理

新型上料装置通过逐渐减少上料板条的空间来保证每次定量上料1 只对虾。将该上料装置分为3个区域：捞取区、定量区、出料区，如图7 所示。输送带平动的部分为捞取区，梳齿板条从储料池中捞取大量对虾进入定量区。在定量区，输送带和定量挡板存在1 个很小的夹角，随着梳齿板条向上爬升，输送带和定量挡板之间的间隙逐渐变大，梳齿板条和定量挡板之间的空挡逐渐减小，多只对虾会因为空间的变小而被挤出梳齿板条落回储料池，当空间减小到仅余1 只对虾时，定量挡板再次弯折，在定量区最后一段和输送带保持平行，保证有足够时间使多余对虾滑落回储料池。进入出料区后，对虾随输送带转动，落入下方分级辊间隙，完成上料。

图7 上料装置原理图Fig. 7 Schematic diagram of the feeding device

3.1 梳齿板条尺寸与形状设计

每条梳齿板条共有6 个捞取部分，每个捞取部分对应1 对分级辊组，捞取部分间隔与辊组间隔一致，下端固定在不锈钢冲孔板式输送带上，随输送带运动。

每个捞取部分均为1 组梳齿组，对虾身体存在锥度，所以对虾尾部落入两梳齿间时可能被2 个梳齿夹住提起，因此两梳齿间距应大于对虾身体最厚处。但这样有可能导致对虾从2 个梳齿间滑落，滞留在梳齿间的缝隙无法再被其它梳齿捞起，因此将梳齿板条设计为2 排1 组，前后梳齿交错排布。梳齿和定量挡板上的槽口间隔对应，梳齿宽度即为槽口宽度。若梳齿宽度过大，对虾有可能从槽口落入定量挡板和输送带间的缝隙，因此槽口宽度应小于最小对虾的体厚，设计槽口宽度和槽口间距均为9 mm，小于最小对虾体厚，因此梳齿间隔为27 mm，大于最大对虾体厚。对虾不计算较薄和质量较小的尾肢和触角等部分，长度大概为总长的0.8 倍，设置梳齿组有5 个梳齿，整个梳齿组宽度为153 mm，大于最大对虾的体长的1/2，小于最小对虾体长的2 倍。保证大尺寸对虾重心一定在梳齿组上，不会滑落，对于小尺寸对虾，梳齿组没有足够的空间并排容纳2只。梳齿组尺寸如图8 所示。

图8 梳齿组尺寸示意图Fig. 8 Schematic diagram of comb group size

为了保证在捞取区能够稳定的捞取对虾，梳齿最开始探出的定量挡板的长度要足够长，设计为40 mm，保证能够捞取2 只对虾以上。测量现有的对虾上料装置的板条长度为6 mm，所以设计板条升到最高处时，探出部分长度为6 mm，即定量挡板与输送带的最大间距为32 mm。如图9 所示，为板条形状示意图。

图9 梳齿形状示意图Fig. 9 Schematic diagram of comb tooth shape

为了防止对虾在梳齿组探出部分逐渐缩小的过程中，被梳齿和定量挡板夹伤，设计板条向后倾倒，保证梳齿和定量挡板间夹角为钝角。为防止对虾因惯性下落，导致梳齿空载，在梳齿尾端加入一定弧度，挡住体厚较大的对虾。

3.2 梳齿板条间距与输送带上料速度确定

梳齿板条的间距要适合冲孔板式输送带节距，经过选型，确定冲孔板式输送带节距为31.75 mm。若梳齿板条间距过小，会导致较大的对虾难以准确落入2 板条之间，出现有的板条之间没有落入对虾的情况，导致有板条空载。若梳齿板条间距过大，2个板条间落入过多的对虾，但是最后对虾会反复被捞起、排出，影响对虾品质。综合考虑，确定每2 节输送带设置1 排板条，所以板条间距为63.5 mm。为保证每秒上料5 只对虾，上料输送带的速度vd应为：

由上文得到2 个板条间距sd为63.5 mm。代入公式得到输送带线速度为0.317 5 m/s，所以取输送带线速度为0.3 m/s。

3.3 出料导料板的设计

重新设计出料导料板，如图10 所示。

图10 出料导料板示意图Fig. 10 Schematic diagram of discharge guide plate

使用钢板弯折而成，整体内壁为1 整个曲面，防止对虾在边角和转折处堆积，同时缩小出料口大小，使其呈条形，尽量减小对虾下落时的姿态角。

继续使用上文搭建的对虾颗粒模型，为验证上料装置对各种尺寸对虾的上料情况，颗粒半径大小分布设置为随机，缩放比例上下限分别为1.8 倍和0.8 倍，对应的对虾体长为104 ～234 mm，能够涵盖所有大小的对虾。

将上料装置进行简化，将梳齿组缩减为2 组，去除链轮链条和支撑机架，简化为输送带、梳齿板条、定量挡板、储料池、入料导料板、上料导料板、出料导料板7 个部分，导入EDEM 软件。梳齿板条仅导入2 排，其余通过延时复制功能生成。仿真开始时开始生成梳齿板条，同时生成大量对虾，模仿储料池中现有的对虾。在3 s 后减少对虾生成数量，模仿正常的2 级上料情况。20 s 后停止对虾生成，观察不存在2 级上料的情况。仿真效果如图11 所示。

图11 上料装置仿真效果图Fig. 11 Simulation effect drawing of feeding device

图中对虾的颜色表示其受力情况，观察图11得到，对虾普遍受力在0.2 N 以下，基本没有受力在1 N 以上的情况。上料过程中受力非常小，不会在上料过程中受到损伤，能够保证对虾品质。

4.1 上料评价指标确定

为验证上料装置是否能够达到上文试验中的理想参数，定义3 个评价指标：上料速度v、姿态正确率A1、逐只上料率A2，公式如下

式中t为时间，n为时间t内，从出料导料板中落下的对虾数量，以完全离开出料导料板下端面为准，n1为时间t内，以小于30°的姿态角从出料导料板中落下的对虾数量，同样以完全离开出料导料板下端面为准。s为时间t内完成上料的梳齿组数，s1为上料数量为1 只的梳齿组数。因为板条生成需要时间，第一排板条到达输送带顶端的时间为7.03 s。所以统计时间区间设置为7 ～30 s。

4.2 仿真结果分析

出现4 只姿态角大于30°的对虾，均为2 只由1 个梳齿上料的对虾，相互影响的结果，姿态正确率A1为98.1%。统计逐只上料率A2为90.2%，梳齿组上料情况如表7 所示。

表7 梳齿组上料情况Table 7 Feeding situation of comb group

其中空载大多是因为几只对虾相互纠缠，从梳齿组上掉落时连带其他对虾一同掉落，上料2 只的情况大多是尺寸较小的2 只对虾尾部相对，互相堆叠导致的，未出现同时上料3 只以上的情况。总体上上料失误的概率较小，对分级精度影响较小。

最终得到7 ～30 s 间的2 排梳齿组的上料速度分别为4.52、4.57 只/s，每秒统计1 次上料速度v，绘制成折线图如图12 所示。

图12 上料速度—时间折线图Fig. 12 Line graph of the feeding speed-classifier

观察图12 可知，9 s 以后，2 排上料梳齿组的上料速度在3 ～6 只/s 浮动，波动的原因主要因为空载和2 只上料对速度的影响，而且对虾若在下落时落在出料导料板上，沿板壁下滑，速度会下降，导致本应在这一秒完成出料的对虾延时到下一秒。综合考虑，该上料装置基本按照理想状态实现逐只排队定量上料，满足设计需求。

（1）通过仿真模拟分级过程，得到最适宜对虾分级的上料参数为：以5 只/s 的速度逐只上料，并保证对虾以小于30°的姿态角落入分级辊间。该上料方式下，对虾分级效率快，精度高。

（2）设计了1 种新型的上料装置，该装置能够按照上述参数定量上料，确定了新型对虾上料装置的主要结构和关键参数，通过EDEM 仿真得到其在23 s 内的姿态正确率A1为98.1%，逐只上料率A2为90.2%，2 排梳齿组的上料速度分别为4.52、4.57 只/s。

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