萬(wàn) 鵬，郭三琴，楊 俊，趙竣威，譚鶴群，朱 明

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

0 引 言

中國(guó)是淡水魚(yú)養(yǎng)殖生產(chǎn)大國(guó)，2019年全國(guó)淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量為30.137 4×109kg，其中淡水魚(yú)養(yǎng)殖產(chǎn)量為25.480 3×109kg，占整個(gè)淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的84.55%；淡水產(chǎn)品加工量為5.581 7×109kg，占淡水養(yǎng)殖總產(chǎn)量的18.52%[1]。魚(yú)體定向是淡水魚(yú)機(jī)械化、自動(dòng)化加工前處理的重要步驟，通過(guò)定向使魚(yú)體按照預(yù)想的頭尾及腹背狀態(tài)進(jìn)行輸送，便于后續(xù)加工裝置進(jìn)行自動(dòng)喂料[2-3]。傳統(tǒng)的魚(yú)體定向大多由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，在一定程度上制約了淡水魚(yú)自動(dòng)化加工業(yè)的發(fā)展，因此研究淡水魚(yú)魚(yú)體定向方法和裝備具有重要意義[4-5]。

魚(yú)體頭尾定向是魚(yú)體定向的主要內(nèi)容，可使魚(yú)體按一定的頭尾順序依次輸送。目前，魚(yú)體的頭尾定向原理主要有3種。一是利用魚(yú)體的重心分布特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定向。如Webster等[6]基于魚(yú)體重心位置研究了魚(yú)體在旋流作用下通過(guò)倒置圓錐容器實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的頭尾定向方法；高星星等[7-8]利用鰱魚(yú)魚(yú)體摩擦特性及魚(yú)體重心靠近頭部的特點(diǎn)，運(yùn)用傾斜振動(dòng)臺(tái)面對(duì)鰱魚(yú)進(jìn)行頭尾定向；張敏[9]通過(guò)魚(yú)體接觸擋板時(shí)重心在魚(yú)槽底板位置的變化，使魚(yú)頭和魚(yú)尾分別進(jìn)入不同的輸送帶實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向。二是利用魚(yú)體頭尾幾何形狀差異實(shí)現(xiàn)定向。如Wenzel[10]利用魚(yú)體頭尾的剛度差異調(diào)整魚(yú)體實(shí)現(xiàn)頭尾定向；Pegoraro等[11]利用傳感器檢測(cè)魚(yú)頭朝向并結(jié)合相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向；徐頌波等[12]利用魚(yú)體頭部和尾部的截面積差異以及彎曲變形量大小，利用魚(yú)頭魚(yú)尾判斷裝置、壓輪轉(zhuǎn)動(dòng)和分選板的協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向；王遠(yuǎn)[13]基于魚(yú)體魚(yú)頭較硬而魚(yú)尾較軟的物理特性，利用翻轉(zhuǎn)撥輪撥動(dòng)魚(yú)尾調(diào)整魚(yú)體姿勢(shì)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向。三是利用魚(yú)體表面的摩擦特性差異實(shí)現(xiàn)定向。如瑞典Vmp公司利用定向振動(dòng)槽和轉(zhuǎn)向盤(pán)共同作用使魚(yú)體沿魚(yú)頭方向運(yùn)動(dòng)[14]；Knyszewki[15]利用振動(dòng)平臺(tái)的往復(fù)作用，實(shí)現(xiàn)細(xì)棘長(zhǎng)吻魚(yú)魚(yú)體頭尾定向。林啟儀等[16]利用竹篾條編織的簾片與魚(yú)體作用，通過(guò)搖臺(tái)實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向；向云鵬等[17-18]利用魚(yú)體沿振動(dòng)的傾斜臺(tái)面下滑時(shí)魚(yú)頭部分受到的摩擦力合力對(duì)魚(yú)體質(zhì)心的轉(zhuǎn)矩大于魚(yú)身部分實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向；劉偉[19]對(duì)比研究了圓振動(dòng)和往復(fù)振動(dòng)這2種振動(dòng)形式，對(duì)魚(yú)體頭尾和腹背定向設(shè)備進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)魚(yú)體的頭尾定向方法做了較多研究，設(shè)計(jì)了一些定向裝置，但是這些裝置大多適用于魚(yú)鱗細(xì)小的海水魚(yú)，一些裝置定向速度慢、誤差大、生產(chǎn)效率不高，難以滿足具有不同表面結(jié)構(gòu)的淡水魚(yú)定向處理需求。

振動(dòng)輸送是工業(yè)上應(yīng)用較多的一種輸送方法，在農(nóng)業(yè)物料分離、農(nóng)產(chǎn)品輸送、定量給料等方面具有較多應(yīng)用[20-22]。本文基于水平往復(fù)振動(dòng)原理，以同時(shí)完成魚(yú)體頭尾定向和輸送為目標(biāo)，通過(guò)選擇適合魚(yú)體定向輸送的最佳表面結(jié)構(gòu)輸送帶，分析魚(yú)體在往復(fù)振動(dòng)式輸送帶上的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，探索利用魚(yú)體表面摩擦特性實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向的可行性，以期為魚(yú)體定向設(shè)備的研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 淡水魚(yú)魚(yú)體表面摩擦特性試驗(yàn)

淡水魚(yú)魚(yú)體表面定向生長(zhǎng)有鱗片和魚(yú)鰓，魚(yú)體與輸送帶接觸時(shí)會(huì)表現(xiàn)出摩擦異性，即沿魚(yú)體順鱗方向（從魚(yú)頭至魚(yú)尾方向）滑動(dòng)和逆鱗方向（從魚(yú)尾至魚(yú)頭方向）滑動(dòng)時(shí)所受摩擦力不同[23-25]。為了明確魚(yú)體在不同材料表面的摩擦特性，為魚(yú)體頭尾定向輸送裝置選擇合適的輸送帶結(jié)構(gòu)，本文利用自制的魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)量裝置探討魚(yú)體在不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶上的摩擦特性。

1.1 魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)量裝置主要由機(jī)架、計(jì)算機(jī)、S型拉壓力傳感器、力值顯示控制儀、細(xì)繩、輸送帶、魚(yú)體、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)組成，主體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

測(cè)量裝置機(jī)架由鋁合金型材搭建而成，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)；輸送帶為PVC輸送帶；測(cè)量裝置尾部設(shè)置有一水平臺(tái)面，與輸送帶表面平齊；S型拉壓力傳感器和力值顯示控制儀固定于水平臺(tái)面上。

試驗(yàn)時(shí)，將不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶固定在測(cè)量裝置PVC輸送帶表面，再將試驗(yàn)魚(yú)體放在輸送帶表面，通過(guò)細(xì)繩與傳感器連接；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)量裝置工作，帶動(dòng)輸送帶勻速運(yùn)動(dòng)，使輸送帶相對(duì)于魚(yú)體作勻速直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由S型拉壓力傳感器采集拉力數(shù)值，通過(guò)力值顯示控制儀和計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示并記錄拉力數(shù)值。記錄的拉力數(shù)值等于魚(yú)體沿順鱗方向或逆鱗方向滑動(dòng)時(shí)所受的摩擦力。

為了增加魚(yú)體與輸送帶之間的摩擦，盡可能減少輸送過(guò)程中魚(yú)體在輸送帶表面的滑動(dòng)，本文選用3種具有特殊表面結(jié)構(gòu)的輸送帶進(jìn)行試驗(yàn)，分別為草坪紋輸送帶、一字紋輸送帶和倒三角紋輸送帶，如圖2所示。

輸送帶由工業(yè)纖維布和聚氯乙烯膠組成，結(jié)構(gòu)為多層工業(yè)纖維布與聚氯乙烯膠隔層疊加，3種輸送帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 輸送帶結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structure parameters of conveyor belt

1.2 測(cè)量方法

為了檢測(cè)魚(yú)體在不同輸送帶上的摩擦系數(shù)，本文選用市售的鯽魚(yú)、鳊魚(yú)、草魚(yú)、白鰱4種大宗淡水魚(yú)作為試驗(yàn)樣本。選擇魚(yú)體新鮮、魚(yú)鱗完整的活魚(yú)，每種魚(yú)20條，放入水池中暫養(yǎng)。魚(yú)體樣本質(zhì)量如表2所示。

表2 魚(yú)體樣本質(zhì)量Table 2 Weight of fish samples g

試驗(yàn)前，將水池中的大部分水排出，使魚(yú)缺氧自然死亡，但保持魚(yú)體表面的濕潤(rùn)狀態(tài)。試驗(yàn)時(shí)，先稱量并記錄各魚(yú)體質(zhì)量，再在魚(yú)體頭部中間鉆孔并用細(xì)繩將魚(yú)體與傳感器連接，將魚(yú)體平放在輸送帶表面，啟動(dòng)魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)量裝置，在0.1 m/s速度下依次測(cè)量輸送帶相對(duì)于魚(yú)體沿順鱗方向滑動(dòng)時(shí)的摩擦力；再在魚(yú)體尾部中間鉆孔并用細(xì)繩將魚(yú)體與傳感器連接，在相同條件下測(cè)量輸送帶相對(duì)于魚(yú)體沿逆鱗方向滑動(dòng)時(shí)的摩擦力。測(cè)量過(guò)程中，假定魚(yú)體兩側(cè)魚(yú)鱗結(jié)構(gòu)相同，首先利用魚(yú)體一側(cè)測(cè)量順鱗摩擦力，再利用魚(yú)體另一側(cè)測(cè)量逆鱗摩擦力；然后去鱗，再按同樣的方法，測(cè)量去鱗后魚(yú)體的順鱗摩擦力和逆鱗摩擦力。

記輸送帶相對(duì)于魚(yú)體沿順鱗方向（從魚(yú)頭至魚(yú)尾方向）滑動(dòng)時(shí)的摩擦力為F1（N），沿逆鱗方向（從魚(yú)尾至魚(yú)頭方向）滑動(dòng)時(shí)的摩擦力為F2（N），魚(yú)體質(zhì)量為m（g），則魚(yú)體的摩擦系數(shù)計(jì)算公式如下：

式中μ1為魚(yú)體順鱗方向摩擦系數(shù)；μ2為魚(yú)體逆鱗方向摩擦系數(shù)；Δμ為逆鱗和順鱗摩擦系數(shù)差值絕對(duì)值；g為重力加速度，m/s2。

1.3 魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果與分析

淡水魚(yú)魚(yú)體在不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶表面滑動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，對(duì)于試驗(yàn)用的4種淡水魚(yú)，不論魚(yú)體表面是否有魚(yú)鱗，在3種不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶上分別沿逆鱗方向和順鱗方向滑動(dòng)時(shí)，魚(yú)體逆鱗方向摩擦系數(shù)和順鱗方向摩擦系數(shù)均存在一定差異，且均表現(xiàn)為逆鱗方向摩擦系數(shù)大于順鱗方向摩擦系數(shù)。在草坪紋、一字紋、倒三角紋輸送帶上，有鱗魚(yú)體逆鱗方向和順鱗方向摩擦系數(shù)差值分別為：0.08±0.02、0.13±0.04、0.49±0.04，去鱗魚(yú)體逆鱗方向和順鱗方向摩擦系數(shù)差值分別為：0.29±0.06、0.17±0.04、0.38±0.11。

2 魚(yú)體頭尾定向輸送過(guò)程分析

進(jìn)行魚(yú)體頭尾定向輸送時(shí)，輸送帶作快速水平往復(fù)振動(dòng)，在摩擦力作用下帶動(dòng)魚(yú)體在輸送帶表面滑動(dòng)，魚(yú)體的加速度用公式表示如下：

式中a為魚(yú)體在輸送帶表面滑動(dòng)時(shí)的加速度，m/s2；F為魚(yú)體滑動(dòng)時(shí)受到的摩擦力，N；μ為魚(yú)體在輸送帶表面的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

當(dāng)輸送帶相對(duì)于魚(yú)體沿順鱗方向振動(dòng)時(shí)，輸送帶作用于魚(yú)體的摩擦力沿魚(yú)鱗方向，記魚(yú)體加速度為a1；當(dāng)輸送帶相對(duì)于魚(yú)體沿逆鱗方向振動(dòng)時(shí)，輸送帶作用于魚(yú)體的摩擦力沿魚(yú)體的逆鱗方向，記魚(yú)體的加速度為a2；根據(jù)魚(yú)體表面摩擦特性試驗(yàn)結(jié)果可知a1＜a2。

當(dāng)輸送帶作水平往復(fù)振動(dòng)時(shí)，若輸送帶沿魚(yú)體順鱗方向運(yùn)動(dòng)的加速度a0小于或等于魚(yú)體的加速度a1，則魚(yú)體相對(duì)輸送帶靜止，能實(shí)現(xiàn)輸送[22]。若要實(shí)現(xiàn)魚(yú)體在輸送帶表面連續(xù)滑動(dòng)，則輸送帶的加速度a0需要大于魚(yú)體的加速度a2，即a1＜a2＜a0時(shí)，魚(yú)體相對(duì)于輸送帶表面沿順鱗方向和逆鱗方向均有連續(xù)滑動(dòng)，魚(yú)體作周期性運(yùn)動(dòng)，此時(shí)魚(yú)體加速度a1和a2相對(duì)較小，a0相對(duì)較大，輸送帶加速時(shí)間相對(duì)于整個(gè)輸送周期較短，忽略不計(jì)；當(dāng)輸送帶水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，規(guī)定相對(duì)于魚(yú)體逆鱗方向運(yùn)動(dòng)為正向，相對(duì)于魚(yú)體順鱗方向運(yùn)動(dòng)為負(fù)向，則輸送帶和魚(yú)體的運(yùn)動(dòng)速度變化如圖4所示。

由圖4可知，在0～t4時(shí)間段內(nèi)，忽略0～t1和t2～t4時(shí)間段輸送帶的加速和減速過(guò)程，則輸送帶作速度為Vm的正向勻速直線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)魚(yú)體在輸送帶摩擦力的作用下開(kāi)始移動(dòng)，作初速度為0、加速度為a2(m/s2)的勻加速直線運(yùn)動(dòng)；到t3時(shí)刻魚(yú)體的速度為V1(m/s)，位移為S1(m)，則有：

在t4～t8時(shí)間段內(nèi)，忽略t4～t5和t6～t7時(shí)間段輸送帶的加速和減速過(guò)程，輸送帶作速度為Vm的反向勻速直線運(yùn)動(dòng)。魚(yú)體由于慣性作用，相對(duì)于輸送帶表面繼續(xù)沿逆鱗方向滑動(dòng)，同時(shí)受到沿順鱗方向的摩擦力作用，作初速度為V1=a2t、加速度為a1的勻減速直線運(yùn)動(dòng)；到t8時(shí)刻魚(yú)體的速度為V2，位移為S2，則有：

以此類推，可得t7～t12和t12～t15時(shí)間段內(nèi)魚(yú)體的位移S3和S4分別為

由此可得魚(yú)體的位移為

則魚(yú)體經(jīng)過(guò)周期為n的循環(huán)之后總位移S為

即：

由公式（8）可知，在輸送帶水平振動(dòng)輸送魚(yú)體過(guò)程中，當(dāng)魚(yú)體加速度a1＜a2時(shí)，魚(yú)體總位移S＞0，即魚(yú)體朝逆鱗方向滑動(dòng)，且a2越大，a1越小，即逆鱗和順鱗摩擦系數(shù)差值Δμ越大，S越大。同理，當(dāng)輸送帶的初始振動(dòng)方向沿魚(yú)體順鱗方向時(shí)，魚(yú)體沿逆鱗方向滑動(dòng)，且a2越大，a1越小，即逆鱗和順鱗摩擦系數(shù)差值Δμ越大，魚(yú)體總位移S越大。

綜上可知：不論輸送帶初始振動(dòng)方向沿魚(yú)體逆鱗方向還是沿魚(yú)體順鱗方向，在滿足a1＜a2的條件下，魚(yú)體都將沿著逆鱗方向滑動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的頭尾定向輸送；且逆鱗和順鱗摩擦系數(shù)差值越大，越有利于定向輸送。

3 魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)

在前文分析的基礎(chǔ)上，為了探討不同因素對(duì)淡水魚(yú)頭尾定向輸送過(guò)程的影響，本文搭建了魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置，開(kāi)展淡水魚(yú)魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)，以確定相關(guān)影響因素和最佳作業(yè)參數(shù)。

3.1 魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置與設(shè)備

魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

試驗(yàn)裝置機(jī)架主體由鋁型材搭建而成，PVC輸送帶安裝于同步棒輪I和同步棒輪II上，兩側(cè)安裝有擋板。伺服電機(jī)型號(hào)130AEA26025-SH3，和同步棒輪II之間通過(guò)同步帶連接。伺服電機(jī)帶動(dòng)輸送帶作快速水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶固定在PVC輸送帶表面即可實(shí)現(xiàn)不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶的快速水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

試驗(yàn)所用設(shè)備還包括游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm）、鋼尺（量程500 mm）、電子秤（精度0.01 g）、秒表（精度0.01 s）等。

表3 試驗(yàn)裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Main structural parameters of the test device

3.2 試驗(yàn)材料

本文以鯽魚(yú)、鳊魚(yú)、草魚(yú)、白鰱4種大宗淡水魚(yú)品種作為試驗(yàn)對(duì)象。淡水魚(yú)樣本購(gòu)于某市場(chǎng)，每種20條，樣本個(gè)體新鮮、外表完整，采購(gòu)回來(lái)后放入水池中暫養(yǎng)。魚(yú)體樣本質(zhì)量和外形尺寸如表4所示。

試驗(yàn)前，將水池中的大部分水排出，使魚(yú)體缺氧自然死亡，但保持魚(yú)體表面的濕潤(rùn)狀態(tài)。

表4 試驗(yàn)用淡水魚(yú)樣本質(zhì)量和外形尺寸Table 4 Test fresh water weight and fish body size

3.3 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文采用魚(yú)體定向輸送時(shí)間作為定向輸送效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)。定向輸送時(shí)間T定義為魚(yú)體在輸送帶表面滑移距離為1 m時(shí)所用時(shí)間。將魚(yú)體隨機(jī)堆放于輸送帶的中間位置，然后啟動(dòng)試驗(yàn)裝置，魚(yú)體在輸送帶的作用下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，從魚(yú)嘴進(jìn)入輸送帶表面規(guī)定的區(qū)域時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，到魚(yú)尾離開(kāi)規(guī)定距離的區(qū)域時(shí)停止計(jì)時(shí)，記錄每條魚(yú)滑移所需的時(shí)間。

每次試驗(yàn)隨機(jī)選取5條魚(yú)進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

3.4 結(jié)果與分析

根據(jù)前文分析可知，影響魚(yú)體頭尾定向輸送效果的主要因素包括輸送帶類型、魚(yú)鱗狀態(tài)、振動(dòng)頻率、振動(dòng)振幅等，本文采用單因素試驗(yàn)對(duì)4個(gè)因素對(duì)魚(yú)體頭尾定向效果的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

3.4.1 輸送帶表面結(jié)構(gòu)對(duì)定向輸送效果的影響

為了確定3種輸送帶在連續(xù)水平往復(fù)振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)際定向效果，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，為確保實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向輸送，設(shè)定定向輸送裝置振動(dòng)頻率為5 Hz，振幅為100 mm，魚(yú)體為有鱗狀態(tài)，探究魚(yú)體在3種不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶上的頭尾定向輸送效果。魚(yú)體能快速完成頭尾定向輸送，記為“能定向輸送”；魚(yú)體在輸送帶上來(lái)回滑動(dòng)，定向效果不明顯時(shí)記為“不明顯定向輸送”，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 輸送帶表面結(jié)構(gòu)對(duì)魚(yú)體頭尾定向的影響Table 5 Effects of surface structure of conveyor belt on head-to-tail orientation of fish body

從表5中可以看出，有鱗淡水魚(yú)魚(yú)體在倒三角輸送帶表面有明顯的頭尾定向輸送效果，且定向輸送時(shí)間小于3 s；在草坪紋、一字紋輸送帶表面定向輸送所需時(shí)間均大于11 s，定向輸送效果不明顯；這是因?yàn)轸~(yú)體在一字紋、草坪紋輸送帶表面滑動(dòng)時(shí)，逆鱗摩擦系數(shù)與順鱗摩擦系數(shù)差別不大，作用于魚(yú)體表面的摩擦力相差不大，導(dǎo)致魚(yú)體在輸送帶表面來(lái)回滑動(dòng)。對(duì)去鱗魚(yú)體進(jìn)行同樣試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在倒三角輸送帶表面頭尾定向輸送效果明顯，所需時(shí)間小于5 s；在草坪紋、一字紋輸送帶表面定向輸送所需時(shí)間大于14 s，定向輸送效果不明顯。故在實(shí)際頭尾定向輸送過(guò)程中，宜選用倒三角紋輸送帶作為魚(yú)體頭尾定向裝置的輸送帶。

3.4.2 魚(yú)鱗狀態(tài)對(duì)定向輸送效果的影響

為了探討魚(yú)體是否去鱗對(duì)頭尾定向輸送效果的影響，根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置的振動(dòng)頻率為5 Hz，振動(dòng)幅度為100 mm，定向輸送帶為倒三角紋輸送帶，探究魚(yú)體有鱗和去鱗2種狀態(tài)下頭尾定向輸送效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可以看出，有鱗魚(yú)體和去鱗魚(yú)體在倒三角紋輸送帶表面都能實(shí)現(xiàn)頭尾定向輸送，有鱗狀態(tài)下4種魚(yú)魚(yú)體的頭尾定向輸送所需時(shí)間平均值為2.42 s；去鱗狀態(tài)下4種魚(yú)魚(yú)體也能實(shí)現(xiàn)定向輸送，所需時(shí)間平均值為3.39 s。在倒三角紋輸送帶表面，有鱗魚(yú)體逆鱗方向和順鱗方向摩擦系數(shù)差值大于去鱗魚(yú)體逆鱗方向和順鱗方向摩擦系數(shù)差值，輸送帶通過(guò)魚(yú)鱗作用于魚(yú)體，使有鱗魚(yú)體能夠更快移動(dòng)，因此有鱗魚(yú)體實(shí)現(xiàn)頭尾定向輸送所需時(shí)間較去鱗魚(yú)體短。同時(shí)，魚(yú)體結(jié)構(gòu)不同、魚(yú)鱗以及體表組織結(jié)構(gòu)差異，使體質(zhì)量和魚(yú)鱗較大的魚(yú)體定向輸送所需時(shí)間較短，如有鱗草魚(yú)體質(zhì)量和鱗片較大，頭尾定向輸送所需時(shí)間最短為2.08 s，去鱗鳊魚(yú)體質(zhì)量較小、無(wú)鱗片，頭尾定向輸送所需時(shí)間最長(zhǎng)為3.76 s。

3.4.3 振動(dòng)頻率對(duì)定向輸送效果的影響

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置的振動(dòng)頻率低于3 Hz，魚(yú)體會(huì)在輸送帶表明來(lái)回移動(dòng)，定向效果不明顯；而振動(dòng)頻率超過(guò)7 Hz，魚(yú)體與輸送帶之間易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)，設(shè)定魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置的振動(dòng)幅度為100 mm，魚(yú)體為有鱗狀態(tài)，定向輸送帶為倒三角輸送帶，取振動(dòng)頻率3～7 Hz，探究振動(dòng)頻率對(duì)魚(yú)體頭尾定向輸送的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著振動(dòng)頻率逐漸增加，4種魚(yú)魚(yú)體的定向輸送時(shí)間均逐漸減??；當(dāng)振動(dòng)頻率小于5 Hz時(shí)，定向輸送時(shí)間隨振動(dòng)頻率增大而減小的趨勢(shì)明顯；當(dāng)振動(dòng)頻率大于5 Hz時(shí)，定向輸送時(shí)間隨振動(dòng)頻率增大而下降的趨勢(shì)不明顯，3～5 Hz范圍內(nèi)振動(dòng)頻率對(duì)魚(yú)體頭尾定向輸送效果影響較大。隨著試驗(yàn)裝置振動(dòng)頻率增加，魚(yú)體水平往復(fù)移動(dòng)速度加快，定向輸送時(shí)間減少。在同一振動(dòng)頻率下，體質(zhì)量和鱗片較大的魚(yú)體移動(dòng)速度較快，頭尾定向輸送時(shí)間較少。4種魚(yú)中，鯽魚(yú)體質(zhì)量小，草魚(yú)與白鰱的體質(zhì)量相差不大，但鱗片大一些，所以同一振動(dòng)頻率下草魚(yú)的頭尾定向輸送時(shí)間較短，鯽魚(yú)頭尾定向輸送時(shí)間較長(zhǎng)。

3.4.4 振幅對(duì)定向輸送效果的影響

試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，隨著魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置振幅的變化，魚(yú)體頭尾定向輸送時(shí)間也會(huì)變化。在輸送帶的1次振動(dòng)周期中，當(dāng)試驗(yàn)裝置振幅小于60 mm時(shí)，魚(yú)體移動(dòng)距離較小，定向時(shí)間較長(zhǎng)；當(dāng)試驗(yàn)裝置振幅大于140 mm時(shí)，魚(yú)體移動(dòng)距離較大，振動(dòng)劇烈。為了研究振幅變化與魚(yú)體定向輸送時(shí)間之間的變化規(guī)律，設(shè)定魚(yú)體為有鱗狀態(tài)，定向輸送帶為倒三角紋輸送帶，取振動(dòng)幅度為60～140 mm，探究振幅大小對(duì)魚(yú)體頭尾定向輸送效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

從圖8可以看出，振幅對(duì)4種魚(yú)的定向輸送時(shí)間均有較大影響，魚(yú)體定向輸送時(shí)間隨振幅的增大而減小。當(dāng)振幅小于100 mm時(shí)，定向輸送時(shí)間隨振幅增大而減小的趨勢(shì)明顯；當(dāng)振幅大于100 mm時(shí)，定向輸送時(shí)間隨振幅增大而減小的趨勢(shì)變化相對(duì)變?nèi)?。根?jù)魚(yú)體頭尾定向輸送試驗(yàn)裝置的輸送效率及運(yùn)行穩(wěn)定性，80～120 mm的振幅范圍變化對(duì)魚(yú)體頭尾定向輸送效果的影響較大。試驗(yàn)裝置振幅小，輸送帶單次水平振動(dòng)時(shí)間短，魚(yú)體移動(dòng)距離較短，定向輸送時(shí)間較長(zhǎng)；振幅大，輸送帶單次水平振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，魚(yú)體移動(dòng)距離較大，定向輸送時(shí)間較短。在同一振幅下，體質(zhì)量和鱗片大的魚(yú)體移動(dòng)速度較快，移動(dòng)距離長(zhǎng)，定向輸送時(shí)間較短；體質(zhì)量和鱗片小的魚(yú)體移動(dòng)速度較慢，移動(dòng)距離短，定向輸送時(shí)間較長(zhǎng)；4種魚(yú)中，鯽魚(yú)體質(zhì)量和鱗片較小，草魚(yú)體質(zhì)量和鱗片較大，在同一振幅下，草魚(yú)頭尾定向輸送所需時(shí)間較短，鯽魚(yú)頭尾定向輸送所需時(shí)間較長(zhǎng)。

3.5 雙因素試驗(yàn)

根據(jù)前文單因素試驗(yàn)結(jié)果可知，相對(duì)于草坪紋輸送帶和一字紋輸送帶，倒三角紋輸送帶對(duì)魚(yú)體的定向輸送效果更好，且對(duì)有鱗魚(yú)體和去鱗魚(yú)體都具有較好的適用性。試驗(yàn)裝置的振動(dòng)頻率和振幅對(duì)魚(yú)體頭尾定向輸送效果影響較大，振動(dòng)頻率過(guò)低或過(guò)高以及振幅過(guò)小或過(guò)大，都會(huì)造成魚(yú)體在振動(dòng)輸送帶表面滑動(dòng)或是來(lái)回振動(dòng)，影響定向效果，也容易造成伺服電機(jī)過(guò)熱；因此在單因素試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，采用雙因素?zé)o重復(fù)試驗(yàn)對(duì)振動(dòng)頻率和振幅組合進(jìn)行優(yōu)化。

3.5.1 試驗(yàn)方案

本文以帶魚(yú)鱗的完整鯽魚(yú)為試驗(yàn)對(duì)象，以定向輸送時(shí)間T為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以振動(dòng)頻率、振動(dòng)振幅為試驗(yàn)因素，試驗(yàn)因素水平如表6所示。

表6 雙因素水平表Table 6 Table of factor and level

3.5.2 結(jié)果與分析

按照表6中的因素水平編碼進(jìn)行雙因素?zé)o重復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。

表7 雙因素試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of double factor tests s

對(duì)雙因素重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表8所示。

表8 方差分析Table 8 Analysis of variances

由表8可知，振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著。根據(jù)表7試驗(yàn)結(jié)果可知，在振動(dòng)頻率5 Hz，振動(dòng)振幅120 mm條件下，帶鱗鯽魚(yú)魚(yú)體頭尾定向輸送效果最好，定向輸送時(shí)間為2.65s。其他帶鱗或去鱗魚(yú)在振動(dòng)頻率5 Hz，振動(dòng)振幅120 mm條件下進(jìn)行頭尾定向輸送試驗(yàn)，4種魚(yú)帶鱗狀態(tài)下的魚(yú)體定向輸送平均時(shí)間為2.45 s，去鱗狀態(tài)下為3.43 s。

振動(dòng)頻率5 Hz、振動(dòng)振幅120 mm條件下，鯽魚(yú)魚(yú)體頭尾定向輸送過(guò)程如圖9所示。

4 討 論

魚(yú)體定向輸送過(guò)程中，由于魚(yú)體與輸送帶之間存在摩擦，輸送帶水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)與魚(yú)體之間產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)，輸送帶與魚(yú)體之間產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)魚(yú)體進(jìn)行移動(dòng)；魚(yú)體與輸送帶之間順鱗方向摩擦系數(shù)與逆鱗方向摩擦系數(shù)存在差異，隨著輸送帶的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，作用于魚(yú)體的摩擦力大小不同，使魚(yú)體的運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生差異，從而實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的定向輸送。前文分析可知，相對(duì)于不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶，魚(yú)體順鱗方向摩擦系數(shù)與逆鱗方向摩擦系數(shù)差值越大，越有利于實(shí)現(xiàn)魚(yú)體頭尾定向輸送。

當(dāng)魚(yú)體表面有鱗片時(shí)，輸送帶通過(guò)鱗片與魚(yú)體發(fā)生作用。由于魚(yú)鱗具有一定硬度，在逆鱗方向，輸送帶的表面結(jié)構(gòu)直接作用于魚(yú)鱗的邊沿，進(jìn)而作用于魚(yú)體；而順鱗方向，輸送帶的表面結(jié)構(gòu)作用于魚(yú)鱗表面，產(chǎn)生滑移，因此，當(dāng)輸送帶與有鱗魚(yú)體接觸時(shí)，魚(yú)體順鱗方向摩擦系數(shù)與逆鱗方向摩擦系數(shù)不同；當(dāng)輸送帶往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以帶動(dòng)魚(yú)體進(jìn)行定向移動(dòng)。

當(dāng)魚(yú)體表面無(wú)鱗片時(shí)，輸送帶直接作用于魚(yú)體表面。魚(yú)鱗為魚(yú)體表面真皮層的衍生物，去鱗之后，魚(yú)體表面的魚(yú)鱗連接組織仍然存在，逆鱗方向時(shí)，輸送帶的表面結(jié)構(gòu)作用于魚(yú)鱗連接組織；順鱗方向時(shí)，輸送帶的表面結(jié)構(gòu)從魚(yú)體表面及魚(yú)鱗連接組織上滑過(guò)，作用力小于逆鱗方向，因此，魚(yú)體去鱗后，魚(yú)體順鱗方向摩擦系數(shù)與逆鱗方向摩擦系數(shù)均會(huì)減小，但逆鱗方向摩擦系數(shù)仍大于順鱗方向，輸送帶往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以帶動(dòng)魚(yú)體進(jìn)行定向移動(dòng)。

當(dāng)魚(yú)體垂直或傾斜于輸送帶運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，隨著輸送帶的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，魚(yú)體會(huì)調(diào)整至頭尾方向與輸送帶運(yùn)動(dòng)方向一致。這是由于魚(yú)體從魚(yú)頭至魚(yú)尾各部分的結(jié)構(gòu)分布不均勻，各部分與輸送帶之間的摩擦力不相同；隨著輸送帶的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，輸送帶表面結(jié)構(gòu)作用在魚(yú)體不同部位的力大小不一樣，會(huì)使魚(yú)體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的自動(dòng)調(diào)整。當(dāng)輸送帶中堆積有多條魚(yú)體時(shí)，隨著輸送帶的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，魚(yú)體逐漸散開(kāi)，同時(shí)魚(yú)體之間發(fā)生碰撞，使魚(yú)體發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著輸送帶往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間的增加，魚(yú)體最終實(shí)現(xiàn)頭尾調(diào)整并定向移動(dòng)。

5 結(jié) 論

1）本文搭建了魚(yú)體摩擦系數(shù)測(cè)量裝置對(duì)淡水魚(yú)在不同表面結(jié)構(gòu)輸送帶上的摩擦系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明：不論魚(yú)體是否有鱗，在不同結(jié)構(gòu)輸送帶表面滑動(dòng)時(shí)，魚(yú)體逆鱗方向摩擦系數(shù)與順鱗方向摩擦系數(shù)均不相等，可以利用這種差異實(shí)現(xiàn)魚(yú)體的頭尾定向輸送。

2）輸送帶水平往復(fù)振動(dòng)時(shí)魚(yú)體頭尾定向輸送過(guò)程分析表明：在滿足順鱗方向魚(yú)體加速度小于逆鱗方向魚(yú)體加速度的條件下，魚(yú)體都將沿著逆鱗方向滑動(dòng)，且逆鱗和順鱗摩擦系數(shù)差值的絕對(duì)值越大，越有利于魚(yú)體頭尾定向輸送。

3）單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：倒三角紋輸送帶的魚(yú)體頭尾定向輸送效果明顯；魚(yú)體在有鱗和去鱗狀態(tài)下均能實(shí)現(xiàn)頭尾定向輸送，且有鱗狀態(tài)下定向輸送更快；在振動(dòng)頻率3～5 Hz，振幅60～100 mm條件下魚(yú)體定向輸送時(shí)間隨振動(dòng)頻率和振幅增大而下降，且下降趨勢(shì)明顯。

4）雙因素試驗(yàn)結(jié)果表明：振動(dòng)頻率和振幅對(duì)魚(yú)體定向輸送均有顯著影響；振動(dòng)頻率5 Hz、振幅120 mm條件下，帶鱗鯽魚(yú)魚(yú)體頭尾定向輸送效果最好，定向輸送時(shí)間為2.65 s。振動(dòng)頻率5 Hz、振幅120 mm條件下，4種淡水魚(yú)帶鱗狀態(tài)下魚(yú)體定向輸送平均時(shí)間為2.45 s，去鱗狀態(tài)下為3.43 s。