本文是一篇农业论文，本文针对海参苗人工分级效率低、用工成本高、劳动强度大等问题，设计了海参苗振动分级设备，研究了海参苗生物力学特性，进行了海参苗筛面运动分析与受力分析，建立了海参苗振动筛分模型；对影响海参苗分级关键因素进行仿真试验。
1.绪论
1.1研究目的与意义
海参的经济和食用价值极大推动了海参养殖业的发展[1]，根据统计，2022年全国海参养殖面积2.47x109m2，总产量达2.22x104t[2]。目前，海参苗培育主要采用工厂化育苗，培育过程中，要求每隔半月或一个月进行育苗池换水体[3]，需要将海参苗收集，并对海参苗规格进行分选，分别投入不同规格育苗池进行培育。目前海参苗分级主要靠人工作业，劳动强度大、分苗效率低等问题十分突出，直接影响了海参工厂化育苗和养殖效率及养殖规模[4]。由于海参为柔性凸起的散粒体形态特征，一般的振动筛分设备对海参等细长柔性特征的物料的适用度较差，目前市场上缺乏海参苗自动分选机械设备。因此，海参苗分级设备的研发，对提高海参分选效率，减少人工成本，降低劳动强度，提高我国海参育苗产业机械化生产水平具有重要意义。
本文针对海参苗筛分技术需求，拟开展海参苗筛分设备研究。在分析海参苗生物力学特性的基础上，开展海参苗分级设备设计、仿真分析及试验研究，确定筛分设备的合理结构和调控参数，为海参苗筛分设备研发和应用提供技术支持。
1.2国内外分级技术研究现状
近年来，随着科技发展和经济水平的提高，物料分级得到了越来越多人的关注[5]。目前，国内外针对海参苗机械化分级技术尚未见报道，但国内外学者已经对各种物料类分级设备进行了大量的研究与实践。当前国内外物料分级的方法很多，也取得了很多成果。
目前在物料分级方面，主要采用三种不同的方式。最常用的是机械式分类，这种方式占据了主导地位。其核心原理是利用不同大小的筛孔或者通过设置间隙来实现对物料的分级。目前这种分类方式被这种方式广泛应用，主要源于操作简便以及工作效率相对较高[6]。除此之外，还有光电式分级。光电式分级主要通过电磁和光电感应传感器来收集相关信息。随后经计算机进行分析，计算机根据分析结果发出指令，由此控制机械部件完成分级任务。另一种就是基于视觉识别的分级技术，这种运用较少，成本较高。目前各种分级技术也在不断进步，朝着更高效、多样和精确的方向发展。这种进步不仅提升了生产效率，也满足了市场对产品质量和多样性的要求。
由于分苗时的海参苗体积较小约为5~10mm，且海参苗具有活性在处理大量或高速流动的物料时可能会影响分级效果[7]。此外，光电式分级对环境比较敏感，易受到光线变化的影响，而海参苗分级需在昏暗潮湿环境下进行，所以依靠视觉的光电式分级不能较好地运用于海参苗分选。机械式分级分为：网格式、滚轴式、振动式等。由于海参苗腹部有腹足（具有吸附功能），所以，网格式、滚轴式都不适合海参苗的振动筛分。振动式分级设备因其稳定性强、效率高对海参苗的胁迫最小，所以更适用于海参苗分级。
2.海参苗生物力学特性研究
2.2海参苗生物特性研究
海参苗：以幼苗期海参苗为试验研究对象。其中海参苗种规格为1000~2000头/kg，按小（1600~2000头/kg）、中（1300~1600头/kg）、大（1000~1300头/kg）规格分为3组，每组450头，产地为辽宁省大连市瓦房店市。适龄海参苗在育苗室暂养，以备试验研究使用。
其他试验材料及仪器：游标卡尺（034180A型、精度0.02mm）、电子称（12000型、精度0.01g、量程100g）与海参苗摩擦特性接触材料(304不锈钢板、PVC板、有机玻璃板)，数显倾角仪(DMI410,Rion,CHN,0.01°)，摩擦系数测定装置、铁架台、空心圆筒等。
2.2.1海参苗性状分析
（1）材料与方法
材料同2.2节。随机从待测样品中选取1350头海参苗，分为3组，每组450头。放置在载玻片上，待其呈舒展状态时，用游标卡尺测量海参苗的形态性状，包括体长、体宽，电子秤称量海参苗的质量。如图2-1所示，
2.3海参苗力学特性研究
2.3.1休止角测定
（1）材料与方法
休止角反映了海参苗间的散落特性和摩擦特性，休止角大小与海参苗本身紧密关联。材料同2.2节，采用注入法对休止角进行测定，将圆筒竖直摆放在待测材料表面，选取450头的海参苗注入的圆筒中，匀速缓慢提升圆筒，使海参苗形成堆积，用数显倾角仪从多个方向对角度进行测定，试验示意图如图2-2所示。用2.2章节材料随机取450头，分为3组，每组试验重复5次，计算角度的平均值ߚ(°)即为海参苗在该待测材料的休止角。
（2）结果与分析
海参苗休止角测定结果见图2-3。休止角随着海参苗规格的增大呈增大趋势，本试验条件下测得的海参苗小苗休止角均值为23.11°、海参苗中苗休止角均值为25.02°和海参苗大苗的休止角均值为26.32°。唐汉[33]对玉米籽粒休止角进行研究，结果表明玉米粒径颗粒越大休止角也越大，该结论与本研究相同；刘文博[34]也有同样的结论。可能因为玉米籽粒同海参苗一样是不规则的几何形状，且表面有凹陷、凸起，这些特点与一般的大豆、水稻等农业物料不同，因而结论相似。
3.海参苗筛分设备设计 ...................... 17
3.1 引言 ............................ 17
3.2 海参苗分级技术方案分析 ................... 17
4.基于EDEM的海参苗筛分仿真研究 ................... 32
4.1 引言 ....................................... 32
4.2 仿真模型建立 ......................... 32
5.海参苗筛分性能试验 ............................ 54
5.1 引言 .................................... 54
5.2 样机试制 ............................... 54
5.海参苗筛分性能试验
5.2样机试制
基于振动式海参苗筛分设备设计和离散元仿真优化结果，完成筛分设备样机试制工作。基于仿真优化结果，将筛面网孔设计为正方形、45°排列，频率和筛面角度可调。为减轻设备的整体重量和成本，选用3.5mm厚Q235板制作机架和连接板，筛面通过两组螺栓固定在机架上，通过调节连杆与筛面连接位置来调节筛面的倾斜角度。筛分设备样机见图5-1。
海参苗振动筛分设备机架采用三层结构，为便于拆卸和后续更改目标筛分物，筛网与筛面通过螺栓连接。设备底部安装配电箱，箱体表面有防水沿结构，因作业环境腐蚀性强，整个机架上喷涂油漆，筛面材料选用304不锈钢板，并对设备内部电路进行绝缘和防水处理。
6.结论与建议
6.1结论
本文针对海参苗人工分级效率低、用工成本高、劳动强度大等问题，设计了海参苗振动分级设备，研究了海参苗生物力学特性，进行了海参苗筛面运动分析与受力分析，建立了海参苗振动筛分模型；对影响海参苗分级关键因素进行仿真试验，试制了振动式分级设备样机，并进行了海参苗分级效果对比试验，得出结论如下：
(1)进行了海参苗生物力学特性研究。结果表明，海参苗的密度为1.44~1.50g﹒cm-3，海参苗的休止角为23.11°~26.32°，剪切模量为1.38×10-2~2.76×10-2MPa，拉伸模量为1.60×10-2~4.71×10-2MPa；海参苗与不锈钢、有机玻璃和PVC材料的接触摩擦系数分别为0.596、0.849、1.185。
(2)建立了振动筛筛面海参苗受力平衡方程。分析了振动筛的运动轨迹并建立运动学方程，建立了海参苗在振动筛上的运动状态数学模型。探究了海参苗在振动筛上静止、滑动和跳跃的三种运动状态，分析了海参苗在振动式分级设备筛面上的受力和运动情况，得到了海参苗分级需满足振动强度K>K2>K3>K1的振动参数限制条件。
(3)设计了海参苗分级设备。筛面振动采用曲柄摇杆机构形式。设计了振动筛网孔的排列方式、形状、落料口与传动机构，筛孔排列方式为45°错排，筛孔形状为正方形筛网孔；采用惯性力不完全平衡法，计算得出需在曲柄轴安装半径为40mm、质量为2kg的平衡块，实现筛分设备平稳运转。对海参苗振动筛分设备进行模态分析，分级设备的固有频率为227.43Hz、工作频率为15Hz时，筛分设备不会产生共振问题。
(4) 开展了筛分性能仿真研究。在EDEM软件中基于多球聚合模型（Hertz-Mindlin With Bonding）建立海参苗离散元模型。开展了孔形、频率、振幅、筛面倾角、开孔率单因素试验，确定了试验因素的范围；通过响应面试验，确定分级设备的最佳运行参数为：振幅8mm、振动频率15.2Hz、筛面倾角8°、筛面开孔率二层74.76%、一层开孔率63.4%，为分级设备样机的试制与海参苗分级设备验证试提供经验和结论。该条件下，海参苗的筛分率为84.38%、准确率为85.87%、效率为94.74kg/h。
参考文献（略）
