黑水虻养殖装置翻转器的优化设计

■李慧琴 刘存祥 郭艺豪 段留奎 王佳兵

(河南农业大学机电工程学院，河南郑州450002)

黑水虻是一种优质的蛋白饲料原料，黑水虻饲料营养成分全面，其价值与鲜鱼、鱼粉及肉骨粉相近甚至略高[1]。使用后，动物免疫力增强，生长速度加快并且增肉系数更低，节省饲料。黑水虻幼虫便于人工饲养，他的饲养简单易管理、食物广泛、适应性强、产出率高、省工省时[2]。幼虫的饲养物料主要使用动物的粪便、剩菜剩饭和腐烂的蔬菜水果，一只幼虫每天可分解2～3 kg腐败物。幼虫的成长环境需要通风透气，恒温恒湿且幼虫具有避光性，需要不定时对物料进行翻转疏松[3-4]。翻转器实现养殖物料的充分翻转，是整个养殖装置的核心部件。

本文简述一种黑水虻幼虫养殖装置。可自动控制养殖区域的温度和湿度；自动上料、卸料和翻转物料；实现小规模养殖的自动化与高效化。本文采用ANSYS/LS-DYNA 分析方法，对此养殖装置的关键部分翻转器进行数值模拟分析，对比研究两种不同形状翻转器的工作过程，观察其翻转过程中物料的运动与应力变化。

1 翻转装置整体结构

全自动黑水虻幼虫养殖装置由上卸料模块、翻转模块和环境控制模块三部分组成如图1 所示。上卸料模块实现物料的进入和排出。翻转模块主要由翻转器、电动推杆、支架结构组成。翻转器的周期移动将幼虫处理后的物料从底部翻转至物料表面，同时将未分解的物料翻转至底部与幼虫充分接触。环境控制模块主要由光源、温度、湿度传感器及通信单元组成。

图1 黑水虻养殖装置结构

2 翻转器的仿真

根据翻转器的结构特点，利用ANSYS/LS-DYNA进行翻转器工作过程的仿真试验[5-10]，观察翻转器的稳定、物料翻转效果、应力集中、幼虫的损伤程度，最终得出结论为翻转器的优化设计提供参考依据。

2.1 有限元模型的假设

针对翻转器对物料的翻转过程，提出以下有限元假设[11-12]：

①不考虑翻转器的磨损与变形，假想为理想刚体材料。

②物料假设为质地均匀的无限体积材料，其间无颗粒状不均匀物质。

③翻转器运动过程平稳，速度恒定。

2.2 建立模型

翻转器设计主要考虑两个方面的因素，一是尺寸合理，可在养殖箱内移动的同时对幼虫的损伤最小；二是工作面曲线形状合理，对物料翻转良好的同时工作阻力小，消耗的功率最小。根据使用要求，在SOLIDWORKS中进行建模，设计了两种翻转器模型，分别为铲型翻转器和铧式犁翻转器[13-15]，如图2、图3所示。

图2 铲型翻转器模型

2.3 网格划分

对翻转器采用四面体网格划分自动生成网格[16-17]。铲形翻转器模型共划分网格51 626 个，其中翻转器362个，物料模型51 264个，如图4所示。铧式犁形翻转器模型共划分网格36 178 个，其中翻转器648 个，物料模型35 530个，如图5所示。

图3 犁型翻转器模型

2.4 定义约束与施加工作条件

图4 铲型翻转器网格划分图

对于此物料翻转模型，使底部完全约束并使翻转器只能沿翻转方向前进，分别约束物料底面的六个自由度和翻转器的5 个自由度。本文使用有限的物料模型模拟较大的模型，对此在物料的三个非工作面施加无反射边界条件，减少应力波反射对仿真过程的影响[18-19]。选择翻转器的工作速度为3 m/s，选择cm、g、μs单位制，即在280 000 μs完成整个翻转过程。

2.5 定义材料

假设翻转器为刚体[20]，主要参数如表1所示。

图5 犁型翻转器网格划分图

表1 翻转器材料参数

物料与土壤性质相似，但其黏度高于普通土壤，本文选用PLASTIC KINEMATIC(003)材料本构模型[21]，其材料参数如图6所示。

图6 PLASTIC KINEMATIC(003)材料模型参数

2.6 定义约束

本接触采用ERODING_SURFACE_TO_SURFACE，将动摩擦系数设置为0.2，静摩擦系数设为0.3，根据仿真试验条件设定时间步长、终止时间等控制卡片参数。接触属性卡片如图7所示。

2.7 餐厨垃圾模型确定

图7 接触属性卡片

FHWA SOIL(147)模型仿真在翻转初期，餐厨垃圾部分网格发生畸变，并且随着时间的增加，网格畸变越来越严重，直至整个仿真模型发生破碎。DRUCKER PRAGER(193)模型仿真可模拟餐厨垃圾翻转后的剩余模型效果。但由于此材料模型抗压强度较大，允许的网格变塑性变形较小，在材料达到失效准则时就被删除，无法看到餐厨垃圾翻转后的效果。PLASTIC KINEMATIC(003)模型仿真可有效的观察到被翻转餐厨垃圾的翻转效果，验证受力状况，具有良好的仿真效果。

3 仿真结果分析

3.1 翻转性能的比较

铲型翻转器不同时刻的翻转效果如图8所示，犁型翻转器不同时刻翻转效果如图9 所示。两种翻转器都完成了对物料的剪切、抬高、扭转、抛翻四步。不同之处在于铲型翻转器物料沿铲面剪切滑移，铲面形成两面楔，对物料进行横向推动和翻转，物料沿铲面堆积，达到一定程度后大部分沿翻转器上升，少部分从翻转器侧面滑失，容易形成堆积，影响翻转器行进速度，没有达到均匀翻料的需要且对幼虫的损伤严重。铧犁形翻转器物料沿犁铧剪切滑移上升，由于犁铧与犁壁的三面楔作用，物料到达犁壁后发生扭转与抛翻，同时完成了抬高、侧向推动与翻转。因犁铧设计与运动方向具有一定的角度，故其切入和分离性能良好，物料被均匀抛翻在翻转器运动路线两侧，翻转器行进速度平稳且对幼虫损害极小，工作效果优秀。

图8 铲型翻转器翻转过程

3.2 翻转器受力分析

铲型翻转器应力云图如图10 所示，从应力云图中可以看出，铲型翻转器在切入后，铲面前方物料应力逐渐集中，随着物料堆积到达最大体积时应力到达峰值，随后瞬间降低，进入下一个应力周期。工作期间物料应力变化较大，翻转过程不稳定，容易形成震动，对幼虫损伤严重，对推杆刚度要求高。同时铲子受力较大，磨损快，对材料要求高，工作条件恶劣。

图9 犁型翻转器翻转过程

犁型翻转器应力云图如图11 所示，在犁形翻转器应力图中，由于犁铧的切入与分离作用，从进入过程到稳定工作过程应力变化较为缓和，无明显的周期性波动，翻转过程平稳，不易出现震动，幼虫生长环境稳定。物料翻转区域受力沿犁铧分布均匀，无明显应力集中区。因此相同工作条件下受力相对铲形翻转器受力小，对电动推杆刚度要求小，对材料要求低，应力集中几率小，工作性能性能更优。

4 结论

通过对两种翻转器翻转物料过程的实验仿真，分析其翻转效果和应力情况，得出了可靠的分析结果。铲形翻转器在工作行进过程中不稳定，接触区域易产生应力集中现象且翻转效果不佳，对幼虫伤害严重。在满足饲料翻转效果和保护幼虫的前提下，犁型翻转器结构稳定性更好，且应力分布较均匀，承载能力更强，工作条件良好。本文对黑水虻养殖装置的研发提供了可靠的数值结果，为实现黑水虻生态无害化垃圾处理奠定了基础。

图10 铲型翻转器应力云图

图11 犁型翻转器应力云图