李康寧 李南南 劉利 史穎剛

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)箱養(yǎng)殖中投餌機(jī)位置固定，飼料投放不定量的現(xiàn)狀，考慮網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境的影響因素，利用傳感器、軌道傳動(dòng)和PLC技術(shù)（方法），設(shè)計(jì)了一種可定量投飼的移動(dòng)式網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動(dòng)投餌機(jī)。文章介紹了網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動(dòng)投餌系統(tǒng)的布局，投餌機(jī)的工作原理、技術(shù)要求，以及軌道鋪設(shè)要求。然后，詳細(xì)介紹了投餌機(jī)設(shè)計(jì)基本參數(shù)的理論分析過程，行走系統(tǒng)和投飼裝置關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過程（結(jié)果），行走系統(tǒng)可對(duì)多個(gè)網(wǎng)箱進(jìn)行移動(dòng)式投飼，定量下料機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)定量式投餌，提高了網(wǎng)箱養(yǎng)殖飼料投放過程的機(jī)械化水平和自動(dòng)化水平，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，增加養(yǎng)殖效益。以4 m×6 m×3 m規(guī)格的網(wǎng)箱為例，進(jìn)行成本分析，當(dāng)網(wǎng)箱個(gè)數(shù)在10個(gè)以上時(shí)，使用該自動(dòng)投餌機(jī)比一般的單個(gè)自動(dòng)投餌機(jī)更經(jīng)濟(jì)。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；自動(dòng)投飼；定量投飼；PLC；軌道

中圖分類號(hào)：S969.31+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中國(guó)是水產(chǎn)品養(yǎng)殖大國(guó)和出口大國(guó)，網(wǎng)箱養(yǎng)魚占據(jù)了其中相當(dāng)大的比例[1]，目前，我國(guó)的水產(chǎn)養(yǎng)殖投餌，主要以人工或小型自動(dòng)投餌機(jī)拋灑為主[2]，而國(guó)內(nèi)的投餌機(jī)多為定點(diǎn)式，由于位置固定，存在投飼不均勻，飼料浪費(fèi)，計(jì)量不精確等問題[3-5]。國(guó)外進(jìn)口投餌設(shè)備，自動(dòng)化程度高，但價(jià)格高，不適合國(guó)內(nèi)的養(yǎng)殖環(huán)境[6]。所以，設(shè)計(jì)適合國(guó)情的網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動(dòng)投餌機(jī)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式投飼和定量投飼，是非常必要的。

1 整體設(shè)計(jì)

網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動(dòng)投餌機(jī)，主要由投飼裝置、行走系統(tǒng)、網(wǎng)箱、上料裝置和控制系統(tǒng)等組成，如圖1和圖2所示。它的工作原理是：在網(wǎng)箱過道上架設(shè)封閉軌道，每個(gè)網(wǎng)箱對(duì)應(yīng)的軌道，都設(shè)置有一個(gè)起始定位識(shí)別點(diǎn)和一個(gè)終止定位識(shí)別點(diǎn)，當(dāng)自動(dòng)投餌機(jī)沿著軌道行進(jìn)至起始定位識(shí)別點(diǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制投餌機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的投飼工作，當(dāng)投餌機(jī)行進(jìn)至終止定位識(shí)別點(diǎn)時(shí)，控制系統(tǒng)控制投餌機(jī)結(jié)束該網(wǎng)箱的投飼任務(wù)。之后，自動(dòng)投餌機(jī)根據(jù)設(shè)定的程序，沿軌道行進(jìn)至下一個(gè)需要投飼的網(wǎng)箱。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)定量下料機(jī)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制投飼量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)該網(wǎng)箱的定量投飼。

根據(jù)網(wǎng)箱水產(chǎn)養(yǎng)殖的技術(shù)規(guī)程和操作規(guī)范，參考SC/T 6023-2011投飼機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，確定網(wǎng)箱水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

行走系統(tǒng)主要由軌道、投餌車和定位識(shí)別點(diǎn)組成。在網(wǎng)箱過道上架設(shè)封閉軌道[5-7]，如圖3所示，根據(jù)投餌機(jī)重量、行走系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性及降低成本的要求，軌道由鍛鋼加工而成，截面設(shè)計(jì)為等腰梯形，在滿足力學(xué)性能的前提下采用中空式，如圖4所示?？紤]到安裝及運(yùn)輸?shù)姆奖悖瑢④壍婪纸鉃樾〗氐闹倍魏蛷澏问褂?，每小截距離取400～600 mm左右，可以根據(jù)網(wǎng)箱情況，進(jìn)行拼接使用。

投餌車由車體、軌道輪、直流電機(jī)和減速器組成。24 V直流電機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)兩個(gè)前輪使投餌車沿軌道上部運(yùn)動(dòng)?？紤]到運(yùn)行時(shí)投餌車的穩(wěn)定性及軌道的使用壽命，軌道與輪子配合時(shí)，車輪凹槽側(cè)邊與軌道側(cè)邊保持一定的距離，如圖4所示。軌道輪直徑80 mm，減速器減速比12∶1，設(shè)計(jì)行走機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度為20 m/min。根據(jù)有關(guān)資料[7]，在同等條件下保持本投餌機(jī)以20 m/min的速度行走時(shí)，最小牽引力F=400 N，即主動(dòng)輪為自動(dòng)投餌機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力矩M=F·r=16N·m。每級(jí)齒輪傳動(dòng)效率為0.96，則減速器傳動(dòng)效率η總=η2=0.9216。選取電機(jī)轉(zhuǎn)速為n0，投餌車行走速度v，投餌車軌道輪半徑r，減速器傳動(dòng)比i，輸出軸功率Pw，輸出軸工作效率ηw取0.95，電機(jī)輸出扭矩T，電機(jī)軸輸出功率Pd，則直流電機(jī)參數(shù)計(jì)算得：

由計(jì)算參數(shù)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)選擇額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，功率為200 W的24 V直流電機(jī)。

減速器為二級(jí)直齒圓柱齒輪減速器，根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，第一級(jí)減速比4∶1，第二級(jí)減速比3∶1。輸出軸齒輪Z1=20，中間齒輪Z2=80，中間齒輪Z3=20，車輪軸齒輪Z4=60，則減速比

2.2 料倉(cāng)

設(shè)計(jì)料倉(cāng)如圖5（a）所示，料倉(cāng)由立方體形狀的料箱和倒棱臺(tái)形狀的漏斗組成，總?cè)莘e為133 L，可容納3號(hào)飼料50 kg（容積密度約為376 kg/m3）。料箱的寬度和長(zhǎng)度均為500 mm，高度為410 mm。漏斗的寬度、長(zhǎng)度和高度分別為100 mm、50 mm、320 mm，斜度為35°，如圖5（b）所示。

2.3 定量下料機(jī)構(gòu)

定量下料機(jī)構(gòu)連接在料倉(cāng)下方，主要由旋轉(zhuǎn)葉輪、外殼和步進(jìn)電機(jī)組成，如圖6（a）所示。當(dāng)定量下料機(jī)構(gòu)工作時(shí)，飼料由進(jìn)料口進(jìn)入下料腔內(nèi)，由電機(jī)帶動(dòng)的葉輪通過旋轉(zhuǎn)將飼料由進(jìn)料口傳送到出料口，整個(gè)過程中葉輪轉(zhuǎn)過的角度需要由電機(jī)嚴(yán)格的控制。由于葉輪每?jī)蓚€(gè)葉片之間的體積固定，因此，當(dāng)需要不同重量的飼料時(shí)，只要控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，就可以控制投飼量。

旋轉(zhuǎn)葉輪由葉片、頂端彈性擋板組成。設(shè)計(jì)葉片個(gè)數(shù)為10個(gè)，葉片間夾角為36°。為保證葉輪在運(yùn)行過程中的平穩(wěn)性，避免葉輪與外殼直接接觸損害葉輪，使葉輪與外殼之間保持2～3 mm的距離，并在葉輪頂端安裝彈性擋板，如圖6（b）所示。

投餌機(jī)需要同時(shí)對(duì)兩個(gè)網(wǎng)箱投飼，投飼效率取300 kg/h。取葉輪體積V葉輪，葉輪外半徑r1，葉輪內(nèi)半徑r2，葉輪寬度l，葉輪轉(zhuǎn)速n，料倉(cāng)體積V料倉(cāng)，下料時(shí)間t，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)選擇參數(shù)，有：

取步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速12 r/min?？紤]下料口較小，飼料質(zhì)量較輕，所需的扭矩很小，因此對(duì)步進(jìn)電機(jī)的扭矩不做要求。綜上所述，選用56BYG250D-0241型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)，適配驅(qū)動(dòng)器SH-20504D。該電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩2 N·m，當(dāng)轉(zhuǎn)速為12 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)矩為1.7 N·m。

2.4 拋料機(jī)構(gòu)

拋料機(jī)構(gòu)采用離心葉輪式，主要由拋料室、離心葉輪和拋料電機(jī)組成。進(jìn)行拋料工作時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)控制拋料電機(jī)帶動(dòng)離心葉輪工作。飼料從出料口落入拋料室，并隨著離心葉輪的運(yùn)動(dòng)拋撒出去。通過控制拋料電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制飼料拋灑軌跡和距離。綜上所述，基本可以確定投餌機(jī)投飼裝置主要的結(jié)構(gòu)，如圖7（a）所示。

為優(yōu)化投餌機(jī)運(yùn)行路線，減少投餌機(jī)軌道鋪設(shè)，以及單側(cè)投料時(shí)，投餌機(jī)受力不均勻的問題，設(shè)計(jì)投餌機(jī)為兩側(cè)同時(shí)拋料，如圖7（b）所示。當(dāng)需要投餌機(jī)單側(cè)投料時(shí)，可通過調(diào)整控制系統(tǒng)，關(guān)閉一側(cè)的拋料電機(jī)，可實(shí)現(xiàn)另一側(cè)單獨(dú)投料。

3 總結(jié)

針對(duì)戶外網(wǎng)箱養(yǎng)魚，設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)式定量自動(dòng)投餌機(jī)，其核心部件是定量下料機(jī)構(gòu)，通過控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而控制旋轉(zhuǎn)葉輪的旋轉(zhuǎn)角位移，實(shí)現(xiàn)定量投飼。系統(tǒng)結(jié)合行走系統(tǒng)、定量下料機(jī)構(gòu)和左右拋料機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)式投飼，使用單個(gè)投餌機(jī)，可以完成對(duì)多個(gè)網(wǎng)箱的投飼工作。利用該投餌機(jī)，可對(duì)多個(gè)網(wǎng)箱進(jìn)行移動(dòng)式投飼和定量投飼，提高了投餌機(jī)的利用率，降低了飼料投放過程中的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過成本分析，目前，市場(chǎng)上一名水產(chǎn)養(yǎng)殖工人的工資平均為2 500元/月，每天可負(fù)責(zé)13個(gè)網(wǎng)箱的投飼和維護(hù)工作。以雇用一名工人負(fù)責(zé)13個(gè)4 m×6 m×3 m網(wǎng)箱的養(yǎng)殖規(guī)模為例，定點(diǎn)式投餌機(jī)成本約700元/臺(tái)，共需13臺(tái)；移動(dòng)式定量自動(dòng)投餌機(jī)和軌道成本約30 000元?？紤]設(shè)備折舊，經(jīng)分析得出，大約10個(gè)月即可收回投入的本金。以4 m×6 m×3 m的網(wǎng)箱為例，當(dāng)網(wǎng)箱個(gè)數(shù)在10個(gè)以上時(shí)，使用該投餌機(jī)比一般的單個(gè)自動(dòng)投餌機(jī)更經(jīng)濟(jì)。

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