洪　揚，陳曉龍，田昌鳳，朱　燁，車　軒，陳　超，陳　翔，江　濤

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室，中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

隨著集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的不斷發(fā)展和完善[1-3]，養(yǎng)殖機械也得到了迅速發(fā)展。投飼機因其具有節(jié)省人工和飼料，經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，成為現(xiàn)代池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖機械中一個重要的組成部分[4-9]。國內(nèi)外對蟹塘、蝦塘投飼裝置，尤其是自動化移動投飼裝置的研究報道較少。近幾年雖然在池塘行走定位和測距方面有了一些研究成果，如采用全球定位系統(tǒng)(GPS)的行走機構(gòu)定位以及離岸測距方法等[10-12]，但其主要應用于魚塘或其他試驗研究，對于常見的大中型蟹塘、蝦塘養(yǎng)殖，因其定位方法成本高、操作復雜，并不適用。目前，大部分蟹、蝦養(yǎng)殖企業(yè)仍采用投飼機定點投喂或人工投喂的方式[13-14]，存在投飼距離短、范圍小、投飼不均勻、飼料利用率低，以及人工成本高等問題。

針對蟹、蝦養(yǎng)殖的特點，設(shè)計了一套投飼裝置，以牽引繩為行走路線，裝有投飼裝置的投飼船通過牽引繩以一定的速度實現(xiàn)自動行走，同時采用拋撒裝置在池塘中均勻拋撒飼料[15]，具有操作簡單、投飼均勻等特點，可實現(xiàn)飼料全池塘、大范圍投飼的功能要求。

1　工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1　工作原理

投飼裝置(圖1)主要由行走機構(gòu)、儲料箱、上料裝置、拋撒裝置等組成。工作時，將飼料裝入儲料箱，啟動行走機構(gòu)，投飼船按照既定路線[16]以一定的速度航行，電動機帶動上料裝置將飼料螺旋提升到撒料盤上，旋轉(zhuǎn)的撒料盤利用自身轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的離心力[17]將飼料以切線方向撒向池塘。該裝置可通過調(diào)節(jié)送料蛟龍轉(zhuǎn)速控制投料量，從而滿足不同大小池塘的要求；也可通過控制投飼船的航行速度來綜合調(diào)節(jié)投飼速度、投飼量大小，進而達到精準投飼要求。飼料采用螺旋上升的傳送方式，可以減少飼料破損。

1.2　行走機構(gòu)

行走機構(gòu)由浮船和導向裝置組成。浮船由兩只小浮船通過不銹鋼連接架并聯(lián)固定，船體可承載100 kg質(zhì)量，且具有較好的穩(wěn)定性。導向裝置為固定在池塘中軸線上的牽引繩，牽引繩通過浮船上的導向架來引導航向，通過電氣系統(tǒng)控制其速度，從而達到調(diào)節(jié)投飼量和移動投飼的目的。該裝置可滿足寬30 m、長100 m大中型池糖的投飼需要。

1.3　上料裝置

上料裝置的核心是上料絞龍結(jié)構(gòu)(圖2)。為了保證送料效果，減少飼料破損，絞龍結(jié)構(gòu)設(shè)計時要保證飼料在豎直傳送時與絞龍?zhí)淄仓g的間隙，同時要保證飼料不能從間隙中掉落，因此對絞龍?zhí)淄矁?nèi)壁與絞龍外圓的間距需要合理安排。該結(jié)構(gòu)中采用迷宮式密封方法[18]，可避免被壓碎的飼料堵住密封口，又能起到密封作用。另外，此結(jié)構(gòu)可以保證飼料不斷地被輸送到撒料平臺上，使傳輸更加穩(wěn)定[19-20]。當送料絞龍螺旋轉(zhuǎn)動時，絞龍內(nèi)的飼料受到螺旋向上力的作用，飼料呈螺旋式向上傳輸。飼料運動情況如圖3所示。

圖1　移動式蝦塘、蟹塘投飼裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　上料絞龍結(jié)構(gòu)

當絞龍繞中心軸旋轉(zhuǎn)時，在半徑為r的螺旋片上任一點x處有一飼料，該飼料一方面與葉片之間有相對滑動，另一方面在螺旋葉片推力作用下有軸向運動。其運動速度可以根據(jù)速度矢量三角形求解得出。根據(jù)飼料顆粒運動速度圖的分析，飼料的移動速度為：

v1=vfcos(a+φ)

(1)

其中:

(2)

(3)

因此，

(4)

式中：v1—軸向運動速度，m/s;vf—飼料實際運動速度，m/s;φ—飼料與金屬摩擦角，°；v0—x點的線速度，m/s；vn—不計摩擦時飼料的絕對速度，m/s；α—螺旋葉片升角，葉片半徑ρ的函數(shù)，而同一橫斷面上葉片各點的ρ值不同，故a不同，v1亦不同；S—螺旋葉片的螺距，m，對于滿面葉片絞龍，本設(shè)計選用0.04；n—絞龍轉(zhuǎn)速，r/min。

圖3　飼料運動示意圖

1.4　拋撒裝置

拋撒裝置由步進電機、棘輪、撒料盤組成，上料絞龍到達頂端時，通過在套筒上開出3個面積相等的孔，飼料通過開孔進入撒料盤(圖4)。

圖4　絞龍出口及撒料盤示意圖

棘輪控制撒料盤的單向旋轉(zhuǎn)，防止絞龍因反轉(zhuǎn)而導致撒料裝置不能正常工作。步進電機控制撒料盤的轉(zhuǎn)速，進而控制飼料拋撒直徑和拋撒量，根據(jù)實際養(yǎng)殖需要調(diào)整投喂量。通過理論計算和多次試驗，選用轉(zhuǎn)速300 r/min、功率100 W的電機。撒料盤承接送料絞龍輸送的飼料，通過一定的轉(zhuǎn)速將飼料均勻地拋撒在水面。

1.4.1撒料盤設(shè)計分析

為了更好地讓飼料從撒料盤上拋撒出去，撒料盤設(shè)置了8個擋板。為便于分析，在幾種不同速率下，對投飼撒料裝置模型進行如下簡化處理：飼料顆粒都是球形；飼料顆粒落到撒料盤上沒有跳動和滾動，只有滑動；飼料顆粒落到撒料盤上只有單層，不會相互疊加[21]。根據(jù)實際需要，飼料顆粒直徑分別為1 mm、2.5 mm和3 mm。對飼料顆粒在撒料盤上的運動進行分析，當飼料顆粒從輸送絞龍出來落入撒料盤時，初始速度可以假定為零，當撒料盤相對飼料顆粒轉(zhuǎn)動時，飼料顆粒便會很快接觸到撒料盤隔板，因此根據(jù)慣性理論，飼料顆粒受到慣性力、離心力、摩擦力和擋板的支撐力，飼料顆粒受力不能達到平衡。飼料顆粒在落到撒料盤上時的受力可以分解為徑向和切向。為簡化分析，主要考慮飼料顆粒在撒料盤受到的滑動摩擦力。

(5)

(6)

(7)

由于圓盤被分成8等分，飼料顆粒運動受到中間隔板對顆粒的影響，運動顆粒分為不接觸隔板而做離心運動自由撒落的顆粒和在撒料盤上接觸到隔板后沿著隔板撒落的顆粒，在慣性作用下，大部分顆粒沿著擋板向外做加速運動，則顆粒離開撒料盤后的運動方程為：

(8)

S=vt

(9)

式中：h—撒料盤距離承料面的豎直高度，m；g—地球重力加速度，m/s2；t—飼料顆粒作平拋運動的時間，s。S—飼料顆粒在離開撒料盤后運動的水平距離，m；v—飼料顆粒飼料離開撒料盤時的初始速度，m/s。

式(8)、(9)表明，從相同的高度h落下，飼料顆粒離開撒料盤所達到的最遠距離S由其離開撒料盤的初始速度決定，而由式(5)～(7)可知，飼料顆粒離開撤料盤的初始速度受到離心力、慣性力和摩擦力的影響。因此，可以認為，顆粒離開撒料盤所達到的最遠距離與撒料盤轉(zhuǎn)速、直徑等有關(guān)。因此，在撒料盤直徑一定的情況下，通過調(diào)節(jié)撒料盤轉(zhuǎn)速，可使飼料顆粒拋撒出去時所獲得的初始速度不同，進而可以調(diào)節(jié)拋撒半徑。根據(jù)實際生產(chǎn)需要，可以設(shè)計直徑不同的撒料盤，配合電機轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)更大投飼半徑范圍的調(diào)節(jié)。

2　投飼裝置主要設(shè)計參數(shù)確定

2.1　送料絞龍直徑

按照最大投飼量的設(shè)計要求，料倉滿載時體積為0.08 m3，需要20 min內(nèi)完成一次投飼。根據(jù)對絞龍軸的撓度和剛度計算，設(shè)計絞龍軸半徑為10 mm。實際工作中通常不考慮物料軸向阻滯的影響，因而飼料的流通量可用下面簡化公式計算：

(10)

V=Qrnt

(11)

聯(lián)立上述2個方程得出：

(12)

式中：v—物料軸向速度，m/r，本設(shè)計選用0.04 m/r；n—絞龍轉(zhuǎn)速，r/min，按照200 r/min計算；Qr—絞龍橫斷面上每轉(zhuǎn)能通過的飼料流量，m3/r；ψ—充滿系數(shù)，據(jù)試驗，豎直絞龍的充滿系數(shù)約為0.3；V—料倉體積，m3；t—投飼時間，s；r0—絞龍軸半徑，mm；r—絞龍半徑,mm。計算得出r最小為25.1 mm，即最小直徑50.2 mm。

因此設(shè)計絞龍葉片直徑為54 mm。根據(jù)與儲料箱的設(shè)計尺寸互相配合，絞龍高度設(shè)計為660 mm。

2.2　儲料箱參數(shù)分析

根據(jù)實際養(yǎng)殖的需要，一般0.33 hm2的養(yǎng)殖蟹、蝦塘，其投飼量每天最大約為60 kg，根據(jù)每天最大投飼量時分3次投喂，因此每次料箱容納飼料(350 kg/m3)需20 kg以上，綜合考慮設(shè)計移動投飼料箱0.08 m3。在養(yǎng)殖前期蟹、蝦個體體積較小的情況下，裝一次料可滿足一天的投喂量。在蟹、蝦的成長期，料箱容量仍可滿足一次投喂的需求。

投飼料箱采用上方為圓柱狀，下方為圓錐體的形式，要求投飼結(jié)束后殘余飼料盡量少，但是圓錐體料筒與水平面角度過大則會導致重心過高，進而使得投飼機構(gòu)在移動投飼過程中發(fā)生傾倒。經(jīng)過設(shè)計及試驗分析發(fā)現(xiàn)，當料倉圓錐體錐角為100°時，料箱中仍有3 kg的飼料堆積，而當調(diào)整到80°時，堆積情況得到了極大改善。研究表明，同一種飼料，錐角為80°時，殘余飼料僅為0.5 kg，且重心在合理范圍內(nèi)，使浮船在水面上的穩(wěn)定性得到提高。

3　試驗與分析

3.1　樣機試驗

該裝置于2017年8月在中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所泖港中試基地完成各項功能測試。測量得知，撒料盤距離水面距離為0.62 m。選用了3種不同直徑的常用顆粒飼料，顆粒直徑分別為3 mm(飼料1)、2.5 mm(飼料2)、1 mm(飼料3)，其中，飼料1為膨化顆粒飼料，密度較小。根據(jù)試驗大綱，對每一種飼料進行撒料盤轉(zhuǎn)速與投飼半徑關(guān)系的試驗。隨后，對其基本參數(shù)進行對比試驗，將每一種撒出去的飼料收集起來，用20目網(wǎng)篩對破碎顆粒飼料篩選，進行稱重和飼料總量相除后乘以100%，得出破碎率。每一種飼料試驗結(jié)束后，將料箱剩余飼料倒出做殘飼量對比，將剩余飼料稱重和總飼料相除后乘以100%，得出殘飼率。

3.2　基本性能參數(shù)試驗與分析

試驗過程中，投飼機運行平穩(wěn)、工作安全可靠。通過對不同種類的飼料進行試驗，結(jié)果如圖5和表1所示。

根據(jù)圖5可知，通過對撒料盤轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，飼料投飼直徑在1.2～5.8 m，當轉(zhuǎn)速在調(diào)節(jié)到220 r/min時，飼料1投飼直徑達到2.8 m，飼料2投飼直徑3.6 m，飼料3投飼直徑達到5.8 m；當轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到100 r/min時，飼料投飼直徑相差不大，在1.2～1.8 m。3種不同直徑的飼料顆粒之間存在差異，主要原因是飼料顆粒密度、體積不同。飼料1密度小、體積大，計算時沒有考慮空氣阻力的影響，當飼料顆粒離開撒料盤做平拋運動，顆粒體積較大時，空氣阻力的影響便不能忽略，因此出現(xiàn)圖5中兩種體積相近但密度不同的飼料顆粒在相同轉(zhuǎn)速下投飼半徑出現(xiàn)較大差異。蟹、蝦幼苗期要求投飼半徑較大，飼料應大范圍均勻投飼；隨著蟹、蝦的生長，其活動區(qū)域越來越大，飼料投飼區(qū)間也可以相對減小，通過控制行走機構(gòu)的行走速度來控制投飼區(qū)域的投飼量。該裝置的投飼半徑也符合蝦、蟹的生長特性，具有一定使用價值。

由表1可知，在轉(zhuǎn)速220 r/min下，按每種飼料10 kg量進行投飼試驗，3種飼料顆粒破碎率分別為1.08%、1.7%、0.46%，該移動投飼裝置平均破碎率在1%左右；殘飼率在2%～8%，裝置工作功率在19.2～33.6 W，表明該裝置對于不同種類顆粒飼料功率變化較為穩(wěn)定，且遠低于所選電機額定功率。

圖5　3種飼料在不同轉(zhuǎn)速下的投飼半徑

項目顆粒直徑/mm投飼量/kg殘飼量/kg殘飼率/%破碎量/kg破碎率/%工作電流/A工作電壓/V功率/W飼料13100.220.1081.080.92421.6飼料22.5100.880.171.700.82419.2飼料31100.770.0460.461.42433.6

4　結(jié)論

池塘移動式投飼裝置體積小，便于組裝移動，適合大中型養(yǎng)殖池塘進行飼料投喂，克服了定點投喂中存在的拋撒不均勻、拋撒面積小等缺陷，可減少大型投飼裝置的資金投入，實現(xiàn)半自動化投喂，降低人工成本。該裝置可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)，以滿足不同大小池塘的養(yǎng)殖需要，提高飼料利用率，并且具有較高的實用性和科學性，適宜向廣大養(yǎng)殖池塘推廣使用。

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