程斌斌，張成林，吳 凡，吳陳波，黃 達

CHENG Bin-bin1,2 , ZHANG Cheng-lin2, WU Fan2, WU Chen-bo1,2, HUANG Da1,2

（1.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306；2.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點實驗室，上海 200092）

0 引言

步入21世紀以來，隨著人口增長與生活水平的提高，糧食不足、環(huán)境惡化與資源短缺成為了全球性的問題[1]。地球所有生物物種的三分之二生存在水域中，其中的可食用種類是解決糧食危機的重要潛在資源。為了滿足人口增長對食物的需求，世界各國逐漸開始重視漁業(yè)資源的開發(fā)。隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和漁業(yè)生產(chǎn)專業(yè)化與社會化的發(fā)展，中國已經(jīng)成為世界漁業(yè)強國之一，漁業(yè)已經(jīng)成為中國國民經(jīng)濟的重要組成部分。中國水產(chǎn)品總產(chǎn)量近十年來持續(xù)增長，2017年中國全國水產(chǎn)品總產(chǎn)量6900萬噸，其中養(yǎng)殖產(chǎn)量5156萬噸，占總產(chǎn)量的74.7%，同比增長4.4%[2]。

魚類的起捕是漁業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)。無論是水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)中魚類的換池、分級、放養(yǎng)和起捕，還是漁業(yè)捕撈生產(chǎn)中的起捕、轉(zhuǎn)運，均對魚體無損率有較高要求[3～5]。魚種的起魚技術(shù)是魚類養(yǎng)殖及運轉(zhuǎn)過程不可或缺的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)前，中國國內(nèi)主要仍采用人工起魚的方式,人為操作存在勞動強度大，魚體損傷大等弊端。

劉平等[6,7]，運用ANSYS CFX對離心式吸魚泵模型的內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬與仿真，并針對吸魚泵的葉輪進行了優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了新型吸魚泵的研發(fā)。王偉[8]等人通過利用流體軟件FLUENT對離心式吸魚泵進行研究，發(fā)現(xiàn)離心式吸魚泵具有較強的傳輸能力，但是在進魚管和葉輪彎道處的壓力過于集中，魚體損傷率較大；蘇玉香[9]等人設(shè)計的雙機雙筒吸魚泵魚是在真空式吸魚泵基礎(chǔ)上設(shè)計出來的，魚體損率較低，提魚效率也較高，但是存在設(shè)備龐大，功耗高，操作不便等問題。黃道沛等[10]對射流式吸魚泵進行了理論分析，結(jié)合真空式吸魚泵的優(yōu)點提出了改進方案，提高了射流式吸魚泵流速，減小了輸送壓力，優(yōu)化了射流式吸魚泵的性能，但是由于吸魚泵體積龐大，能耗過高，操作不便，魚損率較高等問題，無法在起捕作業(yè)中推廣應(yīng)用[11,12]。江濤[13]等人針對池塘養(yǎng)魚設(shè)計了機械拖網(wǎng)捕魚系統(tǒng)，拖網(wǎng)得魚率達到64.5%，大大降低了勞動強度，然而該捕魚系統(tǒng)設(shè)備多，價格貴，占地面積大，直接限制了應(yīng)用與推廣。田昌鳳[14]發(fā)明的一種單軌起魚輸送機，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，效率高，但是設(shè)備龐大，安裝復(fù)雜，操作不便。張文源和馬俊國[15]在1987年基于阿基米德螺旋泵結(jié)構(gòu)，研制了虹鱒魚提魚機，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，但是研究參數(shù)單一，樣機的提魚效率過低，無法滿足當(dāng)代需求。

文章在總結(jié)前期研究的基礎(chǔ)上，研制出一種成本低廉，效率較高，魚損率較低的提魚裝置，以代替人工起魚的方式，減輕勞動強度，實現(xiàn)漁獲提升的機械化與自動化。

1 總體結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

1.1 樣機結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)參數(shù)

螺旋提魚裝置主要由電機、減速機、動力裝置、底盤、主體支架和螺旋葉片構(gòu)成，如圖1所示。電機和減速機通過螺栓固定在機架的放置架上。螺旋提魚裝置的主體支架與行走裝置通過轉(zhuǎn)動連接器連接，以保證可以自由調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)筒角度。主體轉(zhuǎn)筒前端安裝有擴大套筒，以達到更好的聚魚效果，提高提魚效率。

圖1 螺旋提魚裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 螺旋提魚裝置運行圖

螺旋提魚裝置工作時，行走機構(gòu)到達養(yǎng)魚池一端適當(dāng)位置，一名捕撈工人先調(diào)節(jié)角度，將主體轉(zhuǎn)筒調(diào)整至一定角度，使螺旋葉片前端浸沒水中。然后兩個人用拉網(wǎng)將魚趕到安放螺旋提魚裝置的一端。接著打開電機電源，通過減速機調(diào)整轉(zhuǎn)速。當(dāng)電動機通過鏈條帶動泵軸轉(zhuǎn)動時，螺旋葉片一方面繞泵軸旋轉(zhuǎn)，另一方面它又沿外部套筒的內(nèi)表面旋轉(zhuǎn)，于是形成泵的密封腔室。螺旋葉片每轉(zhuǎn)一周，密封腔內(nèi)的魚和水向前推進一個螺距，隨著螺桿的連續(xù)轉(zhuǎn)動，魚和水以螺旋形方式從一個密封腔推入另一個密封腔，最后在出口處落入盛魚容器中[16]。該裝置可以連續(xù)作業(yè)，且方便移動。整個起魚作業(yè)過程僅需兩人即可完成，相對傳統(tǒng)的起魚方式需要8人的情況[17]，大大節(jié)省了人力、降低了勞動強度、提高了效率。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)魚類起捕的實際需求以及地形條件等因素，確定了螺旋提魚裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 螺旋提魚裝置主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部位設(shè)計

2.1 動力裝置

機械傳動方式主要分為兩類：一是靠機件間的摩擦力傳遞動力的摩擦傳動，主要類型有帶傳動、摩擦輪傳動以及繩傳動等。摩擦傳動的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、過載可以打滑（可防止設(shè)備中重要零部件的損壞），以及能無級改變傳動比，但由于運轉(zhuǎn)中有滑動、傳動效率低、結(jié)構(gòu)尺寸較大、作用在軸和軸承上的載荷大等缺點，故只宜用于傳遞動力較小的場合；二是靠主動件與從動件嚙合或借助中間件嚙合傳遞動力或運動的嚙合傳動，主要類型有鏈傳動、齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動等，相對于摩擦傳動，嚙合傳動的傳動比更加準確，要求較高的制作精度和安裝精度。

根據(jù)螺旋提魚裝置的設(shè)計要求，電機軸與螺旋葉片中心軸距離較遠，并且在設(shè)備實際應(yīng)用時環(huán)境較為惡劣，故驅(qū)動機構(gòu)采用鏈傳動方式，利用其可用在高溫、重載、低速、塵埃較大的環(huán)境并且適合較遠兩軸間的傳動，能夠保證準確的傳動比，傳遞功率較大，并且作用在軸上的力較小，傳動效率高的優(yōu)點。

驅(qū)動裝置包括電機、減速機、鏈條、齒輪等。齒輪分別安裝在減速機軸與螺旋葉片軸上，通過鏈條由減速機向螺旋葉片傳遞動力。

圖3 驅(qū)動裝置示意圖

電機功率：

式中：γ為魚水混合物單位體積重量1472kg·m-3；Q為提升流量，經(jīng)公式計算后為5.17L·s-1；H為提升高度，為0.85m；η為螺旋泵效率，為 0.81；η為減速機效率，為 0.9。（1+μ）為安全系數(shù)，μ=0.2。故計算得電機的額定功率為1.48w，根據(jù)市場銷售的電機規(guī)格，選擇1.5kw的四級交流電機。

2.2 底盤

底盤裝置主要功能是在載重260kg的情況下，將螺旋提魚裝置移動至提魚作業(yè)附近位置。它與主體轉(zhuǎn)筒通過轉(zhuǎn)動連接件連接，在支撐起主體轉(zhuǎn)筒的同時還可以使其改變傾角。行走裝置主要包括軸承、底盤支架、上支架等。如圖4所示，底盤安裝有螺旋提升裝置，可根據(jù)實際需求調(diào)節(jié)主體轉(zhuǎn)筒的傾斜角度，調(diào)節(jié)范圍為0～50°，滿足試驗要求。

圖4 底盤示意圖

2.3 螺旋葉片

螺旋葉片是影響魚體損傷率和提升速度的重要部件之一。螺距與外徑?jīng)Q定了螺旋提魚裝置的內(nèi)部空間大小，影響提升能力。同時，螺距也決定了螺旋升角，影響入口處魚體損傷率。該試驗研究螺旋葉片的螺距、外徑和轉(zhuǎn)速的改變對魚體損傷率和提升速度的影響。內(nèi)外徑比一般在0.5左右[13]，在該研究中不僅要保證提升能力也要考慮機械加工水平，故將內(nèi)外徑比定為為0.35。螺旋葉片外徑與螺距的選擇與魚體的大小有關(guān)，本次試驗用魚尾體長10到15cm的鯽魚（Crucian），故將匹配外徑320～380mm，螺距250～350mm。根據(jù)張文源與馬俊國的研究報告[12]，螺旋葉片轉(zhuǎn)速的研究范圍定為40～80轉(zhuǎn)/分較為合適。此外，根據(jù)文獻[13]，葉片厚度為3mm較為合適。為了保證提升效率，頭數(shù)定為2。

圖5 螺旋葉片示意圖

3 樣機試驗及結(jié)果分析

3.1 提魚試驗

該螺旋提魚裝置經(jīng)過設(shè)計、制造和安裝調(diào)試，于2018年在中國水產(chǎn)科學(xué)研究院工業(yè)化養(yǎng)殖中試基地開展試驗研究，如圖6所示。研究的參數(shù)有：螺旋葉片螺距、螺旋葉片直徑和螺旋葉片轉(zhuǎn)速。主要的性能指標為：魚體損傷率和提升速度。

試驗中，螺旋提魚裝置運行穩(wěn)定、噪聲小、工作安全可靠，無需事前安裝，僅需一人將設(shè)備推至試驗地點即可。試驗記錄具有不同設(shè)計參數(shù)的螺旋提升裝置分別在三種轉(zhuǎn)速情況下的提升速度與損傷率，每組試驗做三次，取平均值作為參考數(shù)據(jù)。

圖6 樣機試驗

3.2 試驗結(jié)果分析

傳輸速度與損傷率統(tǒng)計圖如下圖所示。

圖7 速度-損傷率圖

通過對比圖7的三幅子圖可知，提升速度隨外徑增大而增大，但外徑在380mm與440mm兩種情況下的傳輸能力相差不大。說明傳輸能力在外徑380mm左右時到達最佳。損傷率在380mm時達到最低。

螺距對提升速度與損傷率影響較小，相比之下外徑的影響較大。轉(zhuǎn)速在300mm時損傷率最小，所以并非螺距越大螺旋提魚裝置的性能越好。

提升速度與損傷率在轉(zhuǎn)速為50r·min-1～60r·min-1時呈現(xiàn)增長趨勢但并不明顯。在70r·min-1時損傷率大大增加。說明轉(zhuǎn)速對提升速度的影響較小，且高轉(zhuǎn)速將大大增加損傷率。

4 結(jié)語

與其他提魚裝置相比，在魚體損傷率方面：真空式吸魚泵由于存在葉輪，不可避免地會對魚體有較大損傷；真空式吸魚泵與射流式吸魚泵是利用負壓原理將魚體抽吸上來，相比離心式吸魚泵，損傷率較小。螺旋提魚裝置具有較低的魚體損傷率。該研究通過圖像識別技術(shù)對魚體損傷進行檢測，比傳統(tǒng)人工查看更具可靠性。這是與真空雙筒活魚提升機[18]的損傷率有差距的原因之一。

在提升速度方面：各種吸魚泵都具有較快的提升速度，相比之下螺旋提魚裝置與單軌起魚輸送機的提升速度較慢，但是二者都能滿足漁業(yè)起捕的要求。

在整體結(jié)構(gòu)與使用方便性方面：離心式吸魚泵整體性好，安裝較為方便[19]。真空式吸魚泵與射流式吸魚泵的體積龐大，工作平臺面積較大。單軌起魚輸送機結(jié)構(gòu)簡單，但是較為龐大，需要卡車運輸移動，且預(yù)安裝過程較為復(fù)雜，所需作業(yè)人員較多。螺旋提魚裝置結(jié)構(gòu)簡單，整個作業(yè)過程僅需兩人，無需預(yù)安裝，移動便捷。

螺旋提魚裝置結(jié)構(gòu)簡單、成本低，成功解決了活魚收獲過程中人工起魚強度大、魚體損傷率大、效率低下的問題。設(shè)備操作方便，僅需兩人即可。該研究表明：螺旋起魚裝置在轉(zhuǎn)速為60r·min-1、外徑為380mm、螺距為300mm時工作運行平穩(wěn)，損傷率較低、傳輸能力較強。工作效率較傳統(tǒng)人工起魚提高一倍。

試驗數(shù)據(jù)顯示，螺旋提魚裝置的提升速度未達到最大程度，仍需進一步對設(shè)計參數(shù)進行研究。筆者研究發(fā)現(xiàn)魚體損傷大多發(fā)生在入口處，該設(shè)備的損傷率較大，未達到魚體無損的預(yù)期目標，需要對進魚口的流體狀態(tài)進行研究。