陳曉龍，田昌鳳，劉興國(guó)，黃一心，車(chē) 軒，楊家朋，洪 揚(yáng)

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

近年來(lái)，隨著水產(chǎn)品需求量的不斷增加，活魚(yú)捕撈也逐漸成為重要的環(huán)節(jié)[1]，傳統(tǒng)人工的方法具有勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、魚(yú)類(lèi)死亡率高等缺點(diǎn)[2]，活魚(yú)起捕裝備是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵[3]。遠(yuǎn)洋漁業(yè)捕撈中吸魚(yú)泵的使用可大大提高機(jī)械化、自動(dòng)化水平，有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提升漁獲物品質(zhì)，提高捕撈效率。另外，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的快速發(fā)展，無(wú)論是大規(guī)模的池塘養(yǎng)殖還是網(wǎng)箱養(yǎng)殖，特別是大型深水網(wǎng)箱，活魚(yú)捕撈作業(yè)機(jī)械化問(wèn)題越來(lái)越凸顯[4-5]。當(dāng)魚(yú)苗養(yǎng)殖到成魚(yú)時(shí)，必須適時(shí)地將其捕撈上岸，以保證養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益，如果沒(méi)有合適快速的機(jī)械化捕魚(yú)裝備，將大大影響生產(chǎn)效益[6-7]。因此，作為活魚(yú)起捕裝備的吸魚(yú)泵，具有較大的市場(chǎng)空間[8-9]。

本研究就吸魚(yú)泵國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹與分析，以期推進(jìn)吸魚(yú)泵在國(guó)內(nèi)的普及應(yīng)用，提高漁業(yè)裝備的現(xiàn)代化水平。

1 吸魚(yú)泵的類(lèi)型及工作原理

吸魚(yú)泵的種類(lèi)繁多，按照工作原理大致可分為：射流式吸魚(yú)泵、離心式吸魚(yú)泵、潛水式吸魚(yú)泵和真空式吸魚(yú)泵等[10]。

射流式吸魚(yú)泵 是利用高速流動(dòng)的水流從噴嘴射出產(chǎn)生負(fù)壓，魚(yú)水最終由排魚(yú)管排出[11-12]。射流式吸魚(yú)泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相對(duì)成本低，由于無(wú)葉輪，其損傷率相對(duì)較小。但容易產(chǎn)生氣蝕，加工難度較大，能量轉(zhuǎn)換效率低。一般應(yīng)用于大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖中。

離心式吸魚(yú)泵 是利用液壓原理驅(qū)動(dòng)離心泵體內(nèi)葉片的高速運(yùn)轉(zhuǎn)形成負(fù)壓進(jìn)行吸魚(yú)[13]。其能量轉(zhuǎn)換效率高，可吸捕較重個(gè)體成魚(yú)，但由于魚(yú)要經(jīng)過(guò)葉片的高速旋轉(zhuǎn)作用，魚(yú)體受到的損傷較大，死亡率也較高。一般應(yīng)用于網(wǎng)箱養(yǎng)殖和遠(yuǎn)洋漁船的裝卸。

潛水式吸魚(yú)泵 是將吸魚(yú)泵沉于水下，利用負(fù)壓原理進(jìn)行活魚(yú)抽吸。該泵具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、效率高，不需配用大量的加強(qiáng)吸入管，且具有占用甲板面積小、質(zhì)量輕、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用較廣；其缺點(diǎn)是揚(yáng)程較低，造價(jià)較高。因此，捕撈船、基地船和運(yùn)輸船等應(yīng)用較多。

真空式吸魚(yú)泵 又可以分為間歇式真空吸魚(yú)泵和連續(xù)式真空吸魚(yú)泵。1)間歇式真空吸魚(yú)泵一般是單罐間歇式工作，根據(jù)需要吸取漁獲的多少，循環(huán)往復(fù)完成吸魚(yú)工作[14]。由于其工作效率低，能量損耗大，有將近一半的無(wú)功損耗，而且對(duì)魚(yú)體會(huì)有不同程度的損傷，因此其使用范圍具有一定的局限性。但其制造成本低，操作方便，質(zhì)量輕，運(yùn)輸及安裝方便。因此該類(lèi)型吸魚(yú)泵主要用于連續(xù)工作時(shí)間短，捕魚(yú)量較少的淡水池塘養(yǎng)殖或工廠化養(yǎng)殖中。2)連續(xù)式真空吸魚(yú)泵一般運(yùn)用兩個(gè)泵體交替工作，實(shí)現(xiàn)不間斷連續(xù)吸魚(yú)、排魚(yú)[15]。由于采用負(fù)壓原理，可以一定程度降低其損傷率。其效率是傳統(tǒng)的單筒間歇式吸魚(yú)泵吸魚(yú)效率的1.5倍以上，可以有效解決間歇式真空吸魚(yú)泵存在的效率低、功耗大的問(wèn)題。但其制造成本高，安裝及運(yùn)輸難度較大。因此該類(lèi)型吸魚(yú)泵一般用于工作時(shí)間長(zhǎng)、捕魚(yú)量比較大的拖網(wǎng)、圍網(wǎng)，捕魚(yú)碼頭卸魚(yú)以及網(wǎng)箱活魚(yú)的起捕等。

2 國(guó)內(nèi)吸魚(yú)泵研究進(jìn)展

隨著漁業(yè)裝備的不斷發(fā)展，各科研院所不斷進(jìn)行吸魚(yú)泵的研發(fā)，開(kāi)發(fā)出不同結(jié)構(gòu)形式的吸魚(yú)泵[16]。

基礎(chǔ)研究方面 劉平等[13]主要通過(guò)流體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)離心式吸魚(yú)泵的葉輪進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，設(shè)計(jì)模型并驗(yàn)證其可行性。同時(shí)將設(shè)計(jì)的吸魚(yú)泵與流體力學(xué)相結(jié)合并進(jìn)行仿真模擬，成功實(shí)現(xiàn)了吸魚(yú)泵產(chǎn)品快速優(yōu)化的目的。楚樹(shù)坡等[16]基于SolidWorks對(duì)雙流道吸魚(yú)泵的三維實(shí)體造型進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，為深度開(kāi)展雙流道吸魚(yú)泵的研究提供了理論依據(jù)。楊楠楠[17]設(shè)計(jì)了一種吸魚(yú)泵用進(jìn)魚(yú)管道防堵塞結(jié)構(gòu)，能夠?qū)烊朐谒械碾s物進(jìn)行攔截，同時(shí)能夠?qū)Ⅳ~(yú)表面的雜物掃除，有效防止了吸魚(yú)泵在工作時(shí)，大量的雜物堆積在吸魚(yú)泵的內(nèi)部造成其堵塞，增強(qiáng)了吸魚(yú)泵裝置的實(shí)用性。徐英士[18]對(duì)真空吸魚(yú)泵的閥體進(jìn)行了逐一設(shè)計(jì)分析，為吸魚(yú)泵的系統(tǒng)優(yōu)化提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

遠(yuǎn)洋捕撈方面 秋刀魚(yú)作業(yè)船一般都是使用真空旋轉(zhuǎn)式無(wú)葉片吸魚(yú)泵[19]，該吸魚(yú)泵由于采用無(wú)葉片設(shè)計(jì)，大大降低了魚(yú)體損傷率。隋闖等[20]針對(duì)南太平洋捕撈竹莢魚(yú)的大型拖網(wǎng)漁船設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種可直接從大型遠(yuǎn)洋拖網(wǎng)漁船網(wǎng)囊取魚(yú)的吸魚(yú)泵，該泵是一種經(jīng)液壓方式驅(qū)動(dòng)的軸流式吸魚(yú)泵，吸魚(yú)口直徑較大，抽吸量高達(dá)300～500 t/h。該吸魚(yú)泵吸魚(yú)速度快、吸魚(yú)效果好，避免了網(wǎng)囊拖至甲板的復(fù)雜操作過(guò)程和網(wǎng)囊在甲板上的拖曳，減少了網(wǎng)具的破損率。周重光等[21]運(yùn)用功能原理系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方法也進(jìn)行了拖網(wǎng)加工漁船吸魚(yú)泵的設(shè)計(jì)制造，吸魚(yú)泵可抽吸體質(zhì)量為1 kg左右的鮮活海淡水魚(yú)類(lèi)而無(wú)損傷，抽吸量為15～20 t/h，該吸魚(yú)泵價(jià)格適中，比國(guó)外同規(guī)格吸魚(yú)泵便宜一半以上，合適推廣應(yīng)用。

水產(chǎn)養(yǎng)殖捕撈方面 為實(shí)現(xiàn)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖漁獲物的起捕，關(guān)長(zhǎng)濤等[22]優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種大型網(wǎng)箱射流式吸魚(yú)泵。該吸魚(yú)泵功率較高，安裝于甲板上，能夠吸較大體型的活魚(yú)。因此該吸魚(yú)泵一般適合大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖場(chǎng)中，其經(jīng)濟(jì)效益較高。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所等研制的雙聯(lián)式真空吸魚(yú)裝置[23]，主要用于淡水養(yǎng)殖池塘的活魚(yú)吸捕，該裝置吸魚(yú)管道口徑較小、功率較大，容器采用不銹鋼材料，有效容積與垂直吸程主要針對(duì)淡水池塘養(yǎng)殖吸捕活魚(yú)，其容量有限，吸排魚(yú)過(guò)程對(duì)魚(yú)體基本無(wú)損傷。

智能控制方面 張召南等[24]基于力控組態(tài)對(duì)真空吸魚(yú)泵進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)出一套友好的人機(jī)操作界面。該系統(tǒng)更加智能，操作更加方便，提高了吸魚(yú)泵的工作效率和控制質(zhì)量。通過(guò)對(duì)深水網(wǎng)箱的捕魚(yú)研究，采用方便、實(shí)用的力控組態(tài)，更直觀顯示了自動(dòng)捕魚(yú)控制的全過(guò)程，更好完成了監(jiān)控系統(tǒng)。林雯雯等[25-26]同時(shí)也對(duì)吸魚(yú)泵的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，將PLC控制模塊作為系統(tǒng)控制的核心部件，完全替代了以前的繼電器過(guò)程控制組合的控制方式，優(yōu)化了電路的控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出適合中國(guó)漁船使用的自動(dòng)控制電路，進(jìn)一步提高了吸魚(yú)泵運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

3 國(guó)外吸魚(yú)泵研究進(jìn)展

由于吸魚(yú)泵具有機(jī)械化程度高、起魚(yú)效率高、操作人員少、操作方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[27-28]，在國(guó)外被廣泛應(yīng)用，關(guān)于其研究也越來(lái)越多，其功能也越來(lái)越強(qiáng)大，智能化水平也不斷提高。其中真空吸魚(yú)泵與離心式吸魚(yú)泵在國(guó)外發(fā)展較快，抽吸量也在不斷提高，抽吸速度與效率也成為其突破的重點(diǎn)。關(guān)于吸魚(yú)泵的研究也更加成熟，其主要運(yùn)用于遠(yuǎn)洋捕撈和水產(chǎn)養(yǎng)殖捕撈中[29-30]。

基礎(chǔ)研究方面 據(jù)文獻(xiàn)[31]，日本內(nèi)丸教授對(duì)離心吸魚(yú)泵表面的葉片進(jìn)行了壓力的測(cè)定和無(wú)黏性及有黏性的數(shù)值模擬工作，其研究主要集中在通過(guò)滑移網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的動(dòng)靜耦合分析方面和采用PIV測(cè)試技術(shù)的三維湍流方面，從而為降低吸捕活魚(yú)損傷率提供了一種有效方法，為今后吸魚(yú)泵的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

遠(yuǎn)洋捕撈方面 國(guó)外為遠(yuǎn)洋漁船設(shè)計(jì)研發(fā)的各種吸魚(yú)泵，最具代表性的是挪威MMC Tendos公司與SINTEF合作，為漁船提供一種全新的吸魚(yú)泵系統(tǒng)[32-33]，主要是對(duì)傳統(tǒng)吸魚(yú)泵進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)一種壓差的形式替代了傳統(tǒng)斗式泵的作用[34]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，避免了魚(yú)通過(guò)傳統(tǒng)斗式泵時(shí)被葉片刮傷，能更好保證魚(yú)的完整性；此外，新傳輸系統(tǒng)在運(yùn)送魚(yú)時(shí)將通過(guò)海水冷凍艙(RSW)，通過(guò)優(yōu)化該冷凍艙的形狀與內(nèi)部回流將更能發(fā)揮RSW的冷凍性能，提高了魚(yú)的品質(zhì)。該系統(tǒng)動(dòng)作穩(wěn)定可靠，試驗(yàn)效果好。

水產(chǎn)養(yǎng)殖捕撈方面 挪威、美國(guó)、丹麥、蘇聯(lián)、日本[35]等國(guó)網(wǎng)箱捕撈普遍使用吸魚(yú)泵，如美國(guó)ETI公司生產(chǎn)的網(wǎng)箱吸魚(yú)泵在其他各國(guó)廣泛應(yīng)用[36]，可以吸送鯰魚(yú)、鯛、鱸、羅非魚(yú)、鰻魚(yú)、鮭魚(yú)等魚(yú)。最大的抽吸量可以達(dá)到300～360 t/h，功率約190 kW，但價(jià)格昂貴，一般主要應(yīng)用于大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖企業(yè)中。美國(guó)ETI公司研制的吸魚(yú)泵用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)實(shí)現(xiàn)無(wú)損吸捕[37]，該裝置具有柔性的進(jìn)口和出口，采用了吸魚(yú)口專(zhuān)利技術(shù)，入口的單向閥門(mén)在抽吸循環(huán)過(guò)程中不會(huì)受到魚(yú)類(lèi)的干擾，能迅速地開(kāi)閉。加拿大CanaVac 公司設(shè)計(jì)了一套用于養(yǎng)殖捕撈的吸魚(yú)設(shè)備[38]，該裝置安裝了特種閥，可以防止魚(yú)體物理?yè)p傷，手工制作的軟橡膠平滑耐用，內(nèi)壁拋光使魚(yú)體溫和通過(guò)。魚(yú)體低速輕柔進(jìn)入泵體，不與葉輪、單向閥等活動(dòng)部件或高壓水流接觸，總是頭部或尾部離開(kāi)水箱，避免任何魚(yú)體碰撞損傷或死亡。上述兩套裝置都是通過(guò)優(yōu)化泵體結(jié)構(gòu)，從而大大降低了吸捕過(guò)程中的魚(yú)體損傷率。

智能控制方面 波蘭Wintec Polska公司研制的雙罐吸魚(yú)泵[39]，具有一個(gè)新的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)真空罐內(nèi)的水位和真空度，自動(dòng)控制吸魚(yú)、放魚(yú)等，進(jìn)入水箱的魚(yú)類(lèi)不會(huì)被內(nèi)部閥件壓碎，該系統(tǒng)每小時(shí)的抽吸量可達(dá)到130～150 t，抽吸高度能夠達(dá)到7 m。冰島VAKI公司[40]研制的離心式吸魚(yú)泵可以對(duì)鮭魚(yú)、羅非魚(yú)等進(jìn)行溫和快速的轉(zhuǎn)移，并擁有多種功能，如配備計(jì)數(shù)裝置、魚(yú)水分離器和稱(chēng)重功能等，而且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕巧，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝和移動(dòng)，從而可以適應(yīng)更加豐富的養(yǎng)殖環(huán)境。

國(guó)外關(guān)于吸魚(yú)泵的研究主要集中于優(yōu)化泵體結(jié)構(gòu)、降低魚(yú)體損傷率、提高工作效率和提升智能化控制系統(tǒng)等。國(guó)內(nèi)的吸魚(yú)裝備性能較國(guó)外還有相當(dāng)大的差距，國(guó)內(nèi)關(guān)于上述研究相對(duì)較少，研究的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和工作原理變化不大?？傮w上，國(guó)內(nèi)吸魚(yú)泵的抽吸量相對(duì)較小，基本在100 t/h以下；大多只用于吸捕，功能較單一；自動(dòng)化水平仍然不高，魚(yú)體損傷率也有待提高。

4 研究建議

4.1 降低魚(yú)體損傷率

離心式、射流式和真空式吸魚(yú)泵，其最基本原理都是運(yùn)用罐體內(nèi)的負(fù)壓環(huán)境對(duì)魚(yú)體進(jìn)行抽吸，若控制不好負(fù)壓會(huì)對(duì)魚(yú)體產(chǎn)生較大損傷，但若負(fù)壓太小，又無(wú)法對(duì)活魚(yú)進(jìn)行抽吸，效率不高。如何把握好罐體內(nèi)的負(fù)壓成為設(shè)計(jì)吸魚(yú)泵的關(guān)鍵所在。因此，吸魚(yú)泵在設(shè)計(jì)時(shí)需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)。真空吸魚(yú)泵可以通過(guò)調(diào)節(jié)安全閥門(mén)控制真空度，一般魚(yú)水達(dá)到泵體3/4容積時(shí)開(kāi)始排魚(yú)較為理想，此時(shí)既能保證抽吸魚(yú)水的工作效率，又能避免一定的魚(yú)體損傷。離心式吸魚(yú)泵盡量采用旋轉(zhuǎn)式無(wú)葉片活魚(yú)吸魚(yú)泵。射流式吸魚(yú)泵可以盡量提高流速，縮短活魚(yú)停留時(shí)間，減少其損傷率。同時(shí)，需要提高罐體與各閥件的制作工藝，盡可能焊接完整，打磨光滑，避免此過(guò)程中引起對(duì)魚(yú)體的內(nèi)在損傷。因此，在吸魚(yú)泵未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，其設(shè)計(jì)的參數(shù)化、制造的精密性和安裝的準(zhǔn)確性是解決吸魚(yú)泵主要問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

4.2 提高吸魚(yú)泵的工作效率

吸魚(yú)泵應(yīng)用較多的是真空吸魚(yú)泵，工作效率相對(duì)較低是其弱項(xiàng)，因此需要綜合考慮適用場(chǎng)地，選擇合適的吸魚(yú)泵，盡量提高吸魚(yú)泵的連續(xù)抽、排魚(yú)時(shí)間，選擇合適的泵體與閥件，提高泵體的制造工藝。由于魚(yú)水比例需要控制在1∶1能達(dá)到最佳抽吸效果，因此需要控制魚(yú)水比例，在抽吸之前需要對(duì)魚(yú)群進(jìn)行適當(dāng)聚集，維持相對(duì)比例。當(dāng)抽吸后魚(yú)群減少時(shí)，抽吸效果變差，需要再次聚集魚(yú)群，維持高魚(yú)水比例，提高其工作效率。

4.3 增加吸魚(yú)泵的多功能性

水產(chǎn)養(yǎng)殖戶(hù)可結(jié)合自身情況，在吸魚(yú)泵的末端可增加多功能設(shè)備。如養(yǎng)殖中可增加魚(yú)類(lèi)提升裝置和計(jì)數(shù)裝置，實(shí)現(xiàn)魚(yú)類(lèi)快速運(yùn)輸，從而保證其存活率，增加其經(jīng)濟(jì)效益。在捕撈環(huán)節(jié)上增加分級(jí)和稱(chēng)重裝置，實(shí)現(xiàn)吸魚(yú)、分級(jí)、稱(chēng)重等一體化工作，使整個(gè)過(guò)程更加緊湊，安全環(huán)?？沙掷m(xù)。在遠(yuǎn)洋捕撈方面，可增加太陽(yáng)能、風(fēng)能等動(dòng)力裝置，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。在加工環(huán)節(jié)可增加魚(yú)水分離裝置和干燥裝置，實(shí)現(xiàn)魚(yú)肉快速存儲(chǔ)和運(yùn)輸，從而保證其加工品質(zhì)。因此，針對(duì)不同流通環(huán)節(jié)增加其功能性，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)更具有實(shí)用性和創(chuàng)新性的吸捕設(shè)備，可大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提升工作效率。

4.4 提高吸魚(yú)泵的智能化水平

隨著科技水平的不斷提高，吸魚(yú)泵的研制進(jìn)入了快速發(fā)展的階段[41]，節(jié)約勞動(dòng)成本，提高智能化水平已成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[42-43]。針對(duì)吸魚(yú)泵操作方法，開(kāi)發(fā)電腦、手機(jī)、語(yǔ)音等多平臺(tái)操作系統(tǒng)，使整個(gè)操作方便快捷，滿(mǎn)足不同養(yǎng)殖戶(hù)的需求。針對(duì)吸魚(yú)泵控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)智能控制平臺(tái)自動(dòng)完成整個(gè)吸魚(yú)工作，包括吸捕時(shí)間、吸捕速度和吸魚(yú)數(shù)量。針對(duì)吸魚(yú)泵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)智能監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)多方位傳感器自動(dòng)監(jiān)測(cè)泵體內(nèi)魚(yú)水比例及泵體內(nèi)壓力，并通過(guò)其他控制元件控制泵內(nèi)壓力以達(dá)到降低魚(yú)體損傷率的目的。使吸魚(yú)泵做到設(shè)計(jì)參數(shù)化、控制智能化、操作簡(jiǎn)單化，從而更好地促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)機(jī)械化、智能化。

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