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        基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計應(yīng)用*

        2021-09-15 05:38:58劉思源黃林琪范桂兵朱庭琨陳伯豪俞國燕
        機械研究與應(yīng)用 2021年4期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備

        劉思源,黃林琪,范桂兵,朱庭琨,陳伯豪,俞國燕

        (廣東海洋大學(xué),廣東 湛江 524088)

        0 引 言

        在海水養(yǎng)殖中,有很多不同的養(yǎng)殖方式,其中網(wǎng)箱養(yǎng)殖是一種重要的養(yǎng)殖方式,包括近海網(wǎng)箱和深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖,海下的環(huán)境相對于陸地的環(huán)境而言,更加復(fù)雜,因此在未來,無論是普通的近海網(wǎng)箱養(yǎng)殖還是近年來不斷發(fā)展的深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖都需要往智能化、自動化、環(huán)保節(jié)能高效等方向發(fā)展,而智能化、自動化的發(fā)展往往依靠養(yǎng)殖生產(chǎn)模式和配套設(shè)施,因此在我國網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與現(xiàn)代化的海洋設(shè)施養(yǎng)殖生產(chǎn)模式的發(fā)展緊密相關(guān)[1]。而且,在網(wǎng)箱養(yǎng)殖的過程中,網(wǎng)箱上的網(wǎng)衣常常會因為海洋中的浮游動植物的附著滋長而影響網(wǎng)箱內(nèi)外的水體交換,更嚴重的是長時間的附著會損壞網(wǎng)箱網(wǎng)衣,需要進行網(wǎng)衣更換作業(yè),增加網(wǎng)箱養(yǎng)殖的成本[2],因此對于網(wǎng)箱養(yǎng)殖而言,網(wǎng)箱網(wǎng)衣的清洗工作的重要性不言而喻。

        目前,國內(nèi)的網(wǎng)箱清洗設(shè)備還是比較少,關(guān)鍵的清洗技術(shù)大多類似,且較為薄弱,智能化自動化程度不高,傳統(tǒng)的清洗技術(shù)以人工清洗為主,大多需要人工進行操作,工人作業(yè)量較大,勞動力成本較高,清洗網(wǎng)衣效果較差,清洗工作效率不高,因此對于上述痛點,網(wǎng)箱清洗技術(shù)和方案的研究刻不容緩。

        筆者根據(jù)網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗的特點,提出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人的設(shè)計方案,通過對現(xiàn)有的網(wǎng)箱清洗機器人方案綜合分析對比其優(yōu)缺點,得出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人的設(shè)計方案能夠達到有效清洗網(wǎng)箱網(wǎng)衣的效果,解決清洗效率較低,自動化水平不高,清洗效果差等問題,以此能夠更好的提高我國海洋網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)自動化智能化水平。

        1 網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗特點

        網(wǎng)衣是網(wǎng)箱養(yǎng)殖中不可缺少的部分,也是網(wǎng)箱清洗的主要清洗對象,網(wǎng)衣的規(guī)模巨大,大小不一,特別是深水網(wǎng)箱,長達幾十周長的網(wǎng)衣比比皆是,而且網(wǎng)衣主要使用場所為海下,所以清洗難度大,且清洗效果要求高。以下是前往廣東省湛江市東海島調(diào)研活動中所拍攝到的照片。

        由圖1可知,網(wǎng)衣上有較多的孔洞,且網(wǎng)衣規(guī)模尺寸巨大,極易使得海水中的浮游動植物,如藻類貝類等附著性較強的生物附著會對網(wǎng)箱內(nèi)養(yǎng)殖魚類的生長活動產(chǎn)生影響,因此對網(wǎng)衣的清洗作業(yè)需要定時進行,并達到一定清洗效果,這要求清洗方式和清洗設(shè)備需要具有極高的清洗能力。所以,在網(wǎng)衣的自動化智能化、以及高效清洗的實現(xiàn)上,清洗方式和清洗設(shè)備的選擇在清洗網(wǎng)箱網(wǎng)衣的過程中顯得十分重要。

        圖1 網(wǎng)衣上的附著物

        目前,對于網(wǎng)箱清洗,可普遍分為物理、化學(xué)和生物等三類防污法[3],具體主要有九種方法:人工、生物、機械、藥物、物理等五種清洗方式以及陽光暴曬、沉箱法、定期換網(wǎng)法以及上提下沉法[4]。其中人工清洗和陽光暴曬這兩種方法都較為原始,而且所需的工人量較多,工人作業(yè)量大,勞動力成本高。當(dāng)前國內(nèi)主流是使用高壓水槍,將網(wǎng)衣拖上岸人工刷子清洗, 國內(nèi)市場上還尚未大規(guī)模地與水下機器人相結(jié)合使用[5]。但是,隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)不斷向著智能化、自動化、環(huán)保節(jié)能高效方向發(fā)展,機器清洗逐漸代替人工清洗,越來越多的網(wǎng)箱養(yǎng)殖戶開始利用機器對網(wǎng)箱網(wǎng)衣進行清洗,與人工清洗下相比,機器清洗的特點是清洗高效,操作方便、安全、省力,可以保證較高的清洗效果的同時也能保證工作效率。

        2 基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計

        根據(jù)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的特點以及對網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗中現(xiàn)階段存在的問題綜合分析后,提出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計方案?;诳栈淞鞯纳钏W(wǎng)箱清洗機器人利用與高壓射流不同的空化射流來進行網(wǎng)衣清洗作業(yè),主要的設(shè)計依據(jù)來自于對空化射流這一新技術(shù)的應(yīng)用以及實際網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗的需要,設(shè)計的清洗機器人具有一定的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性。

        基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人主要由三大系統(tǒng)組成:驅(qū)動系統(tǒng)(見圖2)、控制系統(tǒng)(見圖3)和清洗系統(tǒng)(見圖4)。驅(qū)動系統(tǒng)適應(yīng)性強,能夠適應(yīng)多種規(guī)格網(wǎng)箱網(wǎng)衣,提供爬行動力;控制系統(tǒng)調(diào)整性能好,搭載了攝像頭,并通過四周螺旋槳動力調(diào)節(jié)機器的方向,使清洗效果更加全面;清洗系統(tǒng)由上位機高壓水泵和下位機清洗盤組成,采用空化射流技術(shù),通過高壓水流使歧管高速旋轉(zhuǎn),噴出水流達到清洗效果。

        圖2 驅(qū)動系統(tǒng) 圖3 控制系統(tǒng)

        圖4 清洗系統(tǒng) 圖5 基于空化射流的深水網(wǎng) 箱清洗機器人實體圖

        基于三大系統(tǒng),該設(shè)備有三大主要功能水下網(wǎng)衣清洗功能、水體環(huán)境檢測功能、實時視頻監(jiān)測功能。通過三大功能,用戶只需通過遙控手柄即可對基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人進行實時控制,通過顯示屏,即可簡潔明了地掌握網(wǎng)箱內(nèi)部各種情況,能夠檢查網(wǎng)箱網(wǎng)衣的破損情況,也能夠觀測網(wǎng)衣上附著物的程度,進而判斷是否需要對該網(wǎng)衣進行清洗,用戶無需進行換網(wǎng)、曬干等繁雜步驟后方可進行網(wǎng)衣清洗,可以定時進行清理,預(yù)防附著物過多導(dǎo)致的水中含氧量降低,降低養(yǎng)殖風(fēng)險。

        該設(shè)備基本上擺脫了人工下水操作,利用上位機和下位機,只需要通過遙控手柄即可對網(wǎng)衣清洗機器人的運動進行控制,同時采用履帶輪,履帶總成中采用質(zhì)量小、振動輕、耐腐蝕性強以及適合水下作業(yè)的膠齒驅(qū)動式橡膠履帶[6]。為操作方便,網(wǎng)衣清洗機器人采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過配套軟件處理后能由顯示屏顯示,同時對采集的數(shù)據(jù)進行分析與處理,通過顯示屏顯示擬合的圖像和養(yǎng)殖日記供用戶參考,對種植過程實施精細化管理,以提升管理水平,節(jié)約管理成本。

        通過與人工對比分析可以得出,該設(shè)備在進行網(wǎng)箱網(wǎng)衣水下作業(yè)時,比起人工潛水作業(yè),機器下水安全性更高,且利用空化射流技術(shù),具有創(chuàng)新性和高效性,利用多路高壓水槍高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的大量氣泡破裂的能量來清洗網(wǎng)衣上的附著物,能夠?qū)崿F(xiàn)更為充分有效的網(wǎng)衣清洗,與同類型作業(yè)級ROV水下機器人相比,該設(shè)備工作效率更高,且更具多樣化功能,且能滿足大部分養(yǎng)殖戶對成本等個性化要求。圖5所示為基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人的實體圖。

        3 清洗機器的備選方案介紹

        結(jié)合上述網(wǎng)箱網(wǎng)衣的特點及其現(xiàn)場工況,并參考國內(nèi)外同行清洗設(shè)備,介紹分析兩種備選方案,分別是渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備、歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機。下面將分別介紹備選方案的可行性及其特點。

        3.1 渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備

        渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備使用了汽油機作為原動力,主要以水泵和轉(zhuǎn)動圓盤為兩個部分組成,通過水泵將汽油的化學(xué)能與水流的機械能轉(zhuǎn)化,以此來達到提供能量的目的,而水流的機械能轉(zhuǎn)化為圓盤的轉(zhuǎn)動動能是利用轉(zhuǎn)動圓盤通過水流對圓盤的反作用力實現(xiàn)的,實現(xiàn)機械能與轉(zhuǎn)動動能的互換,最終帶動毛刷的運動,通過毛刷充分接觸摩擦網(wǎng)箱網(wǎng)衣,達到機器清洗網(wǎng)衣的目的,同時在深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)中,因深海網(wǎng)箱離岸較遠,產(chǎn)生無法為機器提供動力的問題,而通過該設(shè)備的設(shè)計,利用汽油機則能夠有效的解決此問題,提高了工作效率[7]。

        由圖6可知,通過對該網(wǎng)箱清洗設(shè)備的綜合研究分析可知:該設(shè)備設(shè)計合理,結(jié)構(gòu)緊湊,能夠有效的解決動力問題,優(yōu)點顯而易見;但是由于使用該設(shè)備必須需要人工進行配合,需要操作人員攜帶設(shè)備潛入水下進行清洗工作,對勞動力的要求較高,人工勞動密度較高,智能化程度較低,同時其消耗的能耗大,使用汽油機作為動力,對環(huán)境污染大,且海水的侵蝕極易損壞該清洗設(shè)備內(nèi)部的軸承,維修成本較高,故缺點也同樣明顯。

        圖6 渦旋水流式網(wǎng)箱清洗設(shè)備簡圖

        3.2 歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機

        歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機雖然結(jié)構(gòu)比較簡單,但是其具有靈活性強,安全性好等優(yōu)點。

        隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展不斷朝著環(huán)保高效節(jié)能轉(zhuǎn)變,網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗設(shè)備也在不斷朝著水動力和太陽能電力驅(qū)動等環(huán)保節(jié)能方向發(fā)展,因此以利用水動力來解決岸電供應(yīng)困難的痛點問題的歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機,也順應(yīng)了網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。由名字可知,該設(shè)備主要是利用導(dǎo)流式的歧管以旋轉(zhuǎn)的方式進行網(wǎng)衣的清洗,其工作原理主要是利用前擋板,旋轉(zhuǎn)式的高壓水流通過多個噴嘴噴射出,將清洗設(shè)備能夠清洗的網(wǎng)衣面積擴大,同時利用后蓋的通孔將螺旋槳上的葉片進行旋轉(zhuǎn)操作,在這其中所產(chǎn)生的水流推力基本消除,使得清洗設(shè)備能夠在清洗作業(yè)的過程中與網(wǎng)衣一直緊貼,降低操作員的勞動強度,提高了對網(wǎng)衣上的附著物的清洗效果,增強安全性。

        歧管等一系列新技術(shù)的引入使得歧管式高壓射流水下洗網(wǎng)機能夠在一定程度上克服高壓倉式洗網(wǎng)機水頭損失大的缺點[8],提高了清洗效率,同時,該設(shè)備的維修成本為同行業(yè)其他設(shè)備相比較低,但是其缺點同樣明顯,還是未能擺脫需要人工操作的問題,勞動力依賴程度高,自動化水平較低。

        4 應(yīng)用效果對比

        通過對上述 3 種方案的介紹及其綜合性能的分析,最終甄選出基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計方案,具體優(yōu)缺點對比見表1所列。

        表1 網(wǎng)衣清洗設(shè)備的三種方案比較

        由表1可知,基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計方案與其他兩套方案相比,雖然維修成本相對較高,但是考慮到網(wǎng)箱養(yǎng)殖與普通的漁場不同,特別是深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖,作為高投入高收入高風(fēng)險的行業(yè),資金投入規(guī)模較大,且隨著勞動力越來越緊缺,人工成本也在不斷的上漲,從長遠來看,購置網(wǎng)箱清洗機器人的成本比起人工成本隨著時間的推移會不斷的減少,時間越長,人工成本越高,而網(wǎng)箱清洗機器人的成本越低,且機器人能夠滿足養(yǎng)殖過程中的多種作業(yè)需求。

        5 結(jié) 語

        通過對網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗中3種設(shè)備方案的討論與分析得出最適合網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗的基于空化射流的深水網(wǎng)箱清洗機器人設(shè)計方案。該方案清洗網(wǎng)箱網(wǎng)衣效果好,工作效率高,自動化水平高,并且節(jié)能環(huán)保,安全穩(wěn)定性高,達到了設(shè)計預(yù)期,且通過實際應(yīng)用表明,該方案大大降低了網(wǎng)箱清洗作業(yè)對人工的需求,不斷提高了產(chǎn)業(yè)自動化水平,達到預(yù)期設(shè)計方案的要求。

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