徐從曉,張 華,羅夢(mèng)偉,桂福坤
(1 浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院,浙江舟山 316000;2 浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院,浙江舟山 316000;3 浙江海洋大學(xué)國(guó)家海洋設(shè)施養(yǎng)殖工程技術(shù)研究中心,浙江舟山 316000)
近年來(lái),由于傳統(tǒng)近岸小網(wǎng)箱抗風(fēng)浪能力差,過(guò)密的生產(chǎn)布局容易造成環(huán)境污染和水質(zhì)惡化,導(dǎo)致養(yǎng)殖生物病害時(shí)有發(fā)生,品質(zhì)和養(yǎng)殖效益下降,近海漁業(yè)資源出現(xiàn)持續(xù)衰退現(xiàn)象[1-3]。在國(guó)家及沿海地方政府的倡導(dǎo)和支持下,網(wǎng)箱養(yǎng)殖技術(shù)與設(shè)施裝備取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,近岸小型網(wǎng)箱逐漸被深水網(wǎng)箱和圍網(wǎng)養(yǎng)殖所取代[4-6]。徐君卓等[7]研究表明圍網(wǎng)養(yǎng)殖可有效利用天然餌料生物、實(shí)現(xiàn)魚(yú)-貝-藻多營(yíng)養(yǎng)層次綜合養(yǎng)殖,具有抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、成魚(yú)品質(zhì)高和養(yǎng)殖環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)。
網(wǎng)衣材料本身無(wú)毒,長(zhǎng)期泡在深海中會(huì)滋生大量絲狀藻類等附著物,容易迅速繁殖堵塞網(wǎng)眼,造成網(wǎng)箱的濾水性能降低,使網(wǎng)箱內(nèi)水流不暢,導(dǎo)致水溶氧量降低,從而造成養(yǎng)殖魚(yú)品質(zhì)下降[8-10],甚至?xí)蛉毖踉斐绅B(yǎng)殖魚(yú)大面積死亡,因此網(wǎng)衣的清洗成為深海圍網(wǎng)內(nèi)水環(huán)境物理修復(fù)的關(guān)鍵因素之一[4]。
國(guó)外對(duì)網(wǎng)衣清洗裝備研制起步較早,從總體上看,網(wǎng)衣清洗裝備已經(jīng)形成了智能化和產(chǎn)業(yè)化,其配套設(shè)施齊全,可以對(duì)網(wǎng)衣進(jìn)行有效清洗[11-12]。如挪威Jensen[13]設(shè)計(jì)的控制多個(gè)推進(jìn)器帶動(dòng)清洗機(jī)器人運(yùn)行到網(wǎng)衣的任何位置,配有多種噴射方式對(duì)網(wǎng)衣進(jìn)行清洗。國(guó)內(nèi)網(wǎng)衣清洗方式有定期換網(wǎng)法、人工清洗法、上提下沉法、生物清除法和機(jī)械清洗法等[11],存在清洗周期長(zhǎng)、清潔度低、清洗成本高、效率低等缺點(diǎn)[7-12]。
雖然國(guó)內(nèi)網(wǎng)衣清洗裝備研究起步較晚,但也研制出了能夠進(jìn)行有效清洗的裝置,如王志勇[9]采用高壓泵提供動(dòng)力,利用分歧管清洗盤(pán)產(chǎn)生射流,在射流反作用力下帶動(dòng)清洗盤(pán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)噴射清洗。莊集超等[14]通過(guò)高壓水泵驅(qū)動(dòng)的歧管?chē)姳P(pán)進(jìn)行清洗,采用螺旋槳和浮筒改變機(jī)器人清洗軌跡和清洗姿態(tài),以達(dá)到最佳清洗效果。
本研究根據(jù)圍網(wǎng)軌道設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)小車(chē)吊裝配有10孔的高壓水射流清洗單元進(jìn)行上下左右橫移清洗,設(shè)計(jì)樣機(jī)進(jìn)行水射流打擊力對(duì)比試驗(yàn)分析來(lái)確定該裝備最佳的噴嘴直徑與形狀,該設(shè)計(jì)與試驗(yàn)可為同類設(shè)備研究提供參考。
該圍網(wǎng)網(wǎng)衣清洗裝備由動(dòng)力單元、運(yùn)動(dòng)單元、輸送單元和清洗單元組成。根據(jù)最初試驗(yàn)測(cè)試效果,動(dòng)力單元選用額定壓力20 MPa,額定流量50 L/min的三缸柱塞泵,運(yùn)動(dòng)單元采用自主設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)小車(chē);輸送單元的高壓水管選用的是高壓軟管,最大可承受30 MPa壓力,用來(lái)連接動(dòng)力單元和清洗單元,輸送高壓水。
圍網(wǎng)網(wǎng)衣清洗裝備由2臺(tái)伺服電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)使運(yùn)動(dòng)小車(chē)在圍網(wǎng)軌道上進(jìn)行移動(dòng),清洗單元由吊繩連接小車(chē)吊臂通過(guò)小車(chē)的移動(dòng)和起吊電機(jī)的牽引作用下帶動(dòng)清洗單元對(duì)網(wǎng)衣附著物進(jìn)行橫向和豎向的清洗,圍網(wǎng)網(wǎng)衣清洗裝備如圖1所示。
圖1 圍網(wǎng)網(wǎng)衣清洗裝備示意圖
清洗單元是本設(shè)備最重要的部分,其工作原理是由高壓泵提供高壓水經(jīng)高壓水管輸送分流到2根射流發(fā)生管,再經(jīng)過(guò)小孔徑的噴嘴產(chǎn)生低壓高速的水射流作用在網(wǎng)衣上,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)衣的清洗。
網(wǎng)衣清洗單元如圖2所示。
圖2 網(wǎng)衣清洗單元示意圖
其中清洗單元共配有2根射流發(fā)生管,并各裝有5個(gè)高壓噴嘴,且2根高壓射流管上的高壓噴嘴交錯(cuò)分布,以此來(lái)增加射流清洗的面積,提高清洗效率。同時(shí)在清洗過(guò)程中射流打擊力會(huì)對(duì)清洗單元產(chǎn)生向后的推力,可利用推力螺旋槳來(lái)平衡水射流產(chǎn)生反作用力,實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)衣的近距離貼網(wǎng)清洗,提高對(duì)頑固附著物的清洗率。清洗單元樣機(jī)如圖3所示。
圖3 清洗單元樣機(jī)
高壓噴嘴是清洗單元中最關(guān)鍵的部位,高壓噴嘴對(duì)于清洗裝備的清洗效果和效率有很大的影響。高壓噴嘴是將高壓泵的壓力能轉(zhuǎn)換為速度能,高壓水進(jìn)入噴嘴再經(jīng)噴嘴出水口孔徑低壓高噴出,其中噴嘴的出水口孔徑是整個(gè)噴嘴的重中之重,噴嘴的孔徑應(yīng)與高壓泵的額定壓力和額定流量相匹配,如果高壓噴嘴孔徑過(guò)大則會(huì)把高壓泵的壓力卸掉一部分,達(dá)不到其額定壓力值。相反,噴嘴的孔徑過(guò)小則會(huì)使泵外在過(guò)壓工作狀態(tài)中,高壓噴嘴射流出的流量將減小,高壓泵會(huì)通過(guò)過(guò)載保護(hù)的溢流閥溢流掉一部分流量。因此選擇合適的高壓噴嘴類型和計(jì)算高壓噴嘴的內(nèi)徑是清洗裝備研究中的核心問(wèn)題[15-17]。
在進(jìn)行噴嘴出水口水動(dòng)力計(jì)算過(guò)程中,為了方便計(jì)算,假設(shè)該圍網(wǎng)養(yǎng)殖海域的海水為理想流體,流體不可壓縮且密度為常量(ρ=1.03 g/cm3)。網(wǎng)衣清洗裝備在運(yùn)行過(guò)程中,忽略水泵出水口經(jīng)過(guò)高壓水管到清洗單元的流量損失,即流入清洗單元的水與清洗單元通過(guò)高壓噴嘴噴出的水是等量的[19-23]。因此對(duì)高壓噴嘴入水口到高壓噴嘴出水口之間應(yīng)用連續(xù)性方程[24]可知:
(1)
式中:q為高壓泵出水流量,L/min;d1為高壓噴嘴入水口內(nèi)徑,mm;v1為高壓噴嘴進(jìn)水口流速,m/s;d2高壓噴嘴出水口內(nèi)徑,mm;v2高壓噴嘴出水口流速,m/s;n為清洗單元高壓噴嘴個(gè)數(shù)。
在高壓噴嘴入水口與高壓噴嘴的出水口截取兩個(gè)斷面,應(yīng)用伯努利方程[24]可知:
(2)
式中:p1為高壓噴嘴進(jìn)水口壓力,MPa;p2為高壓噴嘴出水口壓力,MPa,z1為高壓噴嘴入水口高度,m;z2為高壓噴嘴出水口高度,m。
兩端面忽略高度差,公式兩邊同時(shí)除以g可得:
(3)
聯(lián)立式(1)和式(3)可得
(4)
(5)
將式(5)代入式(1),考慮到高壓水在經(jīng)過(guò)高壓管和噴嘴的流動(dòng)中,會(huì)出現(xiàn)流量損失,查閱文獻(xiàn)得知,需考慮噴嘴的結(jié)構(gòu)系數(shù)u和效率系數(shù)η[25],簡(jiǎn)化可得到高壓噴嘴出水口內(nèi)徑理論計(jì)算公式:
(6)
式中:η為 高壓噴嘴效率系數(shù)1.05~1.3;q為 動(dòng)力單元高壓泵的額定流量,L/min;u為 高壓噴嘴的結(jié)構(gòu)系數(shù)0.90~0.98[25];n為 高壓噴嘴個(gè)數(shù);P為動(dòng)力單元高壓泵的額定壓力,MPa。
本研究設(shè)計(jì)的網(wǎng)衣清洗裝備選用的是額定流量為50 L/min,額定壓力為20 MPa的高壓泵,高壓噴嘴個(gè)數(shù)為10個(gè),η取1.05,u取0.95,將各參數(shù)代入式(6)計(jì)算得高壓噴嘴出水口內(nèi)徑為0.749 mm。
平衡水射流打擊力產(chǎn)生的反作用力是網(wǎng)衣清洗裝備在水下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)有效清洗的關(guān)鍵問(wèn)題,水射流打擊力產(chǎn)生的反作用力會(huì)使網(wǎng)衣清洗裝備背離網(wǎng)衣,從而使網(wǎng)衣清洗裝置噴嘴到網(wǎng)衣的間隔距離過(guò)大,損失清洗力度。因此,想要對(duì)網(wǎng)衣進(jìn)行有效清洗,除了網(wǎng)衣清洗裝備的壓力、流量、高壓噴嘴孔徑合適外,高壓噴嘴到所要清洗網(wǎng)衣的靶距也要在合適范圍內(nèi),這樣才能最大程度利用水射流打擊力。為此,在網(wǎng)衣清洗裝備的清洗單元上安裝螺旋槳反推器,以此來(lái)平衡水射流產(chǎn)生的反作用力,進(jìn)而控制高壓噴嘴到網(wǎng)衣之間的距離,從而實(shí)現(xiàn)貼網(wǎng)清洗,提高網(wǎng)衣清洗裝備的洗凈率。
試驗(yàn)設(shè)備主要有:高壓泵(圖4)、高壓水管、清洗單元樣機(jī)、2個(gè)長(zhǎng)方形水箱(長(zhǎng)0.8 m、寬0.5 m、高0.5 m),打擊力測(cè)試傳感器(圖5)。根據(jù)公式(6)計(jì)算得到理論噴嘴孔徑為0.749 mm,試驗(yàn)時(shí)選取孔徑為0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm的三組出水口為圓柱形的噴嘴(圖7),每組各10個(gè)。另外再準(zhǔn)備10個(gè)出水口為15°的扇形噴嘴(此出水口孔徑根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果決定),刻度尺一把。
圖4 高壓泵圖
圖5 傳感器顯示器
圖6 圓柱形噴嘴
將網(wǎng)衣清洗單元與高壓泵連接好,將高壓水泵進(jìn)水口放入圓柱形水桶中,再將孔徑為0.7 mm的圓柱形高壓噴嘴安裝在清洗單元上,把打擊力測(cè)試裝置通電(220 V),放在清洗單元前方,然后將高壓水泵和打擊力測(cè)試裝置通電、運(yùn)行,通過(guò)高壓水泵上的壓力表和測(cè)試裝置顯示儀記錄系統(tǒng)壓力和射流打擊力,再依次將0.8 mm、0.9 mm的圓柱形高壓噴嘴依次安裝上并記錄其測(cè)試數(shù)據(jù),最終將3組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),為高壓噴嘴選出合適的孔徑。其試驗(yàn)配置如圖7所示,同時(shí)考慮到清洗面積的問(wèn)題,再將試驗(yàn)選出來(lái)的這個(gè)噴嘴與同樣孔徑的15°扇形噴嘴分別進(jìn)行空氣中和淹沒(méi)狀態(tài)下的對(duì)比試驗(yàn),為該網(wǎng)衣清洗裝備選定合適的噴嘴形狀和噴嘴直徑。
圖7 打擊力測(cè)試試驗(yàn)配置圖
為驗(yàn)證試驗(yàn)可靠性,本研究設(shè)計(jì)了一組理論打擊力與試驗(yàn)打擊力的對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)動(dòng)量定理,經(jīng)整理后可得到理論最大水射流打擊力[26-30]
(7)
式中:F為 理論最大水射流打擊力,N;q1為 射流流量,L/min;P為 水射流壓力,MPa;φ為 射流入射角,(°)。
其中q1射流流量通過(guò)體積法來(lái)測(cè)量,具體方法為:用一個(gè)長(zhǎng)a=0.8 m、寬b=0.5 m、高0.5 m長(zhǎng)方體箱作為高壓泵供水箱,將水灌至水箱高度的0.4 m處,將裝有0.8 mm圓柱形噴嘴的清洗單元運(yùn)行1 min,測(cè)量其供水箱水面高度,計(jì)算其1 min使用流量值,其計(jì)算公式為:
q1=a×b×(h1-h2)
(8)
式中:a為供水箱長(zhǎng)度,m;b為供水箱寬度,m;h1為供水前供水箱水面高度,cm;h2為供水1 min后供水箱水面高度,cm。
為反映從空氣到淹沒(méi)狀態(tài)下水射流打擊力衰減的程度,本研究定義了水射流打擊力在空氣到淹沒(méi)狀態(tài)下的衰減率公式:
(9)
式中:t為水射流打擊力從空氣到淹沒(méi)狀態(tài)下的衰減率,a1為空氣中額定壓力狀態(tài)下最大打擊力,N;a2為淹沒(méi)中額定壓力狀態(tài)下最大打擊力,N。
本研究所設(shè)計(jì)的網(wǎng)衣清洗裝備最終的工作狀態(tài)是在水下(清洗單元淹沒(méi)狀態(tài))進(jìn)行清洗,此時(shí)介質(zhì)由空氣變成了密度更大的水,其對(duì)高壓水射流的阻力增大以及卷積效應(yīng)的影響,打擊力將會(huì)嚴(yán)重?fù)p失,本文將通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)探索本裝置在淹沒(méi)狀態(tài)下隨著靶距的增大,對(duì)應(yīng)水射流打擊力的衰減趨勢(shì)。將清洗單元與打擊力測(cè)試裝置的壓力傳感器放入準(zhǔn)備好的長(zhǎng)方形水池中,使其處于淹沒(méi)狀態(tài),調(diào)整兩者之間的靶距,運(yùn)行高壓水泵,進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),測(cè)試并記錄其數(shù)據(jù)。
本組試驗(yàn)是通過(guò)水射流打擊力理論計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果與本設(shè)備打擊力實(shí)測(cè)進(jìn)行對(duì)比,看其差值,以此來(lái)驗(yàn)證本研究所進(jìn)行試驗(yàn)的可靠性。首先根據(jù)試驗(yàn)方法章節(jié)的體積法測(cè)流量,將試驗(yàn)參數(shù)代入公式(8)中,計(jì)算得到表1。
表1 體積法測(cè)試流量數(shù)據(jù)
經(jīng)3次測(cè)量計(jì)算取其3次結(jié)果的平均值,即高壓泵壓力20 MPa、噴嘴孔徑為0.8 mm時(shí),實(shí)際射流流量為48.13 L/min。由于被清洗物網(wǎng)衣水射流可以穿透,且由公式(7)可知,當(dāng)φ為90°時(shí),打擊力可以達(dá)到最大值,所以本試驗(yàn)采用水射流與網(wǎng)衣垂直清洗。將上述參數(shù)代入公式(7)計(jì)算得到設(shè)備0.8 mm的理論打擊力,與試驗(yàn)實(shí)測(cè)打擊力做折線圖對(duì)比如圖8所示,可以看出本試驗(yàn)所測(cè)打擊力與理論打擊力相差很小,考慮到試驗(yàn)存在誤差性,所以本試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù)可靠。
圖8 0.8 mm圓柱形噴嘴理論打擊力與試驗(yàn)打擊力折線圖
對(duì)0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm孔徑的圓柱形噴嘴進(jìn)行水射流打擊力測(cè)試,其試驗(yàn)靶距為20 mm,其實(shí)測(cè)打擊力曲線圖如圖8所示,由曲線圖可以明顯的看出,當(dāng)圓柱形高壓噴嘴的孔徑為0.8 mm時(shí),系統(tǒng)高壓泵到達(dá)額定壓力20 MPa,在3個(gè)噴嘴中產(chǎn)生的打擊力最大,當(dāng)裝有0.7 mm孔徑的圓柱形噴嘴時(shí),高壓泵存在過(guò)載狀態(tài),溢流閥處于工作狀態(tài)中,系統(tǒng)流量有較大損失,造成打擊力過(guò)小。當(dāng)裝有0.9 mm孔徑的圓柱形噴嘴時(shí),由于噴嘴孔徑過(guò)大,將系統(tǒng)壓力卸掉一部分,使系統(tǒng)壓力最大只能達(dá)到16 MPa,使高壓泵無(wú)法在額定壓力下工作,也使得其最大打擊力小于0.8 mm孔徑的噴嘴,綜上由試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)本裝置裝配出水口直徑為0.8 mm的噴嘴時(shí),可以使該裝置產(chǎn)生最大的水射流打擊力,不同孔徑的圓柱形噴嘴打擊力折線如圖9所示。
圖9 不同孔徑的圓柱形噴嘴打擊力折線圖
上組試驗(yàn)已經(jīng)確定了本裝置噴嘴出水口的最佳直徑,但考慮到扇形噴嘴的清洗面積大,會(huì)提高整個(gè)裝置的清洗效率。故設(shè)置本組試驗(yàn)來(lái)對(duì)比同為0.8 mm的圓柱形噴嘴和扇形噴嘴的打擊力。本組試驗(yàn)將分別在空氣中和淹沒(méi)狀態(tài)下進(jìn)行,靶距同樣保持20 mm,其試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖10、圖11所示。
圖10 空氣中打擊力試驗(yàn)圖
圖11 淹沒(méi)狀態(tài)下打擊力試驗(yàn)圖
分析數(shù)據(jù)得到圖12折線圖,從折線圖可以看出在高壓泵額定壓力下,0.8 mm圓柱形噴嘴的打擊力高于0.8 mm 15°扇形噴嘴的打擊力,在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,觀察到空氣中扇形噴嘴的打擊力雖然小一點(diǎn),清洗面積明顯大于圓柱形噴嘴。分析數(shù)據(jù)得到圖13折線圖,可以看出在淹沒(méi)狀態(tài)下的扇形噴嘴的打擊力遠(yuǎn)小于圓柱形噴嘴水,且淹沒(méi)狀態(tài)下的扇形噴嘴由于水阻力和卷積效應(yīng)影響將無(wú)法增大清洗面積。
圖12 空氣中打擊力折線圖
圖13 淹沒(méi)狀態(tài)下打擊力折線圖
根據(jù)水射流打擊力在空氣到淹沒(méi)狀態(tài)下的衰減率公式(9)并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入得到:靶距為20 mm的0.8 mm圓柱形噴嘴的打擊力衰減率為62.5%,0.8 mm 15°扇形噴嘴的打擊力衰減率為78.6%。綜合通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和打擊力衰減率分析可知,扇形噴嘴水射流打擊力從空氣到淹沒(méi)狀態(tài)下的衰減率明顯高于圓柱形噴嘴,由于在淹沒(méi)狀態(tài)下扇形噴嘴射流束發(fā)散性好、清洗面積大的特點(diǎn)反而加大了其射流束在水中的衰減,而射流束集中的圓柱形噴嘴則表現(xiàn)得更好一點(diǎn)。表明水下清洗不能優(yōu)先考慮扇形清噴嘴清洗面積大的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)首選射流束集中且能保持較長(zhǎng)射流核心區(qū)域的圓柱形噴嘴。
為探索清洗單元在淹沒(méi)狀態(tài)下隨著靶距的增大,對(duì)應(yīng)水射流打擊力的衰減趨勢(shì),通過(guò)試驗(yàn)得到打擊力隨靶距變化的衰減折線如圖14所示。
圖14 淹沒(méi)狀態(tài)下水射流打擊力與靶距的折線圖
可以清晰看出,在淹沒(méi)狀態(tài)下靶距對(duì)水射流清洗的影響尤為重要,在較小的靶距變化下會(huì)對(duì)打擊力產(chǎn)生很大的削弱,在試驗(yàn)中當(dāng)靶距達(dá)到50 mm時(shí),傳感器已經(jīng)檢測(cè)不到清洗單元的打擊力。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試,本裝置靶距控制在10 mm以內(nèi)才能保證清洗效果,本裝備在清洗時(shí)可利用推進(jìn)螺旋槳進(jìn)行貼網(wǎng)清,以此來(lái)減小水阻力對(duì)水射流打擊力的削弱[31]。
本研究綜合考慮了圍網(wǎng)清洗的工況條件,以提高自動(dòng)化、清洗能力和效率質(zhì)量降低操作難度為設(shè)計(jì)目標(biāo),整個(gè)裝置在圍欄行走、起吊、清洗都由PLC控制,裝備是基于水射流技術(shù)對(duì)所用海域沒(méi)有污染,清洗單元采用多噴嘴,上下交錯(cuò)分布的布置提高其清洗面積與清洗效率,設(shè)計(jì)采用反推螺旋槳來(lái)平衡清洗單元帶來(lái)的反作用力,根據(jù)高壓泵參數(shù)、水動(dòng)力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算該裝備的噴嘴直徑為0.749 mm,加工樣機(jī),采用對(duì)比試驗(yàn)的方法來(lái)分析不同孔徑在不同介質(zhì)、不同靶距下的水射流打擊力,結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果最終確定該裝備在配有該高壓泵(額定壓力20 MPa,額定流量50 L/min)的條件下選配孔徑為0.8 mm的圓柱形噴嘴最為合適,本研究為高壓水射流選配噴嘴和網(wǎng)衣清洗等提供了參考。
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