摘 要：針對(duì)目前我國(guó)非標(biāo)小型魚塘占比大、魚塘水域情況多變，而傳統(tǒng)增氧機(jī)普遍無(wú)法進(jìn)行節(jié)能降耗、自主運(yùn)行和自適應(yīng)移動(dòng)等，本文提出了一種面向非標(biāo)小型魚塘的新型增氧機(jī)方案，并根據(jù)此方案設(shè)計(jì)了3個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了相適應(yīng)的控制系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)增氧機(jī)使用成本高、工作效率低的問(wèn)題，對(duì)改進(jìn)養(yǎng)殖水質(zhì)、促進(jìn)并水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)規(guī)?；?集約化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展和提高淡水養(yǎng)殖產(chǎn)量產(chǎn)值具有重要意義。

關(guān)鍵詞：非標(biāo)小型魚塘；曝氣機(jī)構(gòu)；升降機(jī)構(gòu)；推進(jìn)機(jī)構(gòu)；有限元分析

中圖分類號(hào)：S 96" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中國(guó)是一個(gè)漁業(yè)大國(guó)，漁業(yè)發(fā)展具有悠久歷史，在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有重要作用。2023年全國(guó)水產(chǎn)品總產(chǎn)量7100萬(wàn)t，比上年增長(zhǎng)3.4%。全國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖面積7187.50千公頃，同比增長(zhǎng)1.10%。其中，淡水養(yǎng)殖面積5033.08千公頃，同比增長(zhǎng)0.99%。

目前，我國(guó)魚塘養(yǎng)殖面積達(dá)上億畝的省份有十幾個(gè)，其中有一半以上屬于非標(biāo)小型魚塘，這些小魚塘的面積占全部魚塘的52.26%左右。與傳統(tǒng)的方形或圓形魚塘相比，不規(guī)則小型魚塘的形狀更多樣化、更復(fù)雜，水域情況更多變。每年到了養(yǎng)殖中后期，魚塘經(jīng)常出現(xiàn)缺氧和浮頭現(xiàn)象，其根本原因是非標(biāo)準(zhǔn)魚塘水體中溶氧不足。導(dǎo)致水體溶氧不足的原因較多，例如在養(yǎng)殖過(guò)程中，隨著魚體生長(zhǎng)、存塘量增加和水體中有機(jī)質(zhì)的分解，硫化氫和亞硝酸鹽等物質(zhì)的氧化作用都會(huì)消耗水體中大量氧分子[2]。但現(xiàn)有技術(shù)中的增氧機(jī)設(shè)計(jì)普遍無(wú)法進(jìn)行可節(jié)能降耗、自主運(yùn)行以及自主移動(dòng)，傳統(tǒng)增氧機(jī)功能單一、機(jī)構(gòu)復(fù)雜和使用不便等問(wèn)題也很突出。為了進(jìn)一步提升產(chǎn)量，加快水產(chǎn)養(yǎng)殖規(guī)模化、集約化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，推動(dòng)國(guó)家助農(nóng)共富的大局方針，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)一款針對(duì)非標(biāo)小型魚塘的新型增氧機(jī)尤為重要。

1 增氧機(jī)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了解決目前市面上普通增氧機(jī)在小型不規(guī)則魚塘水域功能單一、增氧效率低下和受外部環(huán)境因素影響較大等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了3個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)，即曝氣機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)。

1.1 曝氣機(jī)構(gòu)

本文比較了目前市面上的主流增氧方式，并針對(duì)非標(biāo)小型魚塘的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了葉輪式曝氣機(jī)構(gòu)，如圖1所示。頂部減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)可增氧。減速電機(jī)要克服葉輪在水中所受阻力矩，即Me≥M總，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速n=140r/min，因此選用JBG-520減速馬達(dá)，額定功率為18W，轉(zhuǎn)速可為140r/min，減速比為30，使用系數(shù)為1.15～1.2，額定扭矩M0=1470N·m。

葉輪式增氧機(jī)的推流是以增氧機(jī)為中心做圓周擴(kuò)展運(yùn)動(dòng)。葉輪旋轉(zhuǎn)不會(huì)對(duì)水產(chǎn)品造成傷害，可充分改進(jìn)魚塘水質(zhì)，增加水中的溶氧量，防止魚類浮頭死亡，降低養(yǎng)殖成本，提高養(yǎng)殖密度，促進(jìn)魚類生長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)目標(biāo)。

對(duì)于葉輪本身，本文也根據(jù)養(yǎng)殖戶的實(shí)際使用情況進(jìn)行了單獨(dú)設(shè)計(jì)，即增加輸水孔的數(shù)量與“立體雙層”結(jié)構(gòu)，促進(jìn)葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的提水和離心輸水作用，形成立體水循環(huán)，以增加水和氣體的接觸面積。此外，葉輪的形狀和大小也是增氧效率的重要影響因素。為了提高增氧效率，本文選擇具有高比功率和高比轉(zhuǎn)速的小尺寸葉輪，可使葉輪產(chǎn)生更大的渦流和湍流，從而提高增氧效率[3]。

1.2 升降機(jī)構(gòu)

當(dāng)增氧機(jī)作業(yè)時(shí)，為了確保增氧機(jī)能夠適應(yīng)不同水深深度魚塘的需求，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)絲桿螺母升降機(jī)構(gòu)，如圖2所示。絲桿和步進(jìn)電機(jī)組成葉輪升降系統(tǒng)，其中絲桿牽引葉輪做小范圍縱向運(yùn)動(dòng)，絲桿要克服葉輪及其固定裝置的重力，即阻力Ff=G。驅(qū)動(dòng)扭矩可由公式T=求得（其中T為絲桿驅(qū)動(dòng)扭矩；F為絲桿導(dǎo)向面上阻力；Ph為絲桿導(dǎo)程；η1為絲桿正效率）。

使用的絲桿導(dǎo)程為4mm，正效率為70%，M為步進(jìn)電機(jī)葉輪減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的質(zhì)量，F(xiàn)浮為葉輪和葉輪軸受到的浮力，由排水法F浮=ρ液gV排可以得到T=0.909F。步進(jìn)電機(jī)提供的扭矩要大于絲桿，即電機(jī)輸出扭矩Megt;T，其中Me=9550=1.4325N·m。由于Megt;T，因此選用億星的型號(hào)為42BYGH60的步進(jìn)電機(jī)，其額定功率為30W，額定轉(zhuǎn)速為200r/min[4]。

利用2個(gè)42BYGH60步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將電機(jī)的水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成曝氣機(jī)構(gòu)的垂直升降運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)葉輪的升降。下方的2個(gè)限位螺母能精準(zhǔn)地控制曝氣機(jī)構(gòu)的最大下降深度，為增氧機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行提供良好的安全保障。補(bǔ)償式的升降葉輪方案也能改變?nèi)~輪的阻力，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

1.3 推進(jìn)機(jī)構(gòu)

目前市面上的傳統(tǒng)增氧機(jī)只能定點(diǎn)增氧，通常一個(gè)魚塘需要2～3個(gè)增氧機(jī)才能實(shí)現(xiàn)全區(qū)域增氧，因此本文設(shè)計(jì)了自適應(yīng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

螺旋槳固定處的鎖緊鐵環(huán)能夠?qū)⒙菪龢卫喂潭ㄔ谠O(shè)備上，防止因推進(jìn)反作用力造成螺旋槳方向偏移。該機(jī)構(gòu)將降低養(yǎng)殖戶的運(yùn)營(yíng)成本，改變以往需要多臺(tái)增氧機(jī)同時(shí)使用的低效局面，真正做到“一機(jī)全包”，顯著提高增氧效率。

本文在增氧機(jī)底部水平面上安裝了3個(gè)互呈120°的推進(jìn)螺旋槳，從而在養(yǎng)殖戶控制端實(shí)現(xiàn)了魚塘的全水域增氧、自適應(yīng)移動(dòng)。螺旋槳在不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的推力與扭矩分別如公式（1）和公式（2）所示[5]。

T=KT ρD4n2 （1）

Q=KQρD5n2 （2）

式中：T為推力；KT為推力系數(shù)；ρ為流體密度；D為螺旋槳直徑；Q為扭矩；KQ為扭矩系數(shù)。

由公式（1）、公式（2）可知，隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速逐漸升高，推力的大小和扭矩也不斷升高，大量數(shù)據(jù)驗(yàn)證和樣機(jī)的實(shí)地演示的結(jié)果表明，螺旋槳的轉(zhuǎn)速為1000r/min～4000r/min能夠最大限度地發(fā)揮增氧機(jī)的增氧效率，同時(shí)也能保障設(shè)備運(yùn)行安全。

2 增氧機(jī)關(guān)鍵零部件的可靠性分析

為了驗(yàn)證部分重要零部件在增氧機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況下的強(qiáng)度可靠性，采用Ansys有限元分析，根據(jù)零部件的實(shí)際受力情況分別生成總變形圖。下文的零部件材料均選用鋁合金，彈性模量為69GPa，泊松比為0.33，密度為2770kg/m3。

2.1 葉輪的可靠性分析

葉輪是增氧機(jī)曝氣機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，對(duì)增氧機(jī)的實(shí)際增氧效果具有重要作用。因此，本文運(yùn)用Ansys有限元分析模擬葉輪在50rad/s的旋轉(zhuǎn)速度下的總變形圖，如圖4所示。葉輪體積為8.34×10-5m3，葉輪質(zhì)量為0.231kg，環(huán)境溫度為22℃，離心力為F=mrω2=127N。

由分析結(jié)果可知，形變最大為3.89×10-7m，最大處位于葉片端部；形變最小為0，最小處位于葉輪頂部；平均形變?yōu)?.41×10-8m。由圖4可知，葉輪沿半徑的延伸方向變形，葉片也向旋轉(zhuǎn)方向扭曲變形，疏水孔有擴(kuò)大的趨勢(shì)，整個(gè)葉輪的外形尺寸變大，這是由葉輪的離心力作用引起的。

2.2 支架的可靠性分析

支架是增氧機(jī)的外部框架，也是支撐增氧機(jī)曝氣機(jī)構(gòu)與升降機(jī)構(gòu)的重要零部件，底部的鎖緊鐵箍更是推進(jìn)機(jī)構(gòu)的安裝平臺(tái)，在整個(gè)增氧機(jī)中具有承上啟下的關(guān)鍵作用。因此，本文運(yùn)用Ansys有限元分析模擬了支架在工況所受載荷下的總變形圖，如圖5所示。體積為6.31×10-5m3，質(zhì)量為0.175kg，環(huán)境溫度為22℃。載荷為X分量0N，Y分量-3N，Z分量為5N。許用應(yīng)力為[σ]==248MPa。

由圖5可知，變形最大處位于支架中部，最小處位于圓環(huán)上部與鋁桿底端交界處。最大形變?yōu)?.53×10-8m；最小形變?yōu)?m；平均形變?yōu)?.17×10-8m。支架中部為彎曲形變。對(duì)支架進(jìn)行工況載荷分析，結(jié)果表明支架結(jié)構(gòu)尺寸的安全余量較大，滿足設(shè)計(jì)需求。

3 增氧機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)現(xiàn)增氧機(jī)節(jié)能降耗、高增氧效率和自適應(yīng)移動(dòng)等功能，本文針對(duì)解決傳統(tǒng)增氧機(jī)的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了與機(jī)械結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的2個(gè)控制系統(tǒng)。

3.1 曝氣機(jī)構(gòu)的升降控制

增氧機(jī)通過(guò)BLE9100溶解氧傳感器獲取池塘溶解氧濃度，溶解氧濃度數(shù)據(jù)經(jīng)RS485接口傳輸至STM32單片機(jī)，采用DM542步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制42BYGH60步進(jìn)電機(jī)，從而控制升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)曝氣機(jī)構(gòu)升降并調(diào)節(jié)葉輪入水深度，使增氧和節(jié)能效果最優(yōu)化。當(dāng)水中溶氧含量較低時(shí)，葉輪可以下沉到較深位置，以使更多的水流經(jīng)過(guò)葉輪進(jìn)行增氧；當(dāng)水中溶氧含量較高時(shí)，葉輪可以上升到較淺位置，減少氧氣注入量，從而達(dá)到節(jié)能的目的。如此不僅可以降低能源消耗，還可以保證水中溶氧含量的穩(wěn)定性，提高水質(zhì)的氧氣含量水平。

3.2 增氧機(jī)的可控與自適應(yīng)移動(dòng)

現(xiàn)市面上的增氧機(jī)普遍存在只能定點(diǎn)增氧的缺點(diǎn)，通常一個(gè)魚塘需要2～3個(gè)增氧機(jī)才能實(shí)現(xiàn)全區(qū)域增氧。與傳統(tǒng)的增氧設(shè)備相比，本文設(shè)計(jì)增氧機(jī)搭載的三相無(wú)刷推進(jìn)器連接STM32單片機(jī)，采用HC06藍(lán)牙模塊并由手機(jī)App控制，具有主動(dòng)移動(dòng)功能，可以適應(yīng)非標(biāo)準(zhǔn)小型魚塘的形狀，保證魚塘內(nèi)的每個(gè)角落都能充分增氧，并達(dá)到“巡氧”目的，降低了增氧機(jī)的購(gòu)入成本和使用成本。

此外，增氧機(jī)還搭載GP2Y0A21紅外測(cè)距模塊。當(dāng)有漂浮物靠近增氧機(jī)或者增氧機(jī)被風(fēng)吹向岸邊時(shí)，紅外測(cè)距模塊輸出模擬信號(hào)。STM32單片機(jī)啟動(dòng)三相無(wú)刷推進(jìn)器，使增氧機(jī)遠(yuǎn)離漂浮物或岸邊。此功能降低了增氧機(jī)的損壞率和維修成本，增加了增氧機(jī)的使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)目前傳統(tǒng)增氧機(jī)普遍無(wú)法節(jié)能降耗、自主移動(dòng)且功能單一、機(jī)構(gòu)復(fù)雜和使用不便等問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)了3個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)——曝氣機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)和推進(jìn)機(jī)構(gòu)，并開(kāi)發(fā)了相關(guān)的控制系統(tǒng)。曝氣機(jī)構(gòu)能夠加快魚塘水層的交換，促進(jìn)水體與氧氣充分接觸融合，進(jìn)而提高增氧效率；可升降調(diào)節(jié)的葉輪能夠根據(jù)魚塘深淺調(diào)整不同區(qū)域的氧化效果，使水中毒素和廢物快速溶解和分解，減少魚兒患病概率，促進(jìn)魚兒生長(zhǎng)；自適應(yīng)推進(jìn)機(jī)構(gòu)能夠擴(kuò)大增氧機(jī)的工作面積，降低養(yǎng)殖戶的設(shè)備投入成本。

目前我國(guó)漁業(yè)市場(chǎng)對(duì)養(yǎng)殖增氧機(jī)需求量依然很大，但目前市場(chǎng)上主流增氧機(jī)主要適用于大型規(guī)模化的標(biāo)準(zhǔn)型魚塘。本款非標(biāo)小型魚塘增氧機(jī)能較好地瞄準(zhǔn)市場(chǎng)需求，針對(duì)性地解決傳統(tǒng)增氧機(jī)的缺點(diǎn)。通過(guò)精簡(jiǎn)機(jī)構(gòu)和合理選材，控制增氧機(jī)的生產(chǎn)與維修成本，助力養(yǎng)殖戶生產(chǎn)低投入、高回報(bào)。此外，該增氧機(jī)還能應(yīng)用于城市水體修復(fù)、景觀水景設(shè)計(jì)、污水塘和水族箱等環(huán)境，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

[1]王丹，吳反修.2023年中國(guó)漁業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2023.

[2]邱錦輝，周士琳，鄧少?gòu)?qiáng).水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械增氧機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2020，41（6）：25-28.

[3]嚴(yán)敬.中高比轉(zhuǎn)速葉輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，15（1）：34-38.

[4]王曉鳴，馮森.小型ROV螺旋槳水動(dòng)力性能模擬分析[J].船舶工程，2018，40（增刊）：321-324，345.

[5]張凌寒.基于STM32單片機(jī)的紅外測(cè)距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（9）：1.