基于水力推進(jìn)的漁藥自動(dòng)噴施裝置設(shè)計(jì)

劉 海， 龐雄斌， 張俊峰， 郭 翔， 高星星， 張?zhí)凭?/p>

(武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，湖北 武漢 430345)

基于水力推進(jìn)的漁藥自動(dòng)噴施裝置設(shè)計(jì)

劉 海， 龐雄斌， 張俊峰， 郭 翔， 高星星， 張?zhí)凭?/p>

(武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，湖北 武漢 430345)

針對(duì)人工潑灑漁藥工作勞動(dòng)強(qiáng)度大、施藥效率低、對(duì)人身危害大等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的基于水力推進(jìn)的漁藥自動(dòng)噴施裝置。該裝置以玻璃鋼船為載體，由直流自吸水泵驅(qū)動(dòng)，采用鋰電池供電，利用噴水推進(jìn)原理行進(jìn)。整機(jī)由船體、推進(jìn)裝置、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、施藥系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)以及配套的管路系統(tǒng)組成。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，該裝置作業(yè)平均前行速度為1.0 m/s，總體混藥稀釋比例整數(shù)范圍達(dá)1∶1000～1∶5000，實(shí)際施藥效率達(dá)460 m2/min，較傳統(tǒng)人工潑灑效率提升160%。通過(guò)遙控漁藥噴施作業(yè)，可以保證操作人員的安全，也可避免噴施藥液配置過(guò)多造成浪費(fèi)和污染環(huán)境。研究表明，該裝置提供了一種移動(dòng)式在線混藥水下施藥方法，對(duì)精準(zhǔn)化水產(chǎn)養(yǎng)殖具有促進(jìn)作用。

漁藥；水力推進(jìn)；噴施裝置；無(wú)線遙控；混藥；水產(chǎn)養(yǎng)殖

魚(yú)病防治中，漁藥最常使用的方法是人工全池潑灑法，又稱遍灑法[1-3]，其特點(diǎn)是見(jiàn)效快、療效高、適用小型水體。一般選擇繞池一周潑灑，這種施藥方法導(dǎo)致池塘周圍濃度高、中間區(qū)域濃度低而達(dá)不到防治魚(yú)病的效果。這樣的用藥方式容易對(duì)水產(chǎn)動(dòng)物造成應(yīng)激，也容易對(duì)環(huán)境造成不利影響[4]。因此，施藥機(jī)械研究受到重視。如：邱白晶等[5]將混藥裝置應(yīng)用于在線混藥試驗(yàn)臺(tái)；董曉婭等[6]設(shè)計(jì)了一種便攜式在線混藥濃度監(jiān)測(cè)裝置；Hlobeň等[7]和Vondricka等[8]將混藥裝置應(yīng)用于在線混藥噴霧系統(tǒng)；曾凡琮等[9]研究混藥裝置內(nèi)流體的能量增量；何培杰等[10]對(duì)噴霧混藥裝置性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，但沒(méi)有計(jì)算總體混藥稀釋比例。

基于水泵推進(jìn)的水產(chǎn)自動(dòng)噴施裝置的設(shè)計(jì)將遠(yuǎn)距離遙控技術(shù)引入水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域，將實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖施藥自動(dòng)化[11]。本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)噴施裝置主要針對(duì)水域面積小于1.5 hm2的池塘，為水產(chǎn)養(yǎng)殖提供一種可遙控的水中運(yùn)載施藥機(jī)具，以此代替人工進(jìn)行池塘全覆蓋均勻施放漁藥。

1 噴施裝置模型及工作原理

1.1 模型設(shè)計(jì)

自動(dòng)噴施裝置主要由船體、動(dòng)力裝置、噴水推進(jìn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、施藥系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)以及配套的管路系統(tǒng)共6部分組成(圖1)。

圖1 水產(chǎn)自動(dòng)噴施裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.2 工作原理

(1)噴水推進(jìn)。養(yǎng)殖場(chǎng)池塘水通過(guò)直流泵從船體底部被吸入，在直流水泵的作用下形成有壓水流，水流經(jīng)管道分流系統(tǒng)被傳送到船體尾部出水口，形成縱向水流噴出，在反作用力下，推動(dòng)船體向前運(yùn)動(dòng)。

(2)轉(zhuǎn)向。在船體向前推進(jìn)的過(guò)程中，由于船體的操縱性與耐波性[12]，需要在船行進(jìn)過(guò)程中對(duì)船體的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向進(jìn)行小操控。噴施裝置設(shè)置了左右兩個(gè)常閉電磁閥，通過(guò)遙控，接通電磁閥，泵送水流經(jīng)由分流系統(tǒng)通過(guò)電磁閥后再分流到船體頭部出水口和尾部出水口，形成相對(duì)水流來(lái)操控船體向右或向左轉(zhuǎn)向。

(3)施藥。施藥采用可調(diào)施藥泵對(duì)漁藥原液進(jìn)行微小流量精準(zhǔn)施藥，可調(diào)施藥泵可保證在施藥過(guò)程中的藥量恒定。施藥泵開(kāi)啟后，原液從藥箱被擠入直流水泵進(jìn)水口，通過(guò)攪動(dòng)與池塘水混合，藥液被稀釋后從噴施裝置推進(jìn)出水口噴出，進(jìn)入池塘里再一次進(jìn)行稀釋并擴(kuò)散。

2 關(guān)鍵部件選型及匹配設(shè)計(jì)

2.1 水力推進(jìn)裝置

自動(dòng)噴施裝置的水流動(dòng)力由直流水泵提供，電源為鋰電池。設(shè)計(jì)之初，對(duì)影響整機(jī)重量比較大的零部件數(shù)量作了嚴(yán)格限制，不僅比選部件性能，而且注意重量控制，包括水泵、電池、電磁閥、施藥系統(tǒng)、管道管徑選擇等方面，以保證整機(jī)的輕便性。為避免噪聲對(duì)養(yǎng)殖對(duì)象的影響，噪聲要盡可能??；同時(shí)為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙控，動(dòng)力裝置采用直流水泵。對(duì)水泵功率也做了合理化考慮。

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)中小型池塘施藥，池塘水面面積一般不超過(guò)1.5 hm2，噴施裝置工作時(shí)間一般約為0.5 h。經(jīng)綜合衡量，選用XF-350型直流多功能自吸泵，其技術(shù)參數(shù)：額定電源12 V、重量3.59 kg、最大功率360 W、最大流量150 L/min、最大揚(yáng)程10 m、最大吸程2.5 m。其配套電源選用 12 V 40 Ah動(dòng)力型鋰電池，重量3.27 kg。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和電磁閥的設(shè)計(jì)與選型

噴水推進(jìn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是保證自動(dòng)噴施裝置正常作業(yè)的關(guān)鍵。由于船在水中行駛不是絕對(duì)意義上的直線行進(jìn)，所以當(dāng)船偏離航向時(shí)，需要通過(guò)轉(zhuǎn)向操控的微調(diào)來(lái)保證船體沿既定方向行進(jìn)。漁藥原液和池塘水的混合水流，通過(guò)分流系統(tǒng)從推進(jìn)出水口噴出形成推進(jìn)動(dòng)力；當(dāng)遙控控制打開(kāi)左(右)側(cè)電磁閥時(shí)，泵壓水流分別從右(左)側(cè)的頭部出水口和左(右)側(cè)的尾部出水口側(cè)向噴出，形成轉(zhuǎn)向動(dòng)力，給船體施加一個(gè)逆(順)時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)矩，使得船體在行進(jìn)時(shí)可向左(右)轉(zhuǎn)向。在岸上觀察航向，如果偏離預(yù)定路徑，可以通過(guò)短時(shí)點(diǎn)動(dòng)相應(yīng)電磁閥進(jìn)行糾偏。需要轉(zhuǎn)向時(shí)可以適當(dāng)延長(zhǎng)點(diǎn)動(dòng)時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。

轉(zhuǎn)向操控系統(tǒng)主要由電磁閥、分流系統(tǒng)、頭部出水口、頭部出水口及各管路接頭組成。系統(tǒng)選型主要是電磁閥選型和管道以及噴管口徑的選擇。電磁閥選型主要是從重量、通水管徑、壓力、適用溫度范圍等方面考慮。通過(guò)對(duì)通水管徑、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)重量、船體推進(jìn)速度、工作效率等方面的綜合考慮，決定選用12V電磁閥(2W-200-20)。該電磁閥水管公稱直徑20 mm，工作溫度范圍(-5～80)℃，工作壓力(0～10)kg/cm2。

2.3 施藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與選型

漁藥施放是噴施裝置的主要功能，樣機(jī)的漁藥施放功能由施藥系統(tǒng)完成。施藥系統(tǒng)屬于在線混合裝置?？紤]到噴施裝置受動(dòng)力的選配、總重量、船速、工作效率等限制，決定采用配置2 000 mL額定容量的小藥箱直接裝載漁藥原液，或經(jīng)過(guò)稀釋的黏性藥液。藥箱中的藥液由微型可調(diào)施藥泵泵入水泵前端進(jìn)水口，經(jīng)過(guò)水泵均勻混合成一定稀釋比例的藥液，經(jīng)過(guò)管路從后推進(jìn)出水口噴入池塘。同時(shí)，在控制噴施裝置轉(zhuǎn)向的過(guò)程中，漁藥還可以從頭部出水口和尾部出水口噴入池塘(圖2)。

圖2 水產(chǎn)自動(dòng)噴施裝置的藥液路徑示意圖

可調(diào)施藥泵是漁藥原液的重要控制部件，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥。其在限定比例混合，不易造成施藥濃度變化過(guò)大，達(dá)到安全用藥的效果。選用KCP3-S10型可調(diào)施藥泵，其參數(shù)為：工作電壓12 V、重量270 g、功率 5W、額定流量范圍(19～65)mL/min。漁藥原液通過(guò)水泵進(jìn)行第一次稀釋，然后經(jīng)過(guò)管路從推進(jìn)出水口噴入池塘中進(jìn)行第二次稀釋并擴(kuò)散，最后操縱噴施裝置按一定路線行進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)全池塘相對(duì)均勻的施藥。

2.5 遙控控制電路的設(shè)計(jì)與選型

遙控控制采用3 km遙控套裝(12V，8路控制)，其中1～4鍵設(shè)置成點(diǎn)動(dòng)，5～8鍵設(shè)置成自鎖。其中，2路點(diǎn)動(dòng)鍵控制左電磁閥和右電磁閥操縱樣機(jī)轉(zhuǎn)向，以2路自鎖鍵控制直流水泵和可調(diào)施藥泵的啟閉，剩余2路點(diǎn)動(dòng)鍵和2路自鎖鍵預(yù)留其他接口及方便維修更換。在進(jìn)行遙控水泵開(kāi)關(guān)時(shí)，測(cè)得水泵工作電流為25 A，選擇MZJ-50(12V)直流接觸器。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 測(cè)試條件與方法

實(shí)驗(yàn)從2016年4月11日開(kāi)始至30日結(jié)束，在武漢市黃陂區(qū)某養(yǎng)殖試驗(yàn)基地進(jìn)行。該養(yǎng)殖水域長(zhǎng)130 m、寬100 m，實(shí)際養(yǎng)殖水域面積約1.15 hm2，水深約2.4 m，主要養(yǎng)殖草魚(yú)。主要測(cè)試內(nèi)容為遙控距離、混藥稀釋比例范圍、施藥效率以及整個(gè)自動(dòng)噴施裝置的運(yùn)行效果。

常用劑型為粉劑和乳油劑，約占漁藥劑型總量的80%以上[13]。選擇標(biāo)準(zhǔn)為已被正式列入漁藥品種[14]，且粘度不同的漁藥。分別選取鈣霸、金碘、溴氧海因粉這三種漁藥進(jìn)行噴施試驗(yàn)。試驗(yàn)樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，樣機(jī)如圖3所示。

表1 自動(dòng)噴施裝置的主要技術(shù)參數(shù)

圖3 水產(chǎn)自動(dòng)噴施裝置樣機(jī)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

(1)遙控距離試驗(yàn)。分別選擇了2 km和3 km遙控套裝進(jìn)行測(cè)量。天氣條件：天氣晴朗，氣溫28.9 ℃，水溫24.4 ℃，風(fēng)力(1～2)級(jí)。每1 min控制設(shè)備1次，連續(xù)測(cè)試1 h。試驗(yàn)結(jié)果顯示，3 km 遙控套裝的最大有效遙控直線距離為200 m，信號(hào)穩(wěn)定、可靠，符合小型養(yǎng)殖池塘。

(2)混藥稀釋比例范圍試驗(yàn)。對(duì)推進(jìn)出水口流量和可調(diào)施藥泵流量進(jìn)行多次單項(xiàng)測(cè)試，重復(fù)測(cè)量10次。采用控制總?cè)萘糠椒?，推進(jìn)出水口管徑為15.6 mm，在兩側(cè)電磁閥關(guān)閉的情況下，根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算混藥稀釋比，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。得出出水口平均總流量為8×104mL/min，可調(diào)施藥泵最低平均流量為16.22 mL/min，可調(diào)施藥泵最高平均流量為82.16 mL/min。最終計(jì)算出總體混藥稀釋比例整數(shù)范圍是1∶1 000～1∶5 000。

圖4 流量試驗(yàn)結(jié)果

(3)施藥效率試驗(yàn)。以1 000 mL漁藥原液為標(biāo)準(zhǔn)，采用樣機(jī)和人工各進(jìn)行10次施藥試驗(yàn)，在面積為1.15 hm2的池塘進(jìn)行施藥。試驗(yàn)結(jié)果顯示，樣機(jī)施藥平均耗時(shí)取整為25 min，施藥效率為460 m2/min；人工施藥平均耗時(shí)取整為65 min，施藥效率約為177 m2/min。由此算出樣機(jī)施藥比人工施藥效率提升約為160%。根據(jù)韓開(kāi)封等[15]船舶航速測(cè)試技術(shù)，測(cè)得自動(dòng)噴施裝置平均前行速度為1.0 m/s。

通過(guò)試驗(yàn)，自動(dòng)噴施裝置能夠遠(yuǎn)程控制施藥開(kāi)關(guān)，隨時(shí)開(kāi)閉自動(dòng)施藥功能，并能利用在線混藥，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥。

4 結(jié)論

基于水力推進(jìn)的漁藥自動(dòng)噴施裝置，遙控其運(yùn)行，在直線距離200 m內(nèi)信號(hào)穩(wěn)定、可靠，可滿足實(shí)際需求；通過(guò)在線自動(dòng)混藥技術(shù)進(jìn)行較大比例漁藥稀釋噴施作業(yè)，其總體混藥稀釋比例整數(shù)范圍達(dá)1∶1 000～1∶5 000，滿足漁藥安全濃度要求；實(shí)際施藥效率達(dá)460 m2/min，比人工施藥提升約160%。相比傳統(tǒng)漁藥施放，本裝置能夠在良好的環(huán)境中完成精確施藥，有助于推進(jìn)精準(zhǔn)化水產(chǎn)養(yǎng)殖方式。

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Design of automatic spraying machine for fishery drugs based on hydraulic propulsion

LIU Hai, PANG Xiongbin, ZHANG Junfeng, GUO Xiang, GAO Xingxing, ZHANG Tangjuan

(Institute of Agricultural Mechanization, Wuhan Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430345, China)

In view of high labor intensity, low efficiency and great harm to operators of manual spraying of fishery drugs, a new automatic spraying machine for fishery drugs based on hydraulic propulsion is designed in this paper. The machine takes FRP ship (fiberglass reinforced plastic ship) as carrier, and is driven by a DC self-priming water pump, powered by lithium battery and propelled by spraying. It consists of the hull, propulsion device, steering system, drug delivery system, radio remote control system and pipeline. The prototype test results show that the average speed of the machine is 1.0 m/s, dilution ratio range is 1∶1 000 to 1∶5 000, and practical efficiency is 460 m2/min, which is 160% higher than that of traditional manual spraying. Remote control of fishery drug spraying will guarantee the safety of operators and avoid waste and environmental pollution due to much drug spraying. The research shows that the application of this machine will provide a method of movable online mixing and underwater spraying. It has a positive impact on precision aquaculture.

fishery drugs;hydraulic propulsion;spraying machine;radio remote control;mixing;aquaculture

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.04.009

2017-05-11

武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)研究院創(chuàng)新項(xiàng)目 (CX201713)；武漢市農(nóng)科院財(cái)政示范項(xiàng)目(CZSF201405)

劉海(1980—)，男，博士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械工程。E-mail：17055907@qq.com

S949

A

1007-9580(2017)04-057-05