淡水網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動投餌機設計

李康寧 李南南 劉利 史穎剛

摘 要：針對現(xiàn)有網(wǎng)箱養(yǎng)殖中投餌機位置固定，飼料投放不定量的現(xiàn)狀，考慮網(wǎng)箱養(yǎng)殖環(huán)境的影響因素，利用傳感器、軌道傳動和PLC技術（方法），設計了一種可定量投飼的移動式網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動投餌機。文章介紹了網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動投餌系統(tǒng)的布局，投餌機的工作原理、技術要求，以及軌道鋪設要求。然后，詳細介紹了投餌機設計基本參數(shù)的理論分析過程，行走系統(tǒng)和投飼裝置關鍵部件的結(jié)構(gòu)設計計算過程（結(jié)果），行走系統(tǒng)可對多個網(wǎng)箱進行移動式投飼，定量下料機構(gòu)可實現(xiàn)定量式投餌，提高了網(wǎng)箱養(yǎng)殖飼料投放過程的機械化水平和自動化水平，降低了勞動強度，增加養(yǎng)殖效益。以4 m×6 m×3 m規(guī)格的網(wǎng)箱為例，進行成本分析，當網(wǎng)箱個數(shù)在10個以上時，使用該自動投餌機比一般的單個自動投餌機更經(jīng)濟。

關鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖；自動投飼；定量投飼；PLC；軌道

中圖分類號：S969.31+1

文獻標識碼：A

中國是水產(chǎn)品養(yǎng)殖大國和出口大國，網(wǎng)箱養(yǎng)魚占據(jù)了其中相當大的比例[1]，目前，我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖投餌，主要以人工或小型自動投餌機拋灑為主[2]，而國內(nèi)的投餌機多為定點式，由于位置固定，存在投飼不均勻，飼料浪費，計量不精確等問題[3-5]。國外進口投餌設備，自動化程度高，但價格高，不適合國內(nèi)的養(yǎng)殖環(huán)境[6]。所以，設計適合國情的網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動投餌機，實現(xiàn)移動式投飼和定量投飼，是非常必要的。

1 整體設計

網(wǎng)箱養(yǎng)殖自動投餌機，主要由投飼裝置、行走系統(tǒng)、網(wǎng)箱、上料裝置和控制系統(tǒng)等組成，如圖1和圖2所示。它的工作原理是：在網(wǎng)箱過道上架設封閉軌道，每個網(wǎng)箱對應的軌道，都設置有一個起始定位識別點和一個終止定位識別點，當自動投餌機沿著軌道行進至起始定位識別點時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制投餌機進行相應的投飼工作，當投餌機行進至終止定位識別點時，控制系統(tǒng)控制投餌機結(jié)束該網(wǎng)箱的投飼任務。之后，自動投餌機根據(jù)設定的程序，沿軌道行進至下一個需要投飼的網(wǎng)箱。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)定量下料機構(gòu)電機的轉(zhuǎn)速來控制投飼量，從而實現(xiàn)對該網(wǎng)箱的定量投飼。

根據(jù)網(wǎng)箱水產(chǎn)養(yǎng)殖的技術規(guī)程和操作規(guī)范，參考SC/T 6023-2011投飼機標準，確定網(wǎng)箱水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)的技術指標，如表1所示。

行走系統(tǒng)主要由軌道、投餌車和定位識別點組成。在網(wǎng)箱過道上架設封閉軌道[5-7]，如圖3所示，根據(jù)投餌機重量、行走系統(tǒng)運行穩(wěn)定性及降低成本的要求，軌道由鍛鋼加工而成，截面設計為等腰梯形，在滿足力學性能的前提下采用中空式，如圖4所示?？紤]到安裝及運輸?shù)姆奖悖瑢④壍婪纸鉃樾〗氐闹倍魏蛷澏问褂?，每小截距離取400～600 mm左右，可以根據(jù)網(wǎng)箱情況，進行拼接使用。

投餌車由車體、軌道輪、直流電機和減速器組成。24 V直流電機通過減速器驅(qū)動兩個前輪使投餌車沿軌道上部運動。考慮到運行時投餌車的穩(wěn)定性及軌道的使用壽命，軌道與輪子配合時，車輪凹槽側(cè)邊與軌道側(cè)邊保持一定的距離，如圖4所示。軌道輪直徑80 mm，減速器減速比12∶1，設計行走機構(gòu)的運行速度為20 m/min。根據(jù)有關資料[7]，在同等條件下保持本投餌機以20 m/min的速度行走時，最小牽引力F=400 N，即主動輪為自動投餌機提供的驅(qū)動力矩M=F·r=16N·m。每級齒輪傳動效率為0.96，則減速器傳動效率η總=η2=0.9216。選取電機轉(zhuǎn)速為n0，投餌車行走速度v，投餌車軌道輪半徑r，減速器傳動比i，輸出軸功率Pw，輸出軸工作效率ηw取0.95，電機輸出扭矩T，電機軸輸出功率Pd，則直流電機參數(shù)計算得：

由計算參數(shù)，驅(qū)動電機選擇額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，功率為200 W的24 V直流電機。

減速器為二級直齒圓柱齒輪減速器，根據(jù)設計規(guī)范，第一級減速比4∶1，第二級減速比3∶1。輸出軸齒輪Z1=20，中間齒輪Z2=80，中間齒輪Z3=20，車輪軸齒輪Z4=60，則減速比

2.2 料倉

設計料倉如圖5（a）所示，料倉由立方體形狀的料箱和倒棱臺形狀的漏斗組成，總?cè)莘e為133 L，可容納3號飼料50 kg（容積密度約為376 kg/m3）。料箱的寬度和長度均為500 mm，高度為410 mm。漏斗的寬度、長度和高度分別為100 mm、50 mm、320 mm，斜度為35°，如圖5（b）所示。

2.3 定量下料機構(gòu)

定量下料機構(gòu)連接在料倉下方，主要由旋轉(zhuǎn)葉輪、外殼和步進電機組成，如圖6（a）所示。當定量下料機構(gòu)工作時，飼料由進料口進入下料腔內(nèi)，由電機帶動的葉輪通過旋轉(zhuǎn)將飼料由進料口傳送到出料口，整個過程中葉輪轉(zhuǎn)過的角度需要由電機嚴格的控制。由于葉輪每兩個葉片之間的體積固定，因此，當需要不同重量的飼料時，只要控制電機旋轉(zhuǎn)角度，就可以控制投飼量。

旋轉(zhuǎn)葉輪由葉片、頂端彈性擋板組成。設計葉片個數(shù)為10個，葉片間夾角為36°。為保證葉輪在運行過程中的平穩(wěn)性，避免葉輪與外殼直接接觸損害葉輪，使葉輪與外殼之間保持2～3 mm的距離，并在葉輪頂端安裝彈性擋板，如圖6（b）所示。

投餌機需要同時對兩個網(wǎng)箱投飼，投飼效率取300 kg/h。取葉輪體積V葉輪，葉輪外半徑r1，葉輪內(nèi)半徑r2，葉輪寬度l，葉輪轉(zhuǎn)速n，料倉體積V料倉，下料時間t，計算步進電機選擇參數(shù)，有：

取步進電機的轉(zhuǎn)速12 r/min。考慮下料口較小，飼料質(zhì)量較輕，所需的扭矩很小，因此對步進電機的扭矩不做要求。綜上所述，選用56BYG250D-0241型兩相混合式步進電機，適配驅(qū)動器SH-20504D。該電機最大轉(zhuǎn)矩2 N·m，當轉(zhuǎn)速為12 r/min時，轉(zhuǎn)矩為1.7 N·m。

2.4 拋料機構(gòu)

拋料機構(gòu)采用離心葉輪式，主要由拋料室、離心葉輪和拋料電機組成。進行拋料工作時，控制系統(tǒng)發(fā)出信號控制拋料電機帶動離心葉輪工作。飼料從出料口落入拋料室，并隨著離心葉輪的運動拋撒出去。通過控制拋料電機的轉(zhuǎn)速進而控制飼料拋灑軌跡和距離。綜上所述，基本可以確定投餌機投飼裝置主要的結(jié)構(gòu)，如圖7（a）所示。

為優(yōu)化投餌機運行路線，減少投餌機軌道鋪設，以及單側(cè)投料時，投餌機受力不均勻的問題，設計投餌機為兩側(cè)同時拋料，如圖7（b）所示。當需要投餌機單側(cè)投料時，可通過調(diào)整控制系統(tǒng)，關閉一側(cè)的拋料電機，可實現(xiàn)另一側(cè)單獨投料。

3 總結(jié)

針對戶外網(wǎng)箱養(yǎng)魚，設計了一種移動式定量自動投餌機，其核心部件是定量下料機構(gòu)，通過控制步進電機的旋轉(zhuǎn)角度，進而控制旋轉(zhuǎn)葉輪的旋轉(zhuǎn)角位移，實現(xiàn)定量投飼。系統(tǒng)結(jié)合行走系統(tǒng)、定量下料機構(gòu)和左右拋料機構(gòu)，實現(xiàn)了移動式投飼，使用單個投餌機，可以完成對多個網(wǎng)箱的投飼工作。利用該投餌機，可對多個網(wǎng)箱進行移動式投飼和定量投飼，提高了投餌機的利用率，降低了飼料投放過程中的勞動強度。通過成本分析，目前，市場上一名水產(chǎn)養(yǎng)殖工人的工資平均為2 500元/月，每天可負責13個網(wǎng)箱的投飼和維護工作。以雇用一名工人負責13個4 m×6 m×3 m網(wǎng)箱的養(yǎng)殖規(guī)模為例，定點式投餌機成本約700元/臺，共需13臺；移動式定量自動投餌機和軌道成本約30 000元?？紤]設備折舊，經(jīng)分析得出，大約10個月即可收回投入的本金。以4 m×6 m×3 m的網(wǎng)箱為例，當網(wǎng)箱個數(shù)在10個以上時，使用該投餌機比一般的單個自動投餌機更經(jīng)濟。

參考文獻：

[1] 張繼業(yè)，胡福良，鄭琴，等.一種水陸兩用自動投餌機設計與試驗研究[J].中國水產(chǎn)，2017（9）：78-81.

[2]胡慶松，程文平，李俊.移動式蝦塘投餌裝置偏心抖料及拋餌系統(tǒng)優(yōu)化與試驗[J].上海海洋大學學報， 2016， 25（5）：794-800.

[3] 徐志強，王濤，鮑旭騰，等.池塘養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)遠程精準化升級與驗證[J].中國工程機械學報，2015，13（3）：272-276.

[4] 陳曉龍，田昌鳳，楊家朋，等.高密度養(yǎng)殖池塘自動氣力投飼機的設計試驗[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2016，43（5）：18-22.

[5] 袁凱，莊保陸，倪琦，等.室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)設計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（3）：169-176.

[6] 景新，樊樹凱，史穎剛，等.室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動投飼系統(tǒng)設計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2016（11）：260-263.

[7] 孫月平，趙德安，洪劍青，等.河蟹養(yǎng)殖全覆蓋自動均勻投飼的軌跡規(guī)劃與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32（18）：190-200.