蟹、蝦養(yǎng)殖池塘移動(dòng)投飼裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

洪　揚(yáng)，陳曉龍，田昌鳳，朱　燁，車(chē)　軒，陳　超，陳　翔，江　濤

(農(nóng)業(yè)部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

隨著集約化水產(chǎn)養(yǎng)殖技術(shù)的不斷發(fā)展和完善[1-3]，養(yǎng)殖機(jī)械也得到了迅速發(fā)展。投飼機(jī)因其具有節(jié)省人工和飼料，經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代池塘水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械中一個(gè)重要的組成部分[4-9]。國(guó)內(nèi)外對(duì)蟹塘、蝦塘投飼裝置，尤其是自動(dòng)化移動(dòng)投飼裝置的研究報(bào)道較少。近幾年雖然在池塘行走定位和測(cè)距方面有了一些研究成果，如采用全球定位系統(tǒng)(GPS)的行走機(jī)構(gòu)定位以及離岸測(cè)距方法等[10-12]，但其主要應(yīng)用于魚(yú)塘或其他試驗(yàn)研究，對(duì)于常見(jiàn)的大中型蟹塘、蝦塘養(yǎng)殖，因其定位方法成本高、操作復(fù)雜，并不適用。目前，大部分蟹、蝦養(yǎng)殖企業(yè)仍采用投飼機(jī)定點(diǎn)投喂或人工投喂的方式[13-14]，存在投飼距離短、范圍小、投飼不均勻、飼料利用率低，以及人工成本高等問(wèn)題。

針對(duì)蟹、蝦養(yǎng)殖的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套投飼裝置，以牽引繩為行走路線，裝有投飼裝置的投飼船通過(guò)牽引繩以一定的速度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走，同時(shí)采用拋撒裝置在池塘中均勻拋撒飼料[15]，具有操作簡(jiǎn)單、投飼均勻等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)飼料全池塘、大范圍投飼的功能要求。

1　工作原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1　工作原理

投飼裝置(圖1)主要由行走機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)料箱、上料裝置、拋撒裝置等組成。工作時(shí)，將飼料裝入儲(chǔ)料箱，啟動(dòng)行走機(jī)構(gòu)，投飼船按照既定路線[16]以一定的速度航行，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)上料裝置將飼料螺旋提升到撒料盤(pán)上，旋轉(zhuǎn)的撒料盤(pán)利用自身轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的離心力[17]將飼料以切線方向撒向池塘。該裝置可通過(guò)調(diào)節(jié)送料蛟龍轉(zhuǎn)速控制投料量，從而滿足不同大小池塘的要求；也可通過(guò)控制投飼船的航行速度來(lái)綜合調(diào)節(jié)投飼速度、投飼量大小，進(jìn)而達(dá)到精準(zhǔn)投飼要求。飼料采用螺旋上升的傳送方式，可以減少飼料破損。

1.2　行走機(jī)構(gòu)

行走機(jī)構(gòu)由浮船和導(dǎo)向裝置組成。浮船由兩只小浮船通過(guò)不銹鋼連接架并聯(lián)固定，船體可承載100 kg質(zhì)量，且具有較好的穩(wěn)定性。導(dǎo)向裝置為固定在池塘中軸線上的牽引繩，牽引繩通過(guò)浮船上的導(dǎo)向架來(lái)引導(dǎo)航向，通過(guò)電氣系統(tǒng)控制其速度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)投飼量和移動(dòng)投飼的目的。該裝置可滿足寬30 m、長(zhǎng)100 m大中型池糖的投飼需要。

1.3　上料裝置

上料裝置的核心是上料絞龍結(jié)構(gòu)(圖2)。為了保證送料效果，減少飼料破損，絞龍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要保證飼料在豎直傳送時(shí)與絞龍?zhí)淄仓g的間隙，同時(shí)要保證飼料不能從間隙中掉落，因此對(duì)絞龍?zhí)淄矁?nèi)壁與絞龍外圓的間距需要合理安排。該結(jié)構(gòu)中采用迷宮式密封方法[18]，可避免被壓碎的飼料堵住密封口，又能起到密封作用。另外，此結(jié)構(gòu)可以保證飼料不斷地被輸送到撒料平臺(tái)上，使傳輸更加穩(wěn)定[19-20]。當(dāng)送料絞龍螺旋轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絞龍內(nèi)的飼料受到螺旋向上力的作用，飼料呈螺旋式向上傳輸。飼料運(yùn)動(dòng)情況如圖3所示。

圖1　移動(dòng)式蝦塘、蟹塘投飼裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　上料絞龍結(jié)構(gòu)

當(dāng)絞龍繞中心軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，在半徑為r的螺旋片上任一點(diǎn)x處有一飼料，該飼料一方面與葉片之間有相對(duì)滑動(dòng)，另一方面在螺旋葉片推力作用下有軸向運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)速度可以根據(jù)速度矢量三角形求解得出。根據(jù)飼料顆粒運(yùn)動(dòng)速度圖的分析，飼料的移動(dòng)速度為：

v1=vfcos(a+φ)

(1)

其中:

(2)

(3)

因此，

(4)

式中：v1—軸向運(yùn)動(dòng)速度，m/s;vf—飼料實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度，m/s;φ—飼料與金屬摩擦角，°；v0—x點(diǎn)的線速度，m/s；vn—不計(jì)摩擦?xí)r飼料的絕對(duì)速度，m/s；α—螺旋葉片升角，葉片半徑ρ的函數(shù)，而同一橫斷面上葉片各點(diǎn)的ρ值不同，故a不同，v1亦不同；S—螺旋葉片的螺距，m，對(duì)于滿面葉片絞龍，本設(shè)計(jì)選用0.04；n—絞龍轉(zhuǎn)速，r/min。

圖3　飼料運(yùn)動(dòng)示意圖

1.4　拋撒裝置

拋撒裝置由步進(jìn)電機(jī)、棘輪、撒料盤(pán)組成，上料絞龍到達(dá)頂端時(shí)，通過(guò)在套筒上開(kāi)出3個(gè)面積相等的孔，飼料通過(guò)開(kāi)孔進(jìn)入撒料盤(pán)(圖4)。

圖4　絞龍出口及撒料盤(pán)示意圖

棘輪控制撒料盤(pán)的單向旋轉(zhuǎn)，防止絞龍因反轉(zhuǎn)而導(dǎo)致撒料裝置不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)控制撒料盤(pán)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制飼料拋撒直徑和拋撒量，根據(jù)實(shí)際養(yǎng)殖需要調(diào)整投喂量。通過(guò)理論計(jì)算和多次試驗(yàn)，選用轉(zhuǎn)速300 r/min、功率100 W的電機(jī)。撒料盤(pán)承接送料絞龍輸送的飼料，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)速將飼料均勻地拋撒在水面。

1.4.1撒料盤(pán)設(shè)計(jì)分析

為了更好地讓飼料從撒料盤(pán)上拋撒出去，撒料盤(pán)設(shè)置了8個(gè)擋板。為便于分析，在幾種不同速率下，對(duì)投飼撒料裝置模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化處理：飼料顆粒都是球形；飼料顆粒落到撒料盤(pán)上沒(méi)有跳動(dòng)和滾動(dòng)，只有滑動(dòng)；飼料顆粒落到撒料盤(pán)上只有單層，不會(huì)相互疊加[21]。根據(jù)實(shí)際需要，飼料顆粒直徑分別為1 mm、2.5 mm和3 mm。對(duì)飼料顆粒在撒料盤(pán)上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，當(dāng)飼料顆粒從輸送絞龍出來(lái)落入撒料盤(pán)時(shí)，初始速度可以假定為零，當(dāng)撒料盤(pán)相對(duì)飼料顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，飼料顆粒便會(huì)很快接觸到撒料盤(pán)隔板，因此根據(jù)慣性理論，飼料顆粒受到慣性力、離心力、摩擦力和擋板的支撐力，飼料顆粒受力不能達(dá)到平衡。飼料顆粒在落到撒料盤(pán)上時(shí)的受力可以分解為徑向和切向。為簡(jiǎn)化分析，主要考慮飼料顆粒在撒料盤(pán)受到的滑動(dòng)摩擦力。

(5)

(6)

(7)

由于圓盤(pán)被分成8等分，飼料顆粒運(yùn)動(dòng)受到中間隔板對(duì)顆粒的影響，運(yùn)動(dòng)顆粒分為不接觸隔板而做離心運(yùn)動(dòng)自由撒落的顆粒和在撒料盤(pán)上接觸到隔板后沿著隔板撒落的顆粒，在慣性作用下，大部分顆粒沿著擋板向外做加速運(yùn)動(dòng)，則顆粒離開(kāi)撒料盤(pán)后的運(yùn)動(dòng)方程為：

(8)

S=vt

(9)

式中：h—撒料盤(pán)距離承料面的豎直高度，m；g—地球重力加速度，m/s2；t—飼料顆粒作平拋運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s。S—飼料顆粒在離開(kāi)撒料盤(pán)后運(yùn)動(dòng)的水平距離，m；v—飼料顆粒飼料離開(kāi)撒料盤(pán)時(shí)的初始速度，m/s。

式(8)、(9)表明，從相同的高度h落下，飼料顆粒離開(kāi)撒料盤(pán)所達(dá)到的最遠(yuǎn)距離S由其離開(kāi)撒料盤(pán)的初始速度決定，而由式(5)～(7)可知，飼料顆粒離開(kāi)撤料盤(pán)的初始速度受到離心力、慣性力和摩擦力的影響。因此，可以認(rèn)為，顆粒離開(kāi)撒料盤(pán)所達(dá)到的最遠(yuǎn)距離與撒料盤(pán)轉(zhuǎn)速、直徑等有關(guān)。因此，在撒料盤(pán)直徑一定的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)撒料盤(pán)轉(zhuǎn)速，可使飼料顆粒拋撒出去時(shí)所獲得的初始速度不同，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)拋撒半徑。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需要，可以設(shè)計(jì)直徑不同的撒料盤(pán)，配合電機(jī)轉(zhuǎn)速，來(lái)實(shí)現(xiàn)更大投飼半徑范圍的調(diào)節(jié)。

2　投飼裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)確定

2.1　送料絞龍直徑

按照最大投飼量的設(shè)計(jì)要求，料倉(cāng)滿載時(shí)體積為0.08 m3，需要20 min內(nèi)完成一次投飼。根據(jù)對(duì)絞龍軸的撓度和剛度計(jì)算，設(shè)計(jì)絞龍軸半徑為10 mm。實(shí)際工作中通常不考慮物料軸向阻滯的影響，因而飼料的流通量可用下面簡(jiǎn)化公式計(jì)算：

(10)

V=Qrnt

(11)

聯(lián)立上述2個(gè)方程得出：

(12)

式中：v—物料軸向速度，m/r，本設(shè)計(jì)選用0.04 m/r；n—絞龍轉(zhuǎn)速，r/min，按照200 r/min計(jì)算；Qr—絞龍橫斷面上每轉(zhuǎn)能通過(guò)的飼料流量，m3/r；ψ—充滿系數(shù)，據(jù)試驗(yàn)，豎直絞龍的充滿系數(shù)約為0.3；V—料倉(cāng)體積，m3；t—投飼時(shí)間，s；r0—絞龍軸半徑，mm；r—絞龍半徑,mm。計(jì)算得出r最小為25.1 mm，即最小直徑50.2 mm。

因此設(shè)計(jì)絞龍葉片直徑為54 mm。根據(jù)與儲(chǔ)料箱的設(shè)計(jì)尺寸互相配合，絞龍高度設(shè)計(jì)為660 mm。

2.2　儲(chǔ)料箱參數(shù)分析

根據(jù)實(shí)際養(yǎng)殖的需要，一般0.33 hm2的養(yǎng)殖蟹、蝦塘，其投飼量每天最大約為60 kg，根據(jù)每天最大投飼量時(shí)分3次投喂，因此每次料箱容納飼料(350 kg/m3)需20 kg以上，綜合考慮設(shè)計(jì)移動(dòng)投飼料箱0.08 m3。在養(yǎng)殖前期蟹、蝦個(gè)體體積較小的情況下，裝一次料可滿足一天的投喂量。在蟹、蝦的成長(zhǎng)期，料箱容量仍可滿足一次投喂的需求。

投飼料箱采用上方為圓柱狀，下方為圓錐體的形式，要求投飼結(jié)束后殘余飼料盡量少，但是圓錐體料筒與水平面角度過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致重心過(guò)高，進(jìn)而使得投飼機(jī)構(gòu)在移動(dòng)投飼過(guò)程中發(fā)生傾倒。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)料倉(cāng)圓錐體錐角為100°時(shí)，料箱中仍有3 kg的飼料堆積，而當(dāng)調(diào)整到80°時(shí)，堆積情況得到了極大改善。研究表明，同一種飼料，錐角為80°時(shí)，殘余飼料僅為0.5 kg，且重心在合理范圍內(nèi)，使浮船在水面上的穩(wěn)定性得到提高。

3　試驗(yàn)與分析

3.1　樣機(jī)試驗(yàn)

該裝置于2017年8月在中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所泖港中試基地完成各項(xiàng)功能測(cè)試。測(cè)量得知，撒料盤(pán)距離水面距離為0.62 m。選用了3種不同直徑的常用顆粒飼料，顆粒直徑分別為3 mm(飼料1)、2.5 mm(飼料2)、1 mm(飼料3)，其中，飼料1為膨化顆粒飼料，密度較小。根據(jù)試驗(yàn)大綱，對(duì)每一種飼料進(jìn)行撒料盤(pán)轉(zhuǎn)速與投飼半徑關(guān)系的試驗(yàn)。隨后，對(duì)其基本參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，將每一種撒出去的飼料收集起來(lái)，用20目網(wǎng)篩對(duì)破碎顆粒飼料篩選，進(jìn)行稱(chēng)重和飼料總量相除后乘以100%，得出破碎率。每一種飼料試驗(yàn)結(jié)束后，將料箱剩余飼料倒出做殘飼量對(duì)比，將剩余飼料稱(chēng)重和總飼料相除后乘以100%，得出殘飼率。

3.2　基本性能參數(shù)試驗(yàn)與分析

試驗(yàn)過(guò)程中，投飼機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、工作安全可靠。通過(guò)對(duì)不同種類(lèi)的飼料進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖5和表1所示。

根據(jù)圖5可知，通過(guò)對(duì)撒料盤(pán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，飼料投飼直徑在1.2～5.8 m，當(dāng)轉(zhuǎn)速在調(diào)節(jié)到220 r/min時(shí)，飼料1投飼直徑達(dá)到2.8 m，飼料2投飼直徑3.6 m，飼料3投飼直徑達(dá)到5.8 m；當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)到100 r/min時(shí)，飼料投飼直徑相差不大，在1.2～1.8 m。3種不同直徑的飼料顆粒之間存在差異，主要原因是飼料顆粒密度、體積不同。飼料1密度小、體積大，計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮空氣阻力的影響，當(dāng)飼料顆粒離開(kāi)撒料盤(pán)做平拋運(yùn)動(dòng)，顆粒體積較大時(shí)，空氣阻力的影響便不能忽略，因此出現(xiàn)圖5中兩種體積相近但密度不同的飼料顆粒在相同轉(zhuǎn)速下投飼半徑出現(xiàn)較大差異。蟹、蝦幼苗期要求投飼半徑較大，飼料應(yīng)大范圍均勻投飼；隨著蟹、蝦的生長(zhǎng)，其活動(dòng)區(qū)域越來(lái)越大，飼料投飼區(qū)間也可以相對(duì)減小，通過(guò)控制行走機(jī)構(gòu)的行走速度來(lái)控制投飼區(qū)域的投飼量。該裝置的投飼半徑也符合蝦、蟹的生長(zhǎng)特性，具有一定使用價(jià)值。

由表1可知，在轉(zhuǎn)速220 r/min下，按每種飼料10 kg量進(jìn)行投飼試驗(yàn)，3種飼料顆粒破碎率分別為1.08%、1.7%、0.46%，該移動(dòng)投飼裝置平均破碎率在1%左右；殘飼率在2%～8%，裝置工作功率在19.2～33.6 W，表明該裝置對(duì)于不同種類(lèi)顆粒飼料功率變化較為穩(wěn)定，且遠(yuǎn)低于所選電機(jī)額定功率。

圖5　3種飼料在不同轉(zhuǎn)速下的投飼半徑

項(xiàng)目顆粒直徑/mm投飼量/kg殘飼量/kg殘飼率/%破碎量/kg破碎率/%工作電流/A工作電壓/V功率/W飼料13100.220.1081.080.92421.6飼料22.5100.880.171.700.82419.2飼料31100.770.0460.461.42433.6

4　結(jié)論

池塘移動(dòng)式投飼裝置體積小，便于組裝移動(dòng)，適合大中型養(yǎng)殖池塘進(jìn)行飼料投喂，克服了定點(diǎn)投喂中存在的拋撒不均勻、拋撒面積小等缺陷，可減少大型投飼裝置的資金投入，實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化投喂，降低人工成本。該裝置可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足不同大小池塘的養(yǎng)殖需要，提高飼料利用率，并且具有較高的實(shí)用性和科學(xué)性，適宜向廣大養(yǎng)殖池塘推廣使用。

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