吸魚泵的研究進展與發(fā)展建議

陳曉龍，田昌鳳，劉興國，黃一心，車 軒，楊家朋，洪 揚

(中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

近年來，隨著水產(chǎn)品需求量的不斷增加，活魚捕撈也逐漸成為重要的環(huán)節(jié)[1]，傳統(tǒng)人工的方法具有勞動強度大、工作效率低、魚類死亡率高等缺點[2]，活魚起捕裝備是解決這一問題的關(guān)鍵[3]。遠洋漁業(yè)捕撈中吸魚泵的使用可大大提高機械化、自動化水平，有效降低勞動強度，提升漁獲物品質(zhì)，提高捕撈效率。另外，隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)的快速發(fā)展，無論是大規(guī)模的池塘養(yǎng)殖還是網(wǎng)箱養(yǎng)殖，特別是大型深水網(wǎng)箱，活魚捕撈作業(yè)機械化問題越來越凸顯[4-5]。當魚苗養(yǎng)殖到成魚時，必須適時地將其捕撈上岸，以保證養(yǎng)殖的經(jīng)濟效益，如果沒有合適快速的機械化捕魚裝備，將大大影響生產(chǎn)效益[6-7]。因此，作為活魚起捕裝備的吸魚泵，具有較大的市場空間[8-9]。

本研究就吸魚泵國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進行簡單介紹與分析，以期推進吸魚泵在國內(nèi)的普及應(yīng)用，提高漁業(yè)裝備的現(xiàn)代化水平。

1 吸魚泵的類型及工作原理

吸魚泵的種類繁多，按照工作原理大致可分為：射流式吸魚泵、離心式吸魚泵、潛水式吸魚泵和真空式吸魚泵等[10]。

射流式吸魚泵 是利用高速流動的水流從噴嘴射出產(chǎn)生負壓，魚水最終由排魚管排出[11-12]。射流式吸魚泵結(jié)構(gòu)簡單，相對成本低，由于無葉輪，其損傷率相對較小。但容易產(chǎn)生氣蝕，加工難度較大，能量轉(zhuǎn)換效率低。一般應(yīng)用于大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖中。

離心式吸魚泵 是利用液壓原理驅(qū)動離心泵體內(nèi)葉片的高速運轉(zhuǎn)形成負壓進行吸魚[13]。其能量轉(zhuǎn)換效率高，可吸捕較重個體成魚，但由于魚要經(jīng)過葉片的高速旋轉(zhuǎn)作用，魚體受到的損傷較大，死亡率也較高。一般應(yīng)用于網(wǎng)箱養(yǎng)殖和遠洋漁船的裝卸。

潛水式吸魚泵 是將吸魚泵沉于水下，利用負壓原理進行活魚抽吸。該泵具有構(gòu)造簡單、效率高，不需配用大量的加強吸入管，且具有占用甲板面積小、質(zhì)量輕、操作方便等優(yōu)點，應(yīng)用較廣；其缺點是揚程較低，造價較高。因此，捕撈船、基地船和運輸船等應(yīng)用較多。

真空式吸魚泵 又可以分為間歇式真空吸魚泵和連續(xù)式真空吸魚泵。1)間歇式真空吸魚泵一般是單罐間歇式工作，根據(jù)需要吸取漁獲的多少，循環(huán)往復(fù)完成吸魚工作[14]。由于其工作效率低，能量損耗大，有將近一半的無功損耗，而且對魚體會有不同程度的損傷，因此其使用范圍具有一定的局限性。但其制造成本低，操作方便，質(zhì)量輕，運輸及安裝方便。因此該類型吸魚泵主要用于連續(xù)工作時間短，捕魚量較少的淡水池塘養(yǎng)殖或工廠化養(yǎng)殖中。2)連續(xù)式真空吸魚泵一般運用兩個泵體交替工作，實現(xiàn)不間斷連續(xù)吸魚、排魚[15]。由于采用負壓原理，可以一定程度降低其損傷率。其效率是傳統(tǒng)的單筒間歇式吸魚泵吸魚效率的1.5倍以上，可以有效解決間歇式真空吸魚泵存在的效率低、功耗大的問題。但其制造成本高，安裝及運輸難度較大。因此該類型吸魚泵一般用于工作時間長、捕魚量比較大的拖網(wǎng)、圍網(wǎng)，捕魚碼頭卸魚以及網(wǎng)箱活魚的起捕等。

2 國內(nèi)吸魚泵研究進展

隨著漁業(yè)裝備的不斷發(fā)展，各科研院所不斷進行吸魚泵的研發(fā)，開發(fā)出不同結(jié)構(gòu)形式的吸魚泵[16]。

基礎(chǔ)研究方面 劉平等[13]主要通過流體動力學軟件對離心式吸魚泵的葉輪進行了設(shè)計與分析，設(shè)計模型并驗證其可行性。同時將設(shè)計的吸魚泵與流體力學相結(jié)合并進行仿真模擬，成功實現(xiàn)了吸魚泵產(chǎn)品快速優(yōu)化的目的。楚樹坡等[16]基于SolidWorks對雙流道吸魚泵的三維實體造型進行研究設(shè)計，為深度開展雙流道吸魚泵的研究提供了理論依據(jù)。楊楠楠[17]設(shè)計了一種吸魚泵用進魚管道防堵塞結(jié)構(gòu)，能夠?qū)烊朐谒械碾s物進行攔截，同時能夠?qū)Ⅳ~表面的雜物掃除，有效防止了吸魚泵在工作時，大量的雜物堆積在吸魚泵的內(nèi)部造成其堵塞，增強了吸魚泵裝置的實用性。徐英士[18]對真空吸魚泵的閥體進行了逐一設(shè)計分析，為吸魚泵的系統(tǒng)優(yōu)化提供了可靠的理論基礎(chǔ)。

遠洋捕撈方面 秋刀魚作業(yè)船一般都是使用真空旋轉(zhuǎn)式無葉片吸魚泵[19]，該吸魚泵由于采用無葉片設(shè)計，大大降低了魚體損傷率。隋闖等[20]針對南太平洋捕撈竹莢魚的大型拖網(wǎng)漁船設(shè)計開發(fā)了一種可直接從大型遠洋拖網(wǎng)漁船網(wǎng)囊取魚的吸魚泵，該泵是一種經(jīng)液壓方式驅(qū)動的軸流式吸魚泵，吸魚口直徑較大，抽吸量高達300～500 t/h。該吸魚泵吸魚速度快、吸魚效果好，避免了網(wǎng)囊拖至甲板的復(fù)雜操作過程和網(wǎng)囊在甲板上的拖曳，減少了網(wǎng)具的破損率。周重光等[21]運用功能原理系統(tǒng)化設(shè)計方法也進行了拖網(wǎng)加工漁船吸魚泵的設(shè)計制造，吸魚泵可抽吸體質(zhì)量為1 kg左右的鮮活海淡水魚類而無損傷，抽吸量為15～20 t/h，該吸魚泵價格適中，比國外同規(guī)格吸魚泵便宜一半以上，合適推廣應(yīng)用。

水產(chǎn)養(yǎng)殖捕撈方面 為實現(xiàn)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖漁獲物的起捕，關(guān)長濤等[22]優(yōu)化設(shè)計了一種大型網(wǎng)箱射流式吸魚泵。該吸魚泵功率較高，安裝于甲板上，能夠吸較大體型的活魚。因此該吸魚泵一般適合大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖場中，其經(jīng)濟效益較高。中國科學院海洋研究所等研制的雙聯(lián)式真空吸魚裝置[23]，主要用于淡水養(yǎng)殖池塘的活魚吸捕，該裝置吸魚管道口徑較小、功率較大，容器采用不銹鋼材料，有效容積與垂直吸程主要針對淡水池塘養(yǎng)殖吸捕活魚，其容量有限，吸排魚過程對魚體基本無損傷。

智能控制方面 張召南等[24]基于力控組態(tài)對真空吸魚泵進行了設(shè)計研究，設(shè)計出一套友好的人機操作界面。該系統(tǒng)更加智能，操作更加方便，提高了吸魚泵的工作效率和控制質(zhì)量。通過對深水網(wǎng)箱的捕魚研究，采用方便、實用的力控組態(tài)，更直觀顯示了自動捕魚控制的全過程，更好完成了監(jiān)控系統(tǒng)。林雯雯等[25-26]同時也對吸魚泵的控制系統(tǒng)進行改進，將PLC控制模塊作為系統(tǒng)控制的核心部件，完全替代了以前的繼電器過程控制組合的控制方式，優(yōu)化了電路的控制結(jié)構(gòu)，設(shè)計出適合中國漁船使用的自動控制電路，進一步提高了吸魚泵運行的穩(wěn)定性和可靠性。

3 國外吸魚泵研究進展

由于吸魚泵具有機械化程度高、起魚效率高、操作人員少、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點[27-28]，在國外被廣泛應(yīng)用，關(guān)于其研究也越來越多，其功能也越來越強大，智能化水平也不斷提高。其中真空吸魚泵與離心式吸魚泵在國外發(fā)展較快，抽吸量也在不斷提高，抽吸速度與效率也成為其突破的重點。關(guān)于吸魚泵的研究也更加成熟，其主要運用于遠洋捕撈和水產(chǎn)養(yǎng)殖捕撈中[29-30]。

基礎(chǔ)研究方面 據(jù)文獻[31]，日本內(nèi)丸教授對離心吸魚泵表面的葉片進行了壓力的測定和無黏性及有黏性的數(shù)值模擬工作，其研究主要集中在通過滑移網(wǎng)絡(luò)和動網(wǎng)格技術(shù)的動靜耦合分析方面和采用PIV測試技術(shù)的三維湍流方面，從而為降低吸捕活魚損傷率提供了一種有效方法，為今后吸魚泵的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

遠洋捕撈方面 國外為遠洋漁船設(shè)計研發(fā)的各種吸魚泵，最具代表性的是挪威MMC Tendos公司與SINTEF合作，為漁船提供一種全新的吸魚泵系統(tǒng)[32-33]，主要是對傳統(tǒng)吸魚泵進行了優(yōu)化，通過一種壓差的形式替代了傳統(tǒng)斗式泵的作用[34]。該方法的優(yōu)點是，避免了魚通過傳統(tǒng)斗式泵時被葉片刮傷，能更好保證魚的完整性；此外，新傳輸系統(tǒng)在運送魚時將通過海水冷凍艙(RSW)，通過優(yōu)化該冷凍艙的形狀與內(nèi)部回流將更能發(fā)揮RSW的冷凍性能，提高了魚的品質(zhì)。該系統(tǒng)動作穩(wěn)定可靠，試驗效果好。

水產(chǎn)養(yǎng)殖捕撈方面 挪威、美國、丹麥、蘇聯(lián)、日本[35]等國網(wǎng)箱捕撈普遍使用吸魚泵，如美國ETI公司生產(chǎn)的網(wǎng)箱吸魚泵在其他各國廣泛應(yīng)用[36]，可以吸送鯰魚、鯛、鱸、羅非魚、鰻魚、鮭魚等魚。最大的抽吸量可以達到300～360 t/h，功率約190 kW，但價格昂貴，一般主要應(yīng)用于大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖企業(yè)中。美國ETI公司研制的吸魚泵用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)實現(xiàn)無損吸捕[37]，該裝置具有柔性的進口和出口，采用了吸魚口專利技術(shù)，入口的單向閥門在抽吸循環(huán)過程中不會受到魚類的干擾，能迅速地開閉。加拿大CanaVac 公司設(shè)計了一套用于養(yǎng)殖捕撈的吸魚設(shè)備[38]，該裝置安裝了特種閥，可以防止魚體物理損傷，手工制作的軟橡膠平滑耐用，內(nèi)壁拋光使魚體溫和通過。魚體低速輕柔進入泵體，不與葉輪、單向閥等活動部件或高壓水流接觸，總是頭部或尾部離開水箱，避免任何魚體碰撞損傷或死亡。上述兩套裝置都是通過優(yōu)化泵體結(jié)構(gòu)，從而大大降低了吸捕過程中的魚體損傷率。

智能控制方面 波蘭Wintec Polska公司研制的雙罐吸魚泵[39]，具有一個新的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可自動檢測真空罐內(nèi)的水位和真空度，自動控制吸魚、放魚等，進入水箱的魚類不會被內(nèi)部閥件壓碎，該系統(tǒng)每小時的抽吸量可達到130～150 t，抽吸高度能夠達到7 m。冰島VAKI公司[40]研制的離心式吸魚泵可以對鮭魚、羅非魚等進行溫和快速的轉(zhuǎn)移，并擁有多種功能，如配備計數(shù)裝置、魚水分離器和稱重功能等，而且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕巧，便于現(xiàn)場安裝和移動，從而可以適應(yīng)更加豐富的養(yǎng)殖環(huán)境。

國外關(guān)于吸魚泵的研究主要集中于優(yōu)化泵體結(jié)構(gòu)、降低魚體損傷率、提高工作效率和提升智能化控制系統(tǒng)等。國內(nèi)的吸魚裝備性能較國外還有相當大的差距，國內(nèi)關(guān)于上述研究相對較少，研究的結(jié)構(gòu)類型和工作原理變化不大?？傮w上，國內(nèi)吸魚泵的抽吸量相對較小，基本在100 t/h以下；大多只用于吸捕，功能較單一；自動化水平仍然不高，魚體損傷率也有待提高。

4 研究建議

4.1 降低魚體損傷率

離心式、射流式和真空式吸魚泵，其最基本原理都是運用罐體內(nèi)的負壓環(huán)境對魚體進行抽吸，若控制不好負壓會對魚體產(chǎn)生較大損傷，但若負壓太小，又無法對活魚進行抽吸，效率不高。如何把握好罐體內(nèi)的負壓成為設(shè)計吸魚泵的關(guān)鍵所在。因此，吸魚泵在設(shè)計時需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)。真空吸魚泵可以通過調(diào)節(jié)安全閥門控制真空度，一般魚水達到泵體3/4容積時開始排魚較為理想，此時既能保證抽吸魚水的工作效率，又能避免一定的魚體損傷。離心式吸魚泵盡量采用旋轉(zhuǎn)式無葉片活魚吸魚泵。射流式吸魚泵可以盡量提高流速，縮短活魚停留時間，減少其損傷率。同時，需要提高罐體與各閥件的制作工藝，盡可能焊接完整，打磨光滑，避免此過程中引起對魚體的內(nèi)在損傷。因此，在吸魚泵未來發(fā)展過程中，其設(shè)計的參數(shù)化、制造的精密性和安裝的準確性是解決吸魚泵主要問題的關(guān)鍵所在。

4.2 提高吸魚泵的工作效率

吸魚泵應(yīng)用較多的是真空吸魚泵，工作效率相對較低是其弱項，因此需要綜合考慮適用場地，選擇合適的吸魚泵，盡量提高吸魚泵的連續(xù)抽、排魚時間，選擇合適的泵體與閥件，提高泵體的制造工藝。由于魚水比例需要控制在1∶1能達到最佳抽吸效果，因此需要控制魚水比例，在抽吸之前需要對魚群進行適當聚集，維持相對比例。當抽吸后魚群減少時，抽吸效果變差，需要再次聚集魚群，維持高魚水比例，提高其工作效率。

4.3 增加吸魚泵的多功能性

水產(chǎn)養(yǎng)殖戶可結(jié)合自身情況，在吸魚泵的末端可增加多功能設(shè)備。如養(yǎng)殖中可增加魚類提升裝置和計數(shù)裝置，實現(xiàn)魚類快速運輸，從而保證其存活率，增加其經(jīng)濟效益。在捕撈環(huán)節(jié)上增加分級和稱重裝置，實現(xiàn)吸魚、分級、稱重等一體化工作，使整個過程更加緊湊，安全環(huán)?？沙掷m(xù)。在遠洋捕撈方面，可增加太陽能、風能等動力裝置，達到節(jié)能環(huán)保的目的。在加工環(huán)節(jié)可增加魚水分離裝置和干燥裝置，實現(xiàn)魚肉快速存儲和運輸，從而保證其加工品質(zhì)。因此，針對不同流通環(huán)節(jié)增加其功能性，設(shè)計開發(fā)更具有實用性和創(chuàng)新性的吸捕設(shè)備，可大大減輕勞動強度，提升工作效率。

4.4 提高吸魚泵的智能化水平

隨著科技水平的不斷提高，吸魚泵的研制進入了快速發(fā)展的階段[41]，節(jié)約勞動成本，提高智能化水平已成為未來發(fā)展趨勢[42-43]。針對吸魚泵操作方法，開發(fā)電腦、手機、語音等多平臺操作系統(tǒng)，使整個操作方便快捷，滿足不同養(yǎng)殖戶的需求。針對吸魚泵控制系統(tǒng)，開發(fā)智能控制平臺自動完成整個吸魚工作，包括吸捕時間、吸捕速度和吸魚數(shù)量。針對吸魚泵監(jiān)測系統(tǒng)，開發(fā)智能監(jiān)測裝置，通過多方位傳感器自動監(jiān)測泵體內(nèi)魚水比例及泵體內(nèi)壓力，并通過其他控制元件控制泵內(nèi)壓力以達到降低魚體損傷率的目的。使吸魚泵做到設(shè)計參數(shù)化、控制智能化、操作簡單化，從而更好地促進水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)機械化、智能化。

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