用于水面機(jī)器人的物料投料噴灑機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

梁宇，陳世龍，李宗睿，戚 鐸，邵良靖，張芮琦

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201800）

0 引 言

隨著人民生活水平的提高，人們的飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的變化，對(duì)魚蝦類水產(chǎn)品的需求量越來越大。近十年，我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展，取得了較好的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。目前我國(guó)已是世界上最大的漁業(yè)生產(chǎn)國(guó)，水產(chǎn)品產(chǎn)量連續(xù)26年居世界第一，占全球水產(chǎn)品產(chǎn)量1/3以上，為城鄉(xiāng)居民提供1/4優(yōu)質(zhì)動(dòng)物蛋白[1]。但隨著我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)的不斷發(fā)展，養(yǎng)殖密度不斷增加、養(yǎng)殖業(yè)資源極大浪費(fèi)、勞動(dòng)生產(chǎn)率低、水產(chǎn)病害頻發(fā)、養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)大等問題嚴(yán)重制約水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。如何精確投料喂食，控制養(yǎng)殖成本，改善水體，減輕污染等綠色養(yǎng)殖問題已受到越來越多人的重視。

為了解決水產(chǎn)養(yǎng)殖中存在的上述問題，近幾年出現(xiàn)了自動(dòng)投料系統(tǒng)，如蝦塘移動(dòng)式投餌系統(tǒng)[2]等。水產(chǎn)養(yǎng)殖投料船中投料機(jī)構(gòu)一般由送料機(jī)構(gòu)與拋灑機(jī)構(gòu)組成。送料機(jī)構(gòu)主要有電磁鐵吸拉式送料機(jī)構(gòu)[3]、皮帶式送料機(jī)構(gòu)、螺旋輸送式送料機(jī)構(gòu)[4]、偏心輪振動(dòng)式的平衡式抖料機(jī)構(gòu)[5]。電磁鐵吸拉式送料機(jī)構(gòu)震動(dòng)較大，存在安全隱患，因此已較少使用。目前養(yǎng)殖行業(yè)常用的送料機(jī)構(gòu)主要以螺旋輸送式送料機(jī)構(gòu)和皮帶式送料機(jī)構(gòu)。常用的噴灑機(jī)構(gòu)主要有無動(dòng)力源噴灑機(jī)構(gòu)[6]、使用風(fēng)力輸送飼料[7]和使用圓盤噴灑3種類型。圓盤離心式噴灑機(jī)構(gòu)是最常使用的一種噴灑機(jī)構(gòu)。

目前，市面上已有的用于中小型水域的物料噴灑水面機(jī)器人，但其主要采用人工操作控制物料噴灑，投撒物料多為飼料[8]，不能夠準(zhǔn)確控制物料的噴灑量、噴灑點(diǎn)以及噴灑速度等。部分船體掛載有水質(zhì)傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)[9]，僅用于采集水樣，而不具備對(duì)水體實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)的功能。為了解決這些問題，本文擬設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用水下視覺圖像和水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，自動(dòng)控制水面機(jī)器人的物料輸送灑料裝置，實(shí)現(xiàn)物料按需按量、定點(diǎn)自動(dòng)投放的功能，達(dá)到物料準(zhǔn)確準(zhǔn)投放和局部水質(zhì)調(diào)節(jié)的目的。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 工作要求及工作原理

本文所設(shè)計(jì)的物料輸送與噴灑裝置是圖1所示水面機(jī)器人的一個(gè)組成部分。該水面機(jī)器人主要用于中小型養(yǎng)殖水域水產(chǎn)品的輔助養(yǎng)殖及局部水質(zhì)調(diào)節(jié)。機(jī)器人所搭載的物料輸送與噴灑裝置主要用于魚蝦類等水產(chǎn)品的喂食投料，也可用于局部水質(zhì)顆粒狀調(diào)節(jié)劑的定點(diǎn)投放。物料輸送與噴灑系統(tǒng)的基本要求及工作流程如圖2所示。

圖1 水面機(jī)器人組成

圖2 物料輸送及噴灑裝置工作流程

圖2所示的水面機(jī)器人物料投放系統(tǒng)中，物料存儲(chǔ)在上方的存儲(chǔ)器中，并利用重力下落到物料輸送機(jī)構(gòu)中。當(dāng)接收到水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)送的水質(zhì)狀態(tài)參數(shù)和及水質(zhì)檢測(cè)的位置信息后，控制系統(tǒng)按照所需調(diào)節(jié)劑的投放量控制輸送機(jī)構(gòu)按照一定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度運(yùn)轉(zhuǎn)一定的時(shí)間，將所需量的調(diào)節(jié)劑輸送至物料噴灑機(jī)構(gòu)，噴灑機(jī)構(gòu)將調(diào)節(jié)劑噴灑到水中。飼料投放功能與水質(zhì)調(diào)控功能的工作原理近似，利用水下視覺系統(tǒng)獲得的水下魚群、蝦群等水生物的分布信息和位置信息，通過控制系統(tǒng)控制物料輸送及噴灑裝置，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)定量投放飼料。

1.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2所示的物料輸送及噴灑裝置的工作原理，分析中小型水域的水面環(huán)境及投料的工作要求，參考現(xiàn)有離散型物料的輸送與噴灑方式，給出了物料輸送機(jī)構(gòu)和噴灑機(jī)構(gòu)的幾種選型方案及方案分析結(jié)果，見表1和表2所列，裝置的總體方案如圖3所示。

表1 物料輸送機(jī)構(gòu)方案

表2 噴灑機(jī)構(gòu)方案

圖3 噴灑機(jī)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)

考慮水面工作環(huán)境、小船空間相對(duì)較小，選擇螺旋輸送式送料機(jī)構(gòu)。物料從進(jìn)料口進(jìn)入，受螺旋葉片法向推力作用隨葉片向前運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)物料的輸送。通過設(shè)計(jì)螺旋輸送器的直徑、螺距和旋轉(zhuǎn)速度可控制物料的輸送量。

本文設(shè)計(jì)的水面機(jī)器人主要用于中小型水域飼料和水質(zhì)調(diào)節(jié)劑的噴灑，對(duì)物料的完整性要求不高，故選用圓盤離心式方案，通過設(shè)計(jì)噴灑圓盤直徑大小和旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)物料的噴灑。

1.3 主要參數(shù)計(jì)算

由上述分析可知，螺旋輸送機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有螺旋的直徑D，螺距S，螺旋的長(zhǎng)度L等，如圖4所示。

圖4 螺旋輸送機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

噴灑機(jī)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有圓盤的直徑D1等，如圖5所示。

圖5 離心噴灑機(jī)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

查閱《非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，螺旋輸送機(jī)的直徑經(jīng)驗(yàn)公式如下：

式中：D為螺旋外徑（單位：mm）；K為物料特性參數(shù)；Q為輸送能力（單位：t/h）；φ為填充系數(shù)；λ為物料單位容積質(zhì)量（單位：t/m3）；ε為傾斜輸送系數(shù)。

根據(jù)實(shí)際工況[10]，確定物料特性、所需輸送能力、填充系數(shù)、單位容積質(zhì)量及傾斜輸送系數(shù)后可確定所需螺旋外徑。物料為磨琢性物料，取K=0.056 5，φ=0.27，λ=0.7 t/m3。綜合考慮物料的輸送要求和水面機(jī)器人的整體協(xié)調(diào)性，取外徑為D=60 m。螺旋的螺距通常使用下式計(jì)算確定[11]：

式中：K1為螺距與螺旋直徑比值，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的水平布置的輸送機(jī)，K1為0.8～1.0，故選擇螺距S=60 mm。一般軸徑計(jì)算公式為：

考慮整體尺寸及實(shí)際工況，選擇軸徑d=10 mm。

根據(jù)實(shí)際工況和水面機(jī)器人的空間約束，將螺旋輸送器的長(zhǎng)度取為L(zhǎng)=150 mm。

物料離開轉(zhuǎn)盤時(shí)，線速度與轉(zhuǎn)盤邊線線速度相同，即：

式中：v為物料線速度（單位：m/s）；D為轉(zhuǎn)盤直徑（單位：m）；n為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速。

物料離開轉(zhuǎn)盤后近似看作做平拋運(yùn)動(dòng)，則物料噴灑最遠(yuǎn)距離為：

式中：s為噴灑最遠(yuǎn)距離（單位：m）；v為物料線速度（單位：m/s）；h為轉(zhuǎn)盤距水面高度（單位：m）；g為重力加速度，g=9.8 m2/s。

本文所使用的水面機(jī)器人（見圖1）中，噴灑裝置布置在雙船體的中部靠近尾部，噴灑高度約為h=80 mm，最遠(yuǎn)距離沒有嚴(yán)格要求，噴灑盤的直徑D1主要受雙船體聯(lián)結(jié)橋空間的限制，取D1=200 mm，可以通過電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)噴灑的距離。

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物料輸送與噴灑裝置的驅(qū)動(dòng)包含輸送螺旋機(jī)構(gòu)電機(jī)和物料噴灑機(jī)構(gòu)電機(jī)。螺旋機(jī)構(gòu)電機(jī)的選擇一般由下述經(jīng)驗(yàn)公式獲得。電機(jī)的選型主要由極限轉(zhuǎn)速nmax和電機(jī)功率確定。螺旋電機(jī)的極限轉(zhuǎn)速用下式計(jì)算：

式中：A為物料綜合特性系數(shù)；D為螺旋外徑（單位：mm）。

將計(jì)算上述獲得的A值和D值代入式（6）中，得到nmax=204 r/min。

螺旋輸送機(jī)構(gòu)的電機(jī)功率P與輸送螺旋的結(jié)構(gòu)參數(shù)、所用材料、物料的填充系數(shù)等有關(guān)，功率P一般采用下式計(jì)算：

式中：Q為物料為輸送能力（單位：t/h）；L為輸送距離（單位：m）；μ為物料運(yùn)行阻力系數(shù)；H為傾斜高度（單位：m）。

物料為輸送能力可用下式計(jì)算：

式（8）中各符號(hào)的意義同前。對(duì)于用于水質(zhì)調(diào)控的水面機(jī)器人，根據(jù)實(shí)際工況要求，取式（7）進(jìn)行計(jì)算。將表3所列參數(shù)代入式（7），得到的電機(jī)功率為計(jì)算得到螺旋輸送系統(tǒng)所需功率P=0.484 W，考慮一定的安全系數(shù)，選擇ZYTD-520（12V-3500R）直流電機(jī)（減速比為1/86）。

表3 部分參數(shù)取值

噴灑機(jī)構(gòu)電機(jī)主要用于驅(qū)動(dòng)噴灑圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)，無外加。為了采購(gòu)安裝及維修方便，取與螺旋輸送機(jī)構(gòu)相同的電機(jī)，即能夠滿足噴灑機(jī)構(gòu)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的要求。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種用于水面機(jī)器人的物料噴灑裝置，可實(shí)現(xiàn)物料按需按量、定點(diǎn)自動(dòng)精準(zhǔn)投放的功能。該物料噴灑裝置的水面機(jī)器人主要用于中小型養(yǎng)殖水域。改物料噴灑裝置與水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)配合，利用控制系統(tǒng)發(fā)出的信息，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)調(diào)節(jié)劑的自動(dòng)投放、達(dá)到調(diào)節(jié)局部水域水質(zhì)的目的。該水面機(jī)器人也可用于魚蝦類的飼料投放，與水下視覺系統(tǒng)配合，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投料，降低飼養(yǎng)成本，減少水環(huán)境污染。