水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)船轉(zhuǎn)塘裝置的設(shè)計

摘要：水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)船可以用于水草清理、餌料投放、施藥、水質(zhì)監(jiān)測等，其工作范圍不只限于單塊水塘，但相鄰水塘共用時往往需要通過人力來實現(xiàn)養(yǎng)殖作業(yè)船的轉(zhuǎn)塘，這一過程費時費力。對此，設(shè)計一種養(yǎng)殖作業(yè)船轉(zhuǎn)塘裝置，通過兩側(cè)齒輪與架空齒條的嚙合及底部滾輪與轉(zhuǎn)移軌道的導(dǎo)向來形成對作業(yè)船的三點支撐。為保證養(yǎng)殖作業(yè)船能無阻礙地通過堤壩，特地設(shè)計計算了架空齒條上坡段、水平段和下坡段的高度和角度。將養(yǎng)殖作業(yè)船的螺旋槳改造成明輪，其為轉(zhuǎn)塘爬坡提供動力的同時也能有效防止水草纏繞。現(xiàn)有應(yīng)用表明，該裝置大大提升了水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的轉(zhuǎn)塘效率，既提高了作業(yè)船的利用率，也降低了總體投入成本，因此具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞：水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)船；轉(zhuǎn)塘裝置；三點支撐；齒輪齒條

中圖分類號：TP273；S95 " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " "文章編號：1674-1161（2024）01-0038-03

隨著人們對水產(chǎn)品消費需求的日益增長，水產(chǎn)品的養(yǎng)殖規(guī)模也在不斷擴大，養(yǎng)殖手段方法也在不斷更新。養(yǎng)殖作業(yè)船作為水產(chǎn)品養(yǎng)殖的常見工具，可用于水草清理、餌料投放、施藥、水質(zhì)監(jiān)測等，可以說養(yǎng)殖作業(yè)船的使用大大提升了水產(chǎn)品的養(yǎng)殖效率、降低了養(yǎng)殖戶的人工使用成本、提高了養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。

為滿足上述使用場景的需求，現(xiàn)有文獻(xiàn)對養(yǎng)殖作業(yè)船功能開發(fā)的闡述主要集中在自主導(dǎo)航、遠(yuǎn)程控制、精準(zhǔn)投飼、電量管理等方面[1-2]。但在實際應(yīng)用過程中，養(yǎng)殖水塘?xí)鶕?jù)水產(chǎn)品類別和生長階段的不同而分割成多塊相鄰的水塘，塊與塊之間則通過堤壩進(jìn)行分割[3]，養(yǎng)殖作業(yè)船若只在其中一塊水塘使用，便難以發(fā)揮其優(yōu)勢，從而導(dǎo)致利用率不高，相鄰的水塘往往通過人力搬運來實現(xiàn)轉(zhuǎn)塘，自動化程度低，且費時費力。因此，開發(fā)一種養(yǎng)殖作業(yè)船自動轉(zhuǎn)塘裝置，將原有養(yǎng)殖作業(yè)船的螺旋槳改造成明輪來作為跨越堤壩的動力，同時其在水中作業(yè)劃動時也可防止水草纏繞。自動轉(zhuǎn)塘裝置還包括橫跨在堤壩上的轉(zhuǎn)移軌道，通過該裝置能實現(xiàn)養(yǎng)殖作業(yè)船在相鄰水塘之間的快速轉(zhuǎn)移，因其能擴大機械作業(yè)面積、提高經(jīng)濟(jì)效益，所以在水產(chǎn)養(yǎng)殖戶中得到了推廣應(yīng)用。

1 整體設(shè)計

轉(zhuǎn)塘裝置的俯視圖和主視圖如圖1所示。

架空齒條1和轉(zhuǎn)移軌道4橫跨在相鄰水塘的堤壩5上。養(yǎng)殖作業(yè)船2由螺旋槳驅(qū)動改造成明輪驅(qū)動，并同軸安裝齒輪3。正常水塘作業(yè)時，明輪劃水驅(qū)動作業(yè)船前行，其能防止水草纏繞。轉(zhuǎn)塘?xí)r齒輪3與架空齒條1嚙合，這能為轉(zhuǎn)塘?xí)r的爬坡提供動力。這種設(shè)計使得劃水與轉(zhuǎn)塘爬坡由同一套驅(qū)動機構(gòu)完成，簡化了養(yǎng)殖作業(yè)船的機械結(jié)構(gòu)，但養(yǎng)殖作業(yè)船的驅(qū)動電機為蓄電池供電，容量有限且供電不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)塘爬坡時的動力需求遠(yuǎn)大于劃水?？紤]到轉(zhuǎn)塘爬坡時的動力可能不足，需要輔助人力牽引，因此設(shè)計也考慮了外力牽引裝置7。由于轉(zhuǎn)塘屬于不頻繁操作，這種設(shè)計能節(jié)約成本、簡化結(jié)構(gòu)，且靈活性強。

2 轉(zhuǎn)移坡道設(shè)計

轉(zhuǎn)移坡道包括轉(zhuǎn)移軌道和架空齒條兩部分，其與養(yǎng)殖作業(yè)船上的兩側(cè)齒輪和底部滾輪共同形成了對養(yǎng)殖作業(yè)船的三點支撐，如圖1所示。其分為上坡段、水平段和下坡段。

2.1 上坡段設(shè)計

上坡段的角度設(shè)計需綜合考慮船上明輪驅(qū)動電機的爬坡能力、蓄電池的電源容量和轉(zhuǎn)塘?xí)r船的穩(wěn)定性[4]，如圖2所示。

養(yǎng)殖作業(yè)船兩側(cè)的驅(qū)動電機扭矩所產(chǎn)生的等效牽引力主要用來抵消作業(yè)船本身重力的分力，同時忽略齒輪齒條的摩擦力，應(yīng)滿足：

[mgsinα=2Td] " " " " " " "（1）

式（1）中：m，水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)船的質(zhì)量；[α]，上坡段的角度；[T]，養(yǎng)殖船的驅(qū)動電機扭矩；[d]，齒輪的分度圓直徑。

水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)船空載時，m=70 kg，T=13.2 N·m，d=65 mm，分別代入式（1），得[α]=35.45°，最終取[α]=30°。

上坡段的角度確定后，需求得架空齒條與轉(zhuǎn)移軌道的高度差h，如圖3所示。

[h=h12+l2sin（γ+α-β）=h12+l2sin（arctan（h1l）+α-β）] （2）

式（2）中：h1，養(yǎng)殖作業(yè)船齒輪與船底的距離，如圖4所示；[l]，齒輪與另一支撐點底部滾輪的水平距離；[γ]，三點支撐的夾角；[α]，上坡段角度；[β]，船底與上坡段的夾角。

[α]=30°已經(jīng)求得，為保證養(yǎng)殖作業(yè)船在上坡時重心穩(wěn)定，避免傾覆[，β]取20°，h1=323 mm，l=996 mm，最后計算得到h=491 mm。

2.2 水平段和下坡段設(shè)計

為保證上坡段和水平段的流暢過渡，應(yīng)盡量降低船底的離地高度，從而使整個轉(zhuǎn)移坡道更為穩(wěn)固，同時還可節(jié)約材料。設(shè)計使得水平段的架空齒條與轉(zhuǎn)移軌道的高度差h2=h1=323 mm，如圖1所示。

考慮相鄰水塘之間的轉(zhuǎn)塘是雙向的，因此下坡段角度與上坡段角度應(yīng)保持相等。下坡段的架空齒條與轉(zhuǎn)移軌道位于同一高度[5]，如圖1所示。當(dāng)需要反向轉(zhuǎn)塘?xí)r，養(yǎng)殖作業(yè)船以倒退的方式駛?cè)胂缕露?，這使得齒輪與架空齒條嚙合，因此所謂的上坡段、下坡段是相對于齒輪安裝在船體后端而言的，其與船體的行進(jìn)方向無關(guān)。

3 水產(chǎn)養(yǎng)殖作業(yè)船的改造

為適應(yīng)轉(zhuǎn)塘操作，在原有養(yǎng)殖作業(yè)船的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造。為盡量簡化作業(yè)船的機械結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)塘和正常行駛共用一套驅(qū)動系統(tǒng)。在養(yǎng)殖作業(yè)船底部設(shè)計了滾輪，其與轉(zhuǎn)移軌道配合可形成良好的導(dǎo)向，從而保證了兩側(cè)齒輪齒條的正常嚙合。

3.1 明輪的設(shè)計

將原有的螺旋槳拆除，安裝了如圖5所示的明輪。

明輪安裝在船體兩側(cè)，并由兩只直流電機直接驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，如圖5所示。明輪由圓盤1、葉片2和齒輪3三個主要零件裝配而成，圓盤1的表面沿徑向?qū)ΨQ且安裝了6只葉片[6-7]，其在正常行駛時劃水使用，能有效防止蝦塘、蟹塘中的水草纏繞。圓盤1同軸安裝齒輪3，同時與架空齒條相嚙合來驅(qū)動養(yǎng)殖作業(yè)船爬坡轉(zhuǎn)塘。

3.2 底部導(dǎo)向滾輪的設(shè)計

為保持船體在轉(zhuǎn)塘?xí)r的姿態(tài)角度，應(yīng)“抬”著作業(yè)船轉(zhuǎn)塘以形成穩(wěn)定的三點支撐，同時船體底部應(yīng)安裝滾輪，如圖6所示。

滾輪2通過軸承繞中心轉(zhuǎn)軸1旋轉(zhuǎn)，同時船體底部設(shè)有凹槽，如圖6所示。養(yǎng)殖作業(yè)船需要轉(zhuǎn)塘?xí)r，會將中心轉(zhuǎn)軸穿過此凹槽，滾輪兩側(cè)有限位片，其與轉(zhuǎn)移軌道上的方軌配合能起到很好的導(dǎo)向作用，這使得齒輪齒條不受軸向力，從而保證了兩側(cè)的正常嚙合。正常行駛時，為減小水中阻力，中心轉(zhuǎn)軸和滾輪可以拆除。

由于養(yǎng)殖作業(yè)船為蓄電池驅(qū)動，電量消耗有可能使供電電壓被負(fù)載拉低，進(jìn)而使電機扭矩?zé)o法達(dá)到如式（1）所示的13.2 N·m，因此中心轉(zhuǎn)軸連接了人字形外力牽引裝置3，其在蓄電池電量不足、爬坡動力不足時可輔助外力牽引。另外，作業(yè)船轉(zhuǎn)塘爬坡時，由于滾輪支點安裝在船體前端而最先接觸轉(zhuǎn)移軌道，但這時的齒輪齒條尚未嚙合，明輪劃水提供的動力不足以驅(qū)動作業(yè)船爬坡，此時也需要輔助外力牽引[8]。

4 試驗

為驗證作業(yè)船轉(zhuǎn)塘裝置設(shè)計的可行性，選擇某養(yǎng)殖戶的水塘進(jìn)行了上坡段和部分水平段的現(xiàn)場試驗，如圖7所示。

轉(zhuǎn)塘?xí)r，養(yǎng)殖作業(yè)船首先進(jìn)入手動控制模式，行駛方向?qū)?zhǔn)轉(zhuǎn)移坡道，先將中心轉(zhuǎn)軸穿過作業(yè)船底部的凹槽，再把滾輪對準(zhǔn)轉(zhuǎn)移軌道，之后人力拖拽牽引裝置來助力齒輪齒條嚙合，待正常嚙合后，作業(yè)船驅(qū)動電機爬坡，使其能順利通過上坡段。轉(zhuǎn)塘過程中上坡段與部分水平段共用時3 min 40 s，且底部滾輪始終與轉(zhuǎn)移軌道貼合，這能起到良好的導(dǎo)向作用，同時船底其余位置未與轉(zhuǎn)移坡道發(fā)生碰擦，由此證明了架空齒條與轉(zhuǎn)移軌道的高度差計算正確。

5 結(jié)語

養(yǎng)殖作業(yè)船轉(zhuǎn)塘裝置大大提升了水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的轉(zhuǎn)塘效率，3個人30 min的工作量被縮減為1個人5 min的工作量；單個養(yǎng)殖作業(yè)船的作業(yè)面積擴大至整片水塘，且明輪的設(shè)計還能夠有效防止水草纏繞，不僅節(jié)約了清理時間，還提高了作業(yè)船的利用率；轉(zhuǎn)塘裝置包括堤壩上的轉(zhuǎn)移坡道建設(shè)和原有養(yǎng)殖作業(yè)船的改造，建造成本均較低，因而在水產(chǎn)養(yǎng)殖戶的應(yīng)用中取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。下一步應(yīng)致力于提高轉(zhuǎn)塘的自動化程度，可結(jié)合GPS/北斗和末端定位技術(shù)[9-10]，使養(yǎng)殖作業(yè)船能自動對接轉(zhuǎn)塘裝置，以此來減少轉(zhuǎn)塘過程中的手動操作，從而為轉(zhuǎn)塘裝置的進(jìn)一步推廣應(yīng)用創(chuàng)造條件。

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Design of Pond Transfer Device for Aquaculture Work Boat

ZHU Jun1， ZHAO De'an2， YUAN Hao2， ZHANG Xianyang2， ZHU Zenggui2

（1.Changzhou College of Information Technology， Changzhou Jiangsu 213164， China; 2. Jiangsu University， Zhenjiang Jiangsu 212013， China）

Abstract： Aquaculture work boats can be used for water grass cleaning， bait feeding， drug application， water quality monitoring， etc. The scope of their work is not limited to a single pond， but when adjacent ponds are shared， manpower is often needed to realize the transfer of aquaculture work boats， which is a time-consuming and laborious process. To solve this problem， a kind of pond transfer device for aquaculture work boat is designed. The three-point support for the work boat is formed by engaging the two sides of the gear with the overhead rack and guiding the bottom roller with the transfer track. In order to ensure that the aquaculture boat can pass through the dam without hindrance， the height and angle of the uphill， horizontal and downhill sections of the overhead rack are designed and calculated. The propeller of the aquaculture work boat is transformed into paddle wheel， which can provide power for the climbing of the turning pond and effectively prevent the entanglement of water grass. The existing application shows that the device greatly improves the efficiency of the pond transfer in aquaculture process， not only improves the utilization rate of the work boat， but also reduces the total input cost， so it has a certain popularization value.

Key words：aquaculture work boat; pond transfer device; three-point support; rack and pinion