高密度養(yǎng)殖池塘自動(dòng)氣力投飼機(jī)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)

陳曉龍， 田昌鳳， 楊家朋， 朱 燁， 車 軒， 唐 榮， 洪 揚(yáng)

(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)

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高密度養(yǎng)殖池塘自動(dòng)氣力投飼機(jī)的設(shè)計(jì)試驗(yàn)

陳曉龍， 田昌鳳， 楊家朋， 朱 燁， 車 軒， 唐 榮， 洪 揚(yáng)

(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)

為解決池塘高密度養(yǎng)殖過(guò)程中的投飼機(jī)承載量小、投飼不均勻、投飼范圍小、飼料利用率低等問(wèn)題，提出一種基于氣體輸送原理的自動(dòng)投飼機(jī)。根據(jù)其工作原理，對(duì)投飼機(jī)的供料系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、拋料系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，采用氣力作為供料能源，管道作為輸送機(jī)構(gòu)，撒料盤作為拋料機(jī)構(gòu)，西門子S7-200PLC作為系統(tǒng)控制單元。結(jié)果顯示，該自動(dòng)投飼機(jī)能同時(shí)滿足6個(gè)池塘的投喂，并能單獨(dú)控制，滿足池塘的投飼需求；投飼距離達(dá)20 m，平均投飼速度400 kg/h，破碎率低于0.9%，基本滿足設(shè)計(jì)要求。與傳統(tǒng)池塘投飼機(jī)相比，該投飼機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，飼料不易破碎、飼料利用率高等特點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)投飼量精確調(diào)節(jié)與控制。

高密度養(yǎng)殖；氣力輸送；投飼機(jī)；自動(dòng)控制

投飼是水產(chǎn)養(yǎng)殖過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)，也是消耗人力最重要的因素之一[1-2]。目前，大部分高密度、集約化養(yǎng)殖池塘均采用定點(diǎn)投飼機(jī)投喂，需要人工每天定時(shí)往投飼機(jī)里補(bǔ)充飼料，存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低和投飼不均勻的問(wèn)題[3-4]。為提高水產(chǎn)養(yǎng)殖生產(chǎn)效率、解決水產(chǎn)養(yǎng)殖投飼的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已開(kāi)發(fā)研究了螺旋輸送式投飼機(jī)[5]、室內(nèi)工廠化養(yǎng)殖自動(dòng)投飼裝置[6-7]、池塘自動(dòng)投飼船[8]等，國(guó)外也已成功開(kāi)發(fā)并使用了系列化的池塘自動(dòng)投飼系統(tǒng)[9-12]。這些投飼機(jī)械雖增大了投飼面積，在一定程度上提高了餌料利用率，但存在儲(chǔ)料量小、補(bǔ)料頻繁的缺點(diǎn)，難以在養(yǎng)殖池塘中推廣[13-14]。

針對(duì)室外高密度池塘養(yǎng)殖投飼中存在的問(wèn)題，提出運(yùn)用氣力輸送的方法代替人工投飼，研發(fā)了一種基于氣力輸送的自動(dòng)投飼機(jī)[15-19]，除了解決已有投飼機(jī)的缺點(diǎn)外，還能夠全天候進(jìn)行定時(shí)投飼，控制方便，具有使用簡(jiǎn)單、操作方便、飼料不易破碎、飼料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 投飼機(jī)的組成及工作原理

投飼機(jī)由供料(料箱)、輸送(輸料管、撒料盤)、下料(螺旋下料器、分配器)和控制(羅茨風(fēng)機(jī)、電磁閥)4部分構(gòu)成(圖1)。

1.撒料盤 2.輸料管 3.螺旋下料器 4.分配器 5.料箱 6.電磁閥 7.羅茨風(fēng)機(jī)

圖1 氣力投飼裝置結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Structure diagram of the pneumatic feeding device

投飼機(jī)工作原理：將飼料由上料器輸送到儲(chǔ)料箱，經(jīng)下料器分配飼料，通過(guò)管道由氣力輸送到不同的養(yǎng)殖池塘，所有池塘投喂都可以自動(dòng)化集中投飼。起動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)羅茨風(fēng)機(jī)工作，風(fēng)機(jī)使管道中形成高速低壓空氣流，料箱中盛放飼料，通過(guò)旋轉(zhuǎn)下料器向管道中添加飼料，飼料顆粒在高速氣流驅(qū)動(dòng)下沿指定管道向不同目標(biāo)養(yǎng)殖水域輸送，在管道末端由撒料盤將飼料均勻拋灑到養(yǎng)殖水面。管道可連接到不同水面，從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)投飼系統(tǒng)對(duì)多目標(biāo)養(yǎng)殖水域進(jìn)行投飼的目的?？刂葡到y(tǒng)控制整個(gè)裝置的供料、輸送和拋料，根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)和停止。

2 投飼機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 供料系統(tǒng)

通過(guò)上料器將飼料輸送到儲(chǔ)料箱中，通過(guò)螺旋下料器輸送到分配器中，在羅茨風(fēng)機(jī)的高速氣流下將飼料輸送出去。供料系統(tǒng)由料箱、下料器、分配器和羅茨風(fēng)機(jī)組成。根據(jù)試驗(yàn)池塘投喂情況，每次投飼200 kg(飼料密度400 kg/m3)，料箱大小為0.8 m3?？筛鶕?jù)池塘養(yǎng)殖密度不同將下料口設(shè)計(jì)成不同尺寸，從而滿足投飼要求。

螺旋下料器必須密閉，保證下料安全可靠。設(shè)定下料速度400 kg/h，依此設(shè)計(jì)下料器。由于池塘對(duì)稱分布，要求每個(gè)下料器平分拋撒，因此在下端安裝分配器，一分為二，分配器上安裝氣動(dòng)推桿，既可分開(kāi)拋撒也可同時(shí)打開(kāi)拋撒飼料。選用直流電機(jī)。螺旋給料器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率計(jì)算公式[20]：

P=QLW/ 367η

(1)

式中：P-電機(jī)功率，W；Q-螺旋給料器的給料能力，kg/min；L-螺旋給料器長(zhǎng)度，mm；W-阻力系數(shù)，一般取1.5～4.0；η-傳動(dòng)效率，一般取0.35～0.57。已知Q=400 kg/h=6.6 kg/min，L=520 mm，此處取W=2，η=0.4。計(jì)算得：P=46 W。

考慮到密封對(duì)軸和軸承的摩擦，以及由于軸兩端加工精度不同而造成的附加阻力，要適當(dāng)加大驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率。在一些實(shí)際應(yīng)用中，實(shí)際軸功率要比理論計(jì)算功率大。綜合考慮實(shí)際選用的電機(jī)功率為100 W。

2.2 輸送系統(tǒng)

輸送是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，必須綜合考慮風(fēng)量、氣壓和飼料速度，并根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算管徑大小。由于PVC具有耐壓、耐磨和質(zhì)量輕等特點(diǎn)，最終選用Ф50的PVC管作為輸送管。羅茨風(fēng)機(jī)末端分開(kāi)，分別連接6個(gè)電磁閥，再用軟管分別連接到分配器中的6個(gè)接口，最后與拋料裝置連接。

關(guān)于氣力輸送的設(shè)計(jì)計(jì)算很多，但大多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于不同的裝置，設(shè)計(jì)過(guò)程也不盡相同，有的功率損耗很大，有的不能順利工作，其主要原因是設(shè)計(jì)計(jì)算中沒(méi)有選取好相關(guān)參數(shù)。因此，選擇合適的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行裝置的精確能量計(jì)算是整個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵所在[12]。

輸送裝置的關(guān)鍵為壓氣裝置，即本次使用的羅茨風(fēng)機(jī)。要求確定其風(fēng)量和氣壓。根據(jù)本次實(shí)際情況先設(shè)定一定參數(shù)：設(shè)定管長(zhǎng)L=50 m，管徑D=50 mm，物料下料速度為400 kg/h，管道總壓力降約為40 kPa。

計(jì)算風(fēng)量[17]：

Q0=GS/60mρ0

(2)

式中：Q0—低壓壓送系統(tǒng)的計(jì)算風(fēng)量，m3/min；GS—低壓壓送系統(tǒng)的輸送物料能力，kg/h；ρ0—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空氣密度，取ρ0=1.2 kg/m3；m—料氣比，取m=10.3。

選用風(fēng)機(jī)時(shí)需考慮漏氣量，考慮到本次為試驗(yàn)裝備，裝備加工精度不高，故取較大的余量系數(shù)，即1.4。系統(tǒng)的工作風(fēng)量為Q機(jī)=1.4Q0，即Q機(jī)=0.76 m3/min。

低壓壓送系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率為[18]：

P=1.15×1.2Q機(jī)P壓/60

(3)

式中：P壓—管道總壓力降，取P=0.70kW

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合市場(chǎng)上常用風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，選用羅茨風(fēng)機(jī)規(guī)格參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速1 300r/min，總壓降39.2kPa，進(jìn)風(fēng)量1.65m3/min，電機(jī)功率2.2kW。

2.3 拋料系統(tǒng)

拋料系統(tǒng)采用圓錐形圓盤結(jié)構(gòu)，飼料通過(guò)氣流拋撒在撒料盤上，然后，均勻拋撒到池塘中，其軌跡形成拋物線。通過(guò)計(jì)算并根據(jù)池塘大小，設(shè)計(jì)出符合本系統(tǒng)的拋料機(jī)構(gòu)(圖2)。

圖2 拋料路徑示意圖Fig.1 Path diagram of feeding

如圖2所示，假設(shè)O點(diǎn)為飼料拋出點(diǎn)，不計(jì)空氣阻力，由圖中相關(guān)量得：

S1=v·cosα·t

(4)

(5)

假設(shè)需要水平距離S1=5m，初始偏角α=30°，垂直距離S2=1.5m，代入(4)、(5)得出其它未知參數(shù)：v=6m/s；當(dāng)設(shè)計(jì)α=50°，高度150mm，代入公式，得到水平距離為118mm，即當(dāng)高度設(shè)計(jì)為150mm時(shí)，料盤半徑R=118.0mm；在圓盤設(shè)計(jì)時(shí)，取上夾角為400，垂直高度150mm，水平半徑180mm，加上水平邊沿45mm，從而形成半徑R=225mm、傾斜角為400的圓盤。

2.4 控制系統(tǒng)

投餌控制系統(tǒng)主要控制羅茨風(fēng)機(jī)、電磁閥和下料器等設(shè)備。控制系統(tǒng)(圖3)選用上位機(jī)進(jìn)行外部指令輸入，控制核心器件選用西門子S7-200PLC。投餌系統(tǒng)主要是通過(guò)外部給定信號(hào)，通過(guò)上位機(jī)給PLC。首先讓風(fēng)機(jī)變頻啟動(dòng)，讓其以一定的速度送風(fēng)，鼓風(fēng)一段時(shí)間，再分別打開(kāi)電磁閥，螺旋下料器，然后開(kāi)始送料。在上位機(jī)按下按鈕1，開(kāi)啟風(fēng)機(jī)，電池閥1打開(kāi)，則通道1打開(kāi)，延遲4s后電機(jī)帶螺旋下料器1啟動(dòng)，指示燈1亮，進(jìn)行下料；投料結(jié)束后，按下停止按鈕1，螺旋下料器關(guān)閉停止供料，延遲4s后，電磁閥1關(guān)閉，風(fēng)機(jī)關(guān)閉，指示燈1滅。其他投飼口以同樣方式運(yùn)行。這種投飼系統(tǒng)具有一定的智能性，可以多次對(duì)每個(gè)魚(yú)塘進(jìn)行投料，還能通過(guò)控制螺旋下料器轉(zhuǎn)速來(lái)控制投料量，或按照操作人員的需要進(jìn)行投料。這種方法不僅節(jié)約勞動(dòng)成本，而且大大縮短投料時(shí)間。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of the control system

3 樣機(jī)試驗(yàn)

3.1 樣機(jī)試驗(yàn)

自動(dòng)投飼機(jī)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制造和安裝調(diào)試后，于2016年5月在中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院泖港試驗(yàn)基地進(jìn)行性能測(cè)試。首先在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)投飼機(jī)環(huán)境因素進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得池塘尺寸為5m×5m，飼料密度400kg/m3。再通過(guò)投飼機(jī)標(biāo)準(zhǔn)大綱對(duì)投飼機(jī)進(jìn)行測(cè)試。首先給6個(gè)池塘編號(hào)(圖4)，再分別開(kāi)啟1個(gè)池塘(A1)、2個(gè)池塘(A1、A2)、4個(gè)池塘(A1、A2、B1、B2)及全部6個(gè)池塘的風(fēng)機(jī)，對(duì)每一項(xiàng)進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試。運(yùn)用小型料筒、臺(tái)秤及秒表測(cè)試每分鐘投飼量，接料后分開(kāi)破碎飼料并稱重計(jì)算破碎率，測(cè)量投飼半徑。測(cè)得每項(xiàng)數(shù)據(jù)后計(jì)算平均投飼量和平均破碎率：

G=(G2+G2+G3+G4)/4

(6)

P=(P1+P2+P3+P4)/4

(7)

式中：G—每一測(cè)試項(xiàng)投飼速度，kg/min；P—每一測(cè)試項(xiàng)破碎率。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of the control system

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)過(guò)程中，投飼機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，工作安全可靠，能控制不同池塘機(jī)型投喂。通過(guò)對(duì)不同分組池塘進(jìn)行測(cè)試，得到相關(guān)數(shù)據(jù)(表2)。

表2 投飼系統(tǒng)試驗(yàn)Tab.2 Feeding system test

根據(jù)公式(6)得出G=6.67 kg/min，即該投飼系統(tǒng)平均投飼量為400 kg/h，代入公式(7)得投飼系統(tǒng)的平均投飼破碎率為0.82%。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該投飼機(jī)最大載重200 kg，池塘的平均投飼速度400 kg/h，投飼破碎率0.82%，最大拋料半徑4 m，可以覆蓋整個(gè)池塘，符合設(shè)計(jì)要求。經(jīng)過(guò)近1年的試驗(yàn)，系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，無(wú)故障發(fā)生?？筛鶕?jù)需要調(diào)整撒料盤大小和風(fēng)機(jī)大小，以此調(diào)整投飼速度和投飼半徑。本機(jī)適用于高密度養(yǎng)殖池塘，采用自動(dòng)控制系統(tǒng)，操作更加簡(jiǎn)便，投飼速度快，料箱承載量大，避免每次加料的麻煩，省時(shí)省力。對(duì)于投飼區(qū)域，與其他定點(diǎn)投飼機(jī)固定于池塘岸邊投飼相比，其能在池塘中心投料，投飼的范圍更廣，對(duì)魚(yú)類生長(zhǎng)更加有利，而且安裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但也存在一定的不足，如投飼支架在收魚(yú)期時(shí)對(duì)拉網(wǎng)捕魚(yú)有影響，這也是今后改進(jìn)的重點(diǎn)。

4 結(jié)論

(1)采用氣力投飼的方式，該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，承載量大，省時(shí)省力，可以對(duì)多個(gè)高密度養(yǎng)殖水池同時(shí)進(jìn)行投飼，具有穩(wěn)定、可靠、利用率高等特點(diǎn)；(2)投飼系統(tǒng)通過(guò)弧形圓盤的形式進(jìn)行拋料，撞擊小，從而降低飼料破碎率，污染也小，符合綠色環(huán)保的理念；(3)系統(tǒng)結(jié)合PLC和變頻器進(jìn)行控制，采用集中供料的方式，可以現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程控制方式分別向多個(gè)池塘定時(shí)、定量投飼，基本實(shí)現(xiàn)了投飼自動(dòng)化，解決了大面積投飼浪費(fèi)人力的問(wèn)題。該系統(tǒng)也可用于網(wǎng)箱等高密度養(yǎng)殖，對(duì)提高水產(chǎn)養(yǎng)殖的自動(dòng)化水平有作用。

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Research on pneumatic automatic feeding machine for intensive pond aquaculture

CHEN Xiaolong,TIAN Changfeng,YANG Jiapeng,ZHU Ye,CHE Xuan,TANG Rong,HONG Yang

(KeyLaboratoryofFisheryEquipmentandEngineering,MinistryofAgriculture，F(xiàn)isheryMachineryandInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China)

In order to solve the problems of traditional feeding machines in highly intensive aquaculture,such as small loading capacity,feeding unevenness,limited feeding range and low feed utilization rate ,etc.,an automatic feeding machine was proposed based on the principle of gas transmission.According to the working principle,the following aspects were designed and analyzed including the feeder system,material conveying system,feed spreading system and the control system,respectively using pneumatic energy as the driving force,pipeline as the conveying mechanism,spreading plate as the feeding mechanism,and SIEMENS S7-200 PLC as the control unit of the device.The experiment results showed that,the feeding system could simultaneously satisfy the feeding need of 6 ponds,and could control each pond individually to meet the different feeding demands; the feeding distance could reach 20 m,with an average feeding rate of 400 kg/h,and a broken rate of lower than 0.9%.The system has basically me the design requirements.Compared with conventional feeing machines,this automatic feeding machine is simply structured,convenient in operation,causing few crushing,making high utilization of feed,and can realize the precise adjustment and control of feeding amount.

highly intensive aquaculture; pneumatic conveying; feeding machine; automatic control

10.3969/j.issn.1007-9580.2016.05.004

2016-07-26

2016-09-19

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金(CARS-46)

陳曉龍(1989—)，男，碩士，研究方向：漁業(yè)裝備。E-mail：chenxiaolong@fmiri.ac.cn

田昌鳳(1985—)，女，碩士，研究方向：養(yǎng)殖機(jī)械裝備。E-mail：tianchangfeng@fmiri.ac.cn

S969.31

A

1007-9580(2016)05-018-05