養(yǎng)殖池塘單罐真空式吸魚泵的設(shè)計和試驗

田昌鳳，陳曉龍，車 軒，劉興國,2

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092； 2 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術(shù)重點(diǎn)試驗室，上海 200092)

2019年，中國水產(chǎn)養(yǎng)殖面積7.11萬hm2，養(yǎng)殖水產(chǎn)品總產(chǎn)量5 079萬t，而這些養(yǎng)殖水產(chǎn)品大部分靠人力完成起捕[1-2]。池塘養(yǎng)殖魚類的起捕手段一直采用大拉網(wǎng)、抄網(wǎng)、人工抬運(yùn)的方法，費(fèi)時、費(fèi)力，勞動強(qiáng)度大，容易傷害魚體，越來越難以適應(yīng)活魚的起捕和運(yùn)輸[3-4]。吸魚泵是起卸活魚的一種先進(jìn)設(shè)備，可以降低勞動強(qiáng)度，節(jié)約人力成本[5-7]。隨著人力成本的上升，使用吸魚泵是解決規(guī)?；B(yǎng)殖企業(yè)人力資源合理配置問題的重要手段[8-9]。

隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)的吸魚泵結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了很大改變，工作原理更趨完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大[10-11]。如：HYS-60型真空吸魚泵[12]；真空活魚起捕機(jī)[13]；真空雙簡活魚提升機(jī)等[14]；液壓馬達(dá)驅(qū)動的潛水離心吸魚泵，100 min內(nèi)可抽吸冰鮮大黃魚35 t，損耗率僅為1%，可輸送體長40～50 cm，體質(zhì)量1.1～1.3 kg的活草魚、鰱魚、鳊魚[3]。國外吸魚泵主要采用離心技術(shù)，依靠葉輪高速旋轉(zhuǎn)把魚抽吸上來。美國達(dá)斯馬尼亞公司生產(chǎn)的特大型1614-P固定式離心魚泵，可抽吸的魚體長最大達(dá)72 cm，體質(zhì)量 9 kg，每小時能抽吸魚200 t[15]。美國ETI公司生產(chǎn)的TRANSVAC型真空吸魚泵的抽吸量為300～360 t/h，功率23～190 kW，且魚體不受損傷[16]。荷蘭KUBBE公司真空吸氣卸魚裝置，抽吸魚貨量達(dá)到20～80 t/h。丹麥IRAS公司生產(chǎn)的真空吸魚泵，被挪威、法國、冰島、愛爾蘭、日本等國應(yīng)用[17-18]。大型PV系列真空吸魚泵達(dá)500 t/h[3]。挪威的坦道斯公司(TENDOS)和CFLOW公司生產(chǎn)的真空吸魚泵應(yīng)用較廣[19]?，F(xiàn)有設(shè)備主要是針對遠(yuǎn)洋捕撈及海洋網(wǎng)箱養(yǎng)殖魚群的吸捕，而對池塘養(yǎng)殖吸魚泵的研究相對較少[20-22]。

研制了一種單罐真空式吸魚泵(以下簡稱單罐魚泵)，以期推進(jìn)吸魚設(shè)備在國內(nèi)的應(yīng)用發(fā)展，提高漁業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化水平。

1 吸魚泵工作原理及主要設(shè)計技術(shù)參數(shù)

1.1 原理及結(jié)構(gòu)

針對池塘養(yǎng)殖邊坡距離遠(yuǎn)、池塘深度淺、捕獲水產(chǎn)品無損傷的要求，單罐真空式吸魚泵采用氣動力技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)快速捕撈、提高魚存活率、降低機(jī)械損傷的目的。單罐魚泵主要由機(jī)架、罐體、真空閥、真空泵、吸魚閘門、放魚閘門和控制系統(tǒng)等部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 單罐真空式吸魚泵示意圖Fig.1 View of single-tank vacuum fish pump

控制系統(tǒng)主要由空氣開關(guān)、熱熔斷器、交流繼電器、時間繼電器、延時繼電器等元器件組成。單罐魚泵依靠真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓將活魚吸入罐體內(nèi)，罐體吸滿后，真空閥開啟，罐體內(nèi)充入空氣，魚和水利用自身的重力排出罐體，罐體排空后，真空閥關(guān)閉，罐體內(nèi)恢復(fù)負(fù)壓狀態(tài)，重新開始吸魚，如此循環(huán)反復(fù)。

1.2 主要性能參數(shù)

單罐魚泵利用負(fù)壓實(shí)現(xiàn)活魚的提升、輸送和轉(zhuǎn)運(yùn)，罐體采用不銹鋼材質(zhì)，罐體體積0.6 m3，真空泵功率5.5 kW，吸魚管道內(nèi)徑200 mm。具體性能參數(shù)見表1。

表1 單罐真空式吸魚泵性能參數(shù)

2 主要部件設(shè)計

2.1 基本要求

以池塘為工作環(huán)境，草魚或等同規(guī)格魚為對象，平均尾質(zhì)量約2.5 kg，魚體最大截面寬度≤90 mm。起捕高程≤5 m。吸捕魚水比例約為1∶1，魚肉的平均密度1.033×103kg/m3[23]，目標(biāo)抽吸量約15 t/h。

2.2 進(jìn)魚管

單條依次或累計等同截面積魚體有序通過，魚水比例為1∶1。進(jìn)水管內(nèi)部直徑D最小為魚體最大截面魚體寬度W的2倍[24]。即：D≥2W，根據(jù)計算得到進(jìn)魚管至少保證為180 mm，考慮進(jìn)魚管安裝及其他能量損失，進(jìn)水管直徑設(shè)計為200 mm。

2.3 吸魚泵罐體

2.3.1 罐體容積

罐體容積是吸入量的實(shí)際有效空間，也是吸魚泵工作效能的重要指標(biāo)[25-26]，空間利用協(xié)同最佳工作狀態(tài)，推導(dǎo)出罐體容積。進(jìn)魚管截面積的確定：

(1)

式中：S為進(jìn)魚管截面積，m2；D為進(jìn)水管直徑， m。計算得S=0.031 4 m2。

吸魚泵選用水循環(huán)真空泵，1 h內(nèi)有效吸魚時間是40 min，吸魚水總質(zhì)量m約為30 t，由于魚肉密度已定，假設(shè)水的密度為1×103kg/m3，則魚水的平均密度ρ平為1.033×103kg/m3，由此得到吸魚泵的吸入流量[27-28]為：

(2)

式中：Q為進(jìn)水流量，m3/s ；m為單位小時內(nèi)抽吸的魚水總質(zhì)量，kg；ρ平為魚水的平均密度，kg/m3；t為時間，s。計算得Q=0.012 m3/s。設(shè)計的吸魚泵是單罐間歇式吸魚，因此進(jìn)魚管流速為：

(3)

式中：v為進(jìn)魚管流速,m/s;Q為進(jìn)水流量， m3/s；S為進(jìn)魚管截面積，m2；計算得v=0.46 m/s。

白雪終于將衣鞋攤放在石屏上，緩和過來的柳含煙起身又搖起一桶水從頭到腳淋下。她用浴巾將身上的水漬拭干把赤裸的身體放進(jìn)寬大的寶藍(lán)色真絲罩袍里，系上腰帶。她微微點(diǎn)了一下頭，仿佛滿意真絲罩袍恰到好處掩住她一雙蓮足，也似乎是從罩袍的樣式和顏色意識到是在滌塵居門前沉思的蕭飛羽贈予。

由于箱體密封條件和真空泵抽吸能力的限制，罐體內(nèi)無法得到完全的真空環(huán)境。吸魚泵單次吸魚時間為40 s，放魚時間為20 s，因此，按照進(jìn)口流量和吸魚時間計算，所需容積為0.48 m3，考慮到安全系數(shù)，罐體體積取計算體積的1.25倍，為0.6 m3算。罐體設(shè)計為圓柱形，兩端為半球形端蓋，罐體直徑0.7 m，長度1.6 m。

2.3.2 罐體壁厚

單罐魚泵在工作過程中，真空泵始終在工作狀態(tài)，為罐體內(nèi)提供負(fù)壓的環(huán)境，由伯努利方程[27]得到：

(4)

式中：P1為魚泵進(jìn)水口壓力值，取一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，1.013×105Pa；P2為魚泵進(jìn)魚口壓力值；h1為吸魚口高度，取0 m；h2為進(jìn)魚口高度，設(shè)計高度為4.5 m；v1為吸魚口流速，取0 m/s；v2為進(jìn)魚口流速，為0.38 m/s；K1，K2為吸魚口、進(jìn)魚口流體的運(yùn)動系數(shù)，為1.2；H′為水頭損失，由參考資料[28]得到H′由流速水頭損失(H1)和壓力水頭損失(H2)兩部分組成，在匯流比為0.5時，流速水頭H1約為0.01 m，測壓管水頭H2為0.18 m，所以水頭總損失H′水頭為0.19 m；ρ為密度，為1.033×103kg/m3；g為重力加速度，為9.8 m/s2。

經(jīng)計算，魚泵罐體內(nèi)壓力P2為0.534×105Pa，則罐體內(nèi)外的壓力差約為-0.048 MPa。根據(jù)真空罐外壓中圓筒壁厚計算公式：

(5)

式中：δ為筒體計算壁厚，m；P為計算壓力，此處為桶壁所受內(nèi)外壓力差，為0.479×105Pa；m為穩(wěn)定系數(shù)，取4；D為筒體外徑，為0.7 m；l為筒體長度，為1.6 m；E為304不銹鋼的彈性模量，為1.9×1011Pa;C0為壁厚基本余量，取0.3。

經(jīng)計算，罐體的壁厚δ最小值約為3.6×10-3m，考慮到溫度影響及安全性，選擇2倍的安全系數(shù)，罐體壁厚為7.2×10-3m，圓整為8×10-3m。

2.4 真空泵基本型式

單罐魚泵依靠真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓將活魚吸入罐體內(nèi)，罐體吸滿后，真空閥開啟，破壞罐體內(nèi)真空度，魚和水利用自身的重力排出罐體。魚泵在吸魚和放魚的過程中，真空泵始終處于工作狀態(tài)。根據(jù)真空系統(tǒng)容積、抽氣時間、系統(tǒng)的起始壓強(qiáng)、吸魚時間和終止壓強(qiáng)等條件，計算所需真空泵的參數(shù)，其抽吸量計算公式為[20]：

(6)

式中：Se為真空泵的抽氣速率，m3/s；V1為魚泵內(nèi)容積，為0.6 m3；V2為管道內(nèi)容積，為0.3 m3；T為抽氣所需時間，為40 s；Z為真空泵數(shù)量，取1；H1為大氣壓的水柱高度，為10 m；H2為魚泵的吸水高度值，為4.5 m；△h—泵體中心離地面之間的距離，為0.1 m；k為備用系數(shù)，為1.1。

經(jīng)計算，真空泵的抽氣速率為0.914 m3/min，考慮到魚泵內(nèi)壓力值和抽氣速率及安全系數(shù)等因素，選用抽氣效率大于2 m3/min的真空泵。水環(huán)式真空泵采用水進(jìn)行循環(huán)，魚泵罐體中的水體或者水蒸氣倒吸到真空泵中也不影響泵的運(yùn)行。水環(huán)式真空泵結(jié)構(gòu)簡單，制造精度要求不高，容易加工，選用小的結(jié)構(gòu)尺寸，可以獲得較大的排氣量，占地面積也小。據(jù)此，選用SK-4B水環(huán)式真空泵，抽氣速率為3 m3/min，功率5.5 kW，可滿足上述技術(shù)條件工作要求。

2.5 控制系統(tǒng)

魚泵控制系統(tǒng)主要由開關(guān)、熱熔斷器、交流繼電器、時間繼電器、延時繼電器等元器件組成。真空泵在工作過程中全程開啟，吸魚和放魚時間采用時間繼電器調(diào)節(jié)，當(dāng)罐體內(nèi)充滿魚和水時，真空電磁閥自動打開，大氣由真空電磁閥進(jìn)入罐體，破壞罐體內(nèi)的真空，罐體進(jìn)魚端的閘門阻斷了進(jìn)魚管道和罐體的連通，罐內(nèi)的魚和水利用自身的重力排出罐體；放魚時間結(jié)束，真空電磁閥關(guān)閉，真空泵再次抽吸罐體內(nèi)的大氣，當(dāng)罐體內(nèi)的真空度達(dá)到一定值時，魚和水的混合物再次被吸入到罐體內(nèi)，如此循環(huán)往復(fù)，連續(xù)工作。

3 樣機(jī)試驗

2019年10月在上海鵬平機(jī)械設(shè)備有限公司制造完成吸魚泵試驗樣機(jī)，并分別在上海和寧夏兩地開展了樣機(jī)的性能試驗(圖2)。2020年9月，在寧夏賀蘭新明水產(chǎn)養(yǎng)殖公司開展了生產(chǎn)性試驗。試驗池塘長100 m，寬70 m，水深1.8 m，吸捕對象主要是草魚、鯉魚、鯽魚、鰱魚和鳙魚等品種。魚泵水平固定于塘基，距岸邊約1 m，魚泵進(jìn)水口距池塘水面約2.5 m，通過大拉網(wǎng)將魚密集，魚泵的吸魚管置于網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行吸捕作業(yè)，連續(xù)進(jìn)行10次作業(yè)試驗。

4 結(jié)果與討論

4.1 結(jié)果

表2為寧夏的試驗數(shù)據(jù)。草魚(主養(yǎng)品種)、鯉魚、鯽魚、鰱魚、鳙魚分別占比45.9%、20.4%、18.2%、8.3%、7.2%，試驗對象長100～700 mm，最大直徑90～130 mm。魚水比1∶2.3，實(shí)測罐體壓力為-0.04 MPa。

圖2 現(xiàn)場試驗圖Fig. 2 Field test

表2 吸魚泵試驗數(shù)據(jù)

對魚泵進(jìn)行功能性測試，包括活魚抽吸能力、疲勞測試、罐體內(nèi)真空度等，單罐魚泵初步實(shí)現(xiàn)了帶水吸魚的功能，設(shè)備能夠正常完成抽吸作業(yè)，設(shè)備的吸放動作、真空密封等性能試驗效果良好。真空泵空載功率約為2.7 kW，負(fù)載功率約為3.7 kW；吸魚泵實(shí)測魚水比為1∶2.3，按照單次40 s吸魚181 kg計算，魚泵的活魚抽吸能力約為11 t/h；魚泵罐體內(nèi)的計算壓力差為-0.048 MPa；活魚通過魚泵的抽吸并無損傷，活躍程度很高。

4.2 討論

4.2.1 魚水比對吸魚效果的影響

魚泵實(shí)測魚水比為1∶2.3，比設(shè)計值1∶1相差較大。劉健等[13]研究顯示當(dāng)魚水比為1∶1時，吸魚泵效率最高，導(dǎo)致魚水比低的主要原因有吸魚口形狀做得不夠合理，不能緊緊貼合水面引導(dǎo)魚進(jìn)入吸魚管道；吸魚管道充水后笨重，不利于拖拽，操作不靈活。后續(xù)主要工作重點(diǎn)是吸魚口的改進(jìn)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)良好的集魚性和操作性。實(shí)現(xiàn)機(jī)械化活魚起捕和提高起捕效率的關(guān)鍵是先將起捕魚類聚集并達(dá)到一定的密度，因此，集魚裝置也是提高魚水比的重要手段。

4.2.2 吸魚泵其他參數(shù)

魚泵罐體內(nèi)的計算壓力差為-0.048 MPa，實(shí)測罐體壓力為-0.04 MPa，相對誤差為20%，這主要是因為選用的真空表精度不恰當(dāng)?shù)脑?，真空表的精度是小?shù)點(diǎn)后面兩位。單尾魚的質(zhì)量小于3 kg，魚體長10～70 cm，單罐魚泵抽吸能力為11 t/h，吸魚速率約為270 kg/min，放魚速率約為540 kg/min。相比于葉燮明等[3]研制的HYS-60型真空吸魚泵抽吸能力略小，但抽吸的魚質(zhì)量大、功率小。

5 結(jié)論

設(shè)計了一種適用于小型池塘活魚捕撈的單罐真空式吸魚泵，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、移動靈活的特點(diǎn)，可以有效降低勞動強(qiáng)度，轉(zhuǎn)變池塘養(yǎng)殖生產(chǎn)方式，提高漁業(yè)捕撈的機(jī)械化水平。其主要的改進(jìn)方向是吸魚口的設(shè)計，以及增加集魚裝置，提高魚水比，以提高魚泵的抽吸能力。作為延伸性的應(yīng)用，魚泵還可用于漁船漁獲物的起卸、網(wǎng)箱魚類捕撈和魚苗轉(zhuǎn)運(yùn)。

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