水產(chǎn)養(yǎng)殖精準(zhǔn)投飼機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

葉有樂 ， 張 浪 ， 張桂中 ， 黃楊清 ， 宋帥帥 ，4

（1.河源市燈塔盆地農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，廣東 河源 517000；2.紫金農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣服務(wù)中心，廣東 河源 517000；3.廣州木魚科技有限公司，廣東 廣州 510000；4.河源市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，廣東 河源 517000）

0 引言

飼料成本占養(yǎng)殖成本的一半以上，所以降低飼料成本是降低成本的重要方法[1-2]。傳統(tǒng)網(wǎng)箱養(yǎng)殖大多數(shù)是依靠人工來投放飼料，由于養(yǎng)殖技術(shù)或經(jīng)驗(yàn)的差異，投飼量差異明顯，可能會(huì)造成飼料浪費(fèi)[3]。

我國水產(chǎn)養(yǎng)殖大部分依靠人工進(jìn)行投飼，小部分網(wǎng)箱養(yǎng)殖使用簡單的機(jī)械裝置，將其安裝在網(wǎng)箱浮板上進(jìn)行撒料，類似陸地池塘撒料裝置。投飼設(shè)備的研究仍然需要學(xué)習(xí)借鑒國外先進(jìn)的技術(shù)，在國內(nèi)，大規(guī)模養(yǎng)殖幾乎很少見到先進(jìn)的、完善的投飼裝備系統(tǒng)[4]。西南大學(xué)的栗鵬輝制造了一套鱘魚幼魚自動(dòng)養(yǎng)殖系統(tǒng)，其主要由新型PLC、螺旋桿送料機(jī)構(gòu)、減速電機(jī)、撒料盤、液位傳感器、自動(dòng)雙通道排污裝置、水質(zhì)監(jiān)測探頭、DTU無線傳輸設(shè)備等組成，參考人工養(yǎng)殖流程設(shè)計(jì)程序，可實(shí)現(xiàn)各養(yǎng)殖步驟間的自動(dòng)協(xié)調(diào)，性能測試和鱘魚試養(yǎng)實(shí)驗(yàn)表明該裝置投飼效果良好，一定程度上可為大型全自動(dòng)養(yǎng)殖提供技術(shù)參考[5]。西北農(nóng)林科技大學(xué)的景新等針對我國室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖機(jī)械化和自動(dòng)化水平低、人工投飼勞動(dòng)強(qiáng)度大的現(xiàn)狀，利用軌道傳動(dòng)、傳感器和PLC技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套新型室內(nèi)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)。利用軟件三維實(shí)體建模對行走裝置、料倉、定量控制裝置、拋撒裝置、上料裝置和自動(dòng)控制裝置等關(guān)鍵零部件進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和參數(shù)確定，試驗(yàn)結(jié)果表明：該投飼機(jī)投飼質(zhì)量高、效率高且穩(wěn)定性良好[6]。中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所的崔龍旭等為了減少工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中的人工成本和飼料成本，設(shè)計(jì)了一套基于西門子S7-200PLC的軌道式工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖自動(dòng)投飼系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖車間魚池的準(zhǔn)確定位、精準(zhǔn)投飼和投飼數(shù)據(jù)記錄儲(chǔ)存，初步試驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果表明：該自動(dòng)投飼系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，行走速度為10 m/min～13 m/min，投飼精度在95.9%以上，定位精度最大偏差為43 mm，滿足初始方案設(shè)計(jì)要求[7]。總體而言，我國水產(chǎn)養(yǎng)殖投飼系統(tǒng)的應(yīng)用和改良具備了一定的研究基礎(chǔ)。

西方許多發(fā)達(dá)國家的網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)基本拋棄了落后的人工投喂方式，在水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域已經(jīng)大量地使用自動(dòng)化投飼系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)從粗放型到精細(xì)型、自動(dòng)型的轉(zhuǎn)變[8-10]。挪威AKVA公司設(shè)計(jì)了Marina CCS系列的船上自動(dòng)投料系統(tǒng)，利用管道高速氣流讓顆粒飼料通過噴射器，使其從下料器進(jìn)入到主風(fēng)力管道，再利用自動(dòng)目標(biāo)分配閥將飼料投放到相應(yīng)的網(wǎng)箱中。該系統(tǒng)可以大大減少人工勞動(dòng)力，提高投飼效率，使其更加高效穩(wěn)定[11]。加拿大Feeding Systems公司生產(chǎn)的自動(dòng)投飼系統(tǒng)主要用于各種大型網(wǎng)箱養(yǎng)殖群、陸地上的水產(chǎn)養(yǎng)殖和育苗過程等，可以根據(jù)不同的飼養(yǎng)對象（如蝦、比目魚、鰓魚等）使用不同的進(jìn)給料控制程序，該系統(tǒng)通過自動(dòng)送料系統(tǒng)和上位機(jī)軟件的結(jié)合，大大提高了對飼料的利用率[12]。美國ETI公司開發(fā)的FEEDMASTER投料系統(tǒng)已經(jīng)向多個(gè)國家出口，該系統(tǒng)輸送顆粒飼料時(shí)飼料破碎率低、投飼精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。該系統(tǒng)使用PLC控制技術(shù)，每分鐘的最大投飼量為250 kg，支持一個(gè)直徑約10 cm的給水管道，可以同時(shí)為60個(gè)網(wǎng)箱送料[13]。國外水產(chǎn)養(yǎng)殖投飼研究相對我國已經(jīng)成熟化、規(guī)模化，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)投飼自動(dòng)化[14-15]。

本文針對水產(chǎn)養(yǎng)殖中的投喂作業(yè)強(qiáng)度大、飼料浪費(fèi)嚴(yán)重等問題設(shè)計(jì)了一種適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖的遠(yuǎn)程自動(dòng)風(fēng)送投料裝備，并對其關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和參數(shù)確定。

1 整機(jī)和零部件設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

在整機(jī)結(jié)構(gòu)布局上，首先要考慮機(jī)器作業(yè)條件和機(jī)器性能的穩(wěn)定性，結(jié)合作業(yè)特點(diǎn)以及在實(shí)際作業(yè)中拆卸和安裝是否方便等因素對整機(jī)做出合理布局，要求適用性、通過性良好，結(jié)構(gòu)緊湊。水產(chǎn)養(yǎng)殖精準(zhǔn)投飼機(jī)主要由排肥器、管道、分料板、豎向絲桿電機(jī)、機(jī)架、橫向絲桿電機(jī)、料箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、風(fēng)機(jī)等組成。投飼機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 投飼機(jī)整機(jī)機(jī)構(gòu)

工作原理：飼料或肥料由人工倒入料箱，控制系統(tǒng)設(shè)置排肥時(shí)間，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)；啟動(dòng)下料器電機(jī)，電機(jī)通過鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)下料器旋轉(zhuǎn)；通過排肥器將肥料排到管道中，由風(fēng)機(jī)將飼料吹到目標(biāo)池塘或者高密度養(yǎng)殖的集裝箱內(nèi)，完成定時(shí)、定量、定點(diǎn)投飼。在進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，分料移動(dòng)單元具有橫向移動(dòng)和豎向移動(dòng)的功能，控制輸送管的噴料端對接分料板上的通孔，從而根據(jù)投飼需要，選擇性地進(jìn)行單目標(biāo)或多目標(biāo)投飼。該機(jī)適用性良好，操作簡單，主要有以下三個(gè)特點(diǎn)：1）結(jié)構(gòu)簡易且緊湊，易于移動(dòng)和操作；2）機(jī)器采用變頻器變頻，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和下料器轉(zhuǎn)速可改變，便于試驗(yàn)；3）可遠(yuǎn)程輸送顆粒飼料，適合不同的養(yǎng)殖環(huán)境；4）風(fēng)機(jī)采用高壓旋渦風(fēng)機(jī)，其體積小，重量輕，可承受最高150 ℃高溫。

1.2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

1.2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由上位機(jī)工業(yè)電腦、下位機(jī)可編程控制器Arduino、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、橫向絲桿電機(jī)和豎向絲桿電機(jī)等組成，控制系統(tǒng)使用兩個(gè)變頻器分別控制排肥器的下料速度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，適用于試驗(yàn)調(diào)節(jié)下料器的轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)速度；使用三相電供電，安裝漏電保護(hù)開關(guān)?？刂葡到y(tǒng)的人機(jī)交互界面，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)人機(jī)交互界面

控制系統(tǒng)初始化，打開串口，判別是否定時(shí)送料，設(shè)置送料時(shí)間，設(shè)置多目標(biāo)中的投飼量，點(diǎn)擊一次送料，通過風(fēng)機(jī)吹送完成送料。

1.2.2 風(fēng)機(jī)參數(shù)選擇

試驗(yàn)投料距離定為50 m，每分鐘的最大投飼量定為12 kg。輸送物料量計(jì)算公式如下：

式中，G為輸料管平均輸料量，單位為kg/h；α為儲(chǔ)備系數(shù)。

輸送濃度μ為：

式中，Gs為物料質(zhì)量流量，單位為kg/h；Ga為空氣質(zhì)量流量，單位為kg/h；γa為空氣密度，單位為kg/m3；Q為空氣流量，單位為m3/h。

送料水平沿程靜壓損，由達(dá)西公式（3）兩邊積分得公式（4）：

式中，λa為摩擦阻力系數(shù)；d為管道直徑，單位為mm；va為輸送風(fēng)速，單位為m/s。

氣體在管道內(nèi)流動(dòng)微分形式的伯努利方程為：

F為輸料管斷面積，則由可得：

局部壓損時(shí)，下料器的壓力損失式為：

式中，Δpn為輸料管起端絕對壓力；C'為與氣料混合室相關(guān)的系數(shù)，一般取0.15～0.25。

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，選擇亞士霸電機(jī)，型號(hào)為HG-3800S，額定電壓為380 V，最大風(fēng)壓為42 kPa，最大吸壓為38 kPa，最大風(fēng)量為400 m3/h，噪聲為70 dB，風(fēng)管口徑為60 mm。

1.2.3 排肥器

外槽輪排肥器是自動(dòng)投飼系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要作用是讓顆粒飼料在一定密封要求下，從料箱下落到管道中。排肥器由外槽輪轉(zhuǎn)子、進(jìn)料口和出料口組成。外槽輪下料器由軸帶動(dòng)外槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，把顆粒飼料從進(jìn)料口撥到出料口，排肥器機(jī)構(gòu)簡圖如圖3所示，其驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)外槽輪主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 排肥器簡圖

1.2.4 電動(dòng)機(jī)參數(shù)選擇

由于外槽輪下料器旋轉(zhuǎn)下料時(shí)，除了受到顆粒飼料帶給葉輪的壓力外，還受到部分顆粒飼料卡在葉輪和槽室之間的阻力，因此所需電動(dòng)機(jī)輸出功率Pd為：

式中，Pw為外槽輪下料器所需的功率，單位為kW；ηa為傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率。

外槽輪下料器所需功率為：

式中，T為外槽輪下料器阻力矩，單位為N·m；n1為外槽輪下料器轉(zhuǎn)速，單位為r/min。

一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇轉(zhuǎn)速為1 390 r/min的電動(dòng)機(jī)?？倐鲃?dòng)比的確定：

式中，nm為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速；n2為外槽輪工作轉(zhuǎn)速。

一共有兩級串聯(lián)傳動(dòng)比，分別為減速器傳動(dòng)比和鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比。所以總傳動(dòng)比為：

式中，id為鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比；i為減速器的傳動(dòng)比。

最后根據(jù)傳動(dòng)比確定兩個(gè)大小鏈輪的直徑和減速器的類型，外槽輪排肥器和鏈傳動(dòng)的參數(shù)具體如表1所示。

表1 外槽輪排肥器和鏈傳動(dòng)的參數(shù)

2 試驗(yàn)與分析

在河源市龍川縣水產(chǎn)養(yǎng)殖試驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)，水產(chǎn)養(yǎng)殖品種為鱈魚，分別設(shè)定1 000 g、1 500 g和2 000 g為目標(biāo)投飼量，出料口采取封閉塑料包裝采集投飼量，分別進(jìn)行3次試驗(yàn)取平均值，以損失率作為整機(jī)性能指標(biāo)。基地試驗(yàn)實(shí)景如圖4所示，試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 整機(jī)性能試驗(yàn)表

圖4 基地試驗(yàn)

計(jì)算得出1 000 g、1 500 g和2 000 g為目標(biāo)投飼量的損失率分別為2.67%、2.96%和4.07%，均小于5%。表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和作業(yè)情況表明：該機(jī)損失率較小，投飼量完整度較高，作業(yè)質(zhì)量高，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

通過實(shí)地調(diào)研和文獻(xiàn)查閱，課題組針對水產(chǎn)養(yǎng)殖中的投喂作業(yè)強(qiáng)度大、飼料浪費(fèi)嚴(yán)重等問題，設(shè)計(jì)了一種水產(chǎn)養(yǎng)殖精準(zhǔn)投飼機(jī)。該機(jī)可定時(shí)、定點(diǎn)、定量完成投飼目標(biāo)，是一種多功能水產(chǎn)養(yǎng)殖投飼機(jī)。試驗(yàn)表明：該投飼機(jī)損失率在5%以下，滿足農(nóng)藝要求。精準(zhǔn)投飼機(jī)的設(shè)計(jì)在一定程度上可緩解人工投飼勞動(dòng)強(qiáng)度大、機(jī)械化程度不高等問題，為我國的水產(chǎn)養(yǎng)殖投飼研究提供一定的技術(shù)參考。