深遠海養(yǎng)殖設(shè)備投料選擇器結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

駱意，張方華，朱端祥，魏樹輝，黃建偉，程曉夏

（1.中國船舶集團有限公司 第七一一研究所，上海 200090；2.船舶與海洋工程特種裝備和動力系統(tǒng)國家工程研究中心，上海 200090）

0 引言

近年來，隨著我國對海水魚類消費需求的持續(xù)增長[1]，海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速[2]，為了支撐行業(yè)發(fā)展，國內(nèi)相關(guān)單位開展了深遠海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備技術(shù)的研究[3-9]。其中，自動投飼系統(tǒng)是養(yǎng)殖裝備技術(shù)中的關(guān)鍵裝備，該系統(tǒng)可以提高投飼精度和飼料利用率，降低勞動強度，減少勞動力成本，提高養(yǎng)殖生產(chǎn)效率。

投料選擇器也可稱為投料分配器，是自動投飼系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其主要功能是根據(jù)用戶的養(yǎng)殖工藝，將目標養(yǎng)殖區(qū)域投喂任務(wù)分解成多個區(qū)域的批次投喂，實現(xiàn)單次單區(qū)域、區(qū)域依次輪流投喂，投料選擇器結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響自動投飼系統(tǒng)整體性能及系統(tǒng)布局。現(xiàn)階段國內(nèi)投料選擇器的設(shè)計與國外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一致，隨著養(yǎng)殖水體的不斷增大，現(xiàn)有的選擇器（分配器）急需新的設(shè)計，以滿足工程項目的需要。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

投料選擇器是自動投飼系統(tǒng)中的一部分，主要裝備在養(yǎng)殖工船或大型深遠海桁架式網(wǎng)箱上，通常布置在布料器前、飼料倉庫后，通過電控箱控制投料選擇器，切換選擇投喂管道，飼料混合空氣或海水后經(jīng)過選擇器進入不同區(qū)域的輸送管道，從而實現(xiàn)多次投喂，覆蓋整個養(yǎng)殖區(qū)域。

1.1 國外現(xiàn)狀

國外針對投料選擇器設(shè)計的針對性研究較少，投料選擇器的結(jié)構(gòu)比較固定。典型的氣力自動投飼系統(tǒng)有：挪威的AKVA集團，代表產(chǎn)品為CCS自動投飼系統(tǒng)；美國ETI公司，代表產(chǎn)品為FEEDMASTER自動投飼系統(tǒng)；加拿大Feeding System公司等。主要的水力輸送自動投飼系統(tǒng)有美國Innovasea Systems公司、挪威AKVA公司。這些國外品牌的投料選擇器如表1所示。

表1 國外品牌投料選擇器

國外投料選擇器既可以單獨安裝（如AKVA安裝在船舷位置），也可集成設(shè)計在集裝箱中，整體式結(jié)構(gòu)方便自動投飼系統(tǒng)吊裝，大大降低了現(xiàn)場安裝、調(diào)試的難度。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)單位針對自動投飼系統(tǒng)進行了較為深入的研究：中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所在2009年依托“863”計劃的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域海水設(shè)施養(yǎng)殖重點項目開展了自動投飼系統(tǒng)的研究，針對遠程氣力輸送自動投飼系統(tǒng)選擇器設(shè)計進行了相關(guān)理論研究，介紹了選擇器基本工作原理及功能特點，確定了一些設(shè)計原則，給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計的公式推導(dǎo)及設(shè)計演示[10]。中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所、青島海興智能裝備有限公司、煙臺優(yōu)泰漁業(yè)裝置有限公司等國內(nèi)企業(yè)、單位開發(fā)了適用于智能投喂的自動投飼系統(tǒng)的投料選擇器，陸續(xù)應(yīng)用于國內(nèi)的諸如“國信1號”、“耕海1號”等養(yǎng)殖工船或大型深海網(wǎng)箱項目。中國水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所、湖北海洋工程裝備研究院有限公司等單位對管道進行了理論計算、CFD有限元仿真計算[11-12]，為管道輸送系統(tǒng)設(shè)計計算提供了參考。自動投飼系統(tǒng)已成為深海養(yǎng)殖行業(yè)競爭越來越激烈的系統(tǒng)設(shè)備。

對比國外品牌，投料選擇器外形結(jié)構(gòu)基本相似：一個進口多個出口，通過切換S形彎管與出料管的連接實現(xiàn)輸送區(qū)域的選擇，不同品牌的投料選擇器，驅(qū)動S形彎管轉(zhuǎn)動的機械結(jié)構(gòu)略有差異。完成養(yǎng)殖區(qū)域的投喂需配置出口數(shù)量與投喂點數(shù)量一致的投料選擇器。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

投料選擇器的設(shè)計初期以模仿國外產(chǎn)品為主，每次實施單管切換，單管投喂飼料。其工作原理如圖1所示。

圖1 投料選擇器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示為某型投料選擇器結(jié)構(gòu)示意圖，S形彎管沿旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，兩端各設(shè)置軸承支撐，當S形彎管旋轉(zhuǎn)至目標出料管位置時，滑動套筒可伸出，實現(xiàn)管道的連接。整個旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)在密閉箱體中，可將零部件及驅(qū)動電動機與海水環(huán)境隔離開，提高旋轉(zhuǎn)部件的使用壽命。

在上述結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外共有以下幾種衍生形式的投料選擇器，差別主要在S形彎管的驅(qū)動方式。中國水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心設(shè)計的投料選擇器在左側(cè)設(shè)置齒輪傳動[13]，通過電磁鐵實現(xiàn)管道的連接；中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所設(shè)計的投料選擇器在右側(cè)設(shè)置齒輪傳動[14]，通過溜管實現(xiàn)管道的連接；廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所的投料選擇器在右側(cè)設(shè)置間隙傳動形式[15]，如圖2所示。

圖2 氣動化料道電動分配器

圖3 Arvo-tec投料選擇器

圖4 S形彎管零件圖

國外Arvo-tec 品牌的投料選擇器將S形彎管分成2部分，在輸出管道的中心空隙位置安置帶直列式減速器的電動機，通過轉(zhuǎn)動S形彎管的一小截管道，實現(xiàn)對輸出管道的選擇。國內(nèi)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的投料選擇器結(jié)構(gòu)也采用電動機組合減速器直接驅(qū)動S形旋轉(zhuǎn)彎管，不同的是將旋轉(zhuǎn)部件整體置于箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過爪型旋轉(zhuǎn)連接件壓緊弧形密封墊實現(xiàn)管道的連接[16]。

2.1 S形彎管設(shè)計

S形彎管的回轉(zhuǎn)半徑直接影響設(shè)備大小，是設(shè)備中需優(yōu)先考慮設(shè)計的部件。S形彎管的通徑與管道氣力輸送理論計算[11]一致，本文不再贅述。

根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，本文對S形彎管設(shè)計優(yōu)先考慮出口數(shù)量；為減少飼料顆粒在輸送過程中因撞擊發(fā)生破碎，S形彎管管道彎曲半徑取值大于管道直徑的6倍；考慮S形彎管通過法蘭進行定位、連接，需預(yù)留直管段距離，建議該距離大于2倍法蘭厚度。按照上述經(jīng)驗，本文設(shè)計了兩型S形彎管，如表2所示。

表2 S形彎管設(shè)計

表3 驅(qū)動參數(shù)

分析表2中數(shù)據(jù)可知，出料管數(shù)量不同，管徑不同，管道彎曲半徑不相同，S形管的長度不相同，出料管的分布圓相同。這種設(shè)計方法有以下優(yōu)點：投料選擇器可通過出口數(shù)量進行選型，當固定出口數(shù)量、規(guī)范出料管分布圓半徑、長度后，S形彎管的結(jié)構(gòu)可在行業(yè)內(nèi)達成統(tǒng)一；S形彎管及其固定安裝件整體可作為一個部件，在不同的選擇器箱體中使用，提高了S形彎管的適應(yīng)性，便于進行型號設(shè)計；S形彎管前后彎曲半徑一致，提高了彎管的加工工藝性，減少了對設(shè)備的需求，提高了單根S形彎管的加工效率。

2.2 驅(qū)動設(shè)計

如前文所述，投料選擇器有多種驅(qū)動設(shè)計方案。不同的方案會對電控參數(shù)設(shè)置有直接的影響。

根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)的投料選擇器驅(qū)動裝置參數(shù)設(shè)計計算電動機的脈沖輸入?yún)?shù)。

電動機細分數(shù)決定了電動機每轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù)，假設(shè)使用86HS118-60-1000型閉環(huán)步進電動機。大齒輪固定不動，小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪繞大齒輪同時做螺旋運動及自轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動1圈后小齒輪回復(fù)原位，在自轉(zhuǎn)圈數(shù)的基礎(chǔ)上公轉(zhuǎn)了一圈，因此，電動機的脈沖數(shù)計算如表4所示。

表4 計算參數(shù)

2.3 其它設(shè)計

在投料選擇器的設(shè)計中，除上述設(shè)計要點外，密封、控制邏輯、傳感器反饋等也是需要重點考慮的設(shè)計點。密封是比較重要的設(shè)計內(nèi)容，良好的密封可隔絕海上的鹽霧環(huán)境，目前比較通用的密封方式是使用膠墊或O形圈，通過螺栓或者壓扣的方式進行壓緊固定；控制邏輯是結(jié)合用戶養(yǎng)殖工藝細化執(zhí)行機構(gòu)動作流程，其設(shè)定必須考慮各執(zhí)行機構(gòu)的動作時間，避免邏輯錯誤或者動作不到位；為了保證動作到位、控制邏輯正常，通常采用接近開關(guān)進行信號確認，保證控制邏輯的準確執(zhí)行，從而實現(xiàn)投料選擇功能。

3 項目設(shè)計

某深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺項目提出了設(shè)計需求，經(jīng)簡化，與投料選擇器相關(guān)的需求如表5所示。

表5 項目需求

按圖1所示原理設(shè)計投料選擇器，為觀察飼料顆粒在管道中的流型，使用CFD-DEM軟件仿真得到飼料顆粒在彎管中的分布狀態(tài)、速度，通過改變S形彎管后續(xù)直管段長度，統(tǒng)計觀察顆粒碰撞數(shù)和出口飼料顆粒是否滿足懸浮條件，飼料顆粒碰撞數(shù)越小，投料選擇器結(jié)構(gòu)設(shè)計越合理。最終要結(jié)合管道長度及用戶要求的投喂半徑綜合確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。使用表2中管1的設(shè)計參數(shù)，按表3的驅(qū)動裝置參數(shù)進行相關(guān)控制參數(shù)設(shè)計，通過表4的方法計算得到電動機控制參數(shù)，使用RS100型位置開關(guān)反饋套筒插入、退回是否到位，按用戶的投喂工藝分解設(shè)置投料選擇器控制邏輯，如圖5所示。經(jīng)過匹配設(shè)計，投料選擇器的三維設(shè)計及實物加工如圖6所示。

圖5 投料選擇器控制邏輯

圖6 投料選擇器效果圖、實物圖

4 試驗驗證

試驗結(jié)果如表6所示。

表6 自動投飼系統(tǒng)性能試驗結(jié)果

2022 年6月進行了現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明，投料選擇器達到了設(shè)計要求，管道切換動作正常，可完成12根出料管的任意切換。

通過與用戶的交流后得知，區(qū)域太多會導(dǎo)致投喂開始時間點產(chǎn)生較大差異，該差異會影響魚類的進食時間，影響魚類生長。用戶提出需要在某個時刻進行投喂、在規(guī)定時間內(nèi)進行投喂、投喂速度前快后慢等要求。

由于每個投喂區(qū)域會設(shè)計一定的投喂時間，自動投飼系統(tǒng)管道切換有時間間隔，當養(yǎng)殖區(qū)域較大時，這種養(yǎng)殖工藝必須要求自動投飼系統(tǒng)同時投喂才能滿足用戶需求。因此，針對這種現(xiàn)實需求，隨著深遠海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有必要研發(fā)新的投料選擇器。要求新型投料選擇器既可以單區(qū)域選擇，也可以多區(qū)域選擇，直至同時投喂所有區(qū)域。設(shè)計這種新型投料選擇器時，需考慮將氣管中的飼料均勻地分到各個支路中，保證分配的均勻性，同時要考慮破碎率，滿足投喂半徑要求，這對結(jié)構(gòu)設(shè)計、分配過程設(shè)計提出了很高的要求。

考慮到平臺上的空間有限，新型投料選擇器需盡可能地縮小尺寸，同時避免因結(jié)構(gòu)變化而影響自動投飼系統(tǒng)的整體性能。

5 結(jié)語

1）國內(nèi)投料選擇器結(jié)構(gòu)與國外相似，主要是實現(xiàn)單管的切換。國內(nèi)產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)設(shè)計、計算仿真及電控控制等方面取得了較大進展。現(xiàn)階段已支撐大型桁架式網(wǎng)箱平臺及養(yǎng)殖工船開展了實際應(yīng)用，產(chǎn)品在經(jīng)濟適用性、環(huán)境適應(yīng)性方面持續(xù)優(yōu)化提高。

2）介紹了投料選擇器的工作原理，并詳細介紹了國內(nèi)外現(xiàn)有投料選擇器的多種結(jié)構(gòu)形式，針對某型投料選擇器進行了設(shè)計流程介紹，對S形彎管及其驅(qū)動裝置進行了參數(shù)設(shè)計，為同類型投料選擇器設(shè)計提供了參考。

3）針對某深海桁架式網(wǎng)箱平臺項目進行了投料選擇器設(shè)計，通過試驗驗證了相關(guān)參數(shù)、控制邏輯設(shè)計的正確性，試驗表明，該型投料選擇器功能完備，可按用戶需求進行飼料投喂工作。

4）隨著用戶對養(yǎng)殖工藝的重視及科學(xué)養(yǎng)殖研究的需要，用戶會針對不同的魚種編制特殊的投喂策略。有必要加強深遠海養(yǎng)殖投料選擇器的研發(fā)，開發(fā)投喂速度高、可選擇、可同時投喂的多功能投料選擇器，支持我國的深遠海養(yǎng)殖事業(yè)迅速發(fā)展，實現(xiàn)對國外設(shè)備的趕超。