水產養殖作業船轉塘裝置的設計

摘要：水產養殖作業船可以用于水草清理、餌料投放、施藥、水質監測等，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養殖作業船的轉塘，這一過程費時費力。對此，設計一種養殖作業船轉塘裝置，通過兩側齒輪與架空齒條的嚙合及底部滾輪與轉移軌道的導向來形成對作業船的三點支撐。為保證養殖作業船能無阻礙地通過堤壩，特地設計計算了架空齒條上坡段、水平段和下坡段的高度和角度。將養殖作業船的螺旋槳改造成明輪，其為轉塘爬坡提供動力的同時也能有效防止水草纏繞。現有應用表明，該裝置大大提升了水產養殖過程中的轉塘效率，既提高了作業船的利用率，也降低了總體投入成本，因此具有一定的推廣價值。

關鍵詞：水產養殖作業船；轉塘裝置；三點支撐；齒輪齒條

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

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

為滿足上述使用場景的需求，現有文獻對養殖作業船功能開發的闡述主要集中在自主導航、遠程控制、精準投飼、電量管理等方面[1-2]。但在實際應用過程中，養殖水塘會根據水產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行分割[3]，養殖作業船若只在其中一塊水塘使用，便難以發揮其優勢，從而導致利用率不高，相鄰的水塘往往通過人力搬運來實現轉塘，自動化程度低，且費時費力。因此，開發一種養殖作業船自動轉塘裝置，將原有養殖作業船的螺旋槳改造成明輪來作為跨越堤壩的動力，同時其在水中作業劃動時也可防止水草纏繞。自動轉塘裝置還包括橫跨在堤壩上的轉移軌道，通過該裝置能實現養殖作業船在相鄰水塘之間的快速轉移，因其能擴大機械作業面積、提高經濟效益，所以在水產養殖戶中得到了推廣應用。

1 整體設計

轉塘裝置的俯視圖和主視圖如圖1所示。

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

2 轉移坡道設計

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

2.1 上坡段設計

上坡段的角度設計需綜合考慮船上明輪驅動電機的爬坡能力、蓄電池的電源容量和轉塘時船的穩定性[4]，如圖2所示。

養殖作業船兩側的驅動電機扭矩所產生的等效牽引力主要用來抵消作業船本身重力的分力，同時忽略齒輪齒條的摩擦力，應滿足：

[mgsinα=2Td] " " " " " " "（1）

式（1）中：m，水產養殖作業船的質量；[α]，上坡段的角度；[T]，養殖船的驅動電機扭矩；[d]，齒輪的分度圓直徑。

水產養殖作業船空載時，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，養殖作業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°已經求得，為保證養殖作業船在上坡時重心穩定，避免傾覆[，β]取20°，h1=323 mm，l=996 mm，最后計算得到h=491 mm。

2.2 水平段和下坡段設計

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

考慮相鄰水塘之間的轉塘是雙向的，因此下坡段角度與上坡段角度應保持相等。下坡段的架空齒條與轉移軌道位于同一高度[5]，如圖1所示。當需要反向轉塘時，養殖作業船以倒退的方式駛入下坡段，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，其與船體的行進方向無關。

3 水產養殖作業船的改造

為適應轉塘操作，在原有養殖作業船的基礎上進行了改造。為盡量簡化作業船的機械結構，轉塘和正常行駛共用一套驅動系統。在養殖作業船底部設計了滾輪，其與轉移軌道配合可形成良好的導向，從而保證了兩側齒輪齒條的正常嚙合。

3.1 明輪的設計

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，并由兩只直流電機直接驅動旋轉，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的表面沿徑向對稱且安裝了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動養殖作業船爬坡轉塘。

3.2 底部導向滾輪的設計

為保持船體在轉塘時的姿態角度，應“抬”著作業船轉塘以形成穩定的三點支撐，同時船體底部應安裝滾輪，如圖6所示。

滾輪2通過軸承繞中心轉軸1旋轉，同時船體底部設有凹槽，如圖6所示。養殖作業船需要轉塘時，會將中心轉軸穿過此凹槽，滾輪兩側有限位片，其與轉移軌道上的方軌配合能起到很好的導向作用，這使得齒輪齒條不受軸向力，從而保證了兩側的正常嚙合。正常行駛時，為減小水中阻力，中心轉軸和滾輪可以拆除。

由于養殖作業船為蓄電池驅動，電量消耗有可能使供電電壓被負載拉低，進而使電機扭矩無法達到如式（1）所示的13.2 N·m，因此中心轉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，作業船轉塘爬坡時，由于滾輪支點安裝在船體前端而最先接觸轉移軌道，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動作業船爬坡，此時也需要輔助外力牽引[8]。

4 試驗

為驗證作業船轉塘裝置設計的可行性，選擇某養殖戶的水塘進行了上坡段和部分水平段的現場試驗，如圖7所示。

轉塘時，養殖作業船首先進入手動控制模式，行駛方向對準轉移坡道，先將中心轉軸穿過作業船底部的凹槽，再把滾輪對準轉移軌道，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，作業船驅動電機爬坡，使其能順利通過上坡段。轉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移軌道貼合，這能起到良好的導向作用，同時船底其余位置未與轉移坡道發生碰擦，由此證明了架空齒條與轉移軌道的高度差計算正確。

5 結語

養殖作業船轉塘裝置大大提升了水產養殖過程中的轉塘效率，3個人30 min的工作量被縮減為1個人5 min的工作量；單個養殖作業船的作業面積擴大至整片水塘，且明輪的設計還能夠有效防止水草纏繞，不僅節約了清理時間，還提高了作業船的利用率；轉塘裝置包括堤壩上的轉移坡道建設和原有養殖作業船的改造，建造成本均較低，因而在水產養殖戶的應用中取得了明顯的經濟效益。下一步應致力于提高轉塘的自動化程度，可結合GPS/北斗和末端定位技術[9-10]，使養殖作業船能自動對接轉塘裝置，以此來減少轉塘過程中的手動操作，從而為轉塘裝置的進一步推廣應用創造條件。

參考文獻

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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