淡水网箱养殖自动投饵机设计

    李康宁 李南南 刘利 史颖刚

    

    

    

    摘 要：针对现有网箱养殖中投饵机位置固定，饲料投放不定量的现状，考虑网箱养殖环境的影响因素，利用传感器、轨道传动和PLC技术（方法），设计了一种可定量投饲的移动式网箱养殖自动投饵机。文章介绍了网箱养殖自动投饵系统的布局，投饵机的工作原理、技术要求，以及轨道铺设要求。然后，详细介绍了投饵机设计基本参数的理论分析过程，行走系统和投饲装置关键部件的结构设计计算过程（结果），行走系统可对多个网箱进行移动式投饲，定量下料机构可实现定量式投饵，提高了网箱养殖饲料投放过程的机械化水平和自动化水平，降低了劳动强度，增加养殖效益。以4 m×6 m×3 m规格的网箱为例，进行成本分析，当网箱个数在10个以上时，使用该自动投饵机比一般的单个自动投饵机更经济。

    关键词：水产养殖；自动投饲；定量投饲；PLC；轨道

    中图分类号：S969.31+1

    文献标识码：A

    中国是水产品养殖大国和出口大国，网箱养鱼占据了其中相当大的比例[1]，目前，我国的水产养殖投饵，主要以人工或小型自动投饵机抛洒为主[2]，而国内的投饵机多为定点式，由于位置固定，存在投饲不均匀，饲料浪费，计量不精确等问题[3-5]。国外进口投饵设备，自动化程度高，但价格高，不适合国内的养殖环境[6]。所以，设计适合国情的网箱养殖自动投饵机，实现移动式投饲和定量投饲，是非常必要的。

    1 整体设计

    网箱养殖自动投饵机，主要由投饲装置、行走系统、网箱、上料装置和控制系统等组成，如图1和图2所示。它的工作原理是：在网箱过道上架设封闭轨道，每个网箱对应的轨道，都设置有一个起始定位识别点和一个终止定位识别点，当自动投饵机沿着轨道行进至起始定位识别点时，控制系统发出指令，控制投饵机进行相应的投饲工作，当投饵机行进至终止定位识别点时，控制系统控制投饵机结束该网箱的投饲任务。之后，自动投饵机根据设定的程序，沿轨道行进至下一个需要投饲的网箱。系统通过调节定量下料机构电机的转速来控制投饲量，从而实现对该网箱的定量投饲。

    根据网箱水产养殖的技术规程和操作规范，参考SC/T 6023-2011投饲机标准，确定网箱水产养殖自动投饲系统的技术指标，如表1所示。

    行走系统主要由轨道、投饵车和定位识别点组成。在网箱过道上架设封闭轨道[5-7]，如图3所示，根据投饵机重量、行走系统运行稳定性及降低成本的要求，轨道由锻钢加工而成，截面设计为等腰梯形，在满足力学性能的前提下采用中空式，如图4所示。考虑到安装及运输的方便，将轨道分解为小截的直段和弯段使用，每小截距离取400～600 mm左右，可以根据网箱情况，进行拼接使用。

    投饵车由车体、轨道轮、直流电机和减速器组成。24 V直流電机通过减速器驱动两个前轮使投饵车沿轨道上部运动。考虑到运行时投饵车的稳定性及轨道的使用寿命，轨道与轮子配合时，车轮凹槽侧边与轨道侧边保持一定的距离，如图4所示。轨道轮直径80 mm，减速器减速比12∶1，设计行走机构的运行速度为20 m/min。根据有关资料[7]，在同等条件下保持本投饵机以20 m/min的速度行走时，最小牵引力F=400 N，即主动轮为自动投饵机提供的驱动力矩M=F·r=16N·m。每级齿轮传动效率为0.96，则减速器传动效率η总=η2=0.9216。选取电机转速为n0，投饵车行走速度v，投饵车轨道轮半径r，减速器传动比i，输出轴功率Pw，输出轴工作效率ηw取0.95，电机输出扭矩T，电机轴输出功率Pd，则直流电机参数计算得：

    由计算参数，驱动电机选择额定转速为1 000 r/min，功率为200 W的24 V直流电机。

    减速器为二级直齿圆柱齿轮减速器，根据设计规范，第一级减速比4∶1，第二级减速比3∶1。输出轴齿轮Z1=20，中间齿轮Z2=80，中间齿轮Z3=20，车轮轴齿轮Z4=60，则减速比

    2.2 料仓

    设计料仓如图5（a）所示，料仓由立方体形状的料箱和倒棱台形状的漏斗组成，总容积为133 L，可容纳3号饲料50 kg（容积密度约为376 kg/m3）。料箱的宽度和长度均为500 mm，高度为410 mm。漏斗的宽度、长度和高度分别为100 mm、50 mm、320 mm，斜度为35°，如图5（b）所示。

    2.3 定量下料机构

    定量下料机构连接在料仓下方，主要由旋转叶轮、外壳和步进电机组成，如图6（a）所示。当定量下料机构工作时，饲料由进料口进入下料腔内，由电机带动的叶轮通过旋转将饲料由进料口传送到出料口，整个过程中叶轮转过的角度需要由电机严格的控制。由于叶轮每两个叶片之间的体积固定，因此，当需要不同重量的饲料时，只要控制电机旋转角度，就可以控制投饲量。

    旋转叶轮由叶片、顶端弹性挡板组成。设计叶片个数为10个，叶片间夹角为36°。为保证叶轮在运行过程中的平稳性，避免叶轮与外壳直接接触损害叶轮，使叶轮与外壳之间保持2～3 mm的距离，并在叶轮顶端安装弹性挡板，如图6（b）所示。

    投饵机需要同时对两个网箱投饲，投饲效率取300 kg/h。取叶轮体积V叶轮，叶轮外半径r1，叶轮内半径r2，叶轮宽度l，叶轮转速n，料仓体积V料仓，下料时间t，计算步进电机选择参数，有：

    取步进电机的转速12 r/min。考虑下料口较小，饲料质量较轻，所需的扭矩很小，因此对步进电机的扭矩不做要求。综上所述，选用56BYG250D-0241型两相混合式步进电机，适配驱动器SH-20504D。该电机最大转矩2 N·m，当转速为12 r/min时，转矩为1.7 N·m。

    2.4 抛料机构

    抛料机构采用离心叶轮式，主要由抛料室、离心叶轮和抛料电机组成。进行抛料工作时，控制系统发出信号控制抛料电机带动离心叶轮工作。饲料从出料口落入抛料室，并随着离心叶轮的运动抛撒出去。通过控制抛料电机的转速进而控制饲料抛洒轨迹和距离。综上所述，基本可以确定投饵机投饲装置主要的结构，如图7（a）所示。

    为优化投饵机运行路线，减少投饵机轨道铺设，以及单侧投料时，投饵机受力不均匀的问题，设计投饵机为两侧同时抛料，如图7（b）所示。当需要投饵机单侧投料时，可通过调整控制系统，关闭一侧的抛料电机，可实现另一侧单独投料。

    3 总结

    针对户外网箱养鱼，设计了一种移动式定量自动投饵机，其核心部件是定量下料机构，通过控制步进电机的旋转角度，进而控制旋转叶轮的旋转角位移，实现定量投饲。系统结合行走系统、定量下料机构和左右抛料机构，实现了移动式投饲，使用单个投饵机，可以完成对多个网箱的投饲工作。利用该投饵机，可对多个网箱进行移动式投饲和定量投饲，提高了投饵机的利用率，降低了饲料投放过程中的劳动强度。通过成本分析，目前，市场上一名水产养殖工人的工资平均为2 500元/月，每天可负责13个网箱的投饲和维护工作。以雇用一名工人负责13个4 m×6 m×3 m网箱的养殖规模为例，定点式投饵机成本约700元/台，共需13台；移动式定量自动投饵机和轨道成本约30 000元。考虑设备折旧，经分析得出，大约10个月即可收回投入的本金。以4 m×6 m×3 m的网箱为例，当网箱个数在10个以上时，使用该投饵机比一般的单个自动投饵机更经济。

    参考文献：

    [1] 张继业，胡福良，郑琴，等.一种水陆两用自动投饵机设计与试验研究[J].中国水产，2017（9）：78-81.

    [2]胡庆松，程文平，李俊.移动式虾塘投饵装置偏心抖料及抛饵系统优化与试验[J].上海海洋大学学报， 2016， 25（5）：794-800.

    [3] 徐志强，王涛，鲍旭腾，等.池塘养殖自动投饲系统远程精准化升级与验证[J].中国工程机械学报，2015，13（3）：272-276.

    [4] 陈晓龙，田昌凤，杨家朋，等.高密度养殖池塘自动气力投饲机的设计试验[J].渔业现代化，2016，43（5）：18-22.

    [5] 袁凯，庄保陆，倪琦，等.室内工厂化水產养殖自动投饲系统设计与试验[J].农业工程学报，2013，29（3）：169-176.

    [6] 景新，樊树凯，史颖刚，等.室内工厂化水产养殖自动投饲系统设计[J].安徽农业科学，2016（11）：260-263.

    [7] 孙月平，赵德安，洪剑青，等.河蟹养殖全覆盖自动均匀投饲的轨迹规划与试验[J].农业工程学报，2016，32（18）：190-200.