蟹、虾养殖池塘移动投饲装置的设计与试验

洪　扬，陈晓龙，田昌凤，朱　烨，车　轩，陈　超，陈　翔，江　涛

(农业部渔业装备与工程技术重点实验室，中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

随着集约化水产养殖技术的不断发展和完善[1-3]，养殖机械也得到了迅速发展。投饲机因其具有节省人工和饲料，经济效益显著等优点，成为现代池塘水产养殖机械中一个重要的组成部分[4-9]。国内外对蟹塘、虾塘投饲装置，尤其是自动化移动投饲装置的研究报道较少。近几年虽然在池塘行走定位和测距方面有了一些研究成果，如采用全球定位系统(GPS)的行走机构定位以及离岸测距方法等[10-12]，但其主要应用于鱼塘或其他试验研究，对于常见的大中型蟹塘、虾塘养殖，因其定位方法成本高、操作复杂，并不适用。目前，大部分蟹、虾养殖企业仍采用投饲机定点投喂或人工投喂的方式[13-14]，存在投饲距离短、范围小、投饲不均匀、饲料利用率低，以及人工成本高等问题。

针对蟹、虾养殖的特点，设计了一套投饲装置，以牵引绳为行走路线，装有投饲装置的投饲船通过牵引绳以一定的速度实现自动行走，同时采用抛撒装置在池塘中均匀抛撒饲料[15]，具有操作简单、投饲均匀等特点，可实现饲料全池塘、大范围投饲的功能要求。

1　工作原理与结构设计

1.1　工作原理

投饲装置(图1)主要由行走机构、储料箱、上料装置、抛撒装置等组成。工作时，将饲料装入储料箱，启动行走机构，投饲船按照既定路线[16]以一定的速度航行，电动机带动上料装置将饲料螺旋提升到撒料盘上，旋转的撒料盘利用自身转速所产生的离心力[17]将饲料以切线方向撒向池塘。该装置可通过调节送料蛟龙转速控制投料量，从而满足不同大小池塘的要求；也可通过控制投饲船的航行速度来综合调节投饲速度、投饲量大小，进而达到精准投饲要求。饲料采用螺旋上升的传送方式，可以减少饲料破损。

1.2　行走机构

行走机构由浮船和导向装置组成。浮船由两只小浮船通过不锈钢连接架并联固定，船体可承载100 kg质量，且具有较好的稳定性。导向装置为固定在池塘中轴线上的牵引绳，牵引绳通过浮船上的导向架来引导航向，通过电气系统控制其速度，从而达到调节投饲量和移动投饲的目的。该装置可满足宽30 m、长100 m大中型池糖的投饲需要。

1.3　上料装置

上料装置的核心是上料绞龙结构(图2)。为了保证送料效果，减少饲料破损，绞龙结构设计时要保证饲料在竖直传送时与绞龙套筒之间的间隙，同时要保证饲料不能从间隙中掉落，因此对绞龙套筒内壁与绞龙外圆的间距需要合理安排。该结构中采用迷宫式密封方法[18]，可避免被压碎的饲料堵住密封口，又能起到密封作用。另外，此结构可以保证饲料不断地被输送到撒料平台上，使传输更加稳定[19-20]。当送料绞龙螺旋转动时，绞龙内的饲料受到螺旋向上力的作用，饲料呈螺旋式向上传输。饲料运动情况如图3所示。

图1　移动式虾塘、蟹塘投饲装置结构示意图

图2　上料绞龙结构

当绞龙绕中心轴旋转时，在半径为r的螺旋片上任一点x处有一饲料，该饲料一方面与叶片之间有相对滑动，另一方面在螺旋叶片推力作用下有轴向运动。其运动速度可以根据速度矢量三角形求解得出。根据饲料颗粒运动速度图的分析，饲料的移动速度为：

v1=vfcos(a+φ)

(1)

其中:

(2)

(3)

因此，

(4)

式中：v1—轴向运动速度，m/s;vf—饲料实际运动速度，m/s;φ—饲料与金属摩擦角，°；v0—x点的线速度，m/s；vn—不计摩擦时饲料的绝对速度，m/s；α—螺旋叶片升角，叶片半径ρ的函数，而同一横断面上叶片各点的ρ值不同，故a不同，v1亦不同；S—螺旋叶片的螺距，m，对于满面叶片绞龙，本设计选用0.04；n—绞龙转速，r/min。

图3　饲料运动示意图

1.4　抛撒装置

抛撒装置由步进电机、棘轮、撒料盘组成，上料绞龙到达顶端时，通过在套筒上开出3个面积相等的孔，饲料通过开孔进入撒料盘(图4)。

图4　绞龙出口及撒料盘示意图

棘轮控制撒料盘的单向旋转，防止绞龙因反转而导致撒料装置不能正常工作。步进电机控制撒料盘的转速，进而控制饲料抛撒直径和抛撒量，根据实际养殖需要调整投喂量。通过理论计算和多次试验，选用转速300 r/min、功率100 W的电机。撒料盘承接送料绞龙输送的饲料，通过一定的转速将饲料均匀地抛撒在水面。

1.4.1撒料盘设计分析

为了更好地让饲料从撒料盘上抛撒出去，撒料盘设置了8个挡板。为便于分析，在几种不同速率下，对投饲撒料装置模型进行如下简化处理：饲料颗粒都是球形；饲料颗粒落到撒料盘上没有跳动和滚动，只有滑动；饲料颗粒落到撒料盘上只有单层，不会相互叠加[21]。根据实际需要，饲料颗粒直径分别为1 mm、2.5 mm和3 mm。对饲料颗粒在撒料盘上的运动进行分析，当饲料颗粒从输送绞龙出来落入撒料盘时，初始速度可以假定为零，当撒料盘相对饲料颗粒转动时，饲料颗粒便会很快接触到撒料盘隔板，因此根据惯性理论，饲料颗粒受到惯性力、离心力、摩擦力和挡板的支撑力，饲料颗粒受力不能达到平衡。饲料颗粒在落到撒料盘上时的受力可以分解为径向和切向。为简化分析，主要考虑饲料颗粒在撒料盘受到的滑动摩擦力。

(5)

(6)

(7)

由于圆盘被分成8等分，饲料颗粒运动受到中间隔板对颗粒的影响，运动颗粒分为不接触隔板而做离心运动自由撒落的颗粒和在撒料盘上接触到隔板后沿着隔板撒落的颗粒，在惯性作用下，大部分颗粒沿着挡板向外做加速运动，则颗粒离开撒料盘后的运动方程为：

(8)

S=vt

(9)

式中：h—撒料盘距离承料面的竖直高度，m；g—地球重力加速度，m/s2；t—饲料颗粒作平抛运动的时间，s。S—饲料颗粒在离开撒料盘后运动的水平距离，m；v—饲料颗粒饲料离开撒料盘时的初始速度，m/s。

式(8)、(9)表明，从相同的高度h落下，饲料颗粒离开撒料盘所达到的最远距离S由其离开撒料盘的初始速度决定，而由式(5)～(7)可知，饲料颗粒离开撤料盘的初始速度受到离心力、惯性力和摩擦力的影响。因此，可以认为，颗粒离开撒料盘所达到的最远距离与撒料盘转速、直径等有关。因此，在撒料盘直径一定的情况下，通过调节撒料盘转速，可使饲料颗粒抛撒出去时所获得的初始速度不同，进而可以调节抛撒半径。根据实际生产需要，可以设计直径不同的撒料盘，配合电机转速，来实现更大投饲半径范围的调节。

2　投饲装置主要设计参数确定

2.1　送料绞龙直径

按照最大投饲量的设计要求，料仓满载时体积为0.08 m3，需要20 min内完成一次投饲。根据对绞龙轴的挠度和刚度计算，设计绞龙轴半径为10 mm。实际工作中通常不考虑物料轴向阻滞的影响，因而饲料的流通量可用下面简化公式计算：

(10)

V=Qrnt

(11)

联立上述2个方程得出：

(12)

式中：v—物料轴向速度，m/r，本设计选用0.04 m/r；n—绞龙转速，r/min，按照200 r/min计算；Qr—绞龙横断面上每转能通过的饲料流量，m3/r；ψ—充满系数，据试验，竖直绞龙的充满系数约为0.3；V—料仓体积，m3；t—投饲时间，s；r0—绞龙轴半径，mm；r—绞龙半径,mm。计算得出r最小为25.1 mm，即最小直径50.2 mm。

因此设计绞龙叶片直径为54 mm。根据与储料箱的设计尺寸互相配合，绞龙高度设计为660 mm。

2.2　储料箱参数分析

根据实际养殖的需要，一般0.33 hm2的养殖蟹、虾塘，其投饲量每天最大约为60 kg，根据每天最大投饲量时分3次投喂，因此每次料箱容纳饲料(350 kg/m3)需20 kg以上，综合考虑设计移动投饲料箱0.08 m3。在养殖前期蟹、虾个体体积较小的情况下，装一次料可满足一天的投喂量。在蟹、虾的成长期，料箱容量仍可满足一次投喂的需求。

投饲料箱采用上方为圆柱状，下方为圆锥体的形式，要求投饲结束后残余饲料尽量少，但是圆锥体料筒与水平面角度过大则会导致重心过高，进而使得投饲机构在移动投饲过程中发生倾倒。经过设计及试验分析发现，当料仓圆锥体锥角为100°时，料箱中仍有3 kg的饲料堆积，而当调整到80°时，堆积情况得到了极大改善。研究表明，同一种饲料，锥角为80°时，残余饲料仅为0.5 kg，且重心在合理范围内，使浮船在水面上的稳定性得到提高。

3　试验与分析

3.1　样机试验

该装置于2017年8月在中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所泖港中试基地完成各项功能测试。测量得知，撒料盘距离水面距离为0.62 m。选用了3种不同直径的常用颗粒饲料，颗粒直径分别为3 mm(饲料1)、2.5 mm(饲料2)、1 mm(饲料3)，其中，饲料1为膨化颗粒饲料，密度较小。根据试验大纲，对每一种饲料进行撒料盘转速与投饲半径关系的试验。随后，对其基本参数进行对比试验，将每一种撒出去的饲料收集起来，用20目网筛对破碎颗粒饲料筛选，进行称重和饲料总量相除后乘以100%，得出破碎率。每一种饲料试验结束后，将料箱剩余饲料倒出做残饲量对比，将剩余饲料称重和总饲料相除后乘以100%，得出残饲率。

3.2　基本性能参数试验与分析

试验过程中，投饲机运行平稳、工作安全可靠。通过对不同种类的饲料进行试验，结果如图5和表1所示。

根据图5可知，通过对撒料盘转速的调节，饲料投饲直径在1.2～5.8 m，当转速在调节到220 r/min时，饲料1投饲直径达到2.8 m，饲料2投饲直径3.6 m，饲料3投饲直径达到5.8 m；当转速调节到100 r/min时，饲料投饲直径相差不大，在1.2～1.8 m。3种不同直径的饲料颗粒之间存在差异，主要原因是饲料颗粒密度、体积不同。饲料1密度小、体积大，计算时没有考虑空气阻力的影响，当饲料颗粒离开撒料盘做平抛运动，颗粒体积较大时，空气阻力的影响便不能忽略，因此出现图5中两种体积相近但密度不同的饲料颗粒在相同转速下投饲半径出现较大差异。蟹、虾幼苗期要求投饲半径较大，饲料应大范围均匀投饲；随着蟹、虾的生长，其活动区域越来越大，饲料投饲区间也可以相对减小，通过控制行走机构的行走速度来控制投饲区域的投饲量。该装置的投饲半径也符合虾、蟹的生长特性，具有一定使用价值。

由表1可知，在转速220 r/min下，按每种饲料10 kg量进行投饲试验，3种饲料颗粒破碎率分别为1.08%、1.7%、0.46%，该移动投饲装置平均破碎率在1%左右；残饲率在2%～8%，装置工作功率在19.2～33.6 W，表明该装置对于不同种类颗粒饲料功率变化较为稳定，且远低于所选电机额定功率。

图5　3种饲料在不同转速下的投饲半径

项目颗粒直径/mm投饲量/kg残饲量/kg残饲率/%破碎量/kg破碎率/%工作电流/A工作电压/V功率/W饲料13100.220.1081.080.92421.6饲料22.5100.880.171.700.82419.2饲料31100.770.0460.461.42433.6

4　结论

池塘移动式投饲装置体积小，便于组装移动，适合大中型养殖池塘进行饲料投喂，克服了定点投喂中存在的抛撒不均匀、抛撒面积小等缺陷，可减少大型投饲装置的资金投入，实现半自动化投喂，降低人工成本。该装置可根据需要进行调节，以满足不同大小池塘的养殖需要，提高饲料利用率，并且具有较高的实用性和科学性，适宜向广大养殖池塘推广使用。

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