螺旋提鱼装置设计

程斌斌，张成林，吴 凡，吴陈波，黄 达

CHENG Bin-bin1,2 , ZHANG Cheng-lin2, WU Fan2, WU Chen-bo1,2, HUANG Da1,2

（1.上海海洋大学 工程学院，上海 201306；2.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所农业部渔业装备与工程技术重点实验室，上海 200092）

0 引言

步入21世纪以来，随着人口增长与生活水平的提高，粮食不足、环境恶化与资源短缺成为了全球性的问题[1]。地球所有生物物种的三分之二生存在水域中，其中的可食用种类是解决粮食危机的重要潜在资源。为了满足人口增长对食物的需求，世界各国逐渐开始重视渔业资源的开发。随着科学技术水平的发展和渔业生产专业化与社会化的发展，中国已经成为世界渔业强国之一，渔业已经成为中国国民经济的重要组成部分。中国水产品总产量近十年来持续增长，2017年中国全国水产品总产量6900万吨，其中养殖产量5156万吨，占总产量的74.7%，同比增长4.4%[2]。

鱼类的起捕是渔业生产中的重要环节。无论是水产养殖生产中鱼类的换池、分级、放养和起捕，还是渔业捕捞生产中的起捕、转运，均对鱼体无损率有较高要求[3～5]。鱼种的起鱼技术是鱼类养殖及运转过程不可或缺的重要环节。当前，中国国内主要仍采用人工起鱼的方式,人为操作存在劳动强度大，鱼体损伤大等弊端。

刘平等[6,7]，运用ANSYS CFX对离心式吸鱼泵模型的内部流场进行数值模拟与仿真，并针对吸鱼泵的叶轮进行了优化设计，实现了新型吸鱼泵的研发。王伟[8]等人通过利用流体软件FLUENT对离心式吸鱼泵进行研究，发现离心式吸鱼泵具有较强的传输能力，但是在进鱼管和叶轮弯道处的压力过于集中，鱼体损伤率较大；苏玉香[9]等人设计的双机双筒吸鱼泵鱼是在真空式吸鱼泵基础上设计出来的，鱼体损率较低，提鱼效率也较高，但是存在设备庞大，功耗高，操作不便等问题。黄道沛等[10]对射流式吸鱼泵进行了理论分析，结合真空式吸鱼泵的优点提出了改进方案，提高了射流式吸鱼泵流速，减小了输送压力，优化了射流式吸鱼泵的性能，但是由于吸鱼泵体积庞大，能耗过高，操作不便，鱼损率较高等问题，无法在起捕作业中推广应用[11,12]。江涛[13]等人针对池塘养鱼设计了机械拖网捕鱼系统，拖网得鱼率达到64.5%，大大降低了劳动强度，然而该捕鱼系统设备多，价格贵，占地面积大，直接限制了应用与推广。田昌凤[14]发明的一种单轨起鱼输送机，结构简单，成本低，效率高，但是设备庞大，安装复杂，操作不便。张文源和马俊国[15]在1987年基于阿基米德螺旋泵结构，研制了虹鳟鱼提鱼机，结构简单，使用方便，但是研究参数单一，样机的提鱼效率过低，无法满足当代需求。

文章在总结前期研究的基础上，研制出一种成本低廉，效率较高，鱼损率较低的提鱼装置，以代替人工起鱼的方式，减轻劳动强度，实现渔获提升的机械化与自动化。

1 总体结构与主要技术参数

1.1 样机结构与主要技术参数

螺旋提鱼装置主要由电机、减速机、动力装置、底盘、主体支架和螺旋叶片构成，如图1所示。电机和减速机通过螺栓固定在机架的放置架上。螺旋提鱼装置的主体支架与行走装置通过转动连接器连接，以保证可以自由调节转筒角度。主体转筒前端安装有扩大套筒，以达到更好的聚鱼效果，提高提鱼效率。

图1 螺旋提鱼装置结构示意图

图2 螺旋提鱼装置运行图

螺旋提鱼装置工作时，行走机构到达养鱼池一端适当位置，一名捕捞工人先调节角度，将主体转筒调整至一定角度，使螺旋叶片前端浸没水中。然后两个人用拉网将鱼赶到安放螺旋提鱼装置的一端。接着打开电机电源，通过减速机调整转速。当电动机通过链条带动泵轴转动时，螺旋叶片一方面绕泵轴旋转，另一方面它又沿外部套筒的内表面旋转，于是形成泵的密封腔室。螺旋叶片每转一周，密封腔内的鱼和水向前推进一个螺距，随着螺杆的连续转动，鱼和水以螺旋形方式从一个密封腔推入另一个密封腔，最后在出口处落入盛鱼容器中[16]。该装置可以连续作业，且方便移动。整个起鱼作业过程仅需两人即可完成，相对传统的起鱼方式需要8人的情况[17]，大大节省了人力、降低了劳动强度、提高了效率。

1.2 主要技术参数

根据鱼类起捕的实际需求以及地形条件等因素，确定了螺旋提鱼装置的主要技术参数如表1所示。

表1 螺旋提鱼装置主要技术参数

2 关键部位设计

2.1 动力装置

机械传动方式主要分为两类：一是靠机件间的摩擦力传递动力的摩擦传动，主要类型有带传动、摩擦轮传动以及绳传动等。摩擦传动的优点是结构简单、制造容易、运转平稳、过载可以打滑（可防止设备中重要零部件的损坏），以及能无级改变传动比，但由于运转中有滑动、传动效率低、结构尺寸较大、作用在轴和轴承上的载荷大等缺点，故只宜用于传递动力较小的场合；二是靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动，主要类型有链传动、齿轮传动、蜗轮蜗杆传动等，相对于摩擦传动，啮合传动的传动比更加准确，要求较高的制作精度和安装精度。

根据螺旋提鱼装置的设计要求，电机轴与螺旋叶片中心轴距离较远，并且在设备实际应用时环境较为恶劣，故驱动机构采用链传动方式，利用其可用在高温、重载、低速、尘埃较大的环境并且适合较远两轴间的传动，能够保证准确的传动比，传递功率较大，并且作用在轴上的力较小，传动效率高的优点。

驱动装置包括电机、减速机、链条、齿轮等。齿轮分别安装在减速机轴与螺旋叶片轴上，通过链条由减速机向螺旋叶片传递动力。

图3 驱动装置示意图

电机功率：

式中：γ为鱼水混合物单位体积重量1472kg·m-3；Q为提升流量，经公式计算后为5.17L·s-1；H为提升高度，为0.85m；η为螺旋泵效率，为 0.81；η为减速机效率，为 0.9。（1+μ）为安全系数，μ=0.2。故计算得电机的额定功率为1.48w，根据市场销售的电机规格，选择1.5kw的四级交流电机。

2.2 底盘

底盘装置主要功能是在载重260kg的情况下，将螺旋提鱼装置移动至提鱼作业附近位置。它与主体转筒通过转动连接件连接，在支撑起主体转筒的同时还可以使其改变倾角。行走装置主要包括轴承、底盘支架、上支架等。如图4所示，底盘安装有螺旋提升装置，可根据实际需求调节主体转筒的倾斜角度，调节范围为0～50°，满足试验要求。

图4 底盘示意图

2.3 螺旋叶片

螺旋叶片是影响鱼体损伤率和提升速度的重要部件之一。螺距与外径决定了螺旋提鱼装置的内部空间大小，影响提升能力。同时，螺距也决定了螺旋升角，影响入口处鱼体损伤率。该试验研究螺旋叶片的螺距、外径和转速的改变对鱼体损伤率和提升速度的影响。内外径比一般在0.5左右[13]，在该研究中不仅要保证提升能力也要考虑机械加工水平，故将内外径比定为为0.35。螺旋叶片外径与螺距的选择与鱼体的大小有关，本次试验用鱼尾体长10到15cm的鲫鱼（Crucian），故将匹配外径320～380mm，螺距250～350mm。根据张文源与马俊国的研究报告[12]，螺旋叶片转速的研究范围定为40～80转/分较为合适。此外，根据文献[13]，叶片厚度为3mm较为合适。为了保证提升效率，头数定为2。

图5 螺旋叶片示意图

3 样机试验及结果分析

3.1 提鱼试验

该螺旋提鱼装置经过设计、制造和安装调试，于2018年在中国水产科学研究院工业化养殖中试基地开展试验研究，如图6所示。研究的参数有：螺旋叶片螺距、螺旋叶片直径和螺旋叶片转速。主要的性能指标为：鱼体损伤率和提升速度。

试验中，螺旋提鱼装置运行稳定、噪声小、工作安全可靠，无需事前安装，仅需一人将设备推至试验地点即可。试验记录具有不同设计参数的螺旋提升装置分别在三种转速情况下的提升速度与损伤率，每组试验做三次，取平均值作为参考数据。

图6 样机试验

3.2 试验结果分析

传输速度与损伤率统计图如下图所示。

图7 速度-损伤率图

通过对比图7的三幅子图可知，提升速度随外径增大而增大，但外径在380mm与440mm两种情况下的传输能力相差不大。说明传输能力在外径380mm左右时到达最佳。损伤率在380mm时达到最低。

螺距对提升速度与损伤率影响较小，相比之下外径的影响较大。转速在300mm时损伤率最小，所以并非螺距越大螺旋提鱼装置的性能越好。

提升速度与损伤率在转速为50r·min-1～60r·min-1时呈现增长趋势但并不明显。在70r·min-1时损伤率大大增加。说明转速对提升速度的影响较小，且高转速将大大增加损伤率。

4 结语

与其他提鱼装置相比，在鱼体损伤率方面：真空式吸鱼泵由于存在叶轮，不可避免地会对鱼体有较大损伤；真空式吸鱼泵与射流式吸鱼泵是利用负压原理将鱼体抽吸上来，相比离心式吸鱼泵，损伤率较小。螺旋提鱼装置具有较低的鱼体损伤率。该研究通过图像识别技术对鱼体损伤进行检测，比传统人工查看更具可靠性。这是与真空双筒活鱼提升机[18]的损伤率有差距的原因之一。

在提升速度方面：各种吸鱼泵都具有较快的提升速度，相比之下螺旋提鱼装置与单轨起鱼输送机的提升速度较慢，但是二者都能满足渔业起捕的要求。

在整体结构与使用方便性方面：离心式吸鱼泵整体性好，安装较为方便[19]。真空式吸鱼泵与射流式吸鱼泵的体积庞大，工作平台面积较大。单轨起鱼输送机结构简单，但是较为庞大，需要卡车运输移动，且预安装过程较为复杂，所需作业人员较多。螺旋提鱼装置结构简单，整个作业过程仅需两人，无需预安装，移动便捷。

螺旋提鱼装置结构简单、成本低，成功解决了活鱼收获过程中人工起鱼强度大、鱼体损伤率大、效率低下的问题。设备操作方便，仅需两人即可。该研究表明：螺旋起鱼装置在转速为60r·min-1、外径为380mm、螺距为300mm时工作运行平稳，损伤率较低、传输能力较强。工作效率较传统人工起鱼提高一倍。

试验数据显示，螺旋提鱼装置的提升速度未达到最大程度，仍需进一步对设计参数进行研究。笔者研究发现鱼体损伤大多发生在入口处，该设备的损伤率较大，未达到鱼体无损的预期目标，需要对进鱼口的流体状态进行研究。