深远海养殖设备投料选择器结构设计探讨

2023-12-29骆意张方华朱端祥魏树辉黄建伟程晓夏

机械工程师 2023年12期

骆意，张方华，朱端祥，魏树辉，黄建伟，程晓夏

（1.中国船舶集团有限公司第七一一研究所，上海 200090；2.船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心，上海 200090）

0 引言

近年来，随着我国对海水鱼类消费需求的持续增长[1]，海水养殖业发展迅速[2]，为了支撑行业发展，国内相关单位开展了深远海渔业养殖装备技术的研究[3-9]。其中，自动投饲系统是养殖装备技术中的关键装备，该系统可以提高投饲精度和饲料利用率，降低劳动强度，减少劳动力成本，提高养殖生产效率。

投料选择器也可称为投料分配器，是自动投饲系统中的核心设备，其主要功能是根据用户的养殖工艺，将目标养殖区域投喂任务分解成多个区域的批次投喂，实现单次单区域、区域依次轮流投喂，投料选择器结构设计直接影响自动投饲系统整体性能及系统布局。现阶段国内投料选择器的设计与国外产品结构一致，随着养殖水体的不断增大，现有的选择器（分配器）急需新的设计，以满足工程项目的需要。

1 国内外现状

投料选择器是自动投饲系统中的一部分，主要装备在养殖工船或大型深远海桁架式网箱上，通常布置在布料器前、饲料仓库后，通过电控箱控制投料选择器，切换选择投喂管道，饲料混合空气或海水后经过选择器进入不同区域的输送管道，从而实现多次投喂，覆盖整个养殖区域。

1.1 国外现状

国外针对投料选择器设计的针对性研究较少，投料选择器的结构比较固定。典型的气力自动投饲系统有：挪威的AKVA集团，代表产品为CCS自动投饲系统；美国ETI公司，代表产品为FEEDMASTER自动投饲系统；加拿大Feeding System公司等。主要的水力输送自动投饲系统有美国Innovasea Systems公司、挪威AKVA公司。这些国外品牌的投料选择器如表1所示。

表1 国外品牌投料选择器

国外投料选择器既可以单独安装（如AKVA安装在船舷位置），也可集成设计在集装箱中，整体式结构方便自动投饲系统吊装，大大降低了现场安装、调试的难度。

1.2 国内现状

国内单位针对自动投饲系统进行了较为深入的研究：中国水产科学研究院南海水产研究所在2009年依托“863”计划的现代农业技术领域海水设施养殖重点项目开展了自动投饲系统的研究，针对远程气力输送自动投饲系统选择器设计进行了相关理论研究，介绍了选择器基本工作原理及功能特点，确定了一些设计原则，给出了结构设计的公式推导及设计演示[10]。中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所、青岛海兴智能装备有限公司、烟台优泰渔业装置有限公司等国内企业、单位开发了适用于智能投喂的自动投饲系统的投料选择器，陆续应用于国内的诸如“国信1号”、“耕海1号”等养殖工船或大型深海网箱项目。中国水产科学研究院南海水产研究所、湖北海洋工程装备研究院有限公司等单位对管道进行了理论计算、CFD有限元仿真计算[11-12]，为管道输送系统设计计算提供了参考。自动投饲系统已成为深海养殖行业竞争越来越激烈的系统设备。

对比国外品牌，投料选择器外形结构基本相似：一个进口多个出口，通过切换S形弯管与出料管的连接实现输送区域的选择，不同品牌的投料选择器，驱动S形弯管转动的机械结构略有差异。完成养殖区域的投喂需配置出口数量与投喂点数量一致的投料选择器。

2 结构设计

投料选择器的设计初期以模仿国外产品为主，每次实施单管切换，单管投喂饲料。其工作原理如图1所示。

图1 投料选择器结构示意图

图1所示为某型投料选择器结构示意图，S形弯管沿旋转中心旋转，两端各设置轴承支撑，当S形弯管旋转至目标出料管位置时，滑动套筒可伸出，实现管道的连接。整个旋转装置旋转在密闭箱体中，可将零部件及驱动电动机与海水环境隔离开，提高旋转部件的使用寿命。

在上述结构形式的基础上，国内外共有以下几种衍生形式的投料选择器，差别主要在S形弯管的驱动方式。中国水产科学研究院淡水渔业研究中心设计的投料选择器在左侧设置齿轮传动[13]，通过电磁铁实现管道的连接；中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所设计的投料选择器在右侧设置齿轮传动[14]，通过溜管实现管道的连接；广东省现代农业装备研究所的投料选择器在右侧设置间隙传动形式[15]，如图2所示。

图2 气动化料道电动分配器

图3 Arvo-tec投料选择器

图4 S形弯管零件图

国外Arvo-tec 品牌的投料选择器将S形弯管分成2部分，在输出管道的中心空隙位置安置带直列式减速器的电动机，通过转动S形弯管的一小截管道，实现对输出管道的选择。国内华南农业大学的投料选择器结构也采用电动机组合减速器直接驱动S形旋转弯管，不同的是将旋转部件整体置于箱体结构内部，通过爪型旋转连接件压紧弧形密封垫实现管道的连接[16]。

2.1 S形弯管设计

S形弯管的回转半径直接影响设备大小，是设备中需优先考虑设计的部件。S形弯管的通径与管道气力输送理论计算[11]一致，本文不再赘述。

根据设计经验，本文对S形弯管设计优先考虑出口数量；为减少饲料颗粒在输送过程中因撞击发生破碎，S形弯管管道弯曲半径取值大于管道直径的6倍；考虑S形弯管通过法兰进行定位、连接，需预留直管段距离，建议该距离大于2倍法兰厚度。按照上述经验，本文设计了两型S形弯管，如表2所示。

表2 S形弯管设计

表3 驱动参数

分析表2中数据可知，出料管数量不同，管径不同，管道弯曲半径不相同，S形管的长度不相同，出料管的分布圆相同。这种设计方法有以下优点：投料选择器可通过出口数量进行选型，当固定出口数量、规范出料管分布圆半径、长度后，S形弯管的结构可在行业内达成统一；S形弯管及其固定安装件整体可作为一个部件，在不同的选择器箱体中使用，提高了S形弯管的适应性，便于进行型号设计；S形弯管前后弯曲半径一致，提高了弯管的加工工艺性，减少了对设备的需求，提高了单根S形弯管的加工效率。

2.2 驱动设计

如前文所述，投料选择器有多种驱动设计方案。不同的方案会对电控参数设置有直接的影响。

根据图1结构的投料选择器驱动装置参数设计计算电动机的脉冲输入参数。

电动机细分数决定了电动机每转1圈的脉冲数，假设使用86HS118-60-1000型闭环步进电动机。大齿轮固定不动，小齿轮旋转，小齿轮绕大齿轮同时做螺旋运动及自转，转动1圈后小齿轮回复原位，在自转圈数的基础上公转了一圈，因此，电动机的脉冲数计算如表4所示。

表4 计算参数

2.3 其它设计

在投料选择器的设计中，除上述设计要点外，密封、控制逻辑、传感器反馈等也是需要重点考虑的设计点。密封是比较重要的设计内容，良好的密封可隔绝海上的盐雾环境，目前比较通用的密封方式是使用胶垫或O形圈，通过螺栓或者压扣的方式进行压紧固定；控制逻辑是结合用户养殖工艺细化执行机构动作流程，其设定必须考虑各执行机构的动作时间，避免逻辑错误或者动作不到位；为了保证动作到位、控制逻辑正常，通常采用接近开关进行信号确认，保证控制逻辑的准确执行，从而实现投料选择功能。

3 项目设计

某深海养殖网箱平台项目提出了设计需求，经简化，与投料选择器相关的需求如表5所示。

表5 项目需求

按图1所示原理设计投料选择器，为观察饲料颗粒在管道中的流型，使用CFD-DEM软件仿真得到饲料颗粒在弯管中的分布状态、速度，通过改变S形弯管后续直管段长度，统计观察颗粒碰撞数和出口饲料颗粒是否满足悬浮条件，饲料颗粒碰撞数越小，投料选择器结构设计越合理。最终要结合管道长度及用户要求的投喂半径综合确定最佳的结构参数。使用表2中管1的设计参数，按表3的驱动装置参数进行相关控制参数设计，通过表4的方法计算得到电动机控制参数，使用RS100型位置开关反馈套筒插入、退回是否到位，按用户的投喂工艺分解设置投料选择器控制逻辑，如图5所示。经过匹配设计，投料选择器的三维设计及实物加工如图6所示。

图5 投料选择器控制逻辑

图6 投料选择器效果图、实物图

4 试验验证

试验结果如表6所示。

表6 自动投饲系统性能试验结果

2022 年6月进行了现场试验，结果表明，投料选择器达到了设计要求，管道切换动作正常，可完成12根出料管的任意切换。

通过与用户的交流后得知，区域太多会导致投喂开始时间点产生较大差异，该差异会影响鱼类的进食时间，影响鱼类生长。用户提出需要在某个时刻进行投喂、在规定时间内进行投喂、投喂速度前快后慢等要求。

由于每个投喂区域会设计一定的投喂时间，自动投饲系统管道切换有时间间隔，当养殖区域较大时，这种养殖工艺必须要求自动投饲系统同时投喂才能满足用户需求。因此，针对这种现实需求，随着深远海养殖产业的发展，有必要研发新的投料选择器。要求新型投料选择器既可以单区域选择，也可以多区域选择，直至同时投喂所有区域。设计这种新型投料选择器时，需考虑将气管中的饲料均匀地分到各个支路中，保证分配的均匀性，同时要考虑破碎率，满足投喂半径要求，这对结构设计、分配过程设计提出了很高的要求。

考虑到平台上的空间有限，新型投料选择器需尽可能地缩小尺寸，同时避免因结构变化而影响自动投饲系统的整体性能。