深水网箱网衣清洗装备关键部件设计及试验

2024-03-06袁太平廖宇琦黄小华陶启友庞国良

南方水产科学 2024年1期

袁太平，廖宇琦，黄小华，胡昱，陶启友，李根，庞国良

1. 中国水产科学研究院南海水产研究所热带水产研究开发中心/三亚热带水产研究院，海南三亚 572000

2. 中国水产科学研究院南海水产研究所/农业农村部外海渔业可持续利用重点实验室/广东省网箱工程技术研究中心，广东广州 510300

3. 上海海洋大学，上海 201306

网箱养殖已成为海水鱼养殖的主要方式，1998—2022 年间，我国重力式高密度聚乙烯(HDPE)深水网箱数量已超过2 万个，2022 年我国深水网箱养殖海水鱼产量超过3.93×105t，比2021 年增长16.6%，目前重力式深水网箱养殖规模仍在不断扩大[1-2]。中央及广东省政府多个文件明确指出建设现代海洋牧场，发展深水网箱等深远海养殖，支持渔业装备开发[3-5]，深远海养殖已成为产业发展的热点。由于网箱网衣长期浸泡于海水中会诱导大量污损生物附着，附着严重时会阻碍网箱内外水体交换，大幅增加网箱框架受力，在长期海流的作用下易导致网箱框架破坏及鱼病滋生，从而造成重大经济损失。以人工为主的传统网衣清洗方式已不能适应网箱养殖的规模化发展，网衣清洗难已严重限制了深远海养殖的规模化发展，开发机械化、自动化的水下网衣清洗装备是未来深远海养殖集约化管理的必然趋势[6-7]。

国外渔业发达国家在网衣清洗技术方面的研发较早，相对国内技术成熟度较高。挪威Mainstay AS 公司长期致力于开发水下网衣清洗装备[8]，提供Mainstay 系列网衣清洗机器人、清洁装备产品和相匹配的高压泵站及配件，其中最新发布的Mainstay Manta 网衣清洗机器人设置有5 个工作洗盘，5 个推进器，4 个相机传感器，工作压力为6～30 MPa，整机可实现在无推进器工作条件下的自由悬浮且不发生侧向翻转，机器人控制操作简便。日本YANMAR 公司的带缆潜水网衣清洗机器人，执行机构采用歧管式洗盘，利用倾斜安装的喷嘴产生射流反冲力带动洗盘旋转，智能化程度高[9]；澳大利亚Aurora Marine 公司研制的网衣清洗机器人，集成在清洗工作船上，采用履带式结构与水流双重驱动，能较好地依附于网衣上并可实现自动化的网衣清洁[10]。国内对网衣清洗装备研究起步较晚，Peng 等[11]对高围压淹没条件下的水射流空化现象进行了研究，发现空化射流冲蚀强度的变化与冲击速率的变化关系更密切，而与绝对冲击强度的变化关系较小。黄小华等[12]、张小明等[13]所设计制作的歧管式高压水射流水下洗网机，利用空化射流打击原理解决了水下网衣清洗的问题；庄集超等[14]结合水下机器人，开发出一种旋流式深海网衣清洗装置，以歧管式喷盘喷射的高压旋转水射流作为清洗动力源，利用特制双浮筒调整水下潜浮姿态，改变运行方向，从而实现网箱各个方向上的清洗。宋玉刚和郑雄胜[15]研制了一种深海网箱网衣清洗系统，包括水上工作船和水下清洗装置，水上工作船配小型发电机和小型吊机，转盘刷子在网衣表面进行剧烈的摩擦运动，从而去除网衣表面的海洋附着污损生物。青岛森科特智能仪器有限公司开发出一套履带式网衣清洗机器人，采用自主研发的空化射流技术和履带螺旋桨联动的运动控制策略，可有效控制水下机器人的运行姿态，实现网衣污损生物的清除[16]。由于装备操作的便利性、清洗清洁度及养殖观念固化等原因，国内清洗装备应用尚不广泛，装备样机技术水平还有待成熟化。

为解决深水网箱网衣清洗难的技术瓶颈，本研究研制了一种双体深水网箱网衣清洗装备，结合数值计算及试验方法对清洗装备的关键部件进行了设计和力学分析，探究了清洗装备喷嘴孔径、喷嘴与清洗转盘夹角、网面与清洗盘靶距对网衣污损生物去除率的影响，以优化网衣清洗装备设计参数及工作参数配置，为深水网箱水下网衣清洗装备的设计提供理论依据。

1 试验设备与工作原理

1.1 整体结构及技术参数

本研究基于淹没环境下的空化射流原理开发了双体深水网箱网衣清洗装备。网衣清洗装备包括高压泵站系统、四流道左旋转盘、四流道右旋转盘、高压水密封系统、高速旋转接头、三通接头、框架、外罩、吊环等，其中高压泵站系统由汽油机驱动高压泵产生高压流，转盘由盘体与喷嘴组成，密封系统由O 型密封圈、中心轴组成 (图1)。清洗及工作时，由绳索将清洗装备吊装至养殖网箱内表面，高压泵站提供压力水流经三通接头进入清洗转盘，从而经由喷嘴形成空化射流，实现水下网衣的清洗作业。期间喷嘴的反作用力带动转盘形成环形清洗面，通过调节推进器推力大小控制转盘与污损生物的靶距。通过调节绳索长度和控制清洗装置在网箱框架的吊装点实现网衣清洗机在网箱的横纵向运动。该机主要结构参数及技术参数如表1 所示[17-19]。

表1 深水网箱网衣清洗装备结构参数及技术参数Table 1 Structural and technical parameters of deep water net cage net cleaning equipment

图1 空化射流式网衣清洗机主体结构Fig. 1 Main structure of cavitation jet type net cleaning machine

1.2 旋转圆盘运动特性

清洗转盘为四流道结构，流道末端轴线垂直于旋转圆盘半径并与圆盘表面成α角 (图2)。高压流进入流道经喷嘴形成高速射流，射流反作用力作用在喷嘴及转盘形成旋转驱动力矩M，清洗转盘的转动带动高压喷嘴绕轴向旋转形成柱状或锥状的高速空化射流，从而在转盘正方向形成环状的网面清洗轨迹，旋转圆盘结构如图2 所示，材质为铝合金。圆盘直径为400 mm，配置4 只高压喷嘴，喷嘴与圆盘呈倾角α。

图2 清洗转盘受力分析Fig. 2 Force analysis on cleaning rotating discs

清洗转盘转速及理论计算公式[20]：

式中：w为喷嘴旋转角速度 (r·s−1)；t为时间(s)；qt为4 个喷嘴出口总流量 (m3·s−1)；R为旋转半径，即水射流出口到旋转轴的距离 (m)；α为偏转角，即水射流轴心线与旋转轴的夹角 (°)；J为旋转部分的转动惯量 (kg·m2)；M为阻力扭矩 (N·m)；As为清洗转盘的径向投影面积 (m2)；h为喷嘴所在位置的水深 (m)，Ph为旋转圆盘处的射流出口压力；考虑到O 形圈、轴承等摩擦产生，αf= 1.05；Rα为旋转圆盘半径，即圆盘周线到旋转轴的距离(m)。

当t→∞时，旋转角速度w趋于稳定值Ω，即：

式中：n为转盘喷嘴的数量；d为喷嘴孔径 (m)。

1.3 空化特性分析

空化普遍发生在流体机械设备中，高压水流经过喷嘴沿程管道突变截面时会在近壁面区域形成低压区，使流体发生断裂产生空化核，空化核在流体中持续经历生长、汇集和溃灭演变过程，空泡的持续溃灭产生的高速、高压和高温作用引起噪声和固态材料的破坏，从而可用于实现网面附着生物的清洗。流体的空化数可以用σ表示[21-22]：

式中：U∞和P∞分别表示均匀流体上游来流的速度与压力；Pv(T∞)为当地流体的饱和气体压力；ρL为流体密度。流体发生断裂产生空化核将会首先发生在特定空化数σ下，用σi表示；当σ足够大，空化将不会发生，当σ减小且低于σi时将引起流体空化数量及程度上的增强。流体空泡破裂是一个剧烈的过程，伴随大幅度的激波和微射流产生，破裂过程发生在障碍物表面时会形成较高的局部瞬变表面压力，大量的空泡在障碍物表面破裂产生的压力重复作用在障碍物表面将导致局部壁面疲劳失效和表面材料的分离脱落[23]。

1.4 射流冲击动力响应分析

试求淹没环境下喷嘴对障碍物的打击力，以喷嘴射流外轮廓线所围体积为控制体进行计算，作用在控制体内流体上的力有重力，障碍物对流体的作用力F和环境摩擦阻力Fa(图3)。

图3 水下射流对障碍物的作用Fig. 3 Interaction between underwater jets and obstacles

根据动量方程：

式中：v0为喷嘴射流出口位置速度；射流对障碍物的打击力F'=−F。可以看出水射流对障碍物的冲击力受水黏性阻力影响较大，与Zhong 等[24]在水淹没环境下用10 MPa 的空化射流对1060 铝板冲击的试验结果相吻合。

2 材料与方法

2.1 深水网箱污损生物附着

本研究制作了网衣挂板对珠海桂山岛海域深水网箱养殖基地海域进行污损生物取样，获取初步试验数据，为网衣清洗装备清洗试验提供了准备材料。挂板污损生物附着取样地点位于珠海市万山区桂山镇枕箱岛西侧，水深12～16 m。监测表层水温为14.72～33.51 ℃，表层溶解氧为5.306～13.842 mg·L−1，盐度为14.6‰～30.9‰。使用电弧焊机焊接4 只长1.2 m、宽1 m 的金属框架，裁剪4 张规格为长1.4 m、宽1.2 m 的网箱PE 网片。网片为绞拈无结网，网目尺寸为25 mm，用细绳绑于金属框架制成挂板，网线规格为0.23/3×3，缩结系数为0.6/0.8，所用网箱网片由珠海桂山岛养殖企业提供。用两条网绳系绑挂板长边角，另一头网绳系绑网箱护栏，挂板整体呈漏斗状，相邻挂板间隔超过1 m，以保证在水流作用下尽量减小对挂板的晃动，避免造成相邻挂板缠绕。网衣挂板海上悬挂情况见图4。

图4 网衣挂板 (左) 和挂板悬挂效果 (右)Fig. 4 Net hanging board (Left) and effect of hanging board (Right)

经网箱养殖海域悬挂4 个月后提起挂板进行图像采样和生物鉴别，网衣挂板污损生物附着情况如图5 所示。网衣挂板附着污损生物群落有中胚花筒螅 (Ectopleuracrocea)、翡翠贻贝 (Pernaviridis)、网纹藤壶 (Amphibalanusreticulatus)、华贵栉孔扇贝(Chlamysnobilis) 等。污损生物优势物种为翡翠贻贝，且主要附着在金属框架周围，网纹藤壶多分布于网片网线交叉及挂板框架位置，以该处沿网面方向生长繁殖，附着力较大，清除难度大[25]。挂板网线上有大量泥土附着。

图5 网片挂板污损生物附着Fig. 5 Net hanging board and biological fouling

2.2 网箱清洗装备性能试验

网衣挂板清洗试验地点位于中国水产科学研究院南海水产研究所花都实验基地试验车间。试验水槽长1.2 m、宽1.2 m、高1 m，初始水槽水深为1 m，槽内水无流动。网衣挂板实验方案参考Bi 等[26]，准备9 只长0.3 m、宽0.3 m 的316 不锈钢金属框架，框架直径为3 mm，将污损生物附着后的网衣裁剪成9 只长350 mm、宽350 mm 的网片。网片与框架用扎带系绑制成原始挂板，挂板编号为1—9 号，原始网衣挂板需保持绷紧状态。

安装双体网衣清洗装备各部件，将装有过滤装置的高压泵站进水管路一端放入水槽中，出水管路快插公母接头与清洗机构三通接头相连，安装过程确保装备的高压密封性，以防止漏水造成网衣清洗装备的水力损失。利用横杆将网衣挂板悬挂于水槽中心，挂板上沿端距离水面为0.3 m，下沿端悬挂配重10 kg，保证网衣挂板在水淹没状态下受水流影响不出现大幅晃动。水槽上端放置另一横杆，通过清洗装备吊环及绳索将清洗装备与横杆连接。启动高压泵，等待机器运转稳定后，将压力杆调至最大处，转动稳压调压阀，提高装备系统的压力，当压力表读数达到18 MPa 时，观察清洗装备的喷嘴射流情况。当喷嘴射流呈圆环状旋转正常，将装备置于水下对网衣挂板进行清洗。通过调节绳索伸缩量控制网衣清洗装备的入水深度，通过控制器调节螺旋桨推力控制靶距。试验中装备分流转盘正对网衣挂板表面进行清洗，控制清洗时间为15 min[27]。

最大量程为1 kg，精度为0.01 g 的电子天平称量器称量挂板湿质量，并及时记录试验数据。网衣挂板清洗试验过程如图6 所示。

图6 网衣挂板清洗试验Fig. 6 Cleaning test of net hanging board

2.3 试验参数设置

为进一步研究工程应用中网衣清洗装备空化射流的清洗性能，优化网衣清洗装备设计参数和工作系统配置，根据网衣清洗装备的清洗工况设计3×3 正交试验方案，依据正交设计原则，选择正交表L9(33)[28]。当输入压力确定的情况下，分流转盘喷嘴直径选定后，流量对应确定，设定自变量为喷嘴孔径d、喷嘴与转盘夹角α、靶距L(网衣清洗装备与网衣挂板表面的距离)。汽油机带动高压泵站运行为网衣清洗装备提供持续高压水流，高压泵站额定功率为18 kW，输入压力为18 MPa，额定工作流量为50 L·min−1，配备量程为0～60 MPa 压力表、调压稳压阀及流量计。基于工艺加工可行性及设定试验范围内常用值考虑，设定水平参考值，3 因素3 水平试验如表2 所示。

表2 三因素三水平Table 2 Three factors and three levels

根据三因素三水平正交表得到表3 所示的9 种试验方案，9 个试验号中各因素各水平搭配均衡，每个因素每个水平分别做3 次试验，每两个因素的每一种水平搭配均做1 次试验，从而通过9 个试验结果可以分析清楚每个因素对试验指标的影响，全面了解不同工况参数下网衣清洗装备的清洁效率。每组试验方案进行多次重复，剔除结果变化梯度较大的实验组，求剩余实验组污损生物去除率平均值，确保试验结果的可靠性。

表3 正交试验方案Table 3 Orthogonal test schedule

3 网衣清洗装备的性能试验与讨论

3.1 试验结果分析

分析正交试验重点关注网衣清洗装备的清洁性能，选用网衣挂板污损生物去除率作为评价指标，挂板污损生物去除率计算公式如下：

式中：M1为污损生物附着严重的挂板湿质量 (称量时沥干水分，g)；M2为使用清洗装备清洗后的挂板湿质量 (g)，则M1−M2为清洗装备清除污损生物的质量；M3为以人工敲除方式对污损生物彻底去除后的挂板湿质量 (g)[29-30]，则M1−M3为挂板污损生物实际的总质量。挂板清洗正交试验结果如表4 所示，结果表明5 号试验网衣挂板相对于其他8 个试验网衣挂板的污损生物去除率最大。

表4 正交试验结果Table 4 Orthogonal test results

Ki(i=1～3) 为该列因素第i水平累计质量损失；ki=Ki/3。K1、K2、K3分别代表因素在1、2、3 水平下对应去除率值的总和。k1、k2、k3分别表示因素在相应水平下对应的去除率值总和的平均值。极差R为因素对应最大k值与最小k值之差。

极差与各因素对试验指标的影响程度呈正相关。极差越大，表示该因素的数值在试验范围内的变化会导致试验指标的数值影响越大；反之，极差越小，表示该列因素的数值在试验范围内的变化对试验指标的数值影响越小。分析极差结果RL＞Rα＞Rd，表明在给定试验条件下，网衣清洗装备系统参数对网衣挂板污损生物去除率的影响程度顺序为：靶距对清洗装备的污损生物清洁率影响最为显著，喷嘴与转盘夹角次之，喷嘴孔径影响程度最小。

各因素优选参数由试验指标网衣污损生物去除率决定，网衣污损生物去除率越高，说明网衣清洗装备清洗效果越好。在每个因素中选取K值最大对应的水平。如表3 中，以喷嘴孔径为例，K2最大，说明水平2 在试验条件范围内最优；对于喷嘴与转盘夹角因素，水平3 效果最优；对于靶距因素，水平1 效果最优。因素水平组合d=1.0 mm，α=60°，L=0 cm 为优选方案。优选方案组合d2α3L1对应为5 号试验参数工况，网衣挂板污损生物去除率达到最大值 (72.55%)，说明通过使用正交方法统计分析得出的优选方案与试验工况结果相吻合，因此确定因素水平组合d=1.0 mm，α=60°，L=0 cm为网衣清洗装备系统参数优选方案。

3.2 各因素水平对挂板污损生物去除率作用影响分析

图7 为正交试验最优结果组合条件下的单因素试验分析。当α=60°，L=0 cm 时，一定范围内挂板污损生物去除率随着喷嘴孔径增大呈先增后减的趋势，说明在喷嘴孔径选取的试验水平范围内有最大值，试验条件下喷嘴孔径d=1.0 mm 时，网衣挂板污损生物去除率最大，表明在试验范围内网衣清洗装备清洗效果最佳。当d=1.0 mm，L=0 cm 时，随着喷嘴与转盘夹角的增大，挂板污损生物去除率先减后增，喷嘴与转盘夹角α=60° 时，网衣挂板污损生物去除率最大，与Yang 等[31]关于60° 喷嘴的空化数值模拟和Al1060 冲蚀试验为最优相吻合。当d=1.0 mm，α=60° 时，挂板污损生物去除率随着靶距的增大而减小，靶距L=0 cm 时，挂板污损生物去除率最大，说明网衣清洗装备在紧贴网衣工况下的清洗效果最佳。当靶距不断增大，挂板污损生物去除率显著下降，可以预测在试验范围内，靶距对污损生物去除率的影响最大。

图7 试验因素与评价指标关系Fig. 7 Relationship between experimental factors and evaluation indicator

3.3 清洗装备清洗效果分析

由单因素实验结果可知，实验范围内0.8～1.2 mm喷嘴孔径是具有最大挂板污损生物去除率的孔径参数，这是因为清洗装备的污损生物清除率不仅受射流空化程度影响，还受射流流量的共同作用。同时在最优参数组合下的单因素实验分析中，60° 喷嘴与转盘夹角下清洗装备有最大污损生物去除率。系统参数恒定情况下喷嘴与转盘夹角决定了转盘的清洗转速，转盘转速过快，网衣污损生物的空化射流作用时间不足易导致清洗不彻底，转盘转速过慢，清洗装备作业的持续定向运动易导致网衣部分区域污损生物未受到射流的冲击作用。靶距的单因素实验表明在0～4 mm 范围内，靶距对清洗装备污损生物去除率的影响极大，可能呈单向非线性关系，而非存在中间极值，这为清洗装备的现场作业配置提供了重要参考依据。

挂板附着污损生物种群为中胚花筒螅、翡翠贻贝、网纹藤壶、华贵栉孔扇贝等，清洗试验后网片挂板表面泥土已被完全清除，污损生物在水下空化射流作用下脱落，网衣呈现出PE 网绳原色 (图8)。应用自制网衣清洗装备能实现水下污损生物附着严重的网衣自动清洗功能，贝类污损生物主要以壳体破碎的形式被清除，但同时很难彻底将具有强抓力的贝类生物底部软质足丝盘清除，试验后仍留有少量壳体及丝盘状物质挂附于网衣表面。清除不彻底的原因主要有以下3 点：1) 贝类及托盘触角类污损生物多以群落聚集方式附着在网衣表面，有小范围内大量聚集的特点，需要更长的时间才能彻底清洗去除；2) 清洗试验所选用的网衣挂板为污损生物附着极端情况，远高于深水网箱实际养殖生产的网衣污损生物附着情况；3) 挂板同位置的污损生物清洗还受清洗转盘转速和清洗装备运动速率影响，速度过快，会使挂板同一位置的射流作用时间过短，易导致污损生物清除不彻底。