黏性餌料輸送投喂裝備的開發(fā)與試驗

胡慶松， 張宏成， 李 俊， 陳雷雷

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

黏性餌料輸送投喂裝備的開發(fā)與試驗

胡慶松， 張宏成， 李 俊， 陳雷雷

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

網(wǎng)箱養(yǎng)殖、幼魚適口性馴化等需要采用黏性餌料，該類餌料人工投喂勞動量大，亟待研發(fā)相關(guān)裝備滿足實際生產(chǎn)需求。根據(jù)黏性餌料輸送距離和投喂量等指標(biāo)，設(shè)計了以柴油機為動力源的總體方案，選擇容積式G型單螺桿泵作為投喂系統(tǒng)的核心，對輸送泵、動力源、傳動系統(tǒng)、輸送管等關(guān)鍵部件進行選型及匹配設(shè)計，并校核泵的流量、動力滿足度、推力等控制性參數(shù)；基于選型情況，設(shè)計置料器、連接件等附屬零件，進行整體結(jié)構(gòu)成型和加工調(diào)試。該系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，裝備性能可滿足黏性餌料輸送，輸送距離達(dá)到100 m，覆蓋區(qū)域50 m×50 m，最大輸送速率達(dá)到12 840kg/h，滿足實際需求。該系統(tǒng)裝備造價0.75萬元，可以根據(jù)需要進行輸送管道的靈活布置，無需外部電源供應(yīng)，適合網(wǎng)箱養(yǎng)殖等野外環(huán)境下的群組配置。

黏性餌料；投喂系統(tǒng)；G型泵；輸送管道；網(wǎng)箱養(yǎng)殖

黏性餌料作為一種餌料形式，由于可以方便地采食和消化，在網(wǎng)箱養(yǎng)殖、幼魚適口性馴化等過程中起到非常重要的作用，可以避免顆粒料的諸多不足[1-2]。在網(wǎng)箱養(yǎng)殖中，采用人工餌料是必然趨勢，但存在著魚苗對人工餌料的接受能力弱，難以直接采用顆粒料進行投喂。解決方案之一是按魚日齡逐步由魚漿料到人工黏性混合餌料，再到全人工配合料按比例調(diào)適過渡，最終實現(xiàn)全人工顆粒料投喂[3-5]。目前，雖然人工顆粒料的投喂裝備已經(jīng)比較成熟，但國內(nèi)已開發(fā)的投飼機大部分以淡水池塘養(yǎng)殖為主[6]，適用于網(wǎng)箱養(yǎng)殖中黏性餌料投喂的較少[7]。現(xiàn)有投飼機的工作方式主要有氣動式、螺旋輸送式、離心拋物式、電子控制投餌船、魚動式等，也有采用音響集魚式的投飼機，還有電腦控制并隨溫度和陽光變化自動調(diào)整控制投餌數(shù)量的投伺機等[8-9]，這些投飼裝備所采用工作方式不能適應(yīng)黏性餌料的投喂需求，需要進行新設(shè)備的開發(fā)。

黏性餌料投放主要解決的是遠(yuǎn)距離分布式輸送問題。此外，隨著餌料組成變化及含水量不同，餌料黏度也在相應(yīng)變化，所研發(fā)的裝備還需要具有較寬的適應(yīng)能力。基于以上分析，本文所設(shè)計黏性投喂輸送系統(tǒng)主要從高壓力管道、輸送泵選取、動力源匹配等方面進行考量，充分考慮到連接件、支架等適應(yīng)海上鹽霧環(huán)境和密封性要求等，結(jié)合成本因素進行開發(fā)，以利于其推廣應(yīng)用[10]。

1 黏性餌料投送裝備關(guān)鍵部件選型與匹配設(shè)計

黏性餌料的長距離輸送需要通過高壓予以實現(xiàn)，考慮到其黏性特點，核心器件擬選用容積式G型單螺桿泵。根據(jù)網(wǎng)箱一般無電源供能的現(xiàn)實情況，選用柴油機作為驅(qū)動力來源。考慮到高壓輸送過程中壓力會隨距離的變化而改變[11]，以及易于分布式布置要求，選用無毒PE材料管道作為輸送通道。具體選型和匹配設(shè)計如下。

1.1 G系列單螺桿泵選型

G型泵旋轉(zhuǎn)軸軸封形式適合高黏度傳輸對象的特性，結(jié)構(gòu)緊湊、密封好、維修方便。G型泵是采用螺桿按迥轉(zhuǎn)嚙合容積式原理工作的泵種[12-13]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。G型泵轉(zhuǎn)子具有高質(zhì)量的表面特性，粗糙度低，具有較高的耐疲勞、耐腐蝕性、耐磨性和硬度特性。G型螺桿泵具有較好的吸入性能，機械振動小、無脈動、運行平穩(wěn)，用來輸送具有黏度、流體性能的餌料具有較好的效果[14-15]。本設(shè)計中，按照每小時約8 000 kg的投餌速率進行設(shè)計，選用G40-1型螺桿泵，其流量12 m3/h、壓強0.6 MPa、轉(zhuǎn)速960 r/min、功率4.0 kW、進口法蘭通徑80 mm、出口法蘭通徑65 mm、允許顆粒直徑3.8 mm、允許纖維長度45 mm。

圖1 G40-1螺桿泵結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)過測量，魚漿餌料密度ρ=1.07 g/cm3，由流量12 m3/h可計算出每小時餌料投放總質(zhì)量為12 840 kg，大于設(shè)計指標(biāo)8 000 kg，故G40-1泵流量參數(shù)滿足設(shè)計要求并有一定裕度。此外，G型泵流量與轉(zhuǎn)速存在一定的關(guān)系，G40-1泵轉(zhuǎn)速在125 ～960 r/min時，對應(yīng)流量變化范圍在0.3 ～12 m3/h，可通過柴油機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，從而控制黏性餌料的流量和投餌速率。

1.2 G40-1泵推力的計算與校核

泵推力與壓強的關(guān)系及物體面積與直徑的關(guān)系：

F=P·S

(1)

S=π·(d/2)2

(2)

式中：F—G40-1泵所提供的最大推力，N；P—最大流量時提供的壓強，Pa；S—排漿口面積，m2；d—出口法蘭通徑，m。

由式(2)可計算出G40-1泵排漿口面積S=3.317×10-3m2，再由式(1)計算得到泵產(chǎn)生的額定推力F=1 990 N。該黏性料投喂裝備采用聚乙烯(PE)管，為使該管與單螺桿泵出口法蘭通徑卡箍銜接的密封性，選擇內(nèi)徑為63 mm管道。管道內(nèi)壁的動摩擦因數(shù)u=0.241，由于管道存在彎曲，餌料存在黏度，故設(shè)定管道綜合系數(shù)r=2.32。阻力與綜合系數(shù)的關(guān)系為：

F1=u·r·G

(3)

式中：F1—使黏性餌料正常流動的力，N；G—管道內(nèi)餌料總重力，N。

取輸送餌料的距離h為100 m ，由PE管內(nèi)徑63 mm，可算出管中餌料總體積為0.311 6 m3，餌料密度ρ為1.07 g/cm3，據(jù)此可計算出管中餌料總重力為3 270.8 N；由式(3)進一步推算出餌料流動需要的推力1 828.8 N，小于G40-1螺桿泵的額定推力1 990 N，因此，G40-1泵提供的推力可以輸送黏性餌料的距離約為100 m。我國海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖絕大多數(shù)是聯(lián)排式小型網(wǎng)箱，單個網(wǎng)箱面積約25 m2，一般網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)域大小在50 m×50 m，所以，餌料投送裝備的性能參數(shù)能夠滿足網(wǎng)箱養(yǎng)殖基本需求。

1.3 柴油機選型及傳動系統(tǒng)設(shè)計

網(wǎng)箱一般獨立漂浮于水面，往往不具備動力電源。本次設(shè)計中采用柴油發(fā)動機作為動力源帶動G40-1螺桿泵。通過選型，擬采用R180型柴油機[16-17 ]，其為單杠、臥式、蒸汽水冷、四沖程，渦流燃燒室，標(biāo)定功率5.67 kW，額定轉(zhuǎn)速2 600 r/min，最大扭矩大于23.4 N·m，最大扭矩轉(zhuǎn)速小于2 080 r/min，外形尺寸為625 mm×341 mm×464 mm。柴油機在通過皮帶帶動G型泵輸送黏性餌料時，其功率和轉(zhuǎn)速變化較大，且相互間沒有特定的關(guān)系，加之柴油機負(fù)荷取決于輸送餌料的阻力，故在同一轉(zhuǎn)速下，柴油機負(fù)荷可以從零變到全負(fù)荷。R180柴油機扭矩、功率、油耗率與轉(zhuǎn)速關(guān)系見圖2。

圖2 R180柴油機綜合參數(shù)圖

柴油機轉(zhuǎn)速在1 530 r/min時，具有低油耗、傳輸扭矩大、功率較低的優(yōu)越性能。將柴油機工作轉(zhuǎn)速選定在1 530 r/min左右，小皮帶輪直徑150 mm。帶輪直徑與傳動比的關(guān)系：

(4)

式中：D1、D2—小皮帶輪、大皮帶輪直徑，mm；N1—柴油機實際轉(zhuǎn)速，r/min；N2—G型泵轉(zhuǎn)速，r/min；i—小皮帶輪與大皮帶輪傳動比。

G40-1泵轉(zhuǎn)速為960 r/min，傳動比i=3∶2，根據(jù)式(4)，加裝在螺桿泵上的大皮帶輪直徑為234 mm。

2 黏性餌料投送系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

網(wǎng)箱用黏性餌料投送裝備工作原理：餌料通過進料體進入螺桿泵，在柴油機皮帶傳動下，螺桿泵連接軸通過萬向節(jié)帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，將黏性餌料推送至出料體(配有法蘭式排漿口)，排料口與PE管通過卡箍連接，餌料經(jīng)過PE管被輸送至網(wǎng)箱。根據(jù)上節(jié)中螺桿泵及傳動系統(tǒng)的選型與設(shè)計，對該套黏性餌料投送裝備進行總體結(jié)構(gòu)三維建模(圖3)。

圖3 黏性料投喂裝備

除螺桿泵、柴油機外，主要包括置料器、飛輪、支架、支架罩等。支架與支架罩通過Φ12mm螺紋固定連接，置料器上開口通徑Φ400 mm、下開口法蘭通徑Φ75 mm，并與G型泵進漿口法蘭固定連接[18]，進行產(chǎn)品加工、裝配與調(diào)試后，其平面尺寸為980 mm×950 mm，占地面積小于1 m2。

3 現(xiàn)場試驗及數(shù)據(jù)分析

2016年10月20日開始，在寧波市象山港高泥海域聯(lián)排網(wǎng)箱進行現(xiàn)場試驗。高泥海區(qū)始于西滬港口門內(nèi)長礁燈柱，為經(jīng)外高泥、里高泥至辛下岙碶頭門園山一帶沿岸海區(qū)，有海水網(wǎng)箱13 000余只，在外高泥和里高泥兩地分別有配套專用碼頭，養(yǎng)殖區(qū)長度2.82 km、寬0.29 km，占用海域約1.1 km2，為象山縣重要海水網(wǎng)箱養(yǎng)殖基地，主要養(yǎng)殖對象是黃魚[19-20]。

試驗時，首先啟動柴油機，向置料器倒入海水，一方面濕潤即將工作的投餌設(shè)備內(nèi)壁，另一方面檢驗海水被推送至網(wǎng)箱時該設(shè)備的運行情況，然后將黏性餌料倒入置料器，餌料通過PE管被輸送至指定網(wǎng)箱進行投喂，并觀察大黃魚吃料情況。試驗結(jié)果表明(圖4)，該設(shè)備能夠順利地將黏性餌料輸送至約100 m處的指定網(wǎng)箱內(nèi)。試驗中，前20 m壓力較大，管壁擴張較為明顯，隨著距離的增加，PE管壁的壓力不斷減小，變形也相應(yīng)減小。

圖4 餌料投送現(xiàn)場實景

為測定加料及出料時黏性餌料的密度與黏度，投飼機每次試驗投放飼料前以及PE管出料后進行取樣，計算兩種情況下黏性餌料的密度與黏度。為減小誤差，每組試驗重復(fù)3次，取平均值。通過測試，加料時的密度為1.07g/cm3、黏度為0.8×107MPa·s，出料時的密度為1.06 g/cm3、黏度為1×107 MPa·s。加料和出料時，魚漿餌料的密度無顯著性差異，黏度有較大增加。

通過對PE管中不同段進行距離S標(biāo)記及魚漿餌料通過該段距離S所用時間t進行測定，由速度與時間的關(guān)系可計算出不同段管中餌料的流速(圖5)。

圖5 不同段PE管中餌料流速

黏性餌料的初始溫度T0=11.5 ℃，運用紅外測溫儀誤差在±1.5 ℃。測定不同段管中餌料的溫度變化(圖6)。

圖6 黏性餌料溫度與輸送距離關(guān)系

可以看出，魚漿餌料在50 m以內(nèi)，溫度變化幅度在0.2 ℃以內(nèi)；100 m以內(nèi)的溫度變化幅度在0.4 ℃。溫度變化幅度表明，該網(wǎng)箱用投餌裝備不會對餌料品質(zhì)有明顯影響，能夠滿足網(wǎng)箱養(yǎng)殖要求。

4 結(jié)論

根據(jù)黏性餌料輸送的特殊需求及投送方式，設(shè)計了一套傳送投喂裝備。通過關(guān)鍵部件的選型及匹配設(shè)計，選取G40-1泵為加壓元件，R180柴油機為動力源。根據(jù)海上鹽霧環(huán)境及傳送器件無毒性要求，進行了輸送管路、密封件和支架系統(tǒng)等的總體設(shè)計。現(xiàn)場試驗表明，該設(shè)備用來輸送較大黏度且流動性差的黏性餌料取得了很好的效果，其動力源功率、轉(zhuǎn)速及扭矩較大，并且柴油機在該工況下易啟動，連續(xù)無故障使用表明了其可靠性。該套系統(tǒng)輸送距離達(dá)100 m，理論輸送量可達(dá)到12 840 kg/h，推力達(dá)到1 990 N，可以滿足現(xiàn)場要求的100 m輸送距離及8 000 kg/h輸送量目標(biāo)。本套裝備能夠?qū)崿F(xiàn)海上網(wǎng)箱養(yǎng)殖中黏性餌料從人工向機械化投放的轉(zhuǎn)變，做到了省時省力；每套生產(chǎn)成本約0.75萬元，現(xiàn)場群組配置方便，具有較大的推廣價值。

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·文摘·

在RAS移動床生物濾器中溫度對銨和亞硝酸鹽去除的影響

溫度對細(xì)菌作用的影響已眾所周知；然而在水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中與溫度相關(guān)的硝化率數(shù)據(jù)碎片化不完整，需要從不同的研究中加以匯集。本文力圖通過使用來自穩(wěn)定運行在18°C的一個淡水RAS的移動床生物元素，確定在6～36 °C溫度范圍內(nèi)的銨和亞硝酸鹽去除動力學(xué)。通過將(在移動床生物濾器上)定殖的生物元素轉(zhuǎn)移到6升的間歇式批反應(yīng)器，評價了溫度對銨和亞硝酸鹽氧化率的影響。每個反應(yīng)器在6組溫度(6、12、18、24、30和36 °C)中的每一個溫度下馴化24 h，隨后在相同的條件下添加氯化銨或亞硝酸鈉。溫度6～30°C，表面平均TAN比去除(STR)增加至6倍，溫度在36°C時則有顯著下降。表面亞硝酸鹽比去除(SNR)從6°C時的0.04 gN/m2/d線性增加到30°C時的0.14 gN/m2/d，在36°C時降至0.12 gN/m2/d。在整個測試溫度范圍內(nèi)，STR一直明顯高于SNR。銨氧化的溫度系數(shù)(6～30 °C)為1.079；亞硝酸鹽氧化的溫度系數(shù)為1.054。本研究提供的數(shù)據(jù)可被應(yīng)用于為未來溫度在10°C以下和30°C以上的RAS提供參照尺度。

(《Aquacultural Engineering》Vol.75)

Development and testing of sticky feed transporting and feeding equipment

HU Qingsong,ZHANG Hongcheng,Li Jun,CHEN Leilei

(CollegeofEngineeringScience&Technology，ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306，China)

Sticky feed with high viscosity is needed in net cage culture,acclimation of juvenile fish etc..Artificial feeding process of this kind of feed requires high labor intensity,thus suitable feeding equipment is urgently needed to meet the practical production requirement.Based on the transporting distance and feeding quantity indexes,an overall scheme using diesel as the power source has been designed.The volumetric G-type single screw pump was taken as the core of the system,key parts including pump,power source,transmission system and pipe were selected and designed for matching,and the control indexes of the pump in terms of flow rate,power and propulsion were verified.Based on the selected portion,accessory parts such as feed providing funnel and connecting part were designed,and the overall structure was manufactured and tested.The field test results show the equipment can transport the sticky feed within a distance of 100 m,covering a 50 m×50 m area and with a maximum transporting rate of 12 840 kg/h,which can meet the practical requirement.The cost of the system is 7 500 RMB Yuan and it can be flexibly laid out according to the actual needs without outer electricity supply,suitable for group distribution of aquaculture practices under wild environment such as net cage culture.

Sticky feed;feeding system;G-type pump;running pipe;net cage culture

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.01.011

2016-12-11

2017-01-

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303047)

胡慶松(1979—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，研究方向：漁業(yè)工程裝備。E-mail:qshu@shou.edu.cn

S969.31+9

A

1007-9580(2017)01-058-05