基于水力推進的漁藥自動噴施裝置設計

劉 海， 龐雄斌， 張俊峰， 郭 翔， 高星星， 張?zhí)凭?/p>

(武漢市農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所，湖北 武漢 430345)

基于水力推進的漁藥自動噴施裝置設計

劉 海， 龐雄斌， 張俊峰， 郭 翔， 高星星， 張?zhí)凭?/p>

(武漢市農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所，湖北 武漢 430345)

針對人工潑灑漁藥工作勞動強度大、施藥效率低、對人身危害大等問題，設計了一種新型的基于水力推進的漁藥自動噴施裝置。該裝置以玻璃鋼船為載體，由直流自吸水泵驅動，采用鋰電池供電，利用噴水推進原理行進。整機由船體、推進裝置、轉向系統(tǒng)、施藥系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)以及配套的管路系統(tǒng)組成。樣機測試結果表明，該裝置作業(yè)平均前行速度為1.0 m/s，總體混藥稀釋比例整數(shù)范圍達1∶1000～1∶5000，實際施藥效率達460 m2/min，較傳統(tǒng)人工潑灑效率提升160%。通過遙控漁藥噴施作業(yè)，可以保證操作人員的安全，也可避免噴施藥液配置過多造成浪費和污染環(huán)境。研究表明，該裝置提供了一種移動式在線混藥水下施藥方法，對精準化水產養(yǎng)殖具有促進作用。

漁藥；水力推進；噴施裝置；無線遙控；混藥；水產養(yǎng)殖

魚病防治中，漁藥最常使用的方法是人工全池潑灑法，又稱遍灑法[1-3]，其特點是見效快、療效高、適用小型水體。一般選擇繞池一周潑灑，這種施藥方法導致池塘周圍濃度高、中間區(qū)域濃度低而達不到防治魚病的效果。這樣的用藥方式容易對水產動物造成應激，也容易對環(huán)境造成不利影響[4]。因此，施藥機械研究受到重視。如：邱白晶等[5]將混藥裝置應用于在線混藥試驗臺；董曉婭等[6]設計了一種便攜式在線混藥濃度監(jiān)測裝置；Hlobeň等[7]和Vondricka等[8]將混藥裝置應用于在線混藥噴霧系統(tǒng)；曾凡琮等[9]研究混藥裝置內流體的能量增量；何培杰等[10]對噴霧混藥裝置性能進行了實驗研究，但沒有計算總體混藥稀釋比例。

基于水泵推進的水產自動噴施裝置的設計將遠距離遙控技術引入水產養(yǎng)殖領域，將實現(xiàn)水產養(yǎng)殖施藥自動化[11]。本文設計的自動噴施裝置主要針對水域面積小于1.5 hm2的池塘，為水產養(yǎng)殖提供一種可遙控的水中運載施藥機具，以此代替人工進行池塘全覆蓋均勻施放漁藥。

1 噴施裝置模型及工作原理

1.1 模型設計

自動噴施裝置主要由船體、動力裝置、噴水推進轉向系統(tǒng)、施藥系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)以及配套的管路系統(tǒng)共6部分組成(圖1)。

圖1 水產自動噴施裝置的設計結構圖

1.2 工作原理

(1)噴水推進。養(yǎng)殖場池塘水通過直流泵從船體底部被吸入，在直流水泵的作用下形成有壓水流，水流經管道分流系統(tǒng)被傳送到船體尾部出水口，形成縱向水流噴出，在反作用力下，推動船體向前運動。

(2)轉向。在船體向前推進的過程中，由于船體的操縱性與耐波性[12]，需要在船行進過程中對船體的前進和轉向進行小操控。噴施裝置設置了左右兩個常閉電磁閥，通過遙控，接通電磁閥，泵送水流經由分流系統(tǒng)通過電磁閥后再分流到船體頭部出水口和尾部出水口，形成相對水流來操控船體向右或向左轉向。

(3)施藥。施藥采用可調施藥泵對漁藥原液進行微小流量精準施藥，可調施藥泵可保證在施藥過程中的藥量恒定。施藥泵開啟后，原液從藥箱被擠入直流水泵進水口，通過攪動與池塘水混合，藥液被稀釋后從噴施裝置推進出水口噴出，進入池塘里再一次進行稀釋并擴散。

2 關鍵部件選型及匹配設計

2.1 水力推進裝置

自動噴施裝置的水流動力由直流水泵提供，電源為鋰電池。設計之初，對影響整機重量比較大的零部件數(shù)量作了嚴格限制，不僅比選部件性能，而且注意重量控制，包括水泵、電池、電磁閥、施藥系統(tǒng)、管道管徑選擇等方面，以保證整機的輕便性。為避免噪聲對養(yǎng)殖對象的影響，噪聲要盡可能小；同時為實現(xiàn)遠距離遙控，動力裝置采用直流水泵。對水泵功率也做了合理化考慮。

本設計主要針對中小型池塘施藥，池塘水面面積一般不超過1.5 hm2，噴施裝置工作時間一般約為0.5 h。經綜合衡量，選用XF-350型直流多功能自吸泵，其技術參數(shù)：額定電源12 V、重量3.59 kg、最大功率360 W、最大流量150 L/min、最大揚程10 m、最大吸程2.5 m。其配套電源選用 12 V 40 Ah動力型鋰電池，重量3.27 kg。

2.2 轉向系統(tǒng)和電磁閥的設計與選型

噴水推進轉向系統(tǒng)的設計是保證自動噴施裝置正常作業(yè)的關鍵。由于船在水中行駛不是絕對意義上的直線行進，所以當船偏離航向時，需要通過轉向操控的微調來保證船體沿既定方向行進。漁藥原液和池塘水的混合水流，通過分流系統(tǒng)從推進出水口噴出形成推進動力；當遙控控制打開左(右)側電磁閥時，泵壓水流分別從右(左)側的頭部出水口和左(右)側的尾部出水口側向噴出，形成轉向動力，給船體施加一個逆(順)時針方向的轉矩，使得船體在行進時可向左(右)轉向。在岸上觀察航向，如果偏離預定路徑，可以通過短時點動相應電磁閥進行糾偏。需要轉向時可以適當延長點動時間進行轉向控制。

轉向操控系統(tǒng)主要由電磁閥、分流系統(tǒng)、頭部出水口、頭部出水口及各管路接頭組成。系統(tǒng)選型主要是電磁閥選型和管道以及噴管口徑的選擇。電磁閥選型主要是從重量、通水管徑、壓力、適用溫度范圍等方面考慮。通過對通水管徑、轉向系統(tǒng)重量、船體推進速度、工作效率等方面的綜合考慮，決定選用12V電磁閥(2W-200-20)。該電磁閥水管公稱直徑20 mm，工作溫度范圍(-5～80)℃，工作壓力(0～10)kg/cm2。

2.3 施藥系統(tǒng)的設計與選型

漁藥施放是噴施裝置的主要功能，樣機的漁藥施放功能由施藥系統(tǒng)完成。施藥系統(tǒng)屬于在線混合裝置?？紤]到噴施裝置受動力的選配、總重量、船速、工作效率等限制，決定采用配置2 000 mL額定容量的小藥箱直接裝載漁藥原液，或經過稀釋的黏性藥液。藥箱中的藥液由微型可調施藥泵泵入水泵前端進水口，經過水泵均勻混合成一定稀釋比例的藥液，經過管路從后推進出水口噴入池塘。同時，在控制噴施裝置轉向的過程中，漁藥還可以從頭部出水口和尾部出水口噴入池塘(圖2)。

圖2 水產自動噴施裝置的藥液路徑示意圖

可調施藥泵是漁藥原液的重要控制部件，可實現(xiàn)精準施藥。其在限定比例混合，不易造成施藥濃度變化過大，達到安全用藥的效果。選用KCP3-S10型可調施藥泵，其參數(shù)為：工作電壓12 V、重量270 g、功率 5W、額定流量范圍(19～65)mL/min。漁藥原液通過水泵進行第一次稀釋，然后經過管路從推進出水口噴入池塘中進行第二次稀釋并擴散，最后操縱噴施裝置按一定路線行進來實現(xiàn)全池塘相對均勻的施藥。

2.5 遙控控制電路的設計與選型

遙控控制采用3 km遙控套裝(12V，8路控制)，其中1～4鍵設置成點動，5～8鍵設置成自鎖。其中，2路點動鍵控制左電磁閥和右電磁閥操縱樣機轉向，以2路自鎖鍵控制直流水泵和可調施藥泵的啟閉，剩余2路點動鍵和2路自鎖鍵預留其他接口及方便維修更換。在進行遙控水泵開關時，測得水泵工作電流為25 A，選擇MZJ-50(12V)直流接觸器。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 測試條件與方法

實驗從2016年4月11日開始至30日結束，在武漢市黃陂區(qū)某養(yǎng)殖試驗基地進行。該養(yǎng)殖水域長130 m、寬100 m，實際養(yǎng)殖水域面積約1.15 hm2，水深約2.4 m，主要養(yǎng)殖草魚。主要測試內容為遙控距離、混藥稀釋比例范圍、施藥效率以及整個自動噴施裝置的運行效果。

常用劑型為粉劑和乳油劑，約占漁藥劑型總量的80%以上[13]。選擇標準為已被正式列入漁藥品種[14]，且粘度不同的漁藥。分別選取鈣霸、金碘、溴氧海因粉這三種漁藥進行噴施試驗。試驗樣機的主要技術參數(shù)如表1所示，樣機如圖3所示。

表1 自動噴施裝置的主要技術參數(shù)

圖3 水產自動噴施裝置樣機

3.2 試驗結果

(1)遙控距離試驗。分別選擇了2 km和3 km遙控套裝進行測量。天氣條件：天氣晴朗，氣溫28.9 ℃，水溫24.4 ℃，風力(1～2)級。每1 min控制設備1次，連續(xù)測試1 h。試驗結果顯示，3 km 遙控套裝的最大有效遙控直線距離為200 m，信號穩(wěn)定、可靠，符合小型養(yǎng)殖池塘。

(2)混藥稀釋比例范圍試驗。對推進出水口流量和可調施藥泵流量進行多次單項測試，重復測量10次。采用控制總容量方法，推進出水口管徑為15.6 mm，在兩側電磁閥關閉的情況下，根據(jù)試驗計算混藥稀釋比，試驗結果如圖4所示。得出出水口平均總流量為8×104mL/min，可調施藥泵最低平均流量為16.22 mL/min，可調施藥泵最高平均流量為82.16 mL/min。最終計算出總體混藥稀釋比例整數(shù)范圍是1∶1 000～1∶5 000。

圖4 流量試驗結果

(3)施藥效率試驗。以1 000 mL漁藥原液為標準，采用樣機和人工各進行10次施藥試驗，在面積為1.15 hm2的池塘進行施藥。試驗結果顯示，樣機施藥平均耗時取整為25 min，施藥效率為460 m2/min；人工施藥平均耗時取整為65 min，施藥效率約為177 m2/min。由此算出樣機施藥比人工施藥效率提升約為160%。根據(jù)韓開封等[15]船舶航速測試技術，測得自動噴施裝置平均前行速度為1.0 m/s。

通過試驗，自動噴施裝置能夠遠程控制施藥開關，隨時開閉自動施藥功能，并能利用在線混藥，實現(xiàn)精準施藥。

4 結論

基于水力推進的漁藥自動噴施裝置，遙控其運行，在直線距離200 m內信號穩(wěn)定、可靠，可滿足實際需求；通過在線自動混藥技術進行較大比例漁藥稀釋噴施作業(yè)，其總體混藥稀釋比例整數(shù)范圍達1∶1 000～1∶5 000，滿足漁藥安全濃度要求；實際施藥效率達460 m2/min，比人工施藥提升約160%。相比傳統(tǒng)漁藥施放，本裝置能夠在良好的環(huán)境中完成精確施藥，有助于推進精準化水產養(yǎng)殖方式。

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Design of automatic spraying machine for fishery drugs based on hydraulic propulsion

LIU Hai, PANG Xiongbin, ZHANG Junfeng, GUO Xiang, GAO Xingxing, ZHANG Tangjuan

(Institute of Agricultural Mechanization, Wuhan Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430345, China)

In view of high labor intensity, low efficiency and great harm to operators of manual spraying of fishery drugs, a new automatic spraying machine for fishery drugs based on hydraulic propulsion is designed in this paper. The machine takes FRP ship (fiberglass reinforced plastic ship) as carrier, and is driven by a DC self-priming water pump, powered by lithium battery and propelled by spraying. It consists of the hull, propulsion device, steering system, drug delivery system, radio remote control system and pipeline. The prototype test results show that the average speed of the machine is 1.0 m/s, dilution ratio range is 1∶1 000 to 1∶5 000, and practical efficiency is 460 m2/min, which is 160% higher than that of traditional manual spraying. Remote control of fishery drug spraying will guarantee the safety of operators and avoid waste and environmental pollution due to much drug spraying. The research shows that the application of this machine will provide a method of movable online mixing and underwater spraying. It has a positive impact on precision aquaculture.

fishery drugs;hydraulic propulsion;spraying machine;radio remote control;mixing;aquaculture

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.04.009

2017-05-11

武漢市農業(yè)科學技術研究院創(chuàng)新項目 (CX201713)；武漢市農科院財政示范項目(CZSF201405)

劉海(1980—)，男，博士研究生，研究方向：農業(yè)機械工程。E-mail：17055907@qq.com

S949

A

1007-9580(2017)04-057-05