淡水網箱養殖自動投餌機設計

李康寧 李南南 劉利 史穎剛

摘 要：針對現有網箱養殖中投餌機位置固定，飼料投放不定量的現狀，考慮網箱養殖環境的影響因素，利用傳感器、軌道傳動和PLC技術（方法），設計了一種可定量投飼的移動式網箱養殖自動投餌機。文章介紹了網箱養殖自動投餌系統的布局，投餌機的工作原理、技術要求，以及軌道鋪設要求。然后，詳細介紹了投餌機設計基本參數的理論分析過程，行走系統和投飼裝置關鍵部件的結構設計計算過程（結果），行走系統可對多個網箱進行移動式投飼，定量下料機構可實現定量式投餌，提高了網箱養殖飼料投放過程的機械化水平和自動化水平，降低了勞動強度，增加養殖效益。以4 m×6 m×3 m規格的網箱為例，進行成本分析，當網箱個數在10個以上時，使用該自動投餌機比一般的單個自動投餌機更經濟。

關鍵詞：水產養殖；自動投飼；定量投飼；PLC；軌道

中圖分類號：S969.31+1

文獻標識碼：A

中國是水產品養殖大國和出口大國，網箱養魚占據了其中相當大的比例[1]，目前，我國的水產養殖投餌，主要以人工或小型自動投餌機拋灑為主[2]，而國內的投餌機多為定點式，由于位置固定，存在投飼不均勻，飼料浪費，計量不精確等問題[3-5]。國外進口投餌設備，自動化程度高，但價格高，不適合國內的養殖環境[6]。所以，設計適合國情的網箱養殖自動投餌機，實現移動式投飼和定量投飼，是非常必要的。

1 整體設計

網箱養殖自動投餌機，主要由投飼裝置、行走系統、網箱、上料裝置和控制系統等組成，如圖1和圖2所示。它的工作原理是：在網箱過道上架設封閉軌道，每個網箱對應的軌道，都設置有一個起始定位識別點和一個終止定位識別點，當自動投餌機沿著軌道行進至起始定位識別點時，控制系統發出指令，控制投餌機進行相應的投飼工作，當投餌機行進至終止定位識別點時，控制系統控制投餌機結束該網箱的投飼任務。之后，自動投餌機根據設定的程序，沿軌道行進至下一個需要投飼的網箱。系統通過調節定量下料機構電機的轉速來控制投飼量，從而實現對該網箱的定量投飼。

根據網箱水產養殖的技術規程和操作規范，參考SC/T 6023-2011投飼機標準，確定網箱水產養殖自動投飼系統的技術指標，如表1所示。

行走系統主要由軌道、投餌車和定位識別點組成。在網箱過道上架設封閉軌道[5-7]，如圖3所示，根據投餌機重量、行走系統運行穩定性及降低成本的要求，軌道由鍛鋼加工而成，截面設計為等腰梯形，在滿足力學性能的前提下采用中空式，如圖4所示。考慮到安裝及運輸的方便，將軌道分解為小截的直段和彎段使用，每小截距離取400～600 mm左右，可以根據網箱情況，進行拼接使用。

投餌車由車體、軌道輪、直流電機和減速器組成。24 V直流電機通過減速器驅動兩個前輪使投餌車沿軌道上部運動。考慮到運行時投餌車的穩定性及軌道的使用壽命，軌道與輪子配合時，車輪凹槽側邊與軌道側邊保持一定的距離，如圖4所示。軌道輪直徑80 mm，減速器減速比12∶1，設計行走機構的運行速度為20 m/min。根據有關資料[7]，在同等條件下保持本投餌機以20 m/min的速度行走時，最小牽引力F=400 N，即主動輪為自動投餌機提供的驅動力矩M=F·r=16N·m。每級齒輪傳動效率為0.96，則減速器傳動效率η總=η2=0.9216。選取電機轉速為n0，投餌車行走速度v，投餌車軌道輪半徑r，減速器傳動比i，輸出軸功率Pw，輸出軸工作效率ηw取0.95，電機輸出扭矩T，電機軸輸出功率Pd，則直流電機參數計算得：

由計算參數，驅動電機選擇額定轉速為1 000 r/min，功率為200 W的24 V直流電機。

減速器為二級直齒圓柱齒輪減速器，根據設計規范，第一級減速比4∶1，第二級減速比3∶1。輸出軸齒輪Z1=20，中間齒輪Z2=80，中間齒輪Z3=20，車輪軸齒輪Z4=60，則減速比

2.2 料倉

設計料倉如圖5（a）所示，料倉由立方體形狀的料箱和倒棱臺形狀的漏斗組成，總容積為133 L，可容納3號飼料50 kg（容積密度約為376 kg/m3）。料箱的寬度和長度均為500 mm，高度為410 mm。漏斗的寬度、長度和高度分別為100 mm、50 mm、320 mm，斜度為35°，如圖5（b）所示。

2.3 定量下料機構

定量下料機構連接在料倉下方，主要由旋轉葉輪、外殼和步進電機組成，如圖6（a）所示。當定量下料機構工作時，飼料由進料口進入下料腔內，由電機帶動的葉輪通過旋轉將飼料由進料口傳送到出料口，整個過程中葉輪轉過的角度需要由電機嚴格的控制。由于葉輪每兩個葉片之間的體積固定，因此，當需要不同重量的飼料時，只要控制電機旋轉角度，就可以控制投飼量。

旋轉葉輪由葉片、頂端彈性擋板組成。設計葉片個數為10個，葉片間夾角為36°。為保證葉輪在運行過程中的平穩性，避免葉輪與外殼直接接觸損害葉輪，使葉輪與外殼之間保持2～3 mm的距離，并在葉輪頂端安裝彈性擋板，如圖6（b）所示。

投餌機需要同時對兩個網箱投飼，投飼效率取300 kg/h。取葉輪體積V葉輪，葉輪外半徑r1，葉輪內半徑r2，葉輪寬度l，葉輪轉速n，料倉體積V料倉，下料時間t，計算步進電機選擇參數，有：

取步進電機的轉速12 r/min。考慮下料口較小，飼料質量較輕，所需的扭矩很小，因此對步進電機的扭矩不做要求。綜上所述，選用56BYG250D-0241型兩相混合式步進電機，適配驅動器SH-20504D。該電機最大轉矩2 N·m，當轉速為12 r/min時，轉矩為1.7 N·m。

2.4 拋料機構

拋料機構采用離心葉輪式，主要由拋料室、離心葉輪和拋料電機組成。進行拋料工作時，控制系統發出信號控制拋料電機帶動離心葉輪工作。飼料從出料口落入拋料室，并隨著離心葉輪的運動拋撒出去。通過控制拋料電機的轉速進而控制飼料拋灑軌跡和距離。綜上所述，基本可以確定投餌機投飼裝置主要的結構，如圖7（a）所示。

為優化投餌機運行路線，減少投餌機軌道鋪設，以及單側投料時，投餌機受力不均勻的問題，設計投餌機為兩側同時拋料，如圖7（b）所示。當需要投餌機單側投料時，可通過調整控制系統，關閉一側的拋料電機，可實現另一側單獨投料。

3 總結

針對戶外網箱養魚，設計了一種移動式定量自動投餌機，其核心部件是定量下料機構，通過控制步進電機的旋轉角度，進而控制旋轉葉輪的旋轉角位移，實現定量投飼。系統結合行走系統、定量下料機構和左右拋料機構，實現了移動式投飼，使用單個投餌機，可以完成對多個網箱的投飼工作。利用該投餌機，可對多個網箱進行移動式投飼和定量投飼，提高了投餌機的利用率，降低了飼料投放過程中的勞動強度。通過成本分析，目前，市場上一名水產養殖工人的工資平均為2 500元/月，每天可負責13個網箱的投飼和維護工作。以雇用一名工人負責13個4 m×6 m×3 m網箱的養殖規模為例，定點式投餌機成本約700元/臺，共需13臺；移動式定量自動投餌機和軌道成本約30 000元。考慮設備折舊，經分析得出，大約10個月即可收回投入的本金。以4 m×6 m×3 m的網箱為例，當網箱個數在10個以上時，使用該投餌機比一般的單個自動投餌機更經濟。

參考文獻：

[1] 張繼業，胡福良，鄭琴，等.一種水陸兩用自動投餌機設計與試驗研究[J].中國水產，2017（9）：78-81.

[2]胡慶松，程文平，李俊.移動式蝦塘投餌裝置偏心抖料及拋餌系統優化與試驗[J].上海海洋大學學報， 2016， 25（5）：794-800.

[3] 徐志強，王濤，鮑旭騰，等.池塘養殖自動投飼系統遠程精準化升級與驗證[J].中國工程機械學報，2015，13（3）：272-276.

[4] 陳曉龍，田昌鳳，楊家朋，等.高密度養殖池塘自動氣力投飼機的設計試驗[J].漁業現代化，2016，43（5）：18-22.

[5] 袁凱，莊保陸，倪琦，等.室內工廠化水產養殖自動投飼系統設計與試驗[J].農業工程學報，2013，29（3）：169-176.

[6] 景新，樊樹凱，史穎剛，等.室內工廠化水產養殖自動投飼系統設計[J].安徽農業科學，2016（11）：260-263.

[7] 孫月平，趙德安，洪劍青，等.河蟹養殖全覆蓋自動均勻投飼的軌跡規劃與試驗[J].農業工程學報，2016，32（18）：190-200.