螺旋提魚裝置設計

程斌斌，張成林，吳 凡，吳陳波，黃 達

CHENG Bin-bin1,2 , ZHANG Cheng-lin2, WU Fan2, WU Chen-bo1,2, HUANG Da1,2

（1.上海海洋大學 工程學院，上海 201306；2.中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所農業部漁業裝備與工程技術重點實驗室，上海 200092）

0 引言

步入21世紀以來，隨著人口增長與生活水平的提高，糧食不足、環境惡化與資源短缺成為了全球性的問題[1]。地球所有生物物種的三分之二生存在水域中，其中的可食用種類是解決糧食危機的重要潛在資源。為了滿足人口增長對食物的需求，世界各國逐漸開始重視漁業資源的開發。隨著科學技術水平的發展和漁業生產專業化與社會化的發展，中國已經成為世界漁業強國之一，漁業已經成為中國國民經濟的重要組成部分。中國水產品總產量近十年來持續增長，2017年中國全國水產品總產量6900萬噸，其中養殖產量5156萬噸，占總產量的74.7%，同比增長4.4%[2]。

魚類的起捕是漁業生產中的重要環節。無論是水產養殖生產中魚類的換池、分級、放養和起捕，還是漁業捕撈生產中的起捕、轉運，均對魚體無損率有較高要求[3～5]。魚種的起魚技術是魚類養殖及運轉過程不可或缺的重要環節。當前，中國國內主要仍采用人工起魚的方式,人為操作存在勞動強度大，魚體損傷大等弊端。

劉平等[6,7]，運用ANSYS CFX對離心式吸魚泵模型的內部流場進行數值模擬與仿真，并針對吸魚泵的葉輪進行了優化設計，實現了新型吸魚泵的研發。王偉[8]等人通過利用流體軟件FLUENT對離心式吸魚泵進行研究，發現離心式吸魚泵具有較強的傳輸能力，但是在進魚管和葉輪彎道處的壓力過于集中，魚體損傷率較大；蘇玉香[9]等人設計的雙機雙筒吸魚泵魚是在真空式吸魚泵基礎上設計出來的，魚體損率較低，提魚效率也較高，但是存在設備龐大，功耗高，操作不便等問題。黃道沛等[10]對射流式吸魚泵進行了理論分析，結合真空式吸魚泵的優點提出了改進方案，提高了射流式吸魚泵流速，減小了輸送壓力，優化了射流式吸魚泵的性能，但是由于吸魚泵體積龐大，能耗過高，操作不便，魚損率較高等問題，無法在起捕作業中推廣應用[11,12]。江濤[13]等人針對池塘養魚設計了機械拖網捕魚系統，拖網得魚率達到64.5%，大大降低了勞動強度，然而該捕魚系統設備多，價格貴，占地面積大，直接限制了應用與推廣。田昌鳳[14]發明的一種單軌起魚輸送機，結構簡單，成本低，效率高，但是設備龐大，安裝復雜，操作不便。張文源和馬俊國[15]在1987年基于阿基米德螺旋泵結構，研制了虹鱒魚提魚機，結構簡單，使用方便，但是研究參數單一，樣機的提魚效率過低，無法滿足當代需求。

文章在總結前期研究的基礎上，研制出一種成本低廉，效率較高，魚損率較低的提魚裝置，以代替人工起魚的方式，減輕勞動強度，實現漁獲提升的機械化與自動化。

1 總體結構與主要技術參數

1.1 樣機結構與主要技術參數

螺旋提魚裝置主要由電機、減速機、動力裝置、底盤、主體支架和螺旋葉片構成，如圖1所示。電機和減速機通過螺栓固定在機架的放置架上。螺旋提魚裝置的主體支架與行走裝置通過轉動連接器連接，以保證可以自由調節轉筒角度。主體轉筒前端安裝有擴大套筒，以達到更好的聚魚效果，提高提魚效率。

圖1 螺旋提魚裝置結構示意圖

圖2 螺旋提魚裝置運行圖

螺旋提魚裝置工作時，行走機構到達養魚池一端適當位置，一名捕撈工人先調節角度，將主體轉筒調整至一定角度，使螺旋葉片前端浸沒水中。然后兩個人用拉網將魚趕到安放螺旋提魚裝置的一端。接著打開電機電源，通過減速機調整轉速。當電動機通過鏈條帶動泵軸轉動時，螺旋葉片一方面繞泵軸旋轉，另一方面它又沿外部套筒的內表面旋轉，于是形成泵的密封腔室。螺旋葉片每轉一周，密封腔內的魚和水向前推進一個螺距，隨著螺桿的連續轉動，魚和水以螺旋形方式從一個密封腔推入另一個密封腔，最后在出口處落入盛魚容器中[16]。該裝置可以連續作業，且方便移動。整個起魚作業過程僅需兩人即可完成，相對傳統的起魚方式需要8人的情況[17]，大大節省了人力、降低了勞動強度、提高了效率。

1.2 主要技術參數

根據魚類起捕的實際需求以及地形條件等因素，確定了螺旋提魚裝置的主要技術參數如表1所示。

表1 螺旋提魚裝置主要技術參數

2 關鍵部位設計

2.1 動力裝置

機械傳動方式主要分為兩類：一是靠機件間的摩擦力傳遞動力的摩擦傳動，主要類型有帶傳動、摩擦輪傳動以及繩傳動等。摩擦傳動的優點是結構簡單、制造容易、運轉平穩、過載可以打滑（可防止設備中重要零部件的損壞），以及能無級改變傳動比，但由于運轉中有滑動、傳動效率低、結構尺寸較大、作用在軸和軸承上的載荷大等缺點，故只宜用于傳遞動力較小的場合；二是靠主動件與從動件嚙合或借助中間件嚙合傳遞動力或運動的嚙合傳動，主要類型有鏈傳動、齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動等，相對于摩擦傳動，嚙合傳動的傳動比更加準確，要求較高的制作精度和安裝精度。

根據螺旋提魚裝置的設計要求，電機軸與螺旋葉片中心軸距離較遠，并且在設備實際應用時環境較為惡劣，故驅動機構采用鏈傳動方式，利用其可用在高溫、重載、低速、塵埃較大的環境并且適合較遠兩軸間的傳動，能夠保證準確的傳動比，傳遞功率較大，并且作用在軸上的力較小，傳動效率高的優點。

驅動裝置包括電機、減速機、鏈條、齒輪等。齒輪分別安裝在減速機軸與螺旋葉片軸上，通過鏈條由減速機向螺旋葉片傳遞動力。

圖3 驅動裝置示意圖

電機功率：

式中：γ為魚水混合物單位體積重量1472kg·m-3；Q為提升流量，經公式計算后為5.17L·s-1；H為提升高度，為0.85m；η為螺旋泵效率，為 0.81；η為減速機效率，為 0.9。（1+μ）為安全系數，μ=0.2。故計算得電機的額定功率為1.48w，根據市場銷售的電機規格，選擇1.5kw的四級交流電機。

2.2 底盤

底盤裝置主要功能是在載重260kg的情況下，將螺旋提魚裝置移動至提魚作業附近位置。它與主體轉筒通過轉動連接件連接，在支撐起主體轉筒的同時還可以使其改變傾角。行走裝置主要包括軸承、底盤支架、上支架等。如圖4所示，底盤安裝有螺旋提升裝置，可根據實際需求調節主體轉筒的傾斜角度，調節范圍為0～50°，滿足試驗要求。

圖4 底盤示意圖

2.3 螺旋葉片

螺旋葉片是影響魚體損傷率和提升速度的重要部件之一。螺距與外徑決定了螺旋提魚裝置的內部空間大小，影響提升能力。同時，螺距也決定了螺旋升角，影響入口處魚體損傷率。該試驗研究螺旋葉片的螺距、外徑和轉速的改變對魚體損傷率和提升速度的影響。內外徑比一般在0.5左右[13]，在該研究中不僅要保證提升能力也要考慮機械加工水平，故將內外徑比定為為0.35。螺旋葉片外徑與螺距的選擇與魚體的大小有關，本次試驗用魚尾體長10到15cm的鯽魚（Crucian），故將匹配外徑320～380mm，螺距250～350mm。根據張文源與馬俊國的研究報告[12]，螺旋葉片轉速的研究范圍定為40～80轉/分較為合適。此外，根據文獻[13]，葉片厚度為3mm較為合適。為了保證提升效率，頭數定為2。

圖5 螺旋葉片示意圖

3 樣機試驗及結果分析

3.1 提魚試驗

該螺旋提魚裝置經過設計、制造和安裝調試，于2018年在中國水產科學研究院工業化養殖中試基地開展試驗研究，如圖6所示。研究的參數有：螺旋葉片螺距、螺旋葉片直徑和螺旋葉片轉速。主要的性能指標為：魚體損傷率和提升速度。

試驗中，螺旋提魚裝置運行穩定、噪聲小、工作安全可靠，無需事前安裝，僅需一人將設備推至試驗地點即可。試驗記錄具有不同設計參數的螺旋提升裝置分別在三種轉速情況下的提升速度與損傷率，每組試驗做三次，取平均值作為參考數據。

圖6 樣機試驗

3.2 試驗結果分析

傳輸速度與損傷率統計圖如下圖所示。

圖7 速度-損傷率圖

通過對比圖7的三幅子圖可知，提升速度隨外徑增大而增大，但外徑在380mm與440mm兩種情況下的傳輸能力相差不大。說明傳輸能力在外徑380mm左右時到達最佳。損傷率在380mm時達到最低。

螺距對提升速度與損傷率影響較小，相比之下外徑的影響較大。轉速在300mm時損傷率最小，所以并非螺距越大螺旋提魚裝置的性能越好。

提升速度與損傷率在轉速為50r·min-1～60r·min-1時呈現增長趨勢但并不明顯。在70r·min-1時損傷率大大增加。說明轉速對提升速度的影響較小，且高轉速將大大增加損傷率。

4 結語

與其他提魚裝置相比，在魚體損傷率方面：真空式吸魚泵由于存在葉輪，不可避免地會對魚體有較大損傷；真空式吸魚泵與射流式吸魚泵是利用負壓原理將魚體抽吸上來，相比離心式吸魚泵，損傷率較小。螺旋提魚裝置具有較低的魚體損傷率。該研究通過圖像識別技術對魚體損傷進行檢測，比傳統人工查看更具可靠性。這是與真空雙筒活魚提升機[18]的損傷率有差距的原因之一。

在提升速度方面：各種吸魚泵都具有較快的提升速度，相比之下螺旋提魚裝置與單軌起魚輸送機的提升速度較慢，但是二者都能滿足漁業起捕的要求。

在整體結構與使用方便性方面：離心式吸魚泵整體性好，安裝較為方便[19]。真空式吸魚泵與射流式吸魚泵的體積龐大，工作平臺面積較大。單軌起魚輸送機結構簡單，但是較為龐大，需要卡車運輸移動，且預安裝過程較為復雜，所需作業人員較多。螺旋提魚裝置結構簡單，整個作業過程僅需兩人，無需預安裝，移動便捷。

螺旋提魚裝置結構簡單、成本低，成功解決了活魚收獲過程中人工起魚強度大、魚體損傷率大、效率低下的問題。設備操作方便，僅需兩人即可。該研究表明：螺旋起魚裝置在轉速為60r·min-1、外徑為380mm、螺距為300mm時工作運行平穩，損傷率較低、傳輸能力較強。工作效率較傳統人工起魚提高一倍。

試驗數據顯示，螺旋提魚裝置的提升速度未達到最大程度，仍需進一步對設計參數進行研究。筆者研究發現魚體損傷大多發生在入口處，該設備的損傷率較大，未達到魚體無損的預期目標，需要對進魚口的流體狀態進行研究。