內導葉滾筒式收魚機設計與實驗

閆國琦 劉婷婷 莫嘉嗣 倪小輝

(華南農業大學工程學院， 廣州 510642)

0 引言

高密度水產養殖加劇了我國近海和陸地水域的環境污染，導致水質下降和水產品質量下降[1-4]。為了減輕近海養殖壓力、提高海洋水產資源可持續利用水平和水產養殖品質，海洋養殖業須向深海域發展。文獻[5-8]提出的相關國家政策對我國乃至其他國家海洋養殖業的可持續發展具有指導性意義。海洋網箱養殖過程中，收魚作業是勞動強度最大的環節之一，大型海洋養殖企業或漁民普遍采用吸魚泵實現自動收魚作業，其效率較高，但功率需求較高，需要配置在大型作業船上使用[9]。小型水產養殖企業和中小型漁船受條件所限，目前主要采用人工或自動化程度低的收魚裝置，因此需要一種適合在中小型漁船上使用、且功率小的自動收魚裝置。基于以上背景，本文設計一種低功耗的滾筒式收魚裝置，通過內導葉旋轉將網箱中集中后的魚提升至漁船船艙高度，提升過程中將水排出，降低驅動功耗和魚損率，通過仿真和實驗分析，得到有效輸送量與功耗比的最優控制方案，以設計出中小型漁船適宜的收魚自動裝備。

1 結構與工作原理

螺旋內導葉滾筒式收魚機的結構如圖1所示[10-13]，由滾筒、螺旋葉片、三角膠帶、膠帶輪、電機、變頻器、軸承、活動側板與支撐結構組成。其中螺旋葉片外側與滾筒固定連接組成主體結構，當滾筒單向滾動時，魚從滾筒下端入口進入，被聯動的螺旋葉片向上端出口推動。三角帶與帶輪將電機動力傳遞并帶動滾筒轉動。變頻器用于調節電機輸出的轉速，多個軸承用于固定和限制滾筒的位置，活動側板用于調節滾筒的傾角，支撐結構用于支撐和固定整套裝置。

在收魚環節中，將魚集中在網箱內一個較小的空間，形成高密度區域，收魚機安裝在收魚船上，上端與魚箱位置匹配，下端置于網箱高密度區域。當滾筒開始轉動時，魚在螺旋葉片法向推力的作用下有軸向轉動的趨勢，但受自身重力和摩擦力的約束使得魚沒有產生軸向轉動，而是在葉片法向推力的軸向分力作用下，沿輸送槽軸向移動。最終魚群從裝置下端傳送到裝置上端，輸送到貯魚箱內。

2 關鍵環節設計

為了便于觀察實驗過程以及魚的輸送狀態，本收魚機實驗裝置選用透明的亞克力材質。根據實際需求，選用滾筒長度L為2 000 mm、壁厚為5 mm；螺旋葉片外徑D為500 mm、內徑d為200 mm、螺距P為200 mm、厚度為2 mm。

圖1 內導葉滾筒式收魚機結構示意圖Fig.1 Structure of internal guide vane screw drum machine for fishing1.滾筒 2.螺旋葉片 3.三角膠帶 4.膠帶輪 5.電機 6.變頻器 7、10.軸承 8.活動側板 9.支撐結構

2.1 螺旋升角

螺旋葉片上任一點的法線與旋轉軸線的夾角稱為該點的螺旋升角φ，其計算公式為[14-18]

(1)

式中Di——螺旋葉片某點的直徑，mm

由式(1)可知，螺旋葉片的螺旋升角是一個變化的值，由于D>d，所以φ1>φ2，其中φ1和φ2表示內徑和外徑處的螺旋升角，公式為

(2)

(3)

2.2 滾筒傾角

滾筒的傾角取決于船體與網箱作業面的距離和高度差，會影響裝置的功耗[19-21]。水平螺旋輸送機的傾角為0°，其輸送率最高，功耗最小；垂直螺旋輸送機的傾角為90°，其輸送率最低，功耗最大。本文實驗設計的裝置滾筒設置為傾斜，傾角在0°～90°之間，適當降低傾角可以提高輸送率和降低功耗。

2.3 驅動系統與傳動裝置

驅動系統由電機、變頻器、膠帶輪與膠帶組成[22-25]。為滿足實驗順利進行與裝置正常運轉，選用功率為550 W的單相異步減速電機，其減速前的轉速為1 360 r/min，減速比為40，減速后輸出轉速為34 r/min。根據估算，本文實驗選用750 W、220 V單相輸入單相輸出的變頻器來調節電機輸出軸轉速。

傳動裝置如圖2所示，由軸承、支撐結構與活動側板等組成[26-27]。軸承由電機座板、豎直圓環板與水平圓環板連接固定，軸承圓周面上對稱安裝帶螺紋的包膠軸承與帶螺桿的萬向球。支撐結構由鋁型材通過角碼、角件連接固定。調節活動側板與不同活動卡銷孔連接，實現軸承與滾筒的不同傾角。

圖2 傳動裝置Fig.2 Transmission appliance1.軸承 2.水平圓環板 3.豎直圓環板 4.支撐結構 5.活動卡銷 6.活動側板 7.帶螺紋的包膠軸承 8.帶螺桿的萬向球 9.電機座板

3 滾筒有限元仿真

3.1 建模

本文實驗裝置采用Solidworks軟件建立滾筒三維模型。裝置輸送魚時，魚和水集中在滾筒底部，對滾筒和螺旋葉片產生作用力，將三維模型導入ANSYS DesignModeler中，在魚和水產生作用力的部位建立Imprint Faces，便于施加載荷。軸承支撐滾筒部位建立Imprint Faces，便于施加約束，且滾筒后端的圓環擋板對滾筒有約束作用。膠帶對滾筒有轉矩作用，在接觸部位建立Imprint Faces，便于施加載荷。

滾筒網格劃分選擇實體單元，在螺旋葉片曲率較大處加密網格，采用自動網格劃分(圖3)，節點數是52 121個，單元數是25 063個。

圖3 模型網格劃分Fig.3 Model of grid generation

3.2 約束與載荷

圓環擋板限制滾筒軸向移動，且圓環擋板面與萬向球接觸，可以看作是無摩擦接觸。建立局部坐標系，坐標系的Z軸垂直于圓環擋板面，在圓環擋板面分別施加位移約束A與無摩擦約束B，Z軸方向自由，X軸與Y軸方向固定約束；在軸承支撐滾筒的部位施加圓柱面約束C、D，切向自由，軸向和徑向約束。

滾筒承受的載荷比較復雜，滾筒自身重力以載荷E(Standard earth gravity)的形式施加于滾筒；魚和水重力以載荷G、H(Force)的形式施加于滾筒內壁與螺旋葉片；膠帶的轉矩換算成力載荷I(Force)的形式施加于滾筒；滾筒的轉動以載荷F(Rotatioanal velocity)的形式施加于滾筒。約束與載荷施加如圖4所示。

圖4 施加約束與載荷Fig.4 Restriction and load

3.3 仿真

輸送魚時滾筒一方面受自身重力作用，以重力加速度施加載荷；另一面承受魚和水的重力，以力載荷的形式施加在滾筒上，滾筒的轉速以旋轉速度的形式施加載荷。

滾筒材質設置為塑料，傾角設置為10°。當滾筒轉速為80 r/min時，仿真結果如圖5、6所示。可以看出，最大變形量發生在滾筒下端，最大值為1.814 9 mm；最大等效應力發生在滾筒與軸承的接觸位置，最大值為0.669 42 MPa，同時在軸承支撐滾筒的位置出現了應力集中。

圖5 轉速80 r/min時總變形量Fig.5 Total deformation at speed of 80 r/min

圖6 轉速80 r/min時等效應力Fig.6 Equivalent stress at speed of 80 r/min

滾筒在不同轉速時總變形量與等效應力的變化趨勢相同，滾筒轉速在30、40、50、60、70、80 r/min時的仿真結果如表1所示。最大變形量發生在滾筒下端，隨轉速增加而增大；最大等效應力發生在滾筒與軸承的接觸位置，隨轉速增加而增大，同時在軸承支撐滾筒位置出現了應力集中。在軸承支撐滾筒的位置進行加固處理，減小等效應力。

表1 不同轉速下仿真結果Tab.1 Simulation results at different speeds

滾筒材質設置為塑料，轉速為30 r/min，當滾筒傾角為35°時，仿真結果如圖7、8所示。最大變形量發生在滾筒下端，最大值為0.883 92 mm；最大等效應力發生在滾筒前端螺旋葉片與滾筒內壁的接觸位置，最大值為0.762 79 MPa，同時在軸承支滾筒的位置出現了應力集中。

圖7 傾角35°時總變形量Fig.7 Total deformation at dip angle of 35°

圖8 傾角35°時等效應力Fig.8 Equivalent stress at dip angle of 35°

滾筒在傾角10°、15°、20°、25°、30°、35°時的仿真結果如表2所示。最大變形量發生在滾筒下端，隨傾角增加而減小；最大等效應力發生在滾筒前端螺旋葉片與滾筒內壁的接觸位置，隨傾角增加先增加后減小，同時在軸承支撐滾筒的位置出現了應力集中。在滾筒下端螺旋葉片與滾筒內壁接觸位置進行加固處理，減小等效應力。

表2 不同傾角時仿真結果Tab.2 Simulation results at different dip angles

4 現場實驗

根據仿真結果，優化實驗裝置設計方案，以在相應位置增加加強筋板的方式加強滾筒的結構強度。優化后實驗裝置如圖9所示，實驗現場見圖10。

圖9 實驗裝置Fig.9 Experimental device1.滾筒 2.電機 3.膠帶 4.變頻器 5.支撐結構

圖10 實驗現場Fig.10 Experimental field

4.1 實驗方案

為了驗證收魚機連續工作可靠性，將收魚機連續空載運行，實驗過程中實時檢查收魚機是否故障，空載實驗結束后檢查運動零部件損耗情況；并測得收魚機空載功耗。收魚實驗過程中儀器自動記錄收魚機輸送金鯧魚的總功耗和實時功率，由總功耗與空載功耗推算收魚機實際作業功耗。為了統計收魚機輸送魚時的魚損率，實驗前檢查金鯧魚體表兩側面，剔除側面損壞的魚，實驗后統計表面損壞的金鯧魚數量，并計算魚損率，其中魚損率是金鯧魚體損壞的數量占實驗總數的百分比。

實驗選用金鯧魚總質量20 kg，單條金鯧魚質量約0.2 kg。現場實驗以電機轉速和滾筒傾角為輸入變量，內導葉滾筒式收魚機的輸送率、功耗和魚損率為輸出變量。設定電機轉速為30、40、50 r/min，滾筒傾角為10°、20°、30°。

4.2 實驗與分析

4.2.1可靠性實驗

實驗前裝置空載運行1 h且正常運轉，空載電流1.02 A，計算空載功耗224.4 W；實驗過程中裝置無故障運行；實驗后裝置空載運行正常且零部件無損壞，裝置可靠性滿足實驗設定，裝置實驗數據如表3所示。

表3 裝置實驗數據Tab.3 Experimental data

4.2.2輸送率與功耗實驗

在傾角10°、20°、30°時，輸送率與轉速之間的關系曲線如圖11所示。當傾角不變時，輸送率隨轉速增加而提高；當轉速不變時，輸送率隨傾角增加而降低。在條件允許的情況下，可以增大轉速和降低傾角來提高裝置的輸送率。

圖11 不同傾角下輸送率與轉速關系曲線Fig.11 Transmission rate at different speeds

在傾角10°、20°、30°時，功耗與轉速之間的關系曲線如圖12所示。當傾角不變時，功耗隨轉速增加而提高；當轉速不變時，功耗隨傾角增加而升高。在條件允許的情況下，可以減小轉速和降低傾角來減小裝置的功耗。

4.2.3魚損率分析

實驗選用105條無傷金鯧魚，9組實驗結束后，目測法統計金鯧魚體表面損壞的數量為1條，總實驗金鯧魚數量為945條，計算魚損率約為0.1%。實驗后魚體損傷如圖13所示。

圖13 實驗后魚體損傷Fig.13 Injured fish body after experiment

4.3 實驗結果分析

圖14 不同傾角下有效輸送率隨轉速變化曲線Fig.14 Effective transmission rate at different speeds

在滾筒殼體長度一定的情況下，傾角不同被輸送魚的勢能不同，裝置的勢能輸送率定義為相同條件下輸送率與魚的勢能之比。將勢能輸送率與功耗在不同轉速情況下的比值作為優化控制方案的判據，得到勢能輸送率與功耗的比值(有效輸送率，單位為%)如圖14所示。從圖中可以看出，同等條件下傾角發生變化時，傾角為10°時比值最高；同等條件下轉速發生變化時，轉速在10～20 r/min區間比值最高，所以傾角為10°、轉速為15.3 r/min時裝置傳輸效果最好，且不同傾角情況下轉速控制在15 r/min左右最為經濟。

5 結論

(1)針對深海網箱養殖人工收魚效率低、且勞動強度大，吸魚泵收魚功率大、且需配備大型工作船使用等問題，設計了螺旋內導葉滾筒式收魚裝置。該裝置在減輕人工勞作強度的同時提高了收魚效率，漁船無需配備大型供電設備，節省了人力和財力。

(2)在本文實驗裝置特定參數下，滾筒殼體在傾角10°、轉速15.3 r/min時裝置傳輸效果最優，且不同傾角下最優轉速15 r/min。經過實驗，該裝置的魚損率約為0.1%，在實現快速收魚的同時不損傷魚表面，保證了魚的外表美觀和經濟價值。