水產養殖精準投飼機的設計與試驗*

葉有樂 ， 張 浪 ， 張桂中 ， 黃楊清 ， 宋帥帥 ，4

（1.河源市燈塔盆地農業高新技術產業示范區，廣東 河源 517000；2.紫金農業機械推廣服務中心，廣東 河源 517000；3.廣州木魚科技有限公司，廣東 廣州 510000；4.河源市農業技術推廣中心，廣東 河源 517000）

0 引言

飼料成本占養殖成本的一半以上，所以降低飼料成本是降低成本的重要方法[1-2]。傳統網箱養殖大多數是依靠人工來投放飼料，由于養殖技術或經驗的差異，投飼量差異明顯，可能會造成飼料浪費[3]。

我國水產養殖大部分依靠人工進行投飼，小部分網箱養殖使用簡單的機械裝置，將其安裝在網箱浮板上進行撒料，類似陸地池塘撒料裝置。投飼設備的研究仍然需要學習借鑒國外先進的技術，在國內，大規模養殖幾乎很少見到先進的、完善的投飼裝備系統[4]。西南大學的栗鵬輝制造了一套鱘魚幼魚自動養殖系統，其主要由新型PLC、螺旋桿送料機構、減速電機、撒料盤、液位傳感器、自動雙通道排污裝置、水質監測探頭、DTU無線傳輸設備等組成，參考人工養殖流程設計程序，可實現各養殖步驟間的自動協調，性能測試和鱘魚試養實驗表明該裝置投飼效果良好，一定程度上可為大型全自動養殖提供技術參考[5]。西北農林科技大學的景新等針對我國室內工廠化水產養殖機械化和自動化水平低、人工投飼勞動強度大的現狀，利用軌道傳動、傳感器和PLC技術，設計了一套新型室內工廠化水產養殖自動投飼系統。利用軟件三維實體建模對行走裝置、料倉、定量控制裝置、拋撒裝置、上料裝置和自動控制裝置等關鍵零部件進行了詳細的設計和參數確定，試驗結果表明：該投飼機投飼質量高、效率高且穩定性良好[6]。中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所的崔龍旭等為了減少工廠化水產養殖過程中的人工成本和飼料成本，設計了一套基于西門子S7-200PLC的軌道式工廠化水產養殖自動投飼系統。該系統能夠實現對工廠化水產養殖車間魚池的準確定位、精準投飼和投飼數據記錄儲存，初步試驗運行結果表明：該自動投飼系統能夠穩定運行，行走速度為10 m/min～13 m/min，投飼精度在95.9%以上，定位精度最大偏差為43 mm，滿足初始方案設計要求[7]。總體而言，我國水產養殖投飼系統的應用和改良具備了一定的研究基礎。

西方許多發達國家的網箱養殖產業基本拋棄了落后的人工投喂方式，在水產養殖領域已經大量地使用自動化投飼系統，實現了水產養殖業從粗放型到精細型、自動型的轉變[8-10]。挪威AKVA公司設計了Marina CCS系列的船上自動投料系統，利用管道高速氣流讓顆粒飼料通過噴射器，使其從下料器進入到主風力管道，再利用自動目標分配閥將飼料投放到相應的網箱中。該系統可以大大減少人工勞動力，提高投飼效率，使其更加高效穩定[11]。加拿大Feeding Systems公司生產的自動投飼系統主要用于各種大型網箱養殖群、陸地上的水產養殖和育苗過程等，可以根據不同的飼養對象（如蝦、比目魚、鰓魚等）使用不同的進給料控制程序，該系統通過自動送料系統和上位機軟件的結合，大大提高了對飼料的利用率[12]。美國ETI公司開發的FEEDMASTER投料系統已經向多個國家出口，該系統輸送顆粒飼料時飼料破碎率低、投飼精度高、運行穩定可靠。該系統使用PLC控制技術，每分鐘的最大投飼量為250 kg，支持一個直徑約10 cm的給水管道，可以同時為60個網箱送料[13]。國外水產養殖投飼研究相對我國已經成熟化、規模化，實現了精準投飼自動化[14-15]。

本文針對水產養殖中的投喂作業強度大、飼料浪費嚴重等問題設計了一種適用于水產養殖的遠程自動風送投料裝備，并對其關鍵零部件進行了設計和參數確定。

1 整機和零部件設計

1.1 整機設計

在整機結構布局上，首先要考慮機器作業條件和機器性能的穩定性，結合作業特點以及在實際作業中拆卸和安裝是否方便等因素對整機做出合理布局，要求適用性、通過性良好，結構緊湊。水產養殖精準投飼機主要由排肥器、管道、分料板、豎向絲桿電機、機架、橫向絲桿電機、料箱、驅動電機、風機等組成。投飼機整機結構，如圖1所示。

圖1 投飼機整機機構

工作原理：飼料或肥料由人工倒入料箱，控制系統設置排肥時間，啟動風機；啟動下料器電機，電機通過鏈傳動驅動下料器旋轉；通過排肥器將肥料排到管道中，由風機將飼料吹到目標池塘或者高密度養殖的集裝箱內，完成定時、定量、定點投飼。在進行應用時，分料移動單元具有橫向移動和豎向移動的功能，控制輸送管的噴料端對接分料板上的通孔，從而根據投飼需要，選擇性地進行單目標或多目標投飼。該機適用性良好，操作簡單，主要有以下三個特點：1）結構簡易且緊湊，易于移動和操作；2）機器采用變頻器變頻，風機轉速和下料器轉速可改變，便于試驗；3）可遠程輸送顆粒飼料，適合不同的養殖環境；4）風機采用高壓旋渦風機，其體積小，重量輕，可承受最高150 ℃高溫。

1.2 關鍵零部件設計

1.2.1 控制系統

控制系統由上位機工業電腦、下位機可編程控制器Arduino、驅動電機、橫向絲桿電機和豎向絲桿電機等組成，控制系統使用兩個變頻器分別控制排肥器的下料速度和風機轉速，適用于試驗調節下料器的轉速和風機速度；使用三相電供電，安裝漏電保護開關。控制系統的人機交互界面，如圖2所示。

圖2 控制系統人機交互界面

控制系統初始化，打開串口，判別是否定時送料，設置送料時間，設置多目標中的投飼量，點擊一次送料，通過風機吹送完成送料。

1.2.2 風機參數選擇

試驗投料距離定為50 m，每分鐘的最大投飼量定為12 kg。輸送物料量計算公式如下：

式中，G為輸料管平均輸料量，單位為kg/h；α為儲備系數。

輸送濃度μ為：

式中，Gs為物料質量流量，單位為kg/h；Ga為空氣質量流量，單位為kg/h；γa為空氣密度，單位為kg/m3；Q為空氣流量，單位為m3/h。

送料水平沿程靜壓損，由達西公式（3）兩邊積分得公式（4）：

式中，λa為摩擦阻力系數；d為管道直徑，單位為mm；va為輸送風速，單位為m/s。

氣體在管道內流動微分形式的伯努利方程為：

F為輸料管斷面積，則由可得：

局部壓損時，下料器的壓力損失式為：

式中，Δpn為輸料管起端絕對壓力；C'為與氣料混合室相關的系數，一般取0.15～0.25。

根據設計參數，選擇亞士霸電機，型號為HG-3800S，額定電壓為380 V，最大風壓為42 kPa，最大吸壓為38 kPa，最大風量為400 m3/h，噪聲為70 dB，風管口徑為60 mm。

1.2.3 排肥器

外槽輪排肥器是自動投飼系統的關鍵部件，主要作用是讓顆粒飼料在一定密封要求下，從料箱下落到管道中。排肥器由外槽輪轉子、進料口和出料口組成。外槽輪下料器由軸帶動外槽輪轉動，把顆粒飼料從進料口撥到出料口，排肥器機構簡圖如圖3所示，其驅動三相異步電動機通過鏈傳動帶動外槽輪主軸轉動。

圖3 排肥器簡圖

1.2.4 電動機參數選擇

由于外槽輪下料器旋轉下料時，除了受到顆粒飼料帶給葉輪的壓力外，還受到部分顆粒飼料卡在葉輪和槽室之間的阻力，因此所需電動機輸出功率Pd為：

式中，Pw為外槽輪下料器所需的功率，單位為kW；ηa為傳動系統的總效率。

外槽輪下料器所需功率為：

式中，T為外槽輪下料器阻力矩，單位為N·m；n1為外槽輪下料器轉速，單位為r/min。

一般根據經驗，選擇轉速為1 390 r/min的電動機。總傳動比的確定：

式中，nm為電動機額定轉速；n2為外槽輪工作轉速。

一共有兩級串聯傳動比，分別為減速器傳動比和鏈傳動的傳動比。所以總傳動比為：

式中，id為鏈傳動的傳動比；i為減速器的傳動比。

最后根據傳動比確定兩個大小鏈輪的直徑和減速器的類型，外槽輪排肥器和鏈傳動的參數具體如表1所示。

表1 外槽輪排肥器和鏈傳動的參數

2 試驗與分析

在河源市龍川縣水產養殖試驗基地進行試驗，水產養殖品種為鱈魚，分別設定1 000 g、1 500 g和2 000 g為目標投飼量，出料口采取封閉塑料包裝采集投飼量，分別進行3次試驗取平均值，以損失率作為整機性能指標。基地試驗實景如圖4所示，試驗得出的數據如表2所示。

表2 整機性能試驗表

圖4 基地試驗

計算得出1 000 g、1 500 g和2 000 g為目標投飼量的損失率分別為2.67%、2.96%和4.07%，均小于5%。表2的試驗數據和作業情況表明：該機損失率較小，投飼量完整度較高，作業質量高，滿足設計要求。

3 結論

通過實地調研和文獻查閱，課題組針對水產養殖中的投喂作業強度大、飼料浪費嚴重等問題，設計了一種水產養殖精準投飼機。該機可定時、定點、定量完成投飼目標，是一種多功能水產養殖投飼機。試驗表明：該投飼機損失率在5%以下，滿足農藝要求。精準投飼機的設計在一定程度上可緩解人工投飼勞動強度大、機械化程度不高等問題，為我國的水產養殖投飼研究提供一定的技術參考。