養殖工船自動投飼機設計和螺旋下料器的仿真分析

高煒鵬,謝永和,李德堂,王 君,陳 卿,洪永強,張佳奇

(1 浙江海洋大學海洋工程裝備學院,浙江舟山 316000;2 浙江海洋大學船舶與海運學院,浙江舟山 316000)

養殖工船養殖是一項新興產業,是一個全新的生產模式,是當前推進漁業轉型升級,培育新經濟增長點的創新之舉。養殖工船是集成多個養殖水艙,在深遠海適宜水產養殖的海域長期游弋的大型船只,相比于深遠海網箱養殖,養殖工船的養殖模式可以通過移動躲避臺風、寒潮、赤潮等自然災害,也可以避免污染沿海水質,但深遠海水域生產條件特殊,海上環境惡劣,養殖量大,船上人員有限,深遠海移動艙養模式是規模化、集約化養殖,飼料投喂工作量大,勞動強度大,傳統的投飼機雖然實現了機械化投料,但據時間粗略估算投飼量的方式精度太低,既造成浪費,增加養殖成本,又降低魚類的抗應激能力,也不能獲得良好的生長性能,養殖工船投飼量大,投飼精度高,對投飼速度有著極高的要求。胡昱等[6]通過CFD-EDM(基于歐拉-拉格朗日參考系的離散模擬),對顆粒從管道初始階段到穩定階段運動過程進行了分析,將結果用于優化供料器殼體。林禮群等[7]通過CFD-EDM仿真對養殖工船投飼系統的加速器進行仿真分析,得出下料口徑和加速器收縮段部分的角度對加速器性能的影響。黃建偉等[8]針對深遠海投飼系統的全局進行仿真分析,研究顆粒運動軌跡及碰撞情況。王志勇等[9]設計了以PLC控制的標準化池塘養殖自動投飼系統可以達到1.1 t/h的投飼量。宋協法等[10]設計的網箱養殖投喂裝置可以達到400 kg/h的投喂量,劉志強等[11]設計的海上網箱養殖自動投餌器達到了900 kg/h的輸送速度,黃楊清等[3]研制的風送投料系統最大投飼速率891 kg/h。鄧志勇等[12]研制的自動化精準投飼機料倉的設計容量僅為5 kg。下料器的設計對加速器和后續的管道輸送產生巨大影響,對顆粒飼料在高速氣流的作用下運動軌跡和碰撞情況起到了關鍵性作用。養殖工船所需的投飼量遠遠超過市面上設計的投飼機所能達到的最大投飼量。

本研究圍繞深遠海養殖工船的養殖環境和工作需求,設計以壓送式氣力輸送原理,以螺旋絞龍和減速電機作為關鍵部件,達到控制下料速度并計算飼料量。

1 材料與方法

1.1 養殖工船投飼系統

深遠海大型設施養殖投喂流程:通過補給船吊運飼料至船舷側顆粒飼料存儲區,然后根據投喂量倒入飼料至料倉,經分配器氣力輸料,輸送投喂至不同養殖倉。

該系統主要由動力設備、料倉、分配設備、輸送設備、控制系統5大部分組成,并通過PLC實現智能控制,可以實現對多個養殖魚艙的飼料精確智能投喂。動力設備包括羅茨風機、電機等,分配設備以分配管道、定位圓盤、電機、彎管、光電開關組成的具有一機多艙并精確定位功能[13]。輸送設備包括輸送管道、加速室、螺旋下料器和減速電機[14]。控制系統主要由變頻器、電動排空閥、下料蝶閥、料位儀、稱重傳感器等組成。

圖1 自動投喂流程圖

系統工作原理:當PLC給出本次投飼任務啟動指令,斬光片和槽型光電開關構成定位傳感器,電機帶動傳感器旋轉識別,信號變化依次定位,分配器出料口在電機帶動下旋轉到指定位置,稱重傳感器實時傳輸數據,判斷料倉內的飼料量是否達到本次投飼任務需求,若達到,排空蝶閥閥口滿開,羅茨風機開始運行,進行管道殘留飼料的排空,運行30 s后,開始下料[15]。

圖2 自動投料系統整體結構圖

系統根據投飼任務通過控制變頻器來控制電機的轉速從而達到速度控制的功能,下料蝶閥打開,在下料電機帶動下料絞龍開始轉動。飼料在螺旋下料器中低速運動,羅茨風機在產生的高速氣流在下料器出口出形成一個低壓區,對下料器出口處的飼料產生吸附力,加快飼料輸送,飼料和高速氣流通過分配器的旋轉進料口進入S型管道,在出料口噴出送達對應的魚艙,分配器彎管可以360°旋轉[16]。根據實際需要,分配系統在定位圓盤中設計了8個出料口。

1.2 投飼參數分析及技術要求

養殖對象為大黃魚,密度20 kg/m3。養殖艙池長、寬、高分別是22.4 m、19.6 m、18 m,水位線高度14 m,每個養殖艙設計養殖量為100 t,日投飼率為1.5%,按每天2次,每次0.5 h,投飼系統最大投飼量為1.5 t/h。

1.3 關鍵部件設計

螺旋下料器作為飼料輸送系統的關鍵零部件,螺旋下料器對整個投料系統的輸送能力、投料速度有著巨大的影響。螺旋下料器由電機、聯軸器、絞龍、殼體等組成,螺旋下料器結構如圖3所示。

圖3 螺旋下料器結構圖

本設計中,養殖工船艙養大黃魚投飼裝置中,螺旋輸送器用于大黃魚飼料從料倉中輸送,并控制輸送速度和記錄輸送質量,對飼料進行水平輸送,輸送距離為從下料蝶閥到加速室入口的距離,輸送距離短,所以用滿面式等螺距的普通水平螺旋輸送機。螺旋輸送機的每個參數都要根據實際需求來確定。輸送量即輸送速度,它與螺旋的其他參數密切相關[17]。

Q=3 600Fλvε

(1)

式中:Q表示螺旋輸送機輸送量,t/h;F表示物料橫截面積,m2;λ表示物料的單位容積質量,取0.9 t/m3;ε表示輸送傾斜系數,該裝置水平布置,取1;v表示物料輸送速度,m/s。

物料橫截面積計算表達式[18]:

(2)

式中:φ表示填充系數;F表示物料橫截面積,m2;D表示螺旋葉片直徑,mm。

物料輸送速度表達式[19]:

v=sn/60

(3)

式中:s表示螺距,mm;v物料輸送速度,m/s;n表示螺旋軸轉速,r/min。

將公式(2)和公式(3)代入公式(1)代入得:

Q=47D2snφελ

(4)

式中:Q表示螺旋輸送機輸送量,t/h;D表示螺旋葉片直徑,mm;s表示螺距,mm;φ表示填充系數;ε表示輸送傾斜系數,該裝置水平布置,取1;λ表示物料的單位容積質量,取0.9 t/m3。

由式(4)可知,下料機的輸送量即輸送能力受螺旋葉片的直徑、螺距、轉速、填充系數等參數影響。在確定輸送飼料的種類一定時,輸送量主要與葉片直徑、螺距、轉速有關。因此通過設計螺旋葉片直徑、螺距、轉速等來滿足螺旋輸送機的輸送量。

螺旋下料器在旋轉過程中,飼料由于受螺旋轉動的影響,其運動是沿螺旋軸做復合的空間運動,既有軸向移動,又有徑向旋轉[20]。螺旋升角是螺旋葉片上法線與軸線的夾角,恰當的螺旋升角可以使飼料更好地排出,螺旋升角由螺距決定,除此之外螺距還決定著在一定填充系數下物料運動的滑移面。螺距的計算有[19]:

s=K1D

(5)

式中:s表示螺距,mm;D表示螺旋葉片直徑,mm;K1表示螺旋軸直徑系數。

螺旋軸直徑系數與螺旋軸的布置方式有關,本研究設計的螺旋軸是水平放置的,參數在0.8～1[19]之間,選取K1=0.8。螺旋葉片直徑D作為螺旋軸的主要參數之一,與轉軸直徑d,轉速n以及螺距s的大小都有著直接關系,其大小直接影響著螺旋下料器的輸送能力和大小[21]。本次輸送的飼料為小顆粒狀飼料,查表1物料綜合特性系數表使用線性插值法可得φ=0.3,A=46。

表1 物料綜合特性系數表

(6)

式中:nmax表示螺旋軸最大轉速,r/min;A表示物料綜合特性系數;D表示螺旋葉片直徑,mm。

將式(6)、式(5)代入式(4)中,得到:

(7)

式中:Q表示螺旋輸送機輸送量,t/h;D表示螺旋葉片直徑,mm;s表示表示螺距,mm;φ表示填充系數;ε表示輸送傾斜系數,該裝置水平布置,取1;λ表示物料的單位容積質量,取0.9 t/m3。

得出螺旋下料器D≥100.475 mm,葉片直徑與輸送物料的直徑有關,為了減少飼料的破碎率葉片直徑也應選大些,但考慮到下料精度及螺旋式供料裝置的常用尺寸,確定葉片直徑在100 mm≤D≤130 mm,80 mm≤s≤104 mm;125.6 r/min≤nmax≤145.5 r/min 參考同類型產品選用葉片厚度a=2 mm。

螺旋軸直徑的大小與螺距有關,因為二者共同決定了螺旋葉片的升角[22]。軸徑的計算公式為[21]:

d=(0.20～0.35)D

(8)

式中:d表示螺旋軸軸徑,mm。

計算得到d=28～49 mm,取螺旋軸直徑為42.5 mm。螺旋軸還要承擔料倉出口處堆積的壓力,須滿足一定的剛度要求,但不能過大,過大會導致整個螺旋下料機整體結構龐大[23]。

螺旋軸轉速要根據葉片直徑、螺距、物料特性來確定,在確保輸送能力的情況下轉速不宜過高,不能超過最大轉速。由式(4)可得38 r/min≤n≤82 r/min,滿足n≤nmax。確定完轉速、直徑、螺距后,通過驗算物料填充系數,驗證之前的計算是否合適,將以上數據代入式(4)中計算得到φ=0.29,與表1進行對比可知物料填充系數在0.25～0.30之間。

物料填充系數對螺旋輸送機的輸送速度和能耗有較大影響,填充系數大,對能耗增大,填充系數小時,對能耗減小,通過驗算可知填充系數在顆粒飼料范圍內,且數值較小。

1.4 EDEM離散元仿真分析

利用SolidWorks軟件繪制出自動投飼機各部分的三維圖[24],如圖4所示,為了提高仿真計算速率,對投料機結構進行簡化,保留料倉和螺旋下料器。為了簡化重力加速度的方向計算,在導入EDEM之前先建立坐標系與EDEM中的坐標系對應,簡化后導入EDEM中如圖5所示。

圖4 投飼機三維建模

圖5 螺旋下料器仿真裝置

在EDEM中進行飼料顆粒的物料參數和接觸參數的建立。物料接觸參數見表2。

表2 物料參數及接觸參數

利用Particle工具創建顆粒模型,由飼料的參數可知飼料的尺寸是個高度5～6 mm,直徑在7～10 mm的圓柱體,過多的顆粒堆積會增加計算量,提高計算成本,本研究顆粒飼料的形狀并不會影響仿真結果,為了提高計算速度,節約計算資源,如圖6所示,采用兩個半徑為5 mm的球形顆粒堆疊而成簡化而接近真實的飼料形狀的模型[6]。

圖6 顆粒飼料模型

在料倉的正上方設置一個平面顆粒工廠,生成顆粒飼料集合,設置生成速度為200 kg/s[30],生成50 kg飼料,設置絞龍的旋轉方向和轉速,設置EDEM總時長為10 s。根據螺旋下料器的投飼量Q的計算公式可知改變螺旋軸轉速、螺距、葉片外徑等都會影響投飼量和投飼速度。為了驗證該螺旋下料器的設計是否合理,設定螺旋下料器分別在80、60和40 r/min 3種轉速下,觀察飼料的顆粒飼料的速度和受力情況以及下料速度,并找到符合技術要求的最優轉速。

2 結果與分析

2.1 飼料運動過程分析

通過仿真結果顯示飼料在螺旋軸中的運動變化大致分為3個階段,飼料從顆粒工廠平面中生成在重力加速度的作用下掉落作加速運動,在接觸到傾斜料倉壁顆粒之間發生強烈碰撞,速度減小,下料蝶閥打開,從料倉往螺旋下料器運動的過程中,做加速運動,在顆粒達到螺旋下料器內,顆粒在螺旋軸的轉動下運動,速度無較大波動,到達出料口時,擺脫螺旋軸和其他顆粒擠壓摩擦的影響,在重力加速度下做加速運動[27],如圖7所示。

圖7 顆粒速度值變化

通過受力結果顯示顆粒在掉落到料倉斜壁的過程中顆粒與顆粒、顆粒與料倉之間發生碰撞產生較為強烈的受力波動,在掉落到螺旋下料器之后顆粒飼料之間相互摩擦擠壓排列緊密,受力值無較大波動,如圖8所示。

圖8 顆粒受力值變化

從顆粒的速度變化曲線圖9和受力變化曲線圖10中可以看出飼料從生成到下料完成過程中,未發生堵塞、滯留的現象。

圖9 顆粒速度受力變化曲線

圖10 顆粒速度變化曲線

2.2 螺旋軸轉速對下料速度的影響

仿真完成后,在后處理模塊中在螺旋下料器出料口增加一個質量流傳感器,記錄下料速度。設定3種不同的轉速80、60、40 r/min(圖11～圖13),仿真結果顯示顆粒在葉片絞龍的作用下,從2 s左右開始出料,在5 s左右輸送速率達到穩定,當螺旋軸轉速在80 r/min時,穩定時下料速率在0.82～0.84 kg/s之間,即投飼量可達到3 t/h;在螺旋軸轉速為60 r/min時,下料速率在0.61～0.63 kg/s之間,即投飼量可達2.2 t/h;在螺旋軸轉速在40 r/min時,下料速率在0.40～0.43 kg/s之間,即投飼量可達1.5 t/h。

圖11 轉軸轉速80 r/min的質量流曲線

圖12 轉軸轉速60 r/min的質量流曲線

圖13 轉軸轉速40 r/min的質量流曲線

通過EDEM軟件模擬投飼機下料過程能夠真實地還原飼料顆粒在螺旋下料器中的應用,預測投飼機的堵塞情況和下料速度。整個下料階段并未見到顆粒堆積現象。在螺旋軸其他參數確定的情況下,通過改變螺旋軸轉速可以良好地實現對下料速度的控制,在張浩然[27]的正交試驗中也顯示了下料過程中螺旋軸的轉速是對投料量影響最為顯著。

本次仿真也符合實際工作需求,即在養殖工船投飼過程中改變螺旋下料器電機的轉速即可改變下料速度和下料量。不同飼喂速率對魚體的體重增長和營養利用率都有顯著提高,魚體的脂肪酶僅受投喂速率的影響[28],汪固昌等[29]提出的模糊控制器根據魚體生長的環境和階段來計算不同的投飼量和投飼時間,也需要改變不同的投飼速度,此設計通過變頻器改變電機轉速即可實現投飼速度的控制,在李佳奇等[30]的螺旋式供料裝置排料試驗中和林章華等[31]對螺旋輸送裝置輸送量的試驗中都顯示了改變螺旋軸轉速可以迅速實現對投料量和投料速度的改變。

本設計中,料倉落料口與螺旋下料器入口緊密相連,且入料口與出料口需要通過螺旋軸旋轉帶動飼料從出料口掉出,仿真過程中并未出現下料器兩端有顆粒飼料的滯留。解決了胡昱等[6]仿真過程中顆粒在供料器兩端滯留的問題,該設備對飼料顆粒具有良好的導向性[8]。通過質量流傳感器數據顯示,即使在80 r/min的轉速下時,該顆粒輸送也較為平穩,大部分飼料顆粒能順利進入加速器,并不會接觸到下料口的管壁,不會因此影響加速器的性能。從仿真結果中可以看出在2～4 s過程中下料速度出現較大的波動,結合仿真過程分析在飼料還未完全填滿螺旋下料器之前,飼料排出的數量并不均勻,在季雨等[32]的仿真中也體現了填充率對輸送性能的影響。螺旋下料器還決定了整個系統的安全性,輸送物料的特性不同對輸送能力也會有很大影響,對管道壓力有很大影響,當管道壓力過大時就需要調整螺旋下料器的下料速度,調整下料量,避免管道發生堵塞,在王志勇等[33]設計的深遠海養殖工船投飼系統中投喂速度的控制采用的是變頻容積式控制,其系統在實現下料速度控制過程中也保證了整個系統運行的安全性。

在徐志強等[34]和王志勇等[33]的相關試驗中顯示采用顆粒飼料以螺旋式下料其破碎率均小于1%,從顆粒飼料運動過程中可以看到顆粒飼料的粒徑遠遠小于螺旋軸葉片和套筒之間的距離,飼料幾乎沒有受到螺旋軸葉片和套筒的擠壓,飼料只受到了螺旋軸旋轉時提高的圓周力和軸向力和飼料顆粒之間的相互摩擦。由于養殖工船特殊的工作環境,利用稱重傳感器可能會在因為工船在海上的橫搖而失準,而螺旋下料器可以根據轉速來控制投飼量,但需要考慮到螺旋下料器開始工作和暫停工作時的轉速并不等于設定轉速,在徐志強等[34]、王志勇等[35]的投飼精度試驗中用螺旋下料器來控制投料量的誤差也都小于3%。綜上所述,螺旋軸轉速改變可以及時改變投飼量、投飼速度,對加速器、管道、風機、整個供料系統都起到了關鍵性的作用。

3 結論

本研究設計的下料器能夠滿足對養殖工船這種投飼量大、投飼速率確定、自動化程度高的投喂系統的需求。通過對下料器轉速設定分別為80、60、40 r/min進行仿真,仿真結果顯示在其他參數不變的情況下,顆粒飼料在該下料器運輸過程中不會產生飼料滯留、堵塞管路的現象,且可以達到穩定的下料速度。螺旋軸的轉速是對下料速度控制的關鍵因素,該下料器的轉速在40 r/min時,可以達到下料速度為1.5 t/h,達到技術要求,證明該下料器設計是合理的。由于養殖工船投飼量大,顆粒飼料的氣力輸送影響因素多,考慮到養殖工船的特殊作業環境,在后續的研究中將對動力源羅茨風機的風速、管道的內徑和彎徑等工藝參數對飼料輸送的影響,以及對養殖工船投料系統的自動化、智能化進行研究。