深遠海養殖設備投料選擇器結構設計探討

駱意，張方華，朱端祥，魏樹輝，黃建偉，程曉夏

（1.中國船舶集團有限公司 第七一一研究所，上海 200090；2.船舶與海洋工程特種裝備和動力系統國家工程研究中心，上海 200090）

0 引言

近年來，隨著我國對海水魚類消費需求的持續增長[1]，海水養殖業發展迅速[2]，為了支撐行業發展，國內相關單位開展了深遠海漁業養殖裝備技術的研究[3-9]。其中，自動投飼系統是養殖裝備技術中的關鍵裝備，該系統可以提高投飼精度和飼料利用率，降低勞動強度，減少勞動力成本，提高養殖生產效率。

投料選擇器也可稱為投料分配器，是自動投飼系統中的核心設備，其主要功能是根據用戶的養殖工藝，將目標養殖區域投喂任務分解成多個區域的批次投喂，實現單次單區域、區域依次輪流投喂，投料選擇器結構設計直接影響自動投飼系統整體性能及系統布局。現階段國內投料選擇器的設計與國外產品結構一致，隨著養殖水體的不斷增大，現有的選擇器（分配器）急需新的設計，以滿足工程項目的需要。

1 國內外現狀

投料選擇器是自動投飼系統中的一部分，主要裝備在養殖工船或大型深遠海桁架式網箱上，通常布置在布料器前、飼料倉庫后，通過電控箱控制投料選擇器，切換選擇投喂管道，飼料混合空氣或海水后經過選擇器進入不同區域的輸送管道，從而實現多次投喂，覆蓋整個養殖區域。

1.1 國外現狀

國外針對投料選擇器設計的針對性研究較少，投料選擇器的結構比較固定。典型的氣力自動投飼系統有：挪威的AKVA集團，代表產品為CCS自動投飼系統；美國ETI公司，代表產品為FEEDMASTER自動投飼系統；加拿大Feeding System公司等。主要的水力輸送自動投飼系統有美國Innovasea Systems公司、挪威AKVA公司。這些國外品牌的投料選擇器如表1所示。

表1 國外品牌投料選擇器

國外投料選擇器既可以單獨安裝（如AKVA安裝在船舷位置），也可集成設計在集裝箱中，整體式結構方便自動投飼系統吊裝，大大降低了現場安裝、調試的難度。

1.2 國內現狀

國內單位針對自動投飼系統進行了較為深入的研究：中國水產科學研究院南海水產研究所在2009年依托“863”計劃的現代農業技術領域海水設施養殖重點項目開展了自動投飼系統的研究，針對遠程氣力輸送自動投飼系統選擇器設計進行了相關理論研究，介紹了選擇器基本工作原理及功能特點，確定了一些設計原則，給出了結構設計的公式推導及設計演示[10]。中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所、青島海興智能裝備有限公司、煙臺優泰漁業裝置有限公司等國內企業、單位開發了適用于智能投喂的自動投飼系統的投料選擇器，陸續應用于國內的諸如“國信1號”、“耕海1號”等養殖工船或大型深海網箱項目。中國水產科學研究院南海水產研究所、湖北海洋工程裝備研究院有限公司等單位對管道進行了理論計算、CFD有限元仿真計算[11-12]，為管道輸送系統設計計算提供了參考。自動投飼系統已成為深海養殖行業競爭越來越激烈的系統設備。

對比國外品牌，投料選擇器外形結構基本相似：一個進口多個出口，通過切換S形彎管與出料管的連接實現輸送區域的選擇，不同品牌的投料選擇器，驅動S形彎管轉動的機械結構略有差異。完成養殖區域的投喂需配置出口數量與投喂點數量一致的投料選擇器。

2 結構設計

投料選擇器的設計初期以模仿國外產品為主，每次實施單管切換，單管投喂飼料。其工作原理如圖1所示。

圖1 投料選擇器結構示意圖

圖1所示為某型投料選擇器結構示意圖，S形彎管沿旋轉中心旋轉，兩端各設置軸承支撐，當S形彎管旋轉至目標出料管位置時，滑動套筒可伸出，實現管道的連接。整個旋轉裝置旋轉在密閉箱體中，可將零部件及驅動電動機與海水環境隔離開，提高旋轉部件的使用壽命。

在上述結構形式的基礎上，國內外共有以下幾種衍生形式的投料選擇器，差別主要在S形彎管的驅動方式。中國水產科學研究院淡水漁業研究中心設計的投料選擇器在左側設置齒輪傳動[13]，通過電磁鐵實現管道的連接；中國水產科學研究院漁業機械儀器研究所設計的投料選擇器在右側設置齒輪傳動[14]，通過溜管實現管道的連接；廣東省現代農業裝備研究所的投料選擇器在右側設置間隙傳動形式[15]，如圖2所示。

圖2 氣動化料道電動分配器

圖3 Arvo-tec投料選擇器

圖4 S形彎管零件圖

國外Arvo-tec 品牌的投料選擇器將S形彎管分成2部分，在輸出管道的中心空隙位置安置帶直列式減速器的電動機，通過轉動S形彎管的一小截管道，實現對輸出管道的選擇。國內華南農業大學的投料選擇器結構也采用電動機組合減速器直接驅動S形旋轉彎管，不同的是將旋轉部件整體置于箱體結構內部，通過爪型旋轉連接件壓緊弧形密封墊實現管道的連接[16]。

2.1 S形彎管設計

S形彎管的回轉半徑直接影響設備大小，是設備中需優先考慮設計的部件。S形彎管的通徑與管道氣力輸送理論計算[11]一致，本文不再贅述。

根據設計經驗，本文對S形彎管設計優先考慮出口數量；為減少飼料顆粒在輸送過程中因撞擊發生破碎，S形彎管管道彎曲半徑取值大于管道直徑的6倍；考慮S形彎管通過法蘭進行定位、連接，需預留直管段距離，建議該距離大于2倍法蘭厚度。按照上述經驗，本文設計了兩型S形彎管，如表2所示。

表2 S形彎管設計

表3 驅動參數

分析表2中數據可知，出料管數量不同，管徑不同，管道彎曲半徑不相同，S形管的長度不相同，出料管的分布圓相同。這種設計方法有以下優點：投料選擇器可通過出口數量進行選型，當固定出口數量、規范出料管分布圓半徑、長度后，S形彎管的結構可在行業內達成統一；S形彎管及其固定安裝件整體可作為一個部件，在不同的選擇器箱體中使用，提高了S形彎管的適應性，便于進行型號設計；S形彎管前后彎曲半徑一致，提高了彎管的加工工藝性，減少了對設備的需求，提高了單根S形彎管的加工效率。

2.2 驅動設計

如前文所述，投料選擇器有多種驅動設計方案。不同的方案會對電控參數設置有直接的影響。

根據圖1結構的投料選擇器驅動裝置參數設計計算電動機的脈沖輸入參數。

電動機細分數決定了電動機每轉1圈的脈沖數，假設使用86HS118-60-1000型閉環步進電動機。大齒輪固定不動，小齒輪旋轉，小齒輪繞大齒輪同時做螺旋運動及自轉，轉動1圈后小齒輪回復原位，在自轉圈數的基礎上公轉了一圈，因此，電動機的脈沖數計算如表4所示。

表4 計算參數

2.3 其它設計

在投料選擇器的設計中，除上述設計要點外，密封、控制邏輯、傳感器反饋等也是需要重點考慮的設計點。密封是比較重要的設計內容，良好的密封可隔絕海上的鹽霧環境，目前比較通用的密封方式是使用膠墊或O形圈，通過螺栓或者壓扣的方式進行壓緊固定；控制邏輯是結合用戶養殖工藝細化執行機構動作流程，其設定必須考慮各執行機構的動作時間，避免邏輯錯誤或者動作不到位；為了保證動作到位、控制邏輯正常，通常采用接近開關進行信號確認，保證控制邏輯的準確執行，從而實現投料選擇功能。

3 項目設計

某深海養殖網箱平臺項目提出了設計需求，經簡化，與投料選擇器相關的需求如表5所示。

表5 項目需求

按圖1所示原理設計投料選擇器，為觀察飼料顆粒在管道中的流型，使用CFD-DEM軟件仿真得到飼料顆粒在彎管中的分布狀態、速度，通過改變S形彎管后續直管段長度，統計觀察顆粒碰撞數和出口飼料顆粒是否滿足懸浮條件，飼料顆粒碰撞數越小，投料選擇器結構設計越合理。最終要結合管道長度及用戶要求的投喂半徑綜合確定最佳的結構參數。使用表2中管1的設計參數，按表3的驅動裝置參數進行相關控制參數設計，通過表4的方法計算得到電動機控制參數，使用RS100型位置開關反饋套筒插入、退回是否到位，按用戶的投喂工藝分解設置投料選擇器控制邏輯，如圖5所示。經過匹配設計，投料選擇器的三維設計及實物加工如圖6所示。

圖5 投料選擇器控制邏輯

圖6 投料選擇器效果圖、實物圖

4 試驗驗證

試驗結果如表6所示。

表6 自動投飼系統性能試驗結果

2022 年6月進行了現場試驗，結果表明，投料選擇器達到了設計要求，管道切換動作正常，可完成12根出料管的任意切換。

通過與用戶的交流后得知，區域太多會導致投喂開始時間點產生較大差異，該差異會影響魚類的進食時間，影響魚類生長。用戶提出需要在某個時刻進行投喂、在規定時間內進行投喂、投喂速度前快后慢等要求。

由于每個投喂區域會設計一定的投喂時間，自動投飼系統管道切換有時間間隔，當養殖區域較大時，這種養殖工藝必須要求自動投飼系統同時投喂才能滿足用戶需求。因此，針對這種現實需求，隨著深遠海養殖產業的發展，有必要研發新的投料選擇器。要求新型投料選擇器既可以單區域選擇，也可以多區域選擇，直至同時投喂所有區域。設計這種新型投料選擇器時，需考慮將氣管中的飼料均勻地分到各個支路中，保證分配的均勻性，同時要考慮破碎率，滿足投喂半徑要求，這對結構設計、分配過程設計提出了很高的要求。

考慮到平臺上的空間有限，新型投料選擇器需盡可能地縮小尺寸，同時避免因結構變化而影響自動投飼系統的整體性能。

5 結語

1）國內投料選擇器結構與國外相似，主要是實現單管的切換。國內產品從結構設計、計算仿真及電控控制等方面取得了較大進展。現階段已支撐大型桁架式網箱平臺及養殖工船開展了實際應用，產品在經濟適用性、環境適應性方面持續優化提高。

2）介紹了投料選擇器的工作原理，并詳細介紹了國內外現有投料選擇器的多種結構形式，針對某型投料選擇器進行了設計流程介紹，對S形彎管及其驅動裝置進行了參數設計，為同類型投料選擇器設計提供了參考。

3）針對某深海桁架式網箱平臺項目進行了投料選擇器設計，通過試驗驗證了相關參數、控制邏輯設計的正確性，試驗表明，該型投料選擇器功能完備，可按用戶需求進行飼料投喂工作。

4）隨著用戶對養殖工藝的重視及科學養殖研究的需要，用戶會針對不同的魚種編制特殊的投喂策略。有必要加強深遠海養殖投料選擇器的研發，開發投喂速度高、可選擇、可同時投喂的多功能投料選擇器，支持我國的深遠海養殖事業迅速發展，實現對國外設備的趕超。