一種非標小型魚塘增氧機的設計與開發

摘 要：針對目前我國非標小型魚塘占比大、魚塘水域情況多變，而傳統增氧機普遍無法進行節能降耗、自主運行和自適應移動等，本文提出了一種面向非標小型魚塘的新型增氧機方案，并根據此方案設計了3個機械結構，開發了相適應的控制系統，解決了傳統增氧機使用成本高、工作效率低的問題，對改進養殖水質、促進并水產養殖業規模化/集約化和產業化發展和提高淡水養殖產量產值具有重要意義。

關鍵詞：非標小型魚塘；曝氣機構；升降機構；推進機構；有限元分析

中圖分類號：S 96" " " " " " 文獻標志碼：A

中國是一個漁業大國，漁業發展具有悠久歷史，在我國的經濟社會發展中具有重要作用。2023年全國水產品總產量7100萬t，比上年增長3.4%。全國水產養殖面積7187.50千公頃，同比增長1.10%。其中，淡水養殖面積5033.08千公頃，同比增長0.99%。

目前，我國魚塘養殖面積達上億畝的省份有十幾個，其中有一半以上屬于非標小型魚塘，這些小魚塘的面積占全部魚塘的52.26%左右。與傳統的方形或圓形魚塘相比，不規則小型魚塘的形狀更多樣化、更復雜，水域情況更多變。每年到了養殖中后期，魚塘經常出現缺氧和浮頭現象，其根本原因是非標準魚塘水體中溶氧不足。導致水體溶氧不足的原因較多，例如在養殖過程中，隨著魚體生長、存塘量增加和水體中有機質的分解，硫化氫和亞硝酸鹽等物質的氧化作用都會消耗水體中大量氧分子[2]。但現有技術中的增氧機設計普遍無法進行可節能降耗、自主運行以及自主移動，傳統增氧機功能單一、機構復雜和使用不便等問題也很突出。為了進一步提升產量，加快水產養殖規模化、集約化和產業化發展，推動國家助農共富的大局方針，設計并開發一款針對非標小型魚塘的新型增氧機尤為重要。

1 增氧機的主要機械結構

為了解決目前市面上普通增氧機在小型不規則魚塘水域功能單一、增氧效率低下和受外部環境因素影響較大等問題，本文設計了3個機械結構，即曝氣機構、升降機構和推進機構。

1.1 曝氣機構

本文比較了目前市面上的主流增氧方式，并針對非標小型魚塘的特點，設計了葉輪式曝氣機構，如圖1所示。頂部減速電機轉動可增氧。減速電機要克服葉輪在水中所受阻力矩，即Me≥M總，同時要實現轉速n=140r/min，因此選用JBG-520減速馬達，額定功率為18W，轉速可為140r/min，減速比為30，使用系數為1.15～1.2，額定扭矩M0=1470N·m。

葉輪式增氧機的推流是以增氧機為中心做圓周擴展運動。葉輪旋轉不會對水產品造成傷害，可充分改進魚塘水質，增加水中的溶氧量，防止魚類浮頭死亡，降低養殖成本，提高養殖密度，促進魚類生長，從而實現高產目標。

對于葉輪本身，本文也根據養殖戶的實際使用情況進行了單獨設計，即增加輸水孔的數量與“立體雙層”結構，促進葉輪旋轉產生的提水和離心輸水作用，形成立體水循環，以增加水和氣體的接觸面積。此外，葉輪的形狀和大小也是增氧效率的重要影響因素。為了提高增氧效率，本文選擇具有高比功率和高比轉速的小尺寸葉輪，可使葉輪產生更大的渦流和湍流，從而提高增氧效率[3]。

1.2 升降機構

當增氧機作業時，為了確保增氧機能夠適應不同水深深度魚塘的需求，本文設計了一個絲桿螺母升降機構，如圖2所示。絲桿和步進電機組成葉輪升降系統，其中絲桿牽引葉輪做小范圍縱向運動，絲桿要克服葉輪及其固定裝置的重力，即阻力Ff=G。驅動扭矩可由公式T=求得（其中T為絲桿驅動扭矩；F為絲桿導向面上阻力；Ph為絲桿導程；η1為絲桿正效率）。

使用的絲桿導程為4mm，正效率為70%，M為步進電機葉輪減速電機旋轉系統的質量，F浮為葉輪和葉輪軸受到的浮力，由排水法F浮=ρ液gV排可以得到T=0.909F。步進電機提供的扭矩要大于絲桿，即電機輸出扭矩Megt;T，其中Me=9550=1.4325N·m。由于Megt;T，因此選用億星的型號為42BYGH60的步進電機，其額定功率為30W，額定轉速為200r/min[4]。

利用2個42BYGH60步進電機帶動絲桿旋轉，進而將電機的水平旋轉運動轉變成曝氣機構的垂直升降運動，最終實現葉輪的升降。下方的2個限位螺母能精準地控制曝氣機構的最大下降深度，為增氧機的平穩運行提供良好的安全保障。補償式的升降葉輪方案也能改變葉輪的阻力，達到節約能源的目的。

1.3 推進機構

目前市面上的傳統增氧機只能定點增氧，通常一個魚塘需要2～3個增氧機才能實現全區域增氧，因此本文設計了自適應推進機構，如圖3所示。

螺旋槳固定處的鎖緊鐵環能夠將螺旋槳牢牢固定在設備上，防止因推進反作用力造成螺旋槳方向偏移。該機構將降低養殖戶的運營成本，改變以往需要多臺增氧機同時使用的低效局面，真正做到“一機全包”，顯著提高增氧效率。

本文在增氧機底部水平面上安裝了3個互呈120°的推進螺旋槳，從而在養殖戶控制端實現了魚塘的全水域增氧、自適應移動。螺旋槳在不同轉速下產生的推力與扭矩分別如公式（1）和公式（2）所示[5]。

T=KT ρD4n2 （1）

Q=KQρD5n2 （2）

式中：T為推力；KT為推力系數；ρ為流體密度；D為螺旋槳直徑；Q為扭矩；KQ為扭矩系數。

由公式（1）、公式（2）可知，隨著螺旋槳轉速逐漸升高，推力的大小和扭矩也不斷升高，大量數據驗證和樣機的實地演示的結果表明，螺旋槳的轉速為1000r/min～4000r/min能夠最大限度地發揮增氧機的增氧效率，同時也能保障設備運行安全。

2 增氧機關鍵零部件的可靠性分析

為了驗證部分重要零部件在增氧機實際運行情況下的強度可靠性，采用Ansys有限元分析，根據零部件的實際受力情況分別生成總變形圖。下文的零部件材料均選用鋁合金，彈性模量為69GPa，泊松比為0.33，密度為2770kg/m3。

2.1 葉輪的可靠性分析

葉輪是增氧機曝氣機構的關鍵部件，對增氧機的實際增氧效果具有重要作用。因此，本文運用Ansys有限元分析模擬葉輪在50rad/s的旋轉速度下的總變形圖，如圖4所示。葉輪體積為8.34×10-5m3，葉輪質量為0.231kg，環境溫度為22℃，離心力為F=mrω2=127N。

由分析結果可知，形變最大為3.89×10-7m，最大處位于葉片端部；形變最小為0，最小處位于葉輪頂部；平均形變為8.41×10-8m。由圖4可知，葉輪沿半徑的延伸方向變形，葉片也向旋轉方向扭曲變形，疏水孔有擴大的趨勢，整個葉輪的外形尺寸變大，這是由葉輪的離心力作用引起的。

2.2 支架的可靠性分析

支架是增氧機的外部框架，也是支撐增氧機曝氣機構與升降機構的重要零部件，底部的鎖緊鐵箍更是推進機構的安裝平臺，在整個增氧機中具有承上啟下的關鍵作用。因此，本文運用Ansys有限元分析模擬了支架在工況所受載荷下的總變形圖，如圖5所示。體積為6.31×10-5m3，質量為0.175kg，環境溫度為22℃。載荷為X分量0N，Y分量-3N，Z分量為5N。許用應力為[σ]==248MPa。

由圖5可知，變形最大處位于支架中部，最小處位于圓環上部與鋁桿底端交界處。最大形變為9.53×10-8m；最小形變為0m；平均形變為4.17×10-8m。支架中部為彎曲形變。對支架進行工況載荷分析，結果表明支架結構尺寸的安全余量較大，滿足設計需求。

3 增氧機控制系統的設計

為了更好地實現增氧機節能降耗、高增氧效率和自適應移動等功能，本文針對解決傳統增氧機的缺點，設計并開發了與機械結構相適應的2個控制系統。

3.1 曝氣機構的升降控制

增氧機通過BLE9100溶解氧傳感器獲取池塘溶解氧濃度，溶解氧濃度數據經RS485接口傳輸至STM32單片機，采用DM542步進電機驅動器控制42BYGH60步進電機，從而控制升降機構帶動曝氣機構升降并調節葉輪入水深度，使增氧和節能效果最優化。當水中溶氧含量較低時，葉輪可以下沉到較深位置，以使更多的水流經過葉輪進行增氧；當水中溶氧含量較高時，葉輪可以上升到較淺位置，減少氧氣注入量，從而達到節能的目的。如此不僅可以降低能源消耗，還可以保證水中溶氧含量的穩定性，提高水質的氧氣含量水平。

3.2 增氧機的可控與自適應移動

現市面上的增氧機普遍存在只能定點增氧的缺點，通常一個魚塘需要2～3個增氧機才能實現全區域增氧。與傳統的增氧設備相比，本文設計增氧機搭載的三相無刷推進器連接STM32單片機，采用HC06藍牙模塊并由手機App控制，具有主動移動功能，可以適應非標準小型魚塘的形狀，保證魚塘內的每個角落都能充分增氧，并達到“巡氧”目的，降低了增氧機的購入成本和使用成本。

此外，增氧機還搭載GP2Y0A21紅外測距模塊。當有漂浮物靠近增氧機或者增氧機被風吹向岸邊時，紅外測距模塊輸出模擬信號。STM32單片機啟動三相無刷推進器，使增氧機遠離漂浮物或岸邊。此功能降低了增氧機的損壞率和維修成本，增加了增氧機的使用壽命。

4 結語

綜上所述，針對目前傳統增氧機普遍無法節能降耗、自主移動且功能單一、機構復雜和使用不便等問題，本文提出并設計了3個機械結構——曝氣機構、升降機構和推進機構，并開發了相關的控制系統。曝氣機構能夠加快魚塘水層的交換，促進水體與氧氣充分接觸融合，進而提高增氧效率；可升降調節的葉輪能夠根據魚塘深淺調整不同區域的氧化效果，使水中毒素和廢物快速溶解和分解，減少魚兒患病概率，促進魚兒生長；自適應推進機構能夠擴大增氧機的工作面積，降低養殖戶的設備投入成本。

目前我國漁業市場對養殖增氧機需求量依然很大，但目前市場上主流增氧機主要適用于大型規模化的標準型魚塘。本款非標小型魚塘增氧機能較好地瞄準市場需求，針對性地解決傳統增氧機的缺點。通過精簡機構和合理選材，控制增氧機的生產與維修成本，助力養殖戶生產低投入、高回報。此外，該增氧機還能應用于城市水體修復、景觀水景設計、污水塘和水族箱等環境，具有廣闊的市場前景。

參考文獻

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