2020,
Vol. 29
中国是水产养殖大国, 池塘养殖产量已经超过总水产养殖产量的50%, 是水产养殖的主要方式, 虾类养殖是其中的重要组成部分[1-4]。投饵装备可以有效降低劳动强度、提高饵料利用率和投饵均匀度[5-7]。目前, 成熟的投饵系统主要用于养鱼[8-13], 随着渔业自动化技术的发展, 适用于全塘饵料均匀抛洒的船载投饵装备逐渐成为研究的焦点[14-17]。将岸基固定式投饵机简单改造后移植到船上进行使用的方式, 存在着重心高、风阻大等问题, 导致船体运动性能下降, 且随着饵料投送, 船体重心位置变化造成驱动部分吃水线上升幅度大, 投饵过程全程驱动效能难以稳定维持。为解决这一问题, 采用螺旋输送加抛料盘撒料方式, 可以基本保持重心位置不变, 但螺旋输送过程中破碎率高, 对水体环境造成污染。为此, 开发满足虾塘移动式投喂需求的船载专用投饵装置, 做到整体高度低, 投喂过程中投饵船重心位置基本不变、饵料破碎率低, 对于提高绿色养殖水平具有重要意义[18-20]。
针对上述问题, 本文设计了一种船载平衡式抖料系统。以U型钢、卡箍定位直流电机, 电机旋转带动偏心轮产生高低差变化, 通过铰接支架传导到箱体托架, 在对称转动支架复合作用下, 箱体平衡振动作用于饵料。与螺旋输送等方式相比, 料箱整体性抖动工作模式能够均匀下料, 且输料管低倾角下输送距离长, 有利于投喂过程保持船尾螺旋桨驱动部分吃水线相对稳定, 针对不同的投喂平台有良好的通用性和可移植性, 为虾类投喂设备的研发提供了适合的关键性支撑性装置。
1 船载投饵设备总体方案 1.1 投饵设备整体布局及工作原理虾塘移动式投饵设备船体为PE材料吹塑成型, 壁厚4 mm, 双体平台通过40 mm×20 mm×2 mm的304不锈钢方管联接。平台主尺寸长1.5 m、宽0.9 m、型深0.3 m, 工作船速大于0.8 m/s, 饵料载重50 kg, 见图 1。平衡式抖料系统位于双体船平台上, 上部箱体内放置饵料, 箱体下部空间安装支撑与动力装置。工作原理:通过控制平衡式抖料系统偏心量、振动频率和出料口大小调节下料量, 利用抛料电机转速和抛料盘仰角调节饵料抛洒半径, 实现均匀投饵。
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1.U型托架; 2.直流电机; 3.卡箍; 4.偏心轮; 5.振动托架; 6.转动托架; 7.饵料箱; 8.箱盖; 9.外球面带座轴承; 10.支点支架; 11.法兰出料口; 12.方管; 13.抛料盘; 14.船体 1.U-shaped bracket; 2.DC motor; 3.Clamp; 4.Eccentric wheel; 5.Vibrating bracket; 6.Rotating bracket; 7.Bait box; 8.Box cover; 9.Outer spherical bearing; 10.Pivot bracket; 11.Flange discharge port; 12.Stainless steel square tube; 13.Throwing disc 14.Hull 图 1 船载投饵设备总装结构图 Fig. 1 chematic diagram of the assembly structure of the boat feeding equipment |
根据虾类摄食习性和养殖用户操作需求, 结合虾类养殖的不同环境特点, 确定投饵装置设计应该满足的主要技术指标如表 1所示。
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表 1 主要技术指标 Tab.1 Key technical performances |
料箱整体式抖动实现的难点之一是50 kg质量过大, 抖动支点按常规方式置于尾部进行整体起振对电机驱动力矩和能耗有很大的挑战。为解决这一问题, 设计了平衡式抖料系统, 即支点选择在料箱中心位置, 借助料箱饵料本身相对于支点左右两侧的重力平衡的特点显著减小振动难度。抖料系统主要由偏心振动机构、支架和料箱等组成, 如图 2所示。其基本原理:直流电机带动偏心轴转动, 产生周期变化的高低差, 通过轴承座与支撑将能量传递到饵料箱端部, 在中部支架协调转动下, 箱体产生周期振动作用于箱内坡板饵料, 达到下料要求, 下料速率可以通过偏心量、支点位置、坡板倾斜角和电机转速调整, 选择四者之间的合理值, 完成系统均匀、低破碎下料要求。
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1.U型托架; 2.直流电机; 3.卡箍; 4.偏心轮; 5.振动托架; 9.外球面带座轴承; 15.料箱坡板 1.U-shaped bracket; 2.DC motor; 3.Clamp; 4.Eccentric wheel; 5.Vibration bracket; 9.Outer spherical bearing; 15.Casing ramp 图 2 平衡式抖料系统剖视示意图 Fig. 2 Schematic diagram of balanced dithering system |
偏心机构主要由单耳轴承座、轴承、偏心轴等3部分组成, 如图 3所示。考虑轴承在径向受力较大, 选用60 000系列轴承做中间转动体, 与304不锈钢单耳轴承座配合, 偏心轴采用外径15mm不锈钢光圆与轴承间隙配合。根据凸轮机构滚子从动件对心直动推杆结构(轴承座端孔与料箱振动支点以垂直转动副铰接), 偏心轴旋转1周料箱产生高低差。
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图 3 偏心机构 Fig. 3 Eccentric mechanism |
为了提高饵料下料均匀度, 降低能耗, 提高利用率, 根据平衡抖料系统结构及工作原理, 运用解析法对抖料系统各构件和铰接点运动分析, 借助数学模型计算获得不同偏心距对料箱振幅的影响[21-24]。根据虾类摄食习性与养殖经验及船体巡航速度, 下料合理速率最小控制在1 kg/min, 最大不超过3 kg/min。通过改变振动频率确定与下料速率的关系, 得到偏心距与振幅合理区间。
简化系统运动四杆机构如图 4所示, O1为电机固定中心, O为支点支架对称中心, l1为电机轴旋转曲柄矢量, l2为偏心轴承座杆矢量, l3为料箱矢量, l4为支架支点到电机固定中心的杆矢量, 采用矢量法建立了机构的位置方程。
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图 4 抖料系统运动机构数学模型 Fig. 4 Mathematical model of moving mechanism of shaking system |
设构件的杆矢量分别为l1、l2、l3、l4, 根据封闭矢量多边形法则, 各矢量之和为0, 即
(1)
将式(1)以复数矢量形式表示:
(2)
实部和虚部通过欧拉公式e-iα=cosα+i sinα分离移向, 得:
(3)
合并式(3)两式, 两端同时平方相加得:
(4)
简化(4)式得:
(5)
式中:A=2l1l3sinα1; B=2l3(l4-l1cosα1); C=l22-l12-l32-l42+2l1l4cosα1。
令
(6)
最后解得:
将(6)式代入(3)式中可求得:
(7)
式中:A'=2l1l2sinα1; B'=2l2(l1cosα1-l2); C'=l12+l22+l42-l32+2l1l4cosα1。
当l1值变化, 对应偏心量变化Δl, 通过改变l1的增量调节杆NO与水平方向夹角a3值, 进而求得NO1在N点处位移变化(即料箱振幅变化), 变量值计算:
(8)
角度弧长转换公式:
(9)
偏心量改变时, 即l'=l1+Δl', 将l'代入公式(5)与(7)可得a'值, 再代入公式(8)和(9), 得NO杆在N的弧长变化。
分别取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5等5组偏心量代入算式, 当偏心量为1.0~1.5 mm时, 下料量达到设计要求, 且整个过程下料量稳定, 故取整平均值偏心量为1.2 mm。
2.2 电机选型分析振动机构由直流电机、偏心轮、电机托架3部分组成。选用型号8#80 mm×43 mm×5 mm的U型钢作电机托架, 底部开孔用于自身固定, 两侧对称孔用于固定电机, 如图 5所示。由图 2组成可知, 抖料系统上部总重:
(10)
式中:m1为满载饵料, 50 kg; m2为料箱总重, 3.2 kg; m3为转动托架, 5.1 kg; m4为偏心轮等, 约为1.7 kg。总质量为60 kg。
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1.U型托架 1. U-shaped bracket 图 5 电机固定示意图 Fig. 5 Schematic diagram of motor fixing |
根据PE材料特性, 在建模软件中测得质心位置在0.6 m处, 定为原点O。以船首为正方向, 则坐标点(310, 0)作为振动电机支点中心位置。根据整个偏心振动系统的特点, 对转动支撑部分受力分析简化力矩[25]。见图 6。
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图 6 平衡转动支撑力矩简图 Fig. 6 Schematic diagram of the balance rotation support torque |
如图 6所示, 简化饵料与料箱总重G, 举升箱体作用在电机上的载荷为F1。根据力矩平衡原理, 系统初始动作时端部支点受力F1为
(11)
由式(11)得
满载饵料, 在室温20 ℃下5组电机12 V电压抖料的工作情况如表 2所示。对比分析电机扭矩、实测损耗百分比与电机外壳温度(工作30 min)情况, 选取80 W功率、额定转速2 600 r/min、额定扭矩2.5 kg·cm、温升较小的Y80电机作为驱动电机。
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表 2 备选电机工况 Tab.2 Alternative motor working condition |
框体和支架是料箱承重的关键, 如图 7所示。根据箱体振动强度和稳定性要求, 选用40 mm×40 mm×4 mm角钢焊接成闭环框体托架, 箱体受力F主要集中在底部以及四周。通过螺栓四周固定箱体, 形成3组平衡力, 通过框体底部对称的纵向轴承座预留孔, 调节支点支架相对于起振电机的位置, 以此调整系统装置在船体的重心, 实现平衡抖动效果。
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6.转动托架; 10.支点支架; 16.轴承座预留孔 6. Rotating bracket; 10. Pivot bracket; 16 Bearing seat reserved hole 图 7 框体受力示意图 Fig. 7 Schematic diagram of the force of the frame |
支架作为系统主要承重部分, 不仅要承受饵料及系统自身重, 且考虑到振动过程的高低差影响, 设计中借鉴轴承转动的低阻特性, 考虑成对支架转动可能因偏心而产生扭矩进行改进。通过支架顶部加装带座外球面轴承, 可承受很大径向载荷和一定的轴向载荷。轴承外径与轴承座内径通过球面配合, 调心范围为3°~8°, 可补偿一定安装误差产生的轴线不重合, 达到提高支架强度与稳定性要求[26]。
2.3.2 饵料箱分析为使振动过程顺畅下料, 消除饵料仓内“积拱”现象, 避免饵料在仓内形成“漏斗流”影响下料的稳定性[27], 合理设计非对称“V”形、β为10°倾角的坡板, 如图 8所示。出料口偏离对称中心35 mm, 控料口采用横向抽拉板, 下料管通过40 mm×20 mm×2 mm不锈钢方管联接, 出口端焊接法兰, 可独立联接抛料装置, 方便拆卸, 料箱底中部开300 mm×200 mm孔用于箱体与托架及坡板的安装[28]。料箱总容积为614 mm×420 mm×360 mm, 以成虾标准2号饵料(实际测量容积密度为720 kg/m3)计算实际料仓载重, 则
(12)
式中:
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图 8 料箱尺寸示意图 Fig. 8 Schematic diagram of bait bin size |
如图 9所示, 进行样机加工, 测试仪器有:AR925-非接触激光测速仪、HT-38红外测温仪、PWM脉冲调速控制器、分贝仪软件、直流稳压电源(最大电流20 A)、对虾专用2号饵料50 kg(筛除破碎颗粒, 消除初始破碎率影响)、水桶, 2 m×1 m×0.01 m中密度泡沫板拉、压力计(精度0.1 g)、筛子和秒表。
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图 9 样机下料试验 Fig. 9 Bait feeding test of prototype |
为了方便实验室测试, 减少饵料重复加注次数, 将料箱下料口尺寸缩小至原来的66.7%进行实验, 缩小后的开口尺寸为40 mm×20 mm(通过测试, 缩小比例后的开口下料速率为实际尺寸开口下料速率的50%, 即测试下料0.7 kg/min, 代表实际下料1.4 kg/min)。
3.2 测试结果分析启动装置, 待工作稳定后观察稳压电源, 则电机实际输出功率为
(13)
由功率损耗值为0.507, 计算得实际功率P=33.14 W, 小于额定输出功率80 W, 具有合理的动力储备。试验中载料50 kg, 分析6组支点位置与下料的关系, 其中破碎率测量以20 kg下料量称重计算, 测试数据如表 3所示。
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表 3 支点位置下料试验 Tab.3 Pivot position bait feeding test |
对数据进行分析可得支点位置与下料速率、破碎率和电流变化折线图(图 10~11)。由图 10可知, -40至-20之间三线相交, 破碎率值稳定, 且观察图 11支点位置与电流变化试验数据, 三者曲线斜率基本相同, 故-40至-20为最优支点位置范围。
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图 10 不同支点位置下料速率 Fig. 10 Average bait feeding velocity of different pivot positions |
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图 11 不同支点位置电流值变化 Fig. 11 Current variation of different pivot positions |
偏心量测试时, 以EVA泡沫板作为样机底部垫板降低振动产生的下料误差。试验料箱坡度10°, 电机工作转数1 793 r/min, 2号白对虾料50 kg(筛除破碎颗粒), 下料测试20 min, 分别记录前、后10 min下料情况, 重复3次试验求破碎率平均值, 记录数据如表 4所示。
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表 4 偏心量下料试验数据 Tab.4 Eccentric shaking distance and bait feeding amount test data |
实验过程中, 可以观察到偏心量在1.0~1.5 mm之间时系统工作稳定, 2.0~2.5 mm时装置振动剧烈。对数据进行分析可得偏心量与下料各参数关系折线图(图 12~14)。由图 12可以看出偏心量在1.0~1.5 mm时下料前后稳定, 偏心量再次增大时, 前后下料差逐渐变大, 在1.5~2 mm时虽有相交, 但此区间振动、噪声超过60 dB, 且从图 13可以看出前后电流分别线性上升且无相交, 由图 14可见破碎率值随偏心量成线性上升。通过以上分析表明, 取平均值1.2 mm为偏心量的设计值合理。
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图 12 不同偏心量下的下料量 Fig. 12 Bait feeding amount of different eccentricity |
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图 13 不同偏心量下电流值 Fig. 13 Current value at different eccentricity |
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图 14 不同偏心量下饵料破碎率 Fig. 14 Bait breakage rate at different eccentricity |
为了进一步验证实际应用中投饵机的使用效果, 于2019年5月28日进行投饵试验, 该水域长约210 m, 宽50 m, 面积约为10 500 m2, 水深约1.5 m, 如图 15所示。试验气象条件良好, 微风、微水流。
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图 15 平衡抖料系统现场试验 Fig. 15 Bait casting test in pond |
分空载和满载两种情况测试抖料系统对船体行驶性能试验。分别定位相同4个拐点在自主导航模式下工作, 测算抖料系统3次完整工作时长、循迹路线和总投饵量。两组测试过程, 船体水中姿态保持约5°角姿态稳定运行。料箱置于船体尾部时满载和空载两种状态下螺旋桨位置吃水深度变化量为10.2 cm, 本设计方案中吃水深度变化为7.3 cm, 显著降低了螺旋桨位置确定的难度, 提升了驱动效率。
试验结果如表 5所示, 空载投饵船船速1.2 m/s; 满载时投饵船船速均值1.03 m/s, 下料均值1.63 kg/min。抖料系统振动对船速的影响均值为0~0.2 m/s, 可以按照预设轨迹巡航投饵。以设计最小抛料盘抛撒半径2.5 m计算抛饵密度:
(14)
式中:V为下料量速率, kg/min; S为每分钟抛料盘抛洒面积, m2/min。通过测算, 一个人工精细管理4 hm2养殖塘通常约需要1 h左右, 而使用1套该船载平衡抖料系统精细管理4 hm2养殖水面约需要30 min, 效率提高50%。
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表 5 抖料系统现场试验 Tab.5 Field test of feeder eccentric shaking system |
根据平衡抖料系统原理, 设计了凸轮机构滚子从动件对心直动推杆原理的偏心轮机构, 以直流电机、偏心轮和铰接支架驱动系统动作, 通过角钢托架和对称转动支架平衡抖料系统转动高低差, 利用振动产生初始动能传递到非对称10°“V”坡板饵料上, 结合下料开口大小完成抖料系统的均匀下料, 法兰下料口接抛料盘并通过船体搭载, 实现移动式均匀投饵。建立了抖料系统运动机构数学模型, 分析振动频率与偏心量的关系, 得到合理偏心量值1.2 mm, 实际测试中在振动、噪声、破碎料等方面取得了良好的效果。通过计算和优化分析, 支架定位坐标(-40, 0)时, 扭矩需求为1.03 kg·cm, 选用额定功率80 W、额定转速2 600 r/min、温升较小的Y80电机, 实际测试中功率为33.14 W, 且具有合理的动力储备。
现场试验结果表明, 平衡抖料系统整个工作过程下料均匀、顺畅, 系统重心较低, 工作稳定, 下料速率1.63 kg/min。双体船行驶整体吃水线以恒定5°角度增加, 螺旋桨吃水深度变化值显著下降, 且抖动下料料中平均船速1.03 m/s, 处于合理的目标范围。本投饵船在大风速环境下进行的运动性能试验表明, 由于船体重心较低, 对船速影响较小, 4级风环境下满载船速大于0.9 m/s, 可以正常使用。本文设计的平衡式抖料装置重心低、风阻小、下料均匀, 破碎率低, 后期维护方便, 可以减少饵料浪费, 显著提高绿色养殖水平。整体性抖动下料过程中输送距离远, 便于根据船体重心调节需求进行安装, 确保其在投喂过程全程运动性能稳定, 可在不同船体上方便地进行移植。
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