申超男， 付宗國(guó)， 李磊， 吳瑞康， 劉全良， 袁躍峰

（浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山316022）

0 引 言

貽貝又名海虹，亦稱(chēng)青口，附著性貝類(lèi)，因其具備突出的藥用與營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，素有“海中雞蛋”等美稱(chēng),其養(yǎng)殖技術(shù)簡(jiǎn)單，廣泛分布于中國(guó)黃海、渤海、東海沿岸,現(xiàn)已成為沿海漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展新的增長(zhǎng)點(diǎn)[1]。目前貽貝的分苗方法多采用“簇夾法”，即將貽貝苗分成若干小片或塊，每小片或塊約300粒左右，然后等間距地夾到苗繩上，這樣貝苗即會(huì)自動(dòng)的附在苗繩上，并隨著個(gè)體的逐步長(zhǎng)大做小范圍的移動(dòng)，不斷調(diào)整貝苗之間的密度直至布滿整根苗繩。此方法雖然前期省力高效，但是存在依靠生長(zhǎng)中的貝苗自適應(yīng)調(diào)節(jié)貝苗密度這一固定缺陷，貝苗生長(zhǎng)前期易堆疊，生長(zhǎng)速率不一，貽貝品質(zhì)下降[2]。后期必須進(jìn)行人為的密度調(diào)整，協(xié)調(diào)苗繩上的實(shí)際附苗量，工時(shí)急劇增大且易延誤貽貝生長(zhǎng)周期。

另外一種分苗方法俗稱(chēng)“包苗法”，即用網(wǎng)片把貝苗包到養(yǎng)殖苗繩上，待苗附著牢固后，再將網(wǎng)片拆去，這種方法對(duì)于零散、不成片或塊的苗種也同樣適用，分苗階段即避免了貝苗密度不均這一缺陷，但是人工包苗相比“簇夾法”更為費(fèi)事費(fèi)力[3]。綜合以上兩種分苗方法的優(yōu)劣，本文提出一種織網(wǎng)式貽貝包苗方法，實(shí)現(xiàn)貽貝的機(jī)械化包苗，兼顧貝苗密度調(diào)控與整體運(yùn)作速率，在規(guī)避傳統(tǒng)分苗法缺陷的同時(shí)，可有效提高包苗效率。

圖1 織網(wǎng)式包苗設(shè)備總體設(shè)計(jì)圖

1 織網(wǎng)式貽貝機(jī)械化包苗設(shè)備機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 總體設(shè)計(jì)

織網(wǎng)式貽貝機(jī)械化包苗設(shè)備主要包括撒苗機(jī)構(gòu)、織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)、收鉸機(jī)構(gòu)等部分（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為包苗設(shè)備）。撒苗機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)貝苗的暫時(shí)存放與分撒；織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)可將貽貝苗與麻繩包裹在由粗網(wǎng)線編織成的筒狀網(wǎng)布中，多組包苗電動(dòng)機(jī)同時(shí)運(yùn)作可有效提高包苗效率，縮短分苗階段占用的時(shí)間，形成有利的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)；收鉸機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)養(yǎng)殖苗繩的收集同時(shí)兼顧貝苗密度調(diào)控與整體運(yùn)作速率。包苗設(shè)備總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 基本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 撒苗機(jī)構(gòu)

包苗設(shè)備的撒苗機(jī)構(gòu)包括貽貝斗、撒苗口、滑道控制桿、撒苗電動(dòng)機(jī)等。貽貝斗內(nèi)盛放貽貝苗，貽貝自撒苗器出口撒出后經(jīng)輸送管道送至包苗臺(tái)，進(jìn)入包苗流程。撒苗機(jī)構(gòu)由其下方的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，需與織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)配合調(diào)控貝苗的撒出速率。圓柱形撒苗口的柱面上設(shè)置四處凹口，凹口之間間隔90°，貽貝斗中貝苗充足時(shí)單個(gè)凹口每次撒苗量為20～25粒[4]。撒苗機(jī)構(gòu)與撒苗口設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 撒苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.2.2 織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)

織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)是包苗設(shè)備的核心機(jī)構(gòu)，可將按預(yù)設(shè)量分撒的貽貝苗與麻繩包裹在由粗網(wǎng)線編織成的筒狀網(wǎng)布中，完成包苗作業(yè)?？椌W(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)設(shè)置3臺(tái)包苗電動(dòng)機(jī)，同時(shí)運(yùn)作可有效提高包苗效率[5]，織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

包苗機(jī)構(gòu)上部通過(guò)三角支架連接固定，并與上梁孔下方的齒輪嚙合，其可在三角支架電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞線軸盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)。線軸盤(pán)由支架連接固定在上梁孔下方，線軸盤(pán)上均勻布置了24組定線軸，每個(gè)定線軸與線軸圈上的槽位對(duì)應(yīng)，每個(gè)槽位內(nèi)側(cè)布置一塊電磁鐵，定線軸外側(cè)部分為鐵殼，可通過(guò)磁吸方式實(shí)現(xiàn)定線軸與線軸盤(pán)的固定。定線軸數(shù)量根據(jù)養(yǎng)殖苗繩的直徑可以調(diào)節(jié)數(shù)量，養(yǎng)殖苗繩直徑大時(shí)則可設(shè)計(jì)布置更多的定線軸。

織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)中，連桿2、連桿3與圓槽組成一個(gè)類(lèi)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，連桿2在包苗電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下做圓周運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)連桿3，連桿3推動(dòng)滑桿，使其沿圓槽軌道方向做頻率可控的周期伸縮運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)滑桿端部的電磁鐵與線軸盤(pán)上定線軸的周期性相遇。電磁鐵與定線軸接觸弧面內(nèi)側(cè)設(shè)置有柔性貼片，以減少兩者接觸時(shí)的碰撞噪聲。包苗機(jī)構(gòu)中的轉(zhuǎn)臂是由一個(gè)橫剖面為矩形的3/4圓環(huán)及其一個(gè)沿半徑方向的桿組成，其端部設(shè)置動(dòng)線軸，自動(dòng)線軸上的出線口可引出橫網(wǎng)線。線軸部分詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖3 織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)圖

圖4 線軸部分詳圖

圈式梳結(jié)構(gòu)位于線軸圈里面，包括彈簧、外齒輪、電動(dòng)機(jī)、齒條、連接架等。外齒輪設(shè)計(jì)部分齒缺失，電動(dòng)機(jī)工作可驅(qū)使齒條向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到外齒輪缺齒處時(shí)，齒條在彈簧的拉力下墜落，使圈式梳快速向下移動(dòng)，擠壓橫網(wǎng)線，從而可使編織完成的筒狀網(wǎng)布緊密地堆砌在一起，防止因網(wǎng)線松散而使貽貝散落，同時(shí)調(diào)整貽貝與麻繩之間填充的密集程度。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速?zèng)Q定著圈式梳垂向下落的頻率，在包苗機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)速率確定后，可選擇最佳的圈式梳下落頻率。圈式梳結(jié)構(gòu)如圖5所示。

包苗機(jī)構(gòu)工作時(shí)，每個(gè)定線軸均引出一條豎網(wǎng)線，每個(gè)動(dòng)線軸均引出一條橫網(wǎng)線。包苗電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，驅(qū)使滑桿端部電磁鐵與線軸盤(pán)周期性相遇，相遇時(shí)電磁鐵以磁吸的方式從線軸盤(pán)上帶走一個(gè)定線軸。轉(zhuǎn)臂電動(dòng)機(jī)驅(qū)使轉(zhuǎn)臂以預(yù)定角速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，并將自動(dòng)線軸引出的橫網(wǎng)線置于此時(shí)刻被電磁鐵帶走的定線軸引出的豎網(wǎng)線的內(nèi)側(cè)，隨后電磁鐵與線軸盤(pán)再次相遇時(shí)會(huì)放還此前被帶走的定線軸。此時(shí)包苗機(jī)構(gòu)在三角支架電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下繞線軸盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)定線軸槽位，電磁鐵亦回到初始位置，新循環(huán)開(kāi)始。在此期間圈式梳始終保持垂向運(yùn)動(dòng)，收緊橫網(wǎng)線。

圖5 圈式梳結(jié)構(gòu)圖

1.2.3 收鉸機(jī)構(gòu)

包苗設(shè)備的收鉸機(jī)構(gòu)位于包苗設(shè)備末端，是貽貝包苗的最后一道工序。設(shè)備工作時(shí)驅(qū)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)養(yǎng)殖苗繩鉸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，完成養(yǎng)殖苗繩的收集，同時(shí)兼顧調(diào)控整個(gè)設(shè)備的包苗速度[6]。

收鉸機(jī)構(gòu)的前方設(shè)置兩個(gè)導(dǎo)繩輪，用以改變養(yǎng)殖苗繩方向，同時(shí)避免養(yǎng)殖苗繩網(wǎng)布因過(guò)度受拉造成網(wǎng)布松散貽貝掉落。

圖6 各機(jī)構(gòu)依時(shí)間線運(yùn)行狀態(tài)圖

1.3 工作原理

織網(wǎng)式貽貝機(jī)械化包苗設(shè)備高效有序的包苗作業(yè)是在撒苗機(jī)構(gòu)、織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)、收鉸機(jī)構(gòu)等協(xié)調(diào)配合下完成的，各機(jī)構(gòu)依時(shí)間線運(yùn)行狀態(tài)如圖6所示。

1）A時(shí)刻。轉(zhuǎn)臂與動(dòng)線軸均處于初始位置，動(dòng)線軸位于轉(zhuǎn)臂最上方；此時(shí)電磁鐵第一次接觸到線軸圈上的定線軸（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為定線軸P），產(chǎn)生磁力吸附定線軸P；轉(zhuǎn)臂電動(dòng)機(jī)與包苗電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，滑桿逐漸向斜下方滑動(dòng)，電磁鐵與定線軸P一起向斜下方移動(dòng)，轉(zhuǎn)臂開(kāi)始沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，使橫網(wǎng)線逐漸進(jìn)入定線軸P引出的豎網(wǎng)線內(nèi)側(cè)；三角支架不轉(zhuǎn)動(dòng)。

2）B時(shí)刻。轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過(guò)90°，包苗電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)180°，滑桿抵達(dá)最低位置開(kāi)始逐漸向上滑動(dòng)，電磁鐵與定線軸P自此刻開(kāi)始向斜上方移動(dòng)；此時(shí)橫網(wǎng)線已經(jīng)全部進(jìn)入定線軸P引出的豎網(wǎng)線內(nèi)側(cè)；三角支架亦不轉(zhuǎn)動(dòng)。

3）C時(shí)刻。轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過(guò)180°，包苗電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)360°，動(dòng)線軸位于轉(zhuǎn)臂最下方；包苗電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)360°，電磁鐵第二次線軸盤(pán)，電磁鐵磁力消失，槽位內(nèi)側(cè)電磁鐵啟動(dòng)，將定線軸P放還原位置；此時(shí)刻電磁鐵不再吸附任何定線軸，隨滑桿開(kāi)始單獨(dú)向斜下方移動(dòng)；此時(shí)橫網(wǎng)線自定線軸P引出的豎網(wǎng)線內(nèi)側(cè)移至其外側(cè)；三角支架開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。

4）D時(shí)刻。轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過(guò)270°，包苗電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)540°；C-D過(guò)程中，三角支架轉(zhuǎn)動(dòng)15°（即一個(gè)定線軸的角度），轉(zhuǎn)臂電動(dòng)機(jī)正對(duì)應(yīng)定線軸Q，此時(shí)橫網(wǎng)線完全處于自定線軸Q引出的豎網(wǎng)線外側(cè)；滑桿單獨(dú)向斜下方移動(dòng)抵達(dá)最低處。

5）E時(shí)刻。轉(zhuǎn)臂恰好轉(zhuǎn)過(guò)360°，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)720°；D-E過(guò)程中, 三角支架再次轉(zhuǎn)動(dòng)15°，電磁鐵隨滑桿回歸至A時(shí)刻位置，此時(shí)電磁鐵第三次接觸線軸盤(pán)，產(chǎn)生磁力吸附定線軸R，橫網(wǎng)線開(kāi)始進(jìn)入定線軸R引出的豎網(wǎng)線內(nèi)側(cè)，開(kāi)始新循環(huán)。

織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)的核心功能，即將由動(dòng)軸線引出的橫網(wǎng)線，依照預(yù)定周期在定線軸引出的豎網(wǎng)線內(nèi)側(cè)與外側(cè)之間轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)橫縱網(wǎng)線的網(wǎng)格式交叉堆疊[7]。包入筒狀網(wǎng)布中的貽貝苗遇水恢復(fù)活性后，會(huì)分泌彈性纖維形成“足絲”附著在養(yǎng)殖苗繩上，此過(guò)程在貽貝下水后半個(gè)月內(nèi)完成。網(wǎng)布拆除時(shí)，自養(yǎng)殖苗繩上端剪斷豎網(wǎng)線后可將豎網(wǎng)線從苗繩下方抽出。豎網(wǎng)線拆除后橫網(wǎng)線后亦可去除，拆除后的網(wǎng)線可回收利用。貽貝包苗臺(tái)與筒狀網(wǎng)布如圖7所示。

圖7 貽貝包苗臺(tái)與筒狀網(wǎng)布圖

2 包苗方法研究

傳統(tǒng)“簇夾法”包苗密度為每15～20 cm夾一簇苗，每簇苗約300粒，一根2.5 m長(zhǎng)的苗繩的附苗量約為3600～4500粒苗，即每米苗繩約布置1500～1800粒苗。

2.1 包苗速度

包苗設(shè)備的包苗速度，主要依賴(lài)織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)的網(wǎng)織速度與收鉸機(jī)構(gòu)的收鉸速度，兩者協(xié)調(diào)配合，以免養(yǎng)殖苗繩內(nèi)的貝苗過(guò)分密集或松散?？椌W(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包苗速率按照以下分析公式計(jì)算：

式中：v為設(shè)計(jì)包苗速率，m/min；n為織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)中配置的包苗電動(dòng)機(jī)數(shù)目；s為橫網(wǎng)線橫截面直徑，m；k為兩條橫網(wǎng)線的間距與橫網(wǎng)線橫截面直徑的比值；ω為三角支架電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，rad/min；新型織網(wǎng)式貽貝機(jī)械化包苗設(shè)備，n=3,橫網(wǎng)線直徑s=2×10-3m,系數(shù)k可取1.8，ω=250 rad/min，故織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包苗速率為v=0.430 m/min。

相比與人工“包苗法”分苗速度v=0.15～0.20 m/min，織網(wǎng)式貽貝包苗設(shè)備的包苗速率可提高1.15倍，且可持續(xù)不間斷運(yùn)行。人工“包苗法”與紫貽貝如圖8所示。

圖8 人工“包苗法”分苗

2.2 養(yǎng)殖苗繩貝苗密度調(diào)控

織網(wǎng)式包苗設(shè)備設(shè)計(jì)包苗速率確定后，需設(shè)定撒苗結(jié)構(gòu)的撒苗速率，以便使包苗過(guò)程前后協(xié)調(diào)搭配。貽貝斗中貝苗充足時(shí)單個(gè)凹口每次撒苗量為20～25粒,撒苗結(jié)構(gòu)的撒苗設(shè)計(jì)速率按以下公式計(jì)算：式中：μ為撒苗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)速率，粒/min；v為織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)包苗速率，m/min；d1為養(yǎng)殖苗繩的平均直徑，m；d2為麻繩的平均直徑，m；V為單個(gè)貽貝的平均體積，m3；k為養(yǎng)殖苗繩的貽貝填充率。

織網(wǎng)式貽貝機(jī)械化包苗設(shè)備設(shè)計(jì)包苗速率為v=0.430 m 10/m-2im n，，系養(yǎng)數(shù)殖k苗可繩取直0徑.75d，1=由9×于10貽-2貝m，苗麻多繩為的小平片均或直塊徑，d按2=5照×貝苗殼高達(dá)到1.5～2 cm時(shí)包苗，故單個(gè)貽貝的平均體積可近似取V=1.8×10-6m3，綜上，撒苗機(jī)構(gòu)的撒苗速率設(shè)計(jì)為μ=788 粒/min，每米苗繩布置約1832粒貝苗。

2.3 多方協(xié)同控制

織網(wǎng)式貽貝機(jī)械化包苗設(shè)備依靠撒苗機(jī)構(gòu)、織網(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)與收鉸機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)作共同完成包苗任務(wù)[8]?？椌W(wǎng)式包苗機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)包苗的過(guò)程需依賴(lài)收鉸機(jī)構(gòu)及時(shí)收集已完工的養(yǎng)殖苗繩，同時(shí)需要撒苗機(jī)構(gòu)按時(shí)按量分撒貝苗，中間過(guò)程中的任何一環(huán)都是至關(guān)重要的。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著養(yǎng)蝦業(yè)的興起，大量貽貝供做蝦餌[9]，進(jìn)一步刺激了貽貝養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展，貽貝需要量持續(xù)增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年全國(guó)貽貝產(chǎn)量已突破80 000 t。在此背景下落后費(fèi)時(shí)的貽貝包苗技術(shù)更顯頹勢(shì)，高效省力的包苗方法必然成為研究的焦點(diǎn)。本文提出的織網(wǎng)式貽貝包苗方法在融合傳統(tǒng)貽貝“分苗法”的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了貽貝的機(jī)械化包苗，代替人工，同時(shí)從根本上規(guī)避“簇夾法”分苗方法前期需將貝苗分塊，中期需人為進(jìn)行密度調(diào)整等缺陷，貽貝恢復(fù)活性后筒狀網(wǎng)布拆除也相對(duì)便利。文中對(duì)貝苗密度、包苗速度等影響包苗設(shè)備性能的幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包苗設(shè)備的包苗速率v=0.430 m/min，撒苗機(jī)構(gòu)的撒苗速率為778 粒/min，每米苗繩分撒約1832粒貝苗，包苗速率較傳統(tǒng)方法提高了約1.15倍，綜合提出更高效的包苗方法。該包苗方法的研究可降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，為漁業(yè)機(jī)械與貽貝養(yǎng)殖生產(chǎn)技術(shù)等提供有益參考。