駱意，張方華，朱端祥，魏樹(shù)輝，黃建偉，程曉夏

（1.中國(guó)船舶集團(tuán)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(dòng)力系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，上海 200090）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)對(duì)海水魚(yú)類消費(fèi)需求的持續(xù)增長(zhǎng)[1]，海水養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速[2]，為了支撐行業(yè)發(fā)展，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位開(kāi)展了深遠(yuǎn)海漁業(yè)養(yǎng)殖裝備技術(shù)的研究[3-9]。其中，自動(dòng)投飼系統(tǒng)是養(yǎng)殖裝備技術(shù)中的關(guān)鍵裝備，該系統(tǒng)可以提高投飼精度和飼料利用率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少勞動(dòng)力成本，提高養(yǎng)殖生產(chǎn)效率。

投料選擇器也可稱為投料分配器，是自動(dòng)投飼系統(tǒng)中的核心設(shè)備，其主要功能是根據(jù)用戶的養(yǎng)殖工藝，將目標(biāo)養(yǎng)殖區(qū)域投喂任務(wù)分解成多個(gè)區(qū)域的批次投喂，實(shí)現(xiàn)單次單區(qū)域、區(qū)域依次輪流投喂，投料選擇器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響自動(dòng)投飼系統(tǒng)整體性能及系統(tǒng)布局?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)投料選擇器的設(shè)計(jì)與國(guó)外產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一致，隨著養(yǎng)殖水體的不斷增大，現(xiàn)有的選擇器（分配器）急需新的設(shè)計(jì)，以滿足工程項(xiàng)目的需要。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

投料選擇器是自動(dòng)投飼系統(tǒng)中的一部分，主要裝備在養(yǎng)殖工船或大型深遠(yuǎn)海桁架式網(wǎng)箱上，通常布置在布料器前、飼料倉(cāng)庫(kù)后，通過(guò)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(jīng)過(guò)選擇器進(jìn)入不同區(qū)域的輸送管道，從而實(shí)現(xiàn)多次投喂，覆蓋整個(gè)養(yǎng)殖區(qū)域。

1.1 國(guó)外現(xiàn)狀

國(guó)外針對(duì)投料選擇器設(shè)計(jì)的針對(duì)性研究較少，投料選擇器的結(jié)構(gòu)比較固定。典型的氣力自動(dòng)投飼系統(tǒng)有：挪威的AKVA集團(tuán)，代表產(chǎn)品為CCS自動(dòng)投飼系統(tǒng)；美國(guó)ETI公司，代表產(chǎn)品為FEEDMASTER自動(dòng)投飼系統(tǒng)；加拿大Feeding System公司等。主要的水力輸送自動(dòng)投飼系統(tǒng)有美國(guó)Innovasea Systems公司、挪威AKVA公司。這些國(guó)外品牌的投料選擇器如表1所示。

表1 國(guó)外品牌投料選擇器

國(guó)外投料選擇器既可以單獨(dú)安裝（如AKVA安裝在船舷位置），也可集成設(shè)計(jì)在集裝箱中，整體式結(jié)構(gòu)方便自動(dòng)投飼系統(tǒng)吊裝，大大降低了現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試的難度。

1.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)單位針對(duì)自動(dòng)投飼系統(tǒng)進(jìn)行了較為深入的研究：中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所在2009年依托“863”計(jì)劃的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域海水設(shè)施養(yǎng)殖重點(diǎn)項(xiàng)目開(kāi)展了自動(dòng)投飼系統(tǒng)的研究，針對(duì)遠(yuǎn)程氣力輸送自動(dòng)投飼系統(tǒng)選擇器設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)理論研究，介紹了選擇器基本工作原理及功能特點(diǎn)，確定了一些設(shè)計(jì)原則，給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的公式推導(dǎo)及設(shè)計(jì)演示[10]。中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所、青島海興智能裝備有限公司、煙臺(tái)優(yōu)泰漁業(yè)裝置有限公司等國(guó)內(nèi)企業(yè)、單位開(kāi)發(fā)了適用于智能投喂的自動(dòng)投飼系統(tǒng)的投料選擇器，陸續(xù)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的諸如“國(guó)信1號(hào)”、“耕海1號(hào)”等養(yǎng)殖工船或大型深海網(wǎng)箱項(xiàng)目。中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所、湖北海洋工程裝備研究院有限公司等單位對(duì)管道進(jìn)行了理論計(jì)算、CFD有限元仿真計(jì)算[11-12]，為管道輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算提供了參考。自動(dòng)投飼系統(tǒng)已成為深海養(yǎng)殖行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈的系統(tǒng)設(shè)備。

對(duì)比國(guó)外品牌，投料選擇器外形結(jié)構(gòu)基本相似：一個(gè)進(jìn)口多個(gè)出口，通過(guò)切換S形彎管與出料管的連接實(shí)現(xiàn)輸送區(qū)域的選擇，不同品牌的投料選擇器，驅(qū)動(dòng)S形彎管轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)略有差異。完成養(yǎng)殖區(qū)域的投喂需配置出口數(shù)量與投喂點(diǎn)數(shù)量一致的投料選擇器。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

投料選擇器的設(shè)計(jì)初期以模仿國(guó)外產(chǎn)品為主，每次實(shí)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(jié)構(gòu)示意圖

圖1所示為某型投料選擇器結(jié)構(gòu)示意圖，S形彎管沿旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，兩端各設(shè)置軸承支撐，當(dāng)S形彎管旋轉(zhuǎn)至目標(biāo)出料管位置時(shí)，滑動(dòng)套筒可伸出，實(shí)現(xiàn)管道的連接。整個(gè)旋轉(zhuǎn)裝置旋轉(zhuǎn)在密閉箱體中，可將零部件及驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與海水環(huán)境隔離開(kāi)，提高旋轉(zhuǎn)部件的使用壽命。

在上述結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)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(qū)動(dòng)方式。中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院淡水漁業(yè)研究中心設(shè)計(jì)的投料選擇器在左側(cè)設(shè)置齒輪傳動(dòng)[13]，通過(guò)電磁鐵實(shí)現(xiàn)管道的連接；中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所設(shè)計(jì)的投料選擇器在右側(cè)設(shè)置齒輪傳動(dòng)[14]，通過(guò)溜管實(shí)現(xiàn)管道的連接；廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所的投料選擇器在右側(cè)設(shè)置間隙傳動(dòng)形式[15]，如圖2所示。

圖2 氣動(dòng)化料道電動(dòng)分配器

圖3 Arvo-tec投料選擇器

圖4 S形彎管零件圖

國(guó)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(dòng)機(jī)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)S形彎管的一小截管道，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出管道的選擇。國(guó)內(nèi)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的投料選擇器結(jié)構(gòu)也采用電動(dòng)機(jī)組合減速器直接驅(qū)動(dòng)S形旋轉(zhuǎn)彎管，不同的是將旋轉(zhuǎn)部件整體置于箱體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過(guò)爪型旋轉(zhuǎn)連接件壓緊弧形密封墊實(shí)現(xiàn)管道的連接[16]。

2.1 S形彎管設(shè)計(jì)

S形彎管的回轉(zhuǎn)半徑直接影響設(shè)備大小，是設(shè)備中需優(yōu)先考慮設(shè)計(jì)的部件。S形彎管的通徑與管道氣力輸送理論計(jì)算[11]一致，本文不再贅述。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，本文對(duì)S形彎管設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮出口數(shù)量；為減少飼料顆粒在輸送過(guò)程中因撞擊發(fā)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(guò)法蘭進(jìn)行定位、連接，需預(yù)留直管段距離，建議該距離大于2倍法蘭厚度。按照上述經(jīng)驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了兩型S形彎管，如表2所示。

表2 S形彎管設(shè)計(jì)

表3 驅(qū)動(dòng)參數(shù)

分析表2中數(shù)據(jù)可知，出料管數(shù)量不同，管徑不同，管道彎曲半徑不相同，S形管的長(zhǎng)度不相同，出料管的分布圓相同。這種設(shè)計(jì)方法有以下優(yōu)點(diǎn)：投料選擇器可通過(guò)出口數(shù)量進(jìn)行選型，當(dāng)固定出口數(shù)量、規(guī)范出料管分布圓半徑、長(zhǎng)度后，S形彎管的結(jié)構(gòu)可在行業(yè)內(nèi)達(dá)成統(tǒng)一；S形彎管及其固定安裝件整體可作為一個(gè)部件，在不同的選擇器箱體中使用，提高了S形彎管的適應(yīng)性，便于進(jìn)行型號(hào)設(shè)計(jì)；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(duì)設(shè)備的需求，提高了單根S形彎管的加工效率。

2.2 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

如前文所述，投料選擇器有多種驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案。不同的方案會(huì)對(duì)電控參數(shù)設(shè)置有直接的影響。

根據(jù)圖1結(jié)構(gòu)的投料選擇器驅(qū)動(dòng)裝置參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的脈沖輸入?yún)?shù)。

電動(dòng)機(jī)細(xì)分?jǐn)?shù)決定了電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)1圈的脈沖數(shù)，假設(shè)使用86HS118-60-1000型閉環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。大齒輪固定不動(dòng)，小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪繞大齒輪同時(shí)做螺旋運(yùn)動(dòng)及自轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)1圈后小齒輪回復(fù)原位，在自轉(zhuǎn)圈數(shù)的基礎(chǔ)上公轉(zhuǎn)了一圈，因此，電動(dòng)機(jī)的脈沖數(shù)計(jì)算如表4所示。

表4 計(jì)算參數(shù)

2.3 其它設(shè)計(jì)

在投料選擇器的設(shè)計(jì)中，除上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)外，密封、控制邏輯、傳感器反饋等也是需要重點(diǎn)考慮的設(shè)計(jì)點(diǎn)。密封是比較重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容，良好的密封可隔絕海上的鹽霧環(huán)境，目前比較通用的密封方式是使用膠墊或O形圈，通過(guò)螺栓或者壓扣的方式進(jìn)行壓緊固定；控制邏輯是結(jié)合用戶養(yǎng)殖工藝細(xì)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作流程，其設(shè)定必須考慮各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作時(shí)間，避免邏輯錯(cuò)誤或者動(dòng)作不到位；為了保證動(dòng)作到位、控制邏輯正常，通常采用接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行信號(hào)確認(rèn)，保證控制邏輯的準(zhǔn)確執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)投料選擇功能。

3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

某深海養(yǎng)殖網(wǎng)箱平臺(tái)項(xiàng)目提出了設(shè)計(jì)需求，經(jīng)簡(jiǎn)化，與投料選擇器相關(guān)的需求如表5所示。

表5 項(xiàng)目需求

按圖1所示原理設(shè)計(jì)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(tài)、速度，通過(guò)改變S形彎管后續(xù)直管段長(zhǎng)度，統(tǒng)計(jì)觀察顆粒碰撞數(shù)和出口飼料顆粒是否滿足懸浮條件，飼料顆粒碰撞數(shù)越小，投料選擇器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越合理。最終要結(jié)合管道長(zhǎng)度及用戶要求的投喂半徑綜合確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。使用表2中管1的設(shè)計(jì)參數(shù)，按表3的驅(qū)動(dòng)裝置參數(shù)進(jìn)行相關(guān)控制參數(shù)設(shè)計(jì)，通過(guò)表4的方法計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)控制參數(shù)，使用RS100型位置開(kāi)關(guān)反饋套筒插入、退回是否到位，按用戶的投喂工藝分解設(shè)置投料選擇器控制邏輯，如圖5所示。經(jīng)過(guò)匹配設(shè)計(jì)，投料選擇器的三維設(shè)計(jì)及實(shí)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(shí)物圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 自動(dòng)投飼系統(tǒng)性能試驗(yàn)結(jié)果

2022 年6月進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)果表明，投料選擇器達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，管道切換動(dòng)作正常，可完成12根出料管的任意切換。

通過(guò)與用戶的交流后得知，區(qū)域太多會(huì)導(dǎo)致投喂開(kāi)始時(shí)間點(diǎn)產(chǎn)生較大差異，該差異會(huì)影響魚(yú)類的進(jìn)食時(shí)間，影響魚(yú)類生長(zhǎng)。用戶提出需要在某個(gè)時(shí)刻進(jìn)行投喂、在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行投喂、投喂速度前快后慢等要求。

由于每個(gè)投喂區(qū)域會(huì)設(shè)計(jì)一定的投喂時(shí)間，自動(dòng)投飼系統(tǒng)管道切換有時(shí)間間隔，當(dāng)養(yǎng)殖區(qū)域較大時(shí)，這種養(yǎng)殖工藝必須要求自動(dòng)投飼系統(tǒng)同時(shí)投喂才能滿足用戶需求。因此，針對(duì)這種現(xiàn)實(shí)需求，隨著深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有必要研發(fā)新的投料選擇器。要求新型投料選擇器既可以單區(qū)域選擇，也可以多區(qū)域選擇，直至同時(shí)投喂所有區(qū)域。設(shè)計(jì)這種新型投料選擇器時(shí)，需考慮將氣管中的飼料均勻地分到各個(gè)支路中，保證分配的均勻性，同時(shí)要考慮破碎率，滿足投喂半徑要求，這對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分配過(guò)程設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

考慮到平臺(tái)上的空間有限，新型投料選擇器需盡可能地縮小尺寸，同時(shí)避免因結(jié)構(gòu)變化而影響自動(dòng)投飼系統(tǒng)的整體性能。

5 結(jié)語(yǔ)

1）國(guó)內(nèi)投料選擇器結(jié)構(gòu)與國(guó)外相似，主要是實(shí)現(xiàn)單管的切換。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算仿真及電控控制等方面取得了較大進(jìn)展?，F(xiàn)階段已支撐大型桁架式網(wǎng)箱平臺(tái)及養(yǎng)殖工船開(kāi)展了實(shí)際應(yīng)用，產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)適用性、環(huán)境適應(yīng)性方面持續(xù)優(yōu)化提高。

2）介紹了投料選擇器的工作原理，并詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有投料選擇器的多種結(jié)構(gòu)形式，針對(duì)某型投料選擇器進(jìn)行了設(shè)計(jì)流程介紹，對(duì)S形彎管及其驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，為同類型投料選擇器設(shè)計(jì)提供了參考。

3）針對(duì)某深海桁架式網(wǎng)箱平臺(tái)項(xiàng)目進(jìn)行了投料選擇器設(shè)計(jì)，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了相關(guān)參數(shù)、控制邏輯設(shè)計(jì)的正確性，試驗(yàn)表明，該型投料選擇器功能完備，可按用戶需求進(jìn)行飼料投喂工作。

4）隨著用戶對(duì)養(yǎng)殖工藝的重視及科學(xué)養(yǎng)殖研究的需要，用戶會(huì)針對(duì)不同的魚(yú)種編制特殊的投喂策略。有必要加強(qiáng)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖投料選擇器的研發(fā)，開(kāi)發(fā)投喂速度高、可選擇、可同時(shí)投喂的多功能投料選擇器，支持我國(guó)的深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖事業(yè)迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)外設(shè)備的趕超。