黏性饵料输送投喂装备的开发与试验

胡庆松， 张宏成， 李 俊， 陈雷雷

(上海海洋大学工程学院，上海 201306)

黏性饵料输送投喂装备的开发与试验

胡庆松， 张宏成， 李 俊， 陈雷雷

(上海海洋大学工程学院，上海 201306)

网箱养殖、幼鱼适口性驯化等需要采用黏性饵料，该类饵料人工投喂劳动量大，亟待研发相关装备满足实际生产需求。根据黏性饵料输送距离和投喂量等指标，设计了以柴油机为动力源的总体方案，选择容积式G型单螺杆泵作为投喂系统的核心，对输送泵、动力源、传动系统、输送管等关键部件进行选型及匹配设计，并校核泵的流量、动力满足度、推力等控制性参数；基于选型情况，设计置料器、连接件等附属零件，进行整体结构成型和加工调试。该系统的现场试验结果表明，装备性能可满足黏性饵料输送，输送距离达到100 m，覆盖区域50 m×50 m，最大输送速率达到12 840kg/h，满足实际需求。该系统装备造价0.75万元，可以根据需要进行输送管道的灵活布置，无需外部电源供应，适合网箱养殖等野外环境下的群组配置。

黏性饵料；投喂系统；G型泵；输送管道；网箱养殖

黏性饵料作为一种饵料形式，由于可以方便地采食和消化，在网箱养殖、幼鱼适口性驯化等过程中起到非常重要的作用，可以避免颗粒料的诸多不足[1-2]。在网箱养殖中，采用人工饵料是必然趋势，但存在着鱼苗对人工饵料的接受能力弱，难以直接采用颗粒料进行投喂。解决方案之一是按鱼日龄逐步由鱼浆料到人工黏性混合饵料，再到全人工配合料按比例调适过渡，最终实现全人工颗粒料投喂[3-5]。目前，虽然人工颗粒料的投喂装备已经比较成熟，但国内已开发的投饲机大部分以淡水池塘养殖为主[6]，适用于网箱养殖中黏性饵料投喂的较少[7]。现有投饲机的工作方式主要有气动式、螺旋输送式、离心抛物式、电子控制投饵船、鱼动式等，也有采用音响集鱼式的投饲机，还有电脑控制并随温度和阳光变化自动调整控制投饵数量的投伺机等[8-9]，这些投饲装备所采用工作方式不能适应黏性饵料的投喂需求，需要进行新设备的开发。

黏性饵料投放主要解决的是远距离分布式输送问题。此外，随着饵料组成变化及含水量不同，饵料黏度也在相应变化，所研发的装备还需要具有较宽的适应能力。基于以上分析，本文所设计黏性投喂输送系统主要从高压力管道、输送泵选取、动力源匹配等方面进行考量，充分考虑到连接件、支架等适应海上盐雾环境和密封性要求等，结合成本因素进行开发，以利于其推广应用[10]。

1 黏性饵料投送装备关键部件选型与匹配设计

黏性饵料的长距离输送需要通过高压予以实现，考虑到其黏性特点，核心器件拟选用容积式G型单螺杆泵。根据网箱一般无电源供能的现实情况，选用柴油机作为驱动力来源。考虑到高压输送过程中压力会随距离的变化而改变[11]，以及易于分布式布置要求，选用无毒PE材料管道作为输送通道。具体选型和匹配设计如下。

1.1 G系列单螺杆泵选型

G型泵旋转轴轴封形式适合高黏度传输对象的特性，结构紧凑、密封好、维修方便。G型泵是采用螺杆按迥转啮合容积式原理工作的泵种[12-13]，其基本结构如图1所示。G型泵转子具有高质量的表面特性，粗糙度低，具有较高的耐疲劳、耐腐蚀性、耐磨性和硬度特性。G型螺杆泵具有较好的吸入性能，机械振动小、无脉动、运行平稳，用来输送具有黏度、流体性能的饵料具有较好的效果[14-15]。本设计中，按照每小时约8 000 kg的投饵速率进行设计，选用G40-1型螺杆泵，其流量12 m3/h、压强0.6 MPa、转速960 r/min、功率4.0 kW、进口法兰通径80 mm、出口法兰通径65 mm、允许颗粒直径3.8 mm、允许纤维长度45 mm。

图1 G40-1螺杆泵结构图

经过测量，鱼浆饵料密度ρ=1.07 g/cm3，由流量12 m3/h可计算出每小时饵料投放总质量为12 840 kg，大于设计指标8 000 kg，故G40-1泵流量参数满足设计要求并有一定裕度。此外，G型泵流量与转速存在一定的关系，G40-1泵转速在125 ～960 r/min时，对应流量变化范围在0.3 ～12 m3/h，可通过柴油机转速进行调节，从而控制黏性饵料的流量和投饵速率。

1.2 G40-1泵推力的计算与校核

泵推力与压强的关系及物体面积与直径的关系：

F=P·S

(1)

S=π·(d/2)2

(2)

式中：F—G40-1泵所提供的最大推力，N；P—最大流量时提供的压强，Pa；S—排浆口面积，m2；d—出口法兰通径，m。

由式(2)可计算出G40-1泵排浆口面积S=3.317×10-3m2，再由式(1)计算得到泵产生的额定推力F=1 990 N。该黏性料投喂装备采用聚乙烯(PE)管，为使该管与单螺杆泵出口法兰通径卡箍衔接的密封性，选择内径为63 mm管道。管道内壁的动摩擦因数u=0.241，由于管道存在弯曲，饵料存在黏度，故设定管道综合系数r=2.32。阻力与综合系数的关系为：

F1=u·r·G

(3)

式中：F1—使黏性饵料正常流动的力，N；G—管道内饵料总重力，N。

取输送饵料的距离h为100 m ，由PE管内径63 mm，可算出管中饵料总体积为0.311 6 m3，饵料密度ρ为1.07 g/cm3，据此可计算出管中饵料总重力为3 270.8 N；由式(3)进一步推算出饵料流动需要的推力1 828.8 N，小于G40-1螺杆泵的额定推力1 990 N，因此，G40-1泵提供的推力可以输送黏性饵料的距离约为100 m。我国海水网箱养殖绝大多数是联排式小型网箱，单个网箱面积约25 m2，一般网箱养殖区域大小在50 m×50 m，所以，饵料投送装备的性能参数能够满足网箱养殖基本需求。

1.3 柴油机选型及传动系统设计

网箱一般独立漂浮于水面，往往不具备动力电源。本次设计中采用柴油发动机作为动力源带动G40-1螺杆泵。通过选型，拟采用R180型柴油机[16-17 ]，其为单杠、卧式、蒸汽水冷、四冲程，涡流燃烧室，标定功率5.67 kW，额定转速2 600 r/min，最大扭矩大于23.4 N·m，最大扭矩转速小于2 080 r/min，外形尺寸为625 mm×341 mm×464 mm。柴油机在通过皮带带动G型泵输送黏性饵料时，其功率和转速变化较大，且相互间没有特定的关系，加之柴油机负荷取决于输送饵料的阻力，故在同一转速下，柴油机负荷可以从零变到全负荷。R180柴油机扭矩、功率、油耗率与转速关系见图2。

图2 R180柴油机综合参数图

柴油机转速在1 530 r/min时，具有低油耗、传输扭矩大、功率较低的优越性能。将柴油机工作转速选定在1 530 r/min左右，小皮带轮直径150 mm。带轮直径与传动比的关系：

(4)

式中：D1、D2—小皮带轮、大皮带轮直径，mm；N1—柴油机实际转速，r/min；N2—G型泵转速，r/min；i—小皮带轮与大皮带轮传动比。

G40-1泵转速为960 r/min，传动比i=3∶2，根据式(4)，加装在螺杆泵上的大皮带轮直径为234 mm。

2 黏性饵料投送系统总体结构

网箱用黏性饵料投送装备工作原理：饵料通过进料体进入螺杆泵，在柴油机皮带传动下，螺杆泵连接轴通过万向节带动转子转动，将黏性饵料推送至出料体(配有法兰式排浆口)，排料口与PE管通过卡箍连接，饵料经过PE管被输送至网箱。根据上节中螺杆泵及传动系统的选型与设计，对该套黏性饵料投送装备进行总体结构三维建模(图3)。

图3 黏性料投喂装备

除螺杆泵、柴油机外，主要包括置料器、飞轮、支架、支架罩等。支架与支架罩通过Φ12mm螺纹固定连接，置料器上开口通径Φ400 mm、下开口法兰通径Φ75 mm，并与G型泵进浆口法兰固定连接[18]，进行产品加工、装配与调试后，其平面尺寸为980 mm×950 mm，占地面积小于1 m2。

3 现场试验及数据分析

2016年10月20日开始，在宁波市象山港高泥海域联排网箱进行现场试验。高泥海区始于西沪港口门内长礁灯柱，为经外高泥、里高泥至辛下岙碶头门园山一带沿岸海区，有海水网箱13 000余只，在外高泥和里高泥两地分别有配套专用码头，养殖区长度2.82 km、宽0.29 km，占用海域约1.1 km2，为象山县重要海水网箱养殖基地，主要养殖对象是黄鱼[19-20]。

试验时，首先启动柴油机，向置料器倒入海水，一方面湿润即将工作的投饵设备内壁，另一方面检验海水被推送至网箱时该设备的运行情况，然后将黏性饵料倒入置料器，饵料通过PE管被输送至指定网箱进行投喂，并观察大黄鱼吃料情况。试验结果表明(图4)，该设备能够顺利地将黏性饵料输送至约100 m处的指定网箱内。试验中，前20 m压力较大，管壁扩张较为明显，随着距离的增加，PE管壁的压力不断减小，变形也相应减小。

图4 饵料投送现场实景

为测定加料及出料时黏性饵料的密度与黏度，投饲机每次试验投放饲料前以及PE管出料后进行取样，计算两种情况下黏性饵料的密度与黏度。为减小误差，每组试验重复3次，取平均值。通过测试，加料时的密度为1.07g/cm3、黏度为0.8×107MPa·s，出料时的密度为1.06 g/cm3、黏度为1×107 MPa·s。加料和出料时，鱼浆饵料的密度无显著性差异，黏度有较大增加。

通过对PE管中不同段进行距离S标记及鱼浆饵料通过该段距离S所用时间t进行测定，由速度与时间的关系可计算出不同段管中饵料的流速(图5)。

图5 不同段PE管中饵料流速

黏性饵料的初始温度T0=11.5 ℃，运用红外测温仪误差在±1.5 ℃。测定不同段管中饵料的温度变化(图6)。

图6 黏性饵料温度与输送距离关系

可以看出，鱼浆饵料在50 m以内，温度变化幅度在0.2 ℃以内；100 m以内的温度变化幅度在0.4 ℃。温度变化幅度表明，该网箱用投饵装备不会对饵料品质有明显影响，能够满足网箱养殖要求。

4 结论

根据黏性饵料输送的特殊需求及投送方式，设计了一套传送投喂装备。通过关键部件的选型及匹配设计，选取G40-1泵为加压元件，R180柴油机为动力源。根据海上盐雾环境及传送器件无毒性要求，进行了输送管路、密封件和支架系统等的总体设计。现场试验表明，该设备用来输送较大黏度且流动性差的黏性饵料取得了很好的效果，其动力源功率、转速及扭矩较大，并且柴油机在该工况下易启动，连续无故障使用表明了其可靠性。该套系统输送距离达100 m，理论输送量可达到12 840 kg/h，推力达到1 990 N，可以满足现场要求的100 m输送距离及8 000 kg/h输送量目标。本套装备能够实现海上网箱养殖中黏性饵料从人工向机械化投放的转变，做到了省时省力；每套生产成本约0.75万元，现场群组配置方便，具有较大的推广价值。

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·文摘·

在RAS移动床生物滤器中温度对铵和亚硝酸盐去除的影响

温度对细菌作用的影响已众所周知；然而在水产养殖系统中与温度相关的硝化率数据碎片化不完整，需要从不同的研究中加以汇集。本文力图通过使用来自稳定运行在18°C的一个淡水RAS的移动床生物元素，确定在6～36 °C温度范围内的铵和亚硝酸盐去除动力学。通过将(在移动床生物滤器上)定殖的生物元素转移到6升的间歇式批反应器，评价了温度对铵和亚硝酸盐氧化率的影响。每个反应器在6组温度(6、12、18、24、30和36 °C)中的每一个温度下驯化24 h，随后在相同的条件下添加氯化铵或亚硝酸钠。温度6～30°C，表面平均TAN比去除(STR)增加至6倍，温度在36°C时则有显著下降。表面亚硝酸盐比去除(SNR)从6°C时的0.04 gN/m2/d线性增加到30°C时的0.14 gN/m2/d，在36°C时降至0.12 gN/m2/d。在整个测试温度范围内，STR一直明显高于SNR。铵氧化的温度系数(6～30 °C)为1.079；亚硝酸盐氧化的温度系数为1.054。本研究提供的数据可被应用于为未来温度在10°C以下和30°C以上的RAS提供参照尺度。

(《Aquacultural Engineering》Vol.75)

Development and testing of sticky feed transporting and feeding equipment

HU Qingsong,ZHANG Hongcheng,Li Jun,CHEN Leilei

(CollegeofEngineeringScience&Technology，ShanghaiOceanUniversity，Shanghai201306，China)

Sticky feed with high viscosity is needed in net cage culture,acclimation of juvenile fish etc..Artificial feeding process of this kind of feed requires high labor intensity,thus suitable feeding equipment is urgently needed to meet the practical production requirement.Based on the transporting distance and feeding quantity indexes,an overall scheme using diesel as the power source has been designed.The volumetric G-type single screw pump was taken as the core of the system,key parts including pump,power source,transmission system and pipe were selected and designed for matching,and the control indexes of the pump in terms of flow rate,power and propulsion were verified.Based on the selected portion,accessory parts such as feed providing funnel and connecting part were designed,and the overall structure was manufactured and tested.The field test results show the equipment can transport the sticky feed within a distance of 100 m,covering a 50 m×50 m area and with a maximum transporting rate of 12 840 kg/h,which can meet the practical requirement.The cost of the system is 7 500 RMB Yuan and it can be flexibly laid out according to the actual needs without outer electricity supply,suitable for group distribution of aquaculture practices under wild environment such as net cage culture.

Sticky feed;feeding system;G-type pump;running pipe;net cage culture

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.01.011

2016-12-11

2017-01-

公益性行业(农业)科研专项(201303047)

胡庆松(1979—)，男，副教授，硕士生导师，博士，研究方向：渔业工程装备。E-mail:qshu@shou.edu.cn

S969.31+9

A

1007-9580(2017)01-058-05