基于水力推进的渔药自动喷施装置设计

刘 海， 庞雄斌， 张俊峰， 郭 翔， 高星星， 张唐娟

(武汉市农业科学院农业机械化研究所，湖北 武汉 430345)

基于水力推进的渔药自动喷施装置设计

刘 海， 庞雄斌， 张俊峰， 郭 翔， 高星星， 张唐娟

(武汉市农业科学院农业机械化研究所，湖北 武汉 430345)

针对人工泼洒渔药工作劳动强度大、施药效率低、对人身危害大等问题，设计了一种新型的基于水力推进的渔药自动喷施装置。该装置以玻璃钢船为载体，由直流自吸水泵驱动，采用锂电池供电，利用喷水推进原理行进。整机由船体、推进装置、转向系统、施药系统、无线遥控系统以及配套的管路系统组成。样机测试结果表明，该装置作业平均前行速度为1.0 m/s，总体混药稀释比例整数范围达1∶1000～1∶5000，实际施药效率达460 m2/min，较传统人工泼洒效率提升160%。通过遥控渔药喷施作业，可以保证操作人员的安全，也可避免喷施药液配置过多造成浪费和污染环境。研究表明，该装置提供了一种移动式在线混药水下施药方法，对精准化水产养殖具有促进作用。

渔药；水力推进；喷施装置；无线遥控；混药；水产养殖

鱼病防治中，渔药最常使用的方法是人工全池泼洒法，又称遍洒法[1-3]，其特点是见效快、疗效高、适用小型水体。一般选择绕池一周泼洒，这种施药方法导致池塘周围浓度高、中间区域浓度低而达不到防治鱼病的效果。这样的用药方式容易对水产动物造成应激，也容易对环境造成不利影响[4]。因此，施药机械研究受到重视。如：邱白晶等[5]将混药装置应用于在线混药试验台；董晓娅等[6]设计了一种便携式在线混药浓度监测装置；Hlobeň等[7]和Vondricka等[8]将混药装置应用于在线混药喷雾系统；曾凡琮等[9]研究混药装置内流体的能量增量；何培杰等[10]对喷雾混药装置性能进行了实验研究，但没有计算总体混药稀释比例。

基于水泵推进的水产自动喷施装置的设计将远距离遥控技术引入水产养殖领域，将实现水产养殖施药自动化[11]。本文设计的自动喷施装置主要针对水域面积小于1.5 hm2的池塘，为水产养殖提供一种可遥控的水中运载施药机具，以此代替人工进行池塘全覆盖均匀施放渔药。

1 喷施装置模型及工作原理

1.1 模型设计

自动喷施装置主要由船体、动力装置、喷水推进转向系统、施药系统、无线遥控系统以及配套的管路系统共6部分组成(图1)。

图1 水产自动喷施装置的设计结构图

1.2 工作原理

(1)喷水推进。养殖场池塘水通过直流泵从船体底部被吸入，在直流水泵的作用下形成有压水流，水流经管道分流系统被传送到船体尾部出水口，形成纵向水流喷出，在反作用力下，推动船体向前运动。

(2)转向。在船体向前推进的过程中，由于船体的操纵性与耐波性[12]，需要在船行进过程中对船体的前进和转向进行小操控。喷施装置设置了左右两个常闭电磁阀，通过遥控，接通电磁阀，泵送水流经由分流系统通过电磁阀后再分流到船体头部出水口和尾部出水口，形成相对水流来操控船体向右或向左转向。

(3)施药。施药采用可调施药泵对渔药原液进行微小流量精准施药，可调施药泵可保证在施药过程中的药量恒定。施药泵开启后，原液从药箱被挤入直流水泵进水口，通过搅动与池塘水混合，药液被稀释后从喷施装置推进出水口喷出，进入池塘里再一次进行稀释并扩散。

2 关键部件选型及匹配设计

2.1 水力推进装置

自动喷施装置的水流动力由直流水泵提供，电源为锂电池。设计之初，对影响整机重量比较大的零部件数量作了严格限制，不仅比选部件性能，而且注意重量控制，包括水泵、电池、电磁阀、施药系统、管道管径选择等方面，以保证整机的轻便性。为避免噪声对养殖对象的影响，噪声要尽可能小；同时为实现远距离遥控，动力装置采用直流水泵。对水泵功率也做了合理化考虑。

本设计主要针对中小型池塘施药，池塘水面面积一般不超过1.5 hm2，喷施装置工作时间一般约为0.5 h。经综合衡量，选用XF-350型直流多功能自吸泵，其技术参数：额定电源12 V、重量3.59 kg、最大功率360 W、最大流量150 L/min、最大扬程10 m、最大吸程2.5 m。其配套电源选用 12 V 40 Ah动力型锂电池，重量3.27 kg。

2.2 转向系统和电磁阀的设计与选型

喷水推进转向系统的设计是保证自动喷施装置正常作业的关键。由于船在水中行驶不是绝对意义上的直线行进，所以当船偏离航向时，需要通过转向操控的微调来保证船体沿既定方向行进。渔药原液和池塘水的混合水流，通过分流系统从推进出水口喷出形成推进动力；当遥控控制打开左(右)侧电磁阀时，泵压水流分别从右(左)侧的头部出水口和左(右)侧的尾部出水口侧向喷出，形成转向动力，给船体施加一个逆(顺)时针方向的转矩，使得船体在行进时可向左(右)转向。在岸上观察航向，如果偏离预定路径，可以通过短时点动相应电磁阀进行纠偏。需要转向时可以适当延长点动时间进行转向控制。

转向操控系统主要由电磁阀、分流系统、头部出水口、头部出水口及各管路接头组成。系统选型主要是电磁阀选型和管道以及喷管口径的选择。电磁阀选型主要是从重量、通水管径、压力、适用温度范围等方面考虑。通过对通水管径、转向系统重量、船体推进速度、工作效率等方面的综合考虑，决定选用12V电磁阀(2W-200-20)。该电磁阀水管公称直径20 mm，工作温度范围(-5～80)℃，工作压力(0～10)kg/cm2。

2.3 施药系统的设计与选型

渔药施放是喷施装置的主要功能，样机的渔药施放功能由施药系统完成。施药系统属于在线混合装置。考虑到喷施装置受动力的选配、总重量、船速、工作效率等限制，决定采用配置2 000 mL额定容量的小药箱直接装载渔药原液，或经过稀释的黏性药液。药箱中的药液由微型可调施药泵泵入水泵前端进水口，经过水泵均匀混合成一定稀释比例的药液，经过管路从后推进出水口喷入池塘。同时，在控制喷施装置转向的过程中，渔药还可以从头部出水口和尾部出水口喷入池塘(图2)。

图2 水产自动喷施装置的药液路径示意图

可调施药泵是渔药原液的重要控制部件，可实现精准施药。其在限定比例混合，不易造成施药浓度变化过大，达到安全用药的效果。选用KCP3-S10型可调施药泵，其参数为：工作电压12 V、重量270 g、功率 5W、额定流量范围(19～65)mL/min。渔药原液通过水泵进行第一次稀释，然后经过管路从推进出水口喷入池塘中进行第二次稀释并扩散，最后操纵喷施装置按一定路线行进来实现全池塘相对均匀的施药。

2.5 遥控控制电路的设计与选型

遥控控制采用3 km遥控套装(12V，8路控制)，其中1～4键设置成点动，5～8键设置成自锁。其中，2路点动键控制左电磁阀和右电磁阀操纵样机转向，以2路自锁键控制直流水泵和可调施药泵的启闭，剩余2路点动键和2路自锁键预留其他接口及方便维修更换。在进行遥控水泵开关时，测得水泵工作电流为25 A，选择MZJ-50(12V)直流接触器。

3 现场试验

3.1 测试条件与方法

实验从2016年4月11日开始至30日结束，在武汉市黄陂区某养殖试验基地进行。该养殖水域长130 m、宽100 m，实际养殖水域面积约1.15 hm2，水深约2.4 m，主要养殖草鱼。主要测试内容为遥控距离、混药稀释比例范围、施药效率以及整个自动喷施装置的运行效果。

常用剂型为粉剂和乳油剂，约占渔药剂型总量的80%以上[13]。选择标准为已被正式列入渔药品种[14]，且粘度不同的渔药。分别选取钙霸、金碘、溴氧海因粉这三种渔药进行喷施试验。试验样机的主要技术参数如表1所示，样机如图3所示。

表1 自动喷施装置的主要技术参数

图3 水产自动喷施装置样机

3.2 试验结果

(1)遥控距离试验。分别选择了2 km和3 km遥控套装进行测量。天气条件：天气晴朗，气温28.9 ℃，水温24.4 ℃，风力(1～2)级。每1 min控制设备1次，连续测试1 h。试验结果显示，3 km 遥控套装的最大有效遥控直线距离为200 m，信号稳定、可靠，符合小型养殖池塘。

(2)混药稀释比例范围试验。对推进出水口流量和可调施药泵流量进行多次单项测试，重复测量10次。采用控制总容量方法，推进出水口管径为15.6 mm，在两侧电磁阀关闭的情况下，根据试验计算混药稀释比，试验结果如图4所示。得出出水口平均总流量为8×104mL/min，可调施药泵最低平均流量为16.22 mL/min，可调施药泵最高平均流量为82.16 mL/min。最终计算出总体混药稀释比例整数范围是1∶1 000～1∶5 000。

图4 流量试验结果

(3)施药效率试验。以1 000 mL渔药原液为标准，采用样机和人工各进行10次施药试验，在面积为1.15 hm2的池塘进行施药。试验结果显示，样机施药平均耗时取整为25 min，施药效率为460 m2/min；人工施药平均耗时取整为65 min，施药效率约为177 m2/min。由此算出样机施药比人工施药效率提升约为160%。根据韩开封等[15]船舶航速测试技术，测得自动喷施装置平均前行速度为1.0 m/s。

通过试验，自动喷施装置能够远程控制施药开关，随时开闭自动施药功能，并能利用在线混药，实现精准施药。

4 结论

基于水力推进的渔药自动喷施装置，遥控其运行，在直线距离200 m内信号稳定、可靠，可满足实际需求；通过在线自动混药技术进行较大比例渔药稀释喷施作业，其总体混药稀释比例整数范围达1∶1 000～1∶5 000，满足渔药安全浓度要求；实际施药效率达460 m2/min，比人工施药提升约160%。相比传统渔药施放，本装置能够在良好的环境中完成精确施药，有助于推进精准化水产养殖方式。

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Design of automatic spraying machine for fishery drugs based on hydraulic propulsion

LIU Hai, PANG Xiongbin, ZHANG Junfeng, GUO Xiang, GAO Xingxing, ZHANG Tangjuan

(Institute of Agricultural Mechanization, Wuhan Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430345, China)

In view of high labor intensity, low efficiency and great harm to operators of manual spraying of fishery drugs, a new automatic spraying machine for fishery drugs based on hydraulic propulsion is designed in this paper. The machine takes FRP ship (fiberglass reinforced plastic ship) as carrier, and is driven by a DC self-priming water pump, powered by lithium battery and propelled by spraying. It consists of the hull, propulsion device, steering system, drug delivery system, radio remote control system and pipeline. The prototype test results show that the average speed of the machine is 1.0 m/s, dilution ratio range is 1∶1 000 to 1∶5 000, and practical efficiency is 460 m2/min, which is 160% higher than that of traditional manual spraying. Remote control of fishery drug spraying will guarantee the safety of operators and avoid waste and environmental pollution due to much drug spraying. The research shows that the application of this machine will provide a method of movable online mixing and underwater spraying. It has a positive impact on precision aquaculture.

fishery drugs;hydraulic propulsion;spraying machine;radio remote control;mixing;aquaculture

10.3969/j.issn.1007-9580.2017.04.009

2017-05-11

武汉市农业科学技术研究院创新项目 (CX201713)；武汉市农科院财政示范项目(CZSF201405)

刘海(1980—)，男，博士研究生，研究方向：农业机械工程。E-mail：17055907@qq.com

S949

A

1007-9580(2017)04-057-05