深水网箱养殖水性给料投饲机设计与研究.pdf
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1、第 51 卷第 2 期渔 业 现 代 化Vol.51 No.22024 年 4 月FISHERY MODERNIZATIONApr.2024DOI:10.3969/j.issn.1007-9580.2024.02.005收稿日期:2023-10-27基金项目:海南省科技专项(ZDYF2022GXJS347);国家重点研发计划重点专项项目(2022YFF1000300)作者简介:张世中(1999),男,工程师。研究方向:渔业装备的开发和利用。E-mail:zhangsz0703 通信作者:张天时(1976),男,博士,副研究员。研究方向:设施渔业。E-mail:zhangts 深水网箱养殖水性给
2、料投饲机设计与研究张世中1,张天时1,刘国涛1,祝明韦2,杨 涛2,赵 磊3(1 中国水产科学研究院黄海水产研究所,山东 青岛 266071;2 青岛海兴智能装备有限公司,山东 青岛 266200;3 三亚崖州湾农渔业发展有限公司,海南 三亚 572000)摘要:为解决水产养殖中投饲劳动强度大、饲料破损率高、饲料浪费多,尤其是在深水网箱养殖中普通投饲机难以输送饲料至一定深度的问题,设计了一种专用的深水养殖水性给料投饲机。该投饲机结合了深水养殖的特点,以及之前在沉浮式网箱养殖方面的经验,并进行了相应试验来确定适宜的饲料与水质量比,以及进水泵功率和送料高度对吸料效率的影响,进行了饲料和水不同配比,
3、以及不同水泵功率和不同输料深度等试验。结果显示:适宜的饲料与水质量比为 1 6;随着进水泵功率的增加,吸料效率升高;当进水泵功率保持不变,随着水深深度的增加,吸料效率逐渐减小;在进水泵功率为 7.50 kW、扬程 46 m 时,该投饲机的吸料效率均值可达到 9.46 kg/min,输送深度为水下 10 m 以下,满足了沉浮式网箱深水养殖的饲料投喂需求。研究表明,该水性给料投饲机可以在深水养殖中实现水下投饲,解决了深水网箱养殖面临的重要问题,并且具有较高的性价比,具有广泛应用和推广的潜力。关键词:投饲机;深远海养殖;深水网箱;沉浮式网箱;吸料效率;输送深度中图分类号:S969 文献标志码:A 文
4、章编号:1007-9580-(2024)02-0039-006 近年来,更接近天然环境的网箱养殖成为新的发展趋势,但台风等海洋灾害性气候的频发严重阻碍网箱养殖的健康发展1。随着网箱养殖规模的扩大,人工投饲的不足逐渐凸显出来。人工投喂存在不均匀性,费时、费工、劳动强度大、效率低,浪费饲料,同时污染水质,影响鱼类的生长发育,增加了养殖成本2。饲料成本通常是水产养殖中最大的运营成本3,使用投喂设备降低养殖过程中所产生的饲料成本是提高经济效益的重要措施。投饲机作为一种代替人工投喂的机械设备,应用于不同水产养殖环境下的投饲,如室外池塘投饲4-6、室内工厂化养殖投饲7-9、深水网箱投饲10-12等。在水产
5、养殖先进的挪威等国家,饲料精准投喂已经应用在不同的水产养殖领域,不仅提高了水产养殖的效率而且避免了饲料严重浪费问题13-14。挪威 AKVA 集团公司的 Akvasmart CCS投饲系统14,采用饲料定量加料器将饲料传送到空气流中,速度高达 192 kg/min;美国 ETI 公司研制出专为深水网箱设计的具有高精确性、高可靠性、大容量的 Feedmaster 投饲系统2,根据深水网箱规格大小和网箱内鱼类数量调整下料器转速。近年来,国内的高校和科研机构对网箱投喂装置和技术进行了深入研究,并取得了一定的成果15-18。根据不同投料方式分为下落式投饲机9、离心式投饲机9、气动式投饲机19、水动力投
6、饲机15等。设计了一种专用的深水网箱水性给料投饲机。该投饲机结合了深水养殖的特点,以及在沉浮式网箱养殖方面的经验,以便实现水下投饲。为了验证该投饲机的性能,进行了现场试验,并对投饲效果进行了评估。1 深水网箱投饲机的结构设计和试验方法1.1 深水网箱投饲机的结构设计由流体力学原理可知,对于变内径管道,若流量恒定,管径与流速成反比,管径与水压强成正比20。利用这一原理,设计一款深水养殖投饲机。该投饲机管道内流体的流量受喉部直径及进出口压强的影响,其余影响参数为流体系数20。流量方程如式(1)所示。Q=0.003 998 595 d3 P/(1)渔 业 现 代 化2024 年式中:Q 为流量,m3
7、/h;d 为喉部直径,mm;为试验介质可膨胀系数,对于试验中介质水,取 =1.0;为试验介质密度,kg/m3;P 为压差,Pa,且P=K1,其中 K1为系数,对同一个节流装置而言基本为一个常数;为压损,Pa,=P1-P2;P1为入口压强,MPa;P2为出口压强,MPa。该深水养殖投饲机主要由水泵、饲料箱、进水管、锥形喷头、进料管、吸料管和输料管等部分组成。饲料箱位于锥形喷头正上方,并通过进料管与下端吸料管接头上的饲料入口连接。进料管上连接有进水管。以上是深水网箱投饲机的基本构成,具体结构示意图如图 1 所示。图 1 投饲机示意图Fig.1 Sketch of the feeding machi
8、ne参照宋协法等15、颜永丰等20和刘馥瑜21的计算方法、设计和参数,以及在 10 m 水下沉浮式网箱养殖中需饲量为 10 kg/min 左右,首先设计投饲机锥形喷头最小端直径为 45 mm,长度 169 mm;然后依次设计输料管与锥形喷头接口管道内径为118 mm;输料管空腔内径为 118 mm,长度 179 mm;输料管后端内径为 44 mm,长度 223 mm;进料管口口径为 100 mm;饲料箱上半部分为圆柱状,下半部分为圆锥形,饲料箱总高度为 1 520 mm,其中圆柱形高度为 1 330 mm、直径 1 600 mm,圆锥形高度为190 mm,在出料口处利用转径连接 63 mm 进
9、料管;进水管道管径为 20 mm,进水量可控制;进料管的上端设置拨片,用于控制饲料输出量,以实现饲料与水以一定比例混合。该装置为宜兴市鸣煌环保科技有限公司制作。1.2 吸料喷头和进料管组合的结构设计吸料喷头和进料管组合的结构如图 2 所示,包括锥形喷头和进料管等,锥形喷头为管状锥形体,进料管接头包括空腔、饲料箱接口和进料管接口,空腔的直径大于进料管接口的直径,真空腔的侧壁上设有饲料入口,真空腔与进料管接口的交接处为圆弧形过渡区,锥形喷头的直径等于进料管接口的直径,锥形喷头插入真空腔后,在锥形喷头与真空腔壁之间形成真空腔。BC图 2 吸料喷头和进料管装配图Fig.2 Assembly drawi
10、ng of the suction nozzle and feeding pipe1.3 方法在投饲机测试中,设定 8 mm 粒径饲料与水质量比为 1 1、1 2、1 3、1 5、1 6、1 7、1 8、1 9,以及进水水泵功率为 1.00、2.75、3.75、5.60、7.50 kW,输料水深 3、6、10 m 等参数,并用梯度、正交等设计方法来测量吸料效率。根据试验结果,利用 SPSS 软件进行数据分析。利用投饲机单位时间内吸料的质量,作为吸料效率:V=G/T(2)式中:V 为吸料效率,kg/min;G 为吸料的质量,kg;T 为吸料所用时间,min。2 结果2.1 饲料与水配比测试试验选
11、择功率 7.5 kW、扬程 46 m 的水泵,并采用了 44 mm 软性管道作为出料管道,将其出料口深入到水下 10 m。然后将水泵、饲料箱、进水管、锥形喷头、输料管和软性出料管道等进行了连接组装,进行水下 10 m 投饲试验。在试验中,通过控制饲料箱中饲料输出量和进料管中进水量,调整至饲料与水的设定配比。试验结果显示,只有 11 和 1 2 的饲料配比堵塞在管道中,其他配比的饲料均可通过管道,而且 1 6 的质量比具有最快的吸料效率,其值可达到 10.0 kg/min 左右。04第 2 期张世中等:深水网箱养殖水性给料投饲机设计与研究2.2 投饲机进水水泵功率对吸料效率影响测试在控制进水泵功
12、率变量中,仅改变投饲机进水水泵功率,其余条件不变。用 8 mm 粒径饲料,按照饲料和水的质量比 1 6 混合。开启投饲机的进水水泵,调整投饲机进水泵功率至设定值。结果显示:当投饲机的进水水泵功率为 1.00 kW时,吸料管道的吸力非常弱,无法顺利将饲料吸入管道中。因此,在实际生产中,投饲机的进水水泵功率过低时,将导致投饲机无法正常运行。而在其他进水水泵功率下,随着进水水泵功率的增加,吸料效率也相应升高,其均值依次为 4.60、6.02、6.67、12.03 kg/min,其具体结果如表 1 所示。表 1 不同投饲机进水水泵功率的吸料效率对比Tab.1 Comparison of suction
13、 rate of feeding machine at different water pump power投饲机进水泵功率 吸料效率/(kg/min)试验 1试验 2试验 31.00 kW无法吸料无法吸料无法吸料2.75 kW4.624.614.583.75 kW6.006.056.025.60 kW6.676.656.687.50 kW12.0011.8012.30 根据以上数据结果,使用 SPSS 软件对试验数据进行了统计分析,如图 3 所示。其结果显示:在不同投饲机的进水水泵功率下,进水水泵功率对吸料效率有显著影响(P0.05)。P LH N J O L8L8L8L8L8图 3 不同投
14、饲机进水水泵功率下吸料效率分析数据Fig.3 Analysis of suction rate of feeding machine at different water pump power2.3 不同输料水深和进水水泵功率对吸料效率的影响结果测试结果如表 2 所示。表 2 不同输送水深和进水水泵功率对吸料效率测试结果Tab.2 Suction rate test results at different delivery dephts and water pump power水深吸料效率/(kg/min)3.75 kW5.60 kW7.50 kW9.3510.6014.713 m9.151
15、0.3814.939.4010.9015.427.989.7913.256 m7.589.6813.787.889.8813.457.059.1010 m投饲机无法吸取饲料7.119.686.839.60 通过设计投饲机不同输料水深,以及投饲机进水水泵 3.75、5.60 和 7.50 kW 等不同功率,开展了不同输料水深和进水水泵功率对吸料效率的影响试验。结果显示:当投饲机的输送深度为 10 m,进水水泵功率为 3.75 kW 时,吸料管道的吸力非常弱,投饲机无法顺利将饲料吸入管道中;其他条件下都能正常吸取饲料,并且随着进水泵功率的增加,吸料效率升高;当进水泵功率保持不变,随着水深深度的增加
16、,吸料效率逐渐减小,其中进水水泵功率 7.50 kW、水深 3 m 时,吸料效率最快,其均值为 15.02 kg/min;在进水泵功率为7.50 kW、扬程 46 m 和输送深度为水下 10 m 时,3 次验证试验吸料效率分别为 9.10、9.68、9.60 kg/min,吸料效率平均值为 9.46 kg/min。根据以上数据结果,使用 SPSS 软件对数据进行了统计分析,如图 4 所示。投饲机进水水泵功率和输送深度对吸料效率有显著影响(P0.05),并且随着输送深度的增加,吸料效率逐渐减小;而随着进水水泵功率的增加,吸料效率逐渐增大。3 讨论3.1 水性给料投饲机的投饲优势在对深水网箱中养殖
17、的水产生物进行投喂时,投饲方案多为管道或导轨输送饲料进行定点14渔 业 现 代 化2024 年投料22-26,或是使用投饲船于湖面、海面进行巡航式饲料投喂27-29,上述投料方式存在吹送距离较近、输料管转弯角度不能过大、撒料不均匀、抛撒面太大、饲料随水流飘散到网箱外等问题。而下落式投饲机、离心式投饲机、气动式投饲机等一般通过重力、离心力或气流将饲料颗粒抛撒和吹过管道,不仅容易造成颗粒损坏,而且在管道中留下大量灰尘和油料残渣,需要定期清洁,因此增加了运营和维护成本。该投饲机使用水力供饲、水力抽 负 吸 饲、水 动 力 投 饲,在 进 水 泵 功 率7.50 kW、扬程 46 m 时,吸料效率均值
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