养殖工船自动投饲机设计和螺旋下料器的仿真分析.pdf
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1、第 50 卷第 4 期渔 业 现 代 化Vol.50 No.42023 年 8 月FISHERY MODERNIZATIONAug.2023DOI:10.3969/j.issn.1007-9580.2023.04.007收稿日期:2023-03-12基金项目:浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划海洋智能装备关键技术、装备及示范“深远海集约化养殖配套智能装备研发与示范应用(2022C03023)”作者简介:高炜鹏(1999)男,硕士研究生,研究方向:渔业机械化。E-mail:754324050 通信作者:谢永和(1967)男,教授,博士,研究方向:船舶强度结构设计、船舶与海洋结构物水动力分析。E-
2、mail:xieyh 养殖工船自动投饲机设计和螺旋下料器的仿真分析高炜鹏1,谢永和2,李德堂2,王 君1,陈 卿2,洪永强2,张佳奇1(1 浙江海洋大学海洋工程装备学院,浙江舟山 316000;2 浙江海洋大学船舶与海运学院,浙江舟山 316000)摘要:针对现有投饲机无法满足大型集约化深远海养殖工船投饲作业的工作需求,颗粒饲料因输送工艺和结构参数不合理导致管道堵塞,为提高颗粒饲料输送性能与效果,设计了一种可集中控制、定时、定量、定速作业的远程气力输送的自动投饲机,确定了投饲机的总体结构,完成了对螺旋下料器的关键部位的设计,开展了 EDEM 离散元仿真分析。仿真结果显示:饲料颗粒在该装置中,从
3、生成到排除过程中不会发生堵塞、滞留的现象,且下料速度可以通过螺旋轴的转速控制,下料速度稳定,当螺旋轴转速达到 40 r/min时,满足投料速度 1.5 t/h。该设计和研究为后续的深远海养殖投饲设备的设计和性能优化提供参考和依据。关键词:养殖工船;自动投饲机;螺旋下料;气力输送;EDEM中图分类号:S969.31 文献标志码:A 文章编号:1007-9580(2023)04-0059-09 养殖工船养殖是一项新兴产业,是一个全新的生产模式,是当前推进渔业转型升级,培育新经济增长点的创新之举。养殖工船是集成多个养殖水舱,在深远海适宜水产养殖的海域长期游弋的大型船只,相比于深远海网箱养殖,养殖工船
4、的养殖模式可以通过移动躲避台风、寒潮、赤潮等自然灾害,也可以避免污染沿海水质,但深远海水域生产条件特殊,海上环境恶劣,养殖量大,船上人员有限,深远海移动舱养模式是规模化、集约化养殖,饲料投喂工作量大,劳动强度大,传统的投饲机虽然实现了机械化投料,但据时间粗略估算投饲量的方式精度太低,既造成浪费,增加养殖成本,又降低鱼类的抗应激能力,也不能获得良好的生长性能,养殖工船投饲量大,投饲精度高,对投饲速度有着极高的要求。胡昱等6通过 CFD-EDM(基于欧拉-拉格朗日参考系的离散模拟),对颗粒从管道初始阶段到稳定阶段运动过程进行了分析,将结果用于优化供料器壳体。林礼群等7通过 CFD-EDM 仿真对养
5、殖工船投饲系统的加速器进行仿真分析,得出下料口径和加速器收缩段部分的角度对加速器性能的影响。黄建伟等8针对深远海投饲系统的全局进行仿真分析,研究颗粒运动轨迹及碰撞情况。王志勇等9设计了以 PLC 控制的标准化池塘养殖自动投饲系统可以达到 1.1 t/h 的投饲量。宋协法等10设计的网箱养殖投喂装置可以达到 400 kg/h 的投喂量,刘志强等11设计的海上网箱养殖自动投饵器达到了 900 kg/h 的输送速度,黄杨清等3研制的风送投料系统最大投饲速率 891 kg/h。邓志勇等12研制的自动化精准投饲机料仓的设计容量仅为 5 kg。下料器的设计对加速器和后续的管道输送产生巨大影响,对颗粒饲料在
6、高速气流的作用下运动轨迹和碰撞情况起到了关键性作用。养殖工船所需的投饲量远远超过市面上设计的投饲机所能达到的最大投饲量。本研究围绕深远海养殖工船的养殖环境和工作需求,设计以压送式气力输送原理,以螺旋绞龙和减速电机作为关键部件,达到控制下料速度并计算饲料量。渔 业 现 代 化2023 年1 材料与方法1.1 养殖工船投饲系统深远海大型设施养殖投喂流程:通过补给船吊运饲料至船舷侧颗粒饲料存储区,然后根据投喂量倒入饲料至料仓,经分配器气力输料,输送投喂至不同养殖仓。该系统主要由动力设备、料仓、分配设备、输送设备、控制系统 5 大部分组成,并通过 PLC 实现智能控制,可以实现对多个养殖鱼舱的饲料精确
7、智能投喂。动力设备包括罗茨风机、电机等,分配设备以分配管道、定位圆盘、电机、弯管、光电开关组成的具有一机多舱并精确定位功能13。输送设备包括输送管道、加速室、螺旋下料器和减速电机14。控制系统主要由变频器、电动排空阀、下料蝶阀、料位仪、称重传感器等组成。.EMKKDKMD!F48M图 1 自动投喂流程图Fig.1 Automatic feeding flowchart 系统工作原理:当 PLC 给出本次投饲任务启动指令,斩光片和槽型光电开关构成定位传感器,电机带动传感器旋转识别,信号变化依次定位,分配器出料口在电机带动下旋转到指定位置,称重传感器实时传输数据,判断料仓内的饲料量是否达到本次投饲
8、任务需求,若达到,排空蝶阀阀口满开,罗茨风机开始运行,进行管道残留饲料的排空,运行 30 s 后,开始下料15。EF*FK*48M48M48ME/K图 2 自动投料系统整体结构图Fig.2 Overall structure diagram of automatic feeding system06第 4 期高炜鹏等:养殖工船自动投饲机设计和螺旋下料器的仿真分析 系统根据投饲任务通过控制变频器来控制电机的转速从而达到速度控制的功能,下料蝶阀打开,在下料电机带动下料绞龙开始转动。饲料在螺旋下料器中低速运动,罗茨风机在产生的高速气流在下料器出口出形成一个低压区,对下料器出口处的饲料产生吸附力,加快
9、饲料输送,饲料和高速气流通过分配器的旋转进料口进入 S 型管道,在出料口喷出送达对应的鱼舱,分配器弯管可以 360旋转16。根据实际需要,分配系统在定位圆盘中设计了 8 个出料口。1.2 投饲参数分析及技术要求养殖对象为大黄鱼,密度 20 kg/m3。养殖舱池长、宽、高分别是 22.4 m、19.6 m、18 m,水位线高度 14 m,每个养殖舱设计养殖量为 100 t,日投饲率为 1.5%,按每天 2 次,每次 0.5 h,投饲系统最大投饲量为 1.5 t/h。1.3 关键部件设计螺旋下料器作为饲料输送系统的关键零部件,螺旋下料器对整个投料系统的输送能力、投料速度有着巨大的影响。螺旋下料器由
10、电机、联轴器、绞龙、壳体等组成,螺旋下料器结构如图 3 所示。5D*D00L0,4T图 3 螺旋下料器结构图Fig.3 Screw cutter structure diagram 本设计中,养殖工船舱养大黄鱼投饲装置中,螺旋输送器用于大黄鱼饲料从料仓中输送,并控制输送速度和记录输送质量,对饲料进行水平输送,输送距离为从下料蝶阀到加速室入口的距离,输送距离短,所以用满面式等螺距的普通水平螺旋输送机。螺旋输送机的每个参数都要根据实际需求来确定。输送量即输送速度,它与螺旋的其他参数密切相关17。Q=3 600 Fv(1)式中:Q 表示螺旋输送机输送量,t/h;F 表示物料横截面积,m2;表示物料的
11、单位容积质量,取0.9 t/m3;表示输送倾斜系数,该装置水平布置,取 1;v 表示物料输送速度,m/s。物料横截面积计算表达式18:F=D24(2)式中:表示填充系数;F 表示物料横截面积,m2;D 表示螺旋叶片直径,mm。物料输送速度表达式19:v=sn/60(3)式中:s 表示螺距,mm;v 物料输送速度,m/s;n 表示螺旋轴转速,r/min。将公式(2)和公式(3)代入公式(1)代入得:Q=47D2sn(4)式中:Q 表示螺旋输送机输送量,t/h;D 表示螺旋叶片直径,mm;s 表示螺距,mm;表示填充系数;表示输送倾斜系数,该装置水平布置,取 1;表示物料的单位容积质量,取 0.9
12、 t/m3。由式(4)可知,下料机的输送量即输送能力受螺旋叶片的直径、螺距、转速、填充系数等参数影响。在确定输送饲料的种类一定时,输送量主要与叶片直径、螺距、转速有关。因此通过设计螺旋叶片直径、螺距、转速等来满足螺旋输送机的输送量。螺旋下料器在旋转过程中,饲料由于受螺旋转动的影响,其运动是沿螺旋轴做复合的空间运动,既有轴向移动,又有径向旋转20。螺旋升角是螺旋叶片上法线与轴线的夹角,恰当的螺旋升角可以使饲料更好地排出,螺旋升角由螺距决定,除此之外螺距还决定着在一定填充系数下物料运16渔 业 现 代 化2023 年动的滑移面。螺距的计算有19:s=K1D(5)式中:s 表示螺距,mm;D 表示螺
13、旋叶片直径,mm;K1表示螺旋轴直径系数。螺旋轴直径系数与螺旋轴的布置方式有关,本研究设计的螺旋轴是水平放置的,参数在 0.8119之间,选取 K1=0.8。螺旋叶片直径 D 作为螺旋轴的主要参数之一,与转轴直径 d,转速 n 以及螺距 s 的大小都有着直接关系,其大小直接影响着螺旋下料器的输送能力和大小21。本次输送的饲料为小颗粒状饲料,查表 1 物料综合特性系数表使用线性插值法可得=0.3,A=46。n nmax=AD(6)式中:nmax表示螺旋轴最大转速,r/min;A 表示物料综合特性系数;D 表示螺旋叶片直径,mm。表 1 物料综合特性系数表Tab.1 Table of compre
14、hensive characteristic coefficients of materials物料块度磨琢性举例填充系数 K 值A 值粉状无磨琢性面粉、米粉0.400.500.038 786粉状半磨琢性水泥、石灰0.300.400.041 575粒状半磨琢性小麦、玉米0.250.300.055 846粒状磨琢性矿石、化肥0.200.350.063 228块状无磨琢性豆粕、菜饼0.300.350.584 036块状半磨琢性煤、矿石0.150.200.079 515液状无磨琢性面浆、纸浆0.550.600.078 519 将式(6)、式(5)代入式(4)中,得到:D Q47K1A()25(7)式
15、中:Q 表示螺旋输送机输送量,t/h;D 表示螺旋叶片直径,mm;s 表示表示螺距,mm;表示填充系数;表示输送倾斜系数,该装置水平布置,取1;表示物料的单位容积质量,取 0.9 t/m3。得出螺旋下料器 D100.475 mm,叶片直径与输送物料的直径有关,为了减少饲料的破碎率叶片直径也应选大些,但考虑到下料精度及螺旋式供料装置的常用尺寸,确定叶片直径在 100 mmD130 mm,80 mms104 mm;125.6 r/minnmax145.5 r/min 参考同类型产品选用叶片厚度 a=2 mm。螺旋轴直径的大小与螺距有关,因为二者共同决定了螺旋叶片的升角22。轴径的计算公式为21:d
16、=(0.20 0.35)D(8)式中:d 表示螺旋轴轴径,mm。计算得到 d=28 49 mm,取螺旋轴直径为42.5 mm。螺旋轴还要承担料仓出口处堆积的压力,须满足一定的刚度要求,但不能过大,过大会导致整个螺旋下料机整体结构庞大23。螺旋轴转速要根据叶片直径、螺距、物料特性来确定,在确保输送能力的情况下转速不宜过高,不能超过最大转速。由式(4)可得38 r/minn82 r/min,满足 nnmax。确定完转速、直径、螺距后,通过验算物料填充系数,验证之前的计算是否合适,将以上数据代入式(4)中计算得到 =0.29,与表 1 进行对比可知物料填充系数在0.250.30 之间。物料填充系数对
17、螺旋输送机的输送速度和能耗有较大影响,填充系数大,对能耗增大,填充系数小时,对能耗减小,通过验算可知填充系数在颗粒饲料范围内,且数值较小。1.4 EDEM 离散元仿真分析利用 SolidWorks 软件绘制出自动投饲机各部分的三维图24,如图 4 所示,为了提高仿真计算速率,对投料机结构进行简化,保留料仓和螺旋下料器。为了简化重力加速度的方向计算,在导入EDEM 之前先建立坐标系与 EDEM 中的坐标系对应,简化后导入 EDEM 中如图 5 所示。26第 4 期高炜鹏等:养殖工船自动投饲机设计和螺旋下料器的仿真分析图 4 投饲机三维建模Fig.4 3D modeling of feeders图
18、 5 螺旋下料器仿真装置Fig.5 Screw cutter simulation device在 EDEM 中进行饲料颗粒的物料参数和接触参数的建立。物料接触参数见表 2。表 2 物料参数及接触参数Tab.2 Material parameters and contact parameters名称参数数值物料颗粒泊松比剪切模量/Pa密度/(kg/m3)饲料尺寸/mm0.48.9107900h=56 d=710 圆柱体设备泊松比剪切模量/Pa密度/(kg/m)0.310117 800物料-物料恢复系数静摩擦系数动摩擦系数0.20.50.01物料-设备恢复系数静摩擦系数动摩擦系数0.150.30
19、.01 利用 Particle 工具创建颗粒模型,由饲料的参数可知饲料的尺寸是个高度 56 mm,直径在 710 mm 的圆柱体,过多的颗粒堆积会增加计算量,提高计算成本,本研究颗粒饲料的形状并不会影响仿真结果,为了提高计算速度,节约计算资源,如图 6 所示,采用两个半径为 5 mm 的球形颗粒堆叠而成简化而接近真实的饲料形状的模型6。图 6 颗粒饲料模型Fig.6 Pelleted feed model在料仓的正上方设置一个平面颗粒工厂,生成颗粒饲料集合,设置生成速度为 200 kg/s30,生成 50 kg 饲料,设置绞龙的旋转方向和转速,设置 EDEM 总时长为 10 s。根据螺旋下料器
20、的投饲量 Q 的计算公式可知改变螺旋轴转速、螺距、叶片外径等都会影响投饲量和投饲速度。为了验证该螺旋下料器的设计是否合理,设定螺旋下料器分别在 80、60 和 40 r/min 3 种转速下,观察饲料的颗粒饲料的速度和受力情况以及下料速度,并找到符合技术要求的最优转速。2 结果与分析2.1 饲料运动过程分析通过仿真结果显示饲料在螺旋轴中的运动变化大致分为 3 个阶段,饲料从颗粒工厂平面中生成在重力加速度的作用下掉落作加速运动,在接触到倾斜料仓壁颗粒之间发生强烈碰撞,速度减小,下料蝶阀打开,从料仓往螺旋下料器运动的过程中,做加速运动,在颗粒达到螺旋下料器内,颗粒在螺旋轴的转动下运动,速度无较大波
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