养殖池塘单罐真空式吸鱼泵的设计和试验

2019年，中国水产养殖面积7.11万hm2，养殖水产品总产量5 079万t，而这些养殖水产品大部分靠人力完成起捕[1-2]。池塘养殖鱼类的起捕手段一直采用大拉网、抄网、人工抬运的方法，费时、费力，劳动强度大，容易伤害鱼体，越来越难以适应活鱼的起捕和运输[3-4]。吸鱼泵是起卸活鱼的一种先进设备，可以降低劳动强度，节约人力成本[5-7]。随着人力成本的上升，使用吸鱼泵是解决规模化养殖企业人力资源合理配置问题的重要手段[8-9]。

随着制造技术的不断发展，国内的吸鱼泵结构形式发生了很大改变，工作原理更趋完善，其应用领域也在不断扩大[10-11]。如：HYS-60型真空吸鱼泵[12]；真空活鱼起捕机[13]；真空双简活鱼提升机等[14]；液压马达驱动的潜水离心吸鱼泵，100 min内可抽吸冰鲜大黄鱼35 t，损耗率仅为1%，可输送体长40～50 cm，体质量1.1～1.3 kg的活草鱼、鲢鱼、鳊鱼[3]。国外吸鱼泵主要采用离心技术，依靠叶轮高速旋转把鱼抽吸上来。美国达斯马尼亚公司生产的特大型1614-P固定式离心鱼泵，可抽吸的鱼体长最大达72 cm，体质量 9 kg，每小时能抽吸鱼200 t[15]。美国ETI公司生产的TRANSVAC型真空吸鱼泵的抽吸量为300～360 t/h，功率23～190 kW，且鱼体不受损伤[16]。荷兰KUBBE公司真空吸气卸鱼装置，抽吸鱼货量达到20～80 t/h。丹麦IRAS公司生产的真空吸鱼泵，被挪威、法国、冰岛、爱尔兰、日本等国应用[17-18]。大型PV系列真空吸鱼泵达500 t/h[3]。挪威的坦道斯公司(TENDOS)和CFLOW公司生产的真空吸鱼泵应用较广[19]。现有设备主要是针对远洋捕捞及海洋网箱养殖鱼群的吸捕，而对池塘养殖吸鱼泵的研究相对较少[20-22]。

研制了一种单罐真空式吸鱼泵(以下简称单罐鱼泵)，以期推进吸鱼设备在国内的应用发展，提高渔业机械现代化水平。

1 吸鱼泵工作原理及主要设计技术参数

1.1 原理及结构

针对池塘养殖边坡距离远、池塘深度浅、捕获水产品无损伤的要求，单罐真空式吸鱼泵采用气动力技术，以实现快速捕捞、提高鱼存活率、降低机械损伤的目的。单罐鱼泵主要由机架、罐体、真空阀、真空泵、吸鱼闸门、放鱼闸门和控制系统等部分组成，其结构示意图如图1所示。

图1 单罐真空式吸鱼泵示意图
Fig.1 View of single-tank vacuum fish pump

控制系统主要由空气开关、热熔断器、交流继电器、时间继电器、延时继电器等元器件组成。单罐鱼泵依靠真空泵产生的负压将活鱼吸入罐体内，罐体吸满后，真空阀开启，罐体内充入空气，鱼和水利用自身的重力排出罐体，罐体排空后，真空阀关闭，罐体内恢复负压状态，重新开始吸鱼，如此循环反复。

1.2 主要性能参数

单罐鱼泵利用负压实现活鱼的提升、输送和转运，罐体采用不锈钢材质，罐体体积0.6 m3，真空泵功率5.5 kW，吸鱼管道内径200 mm。具体性能参数见表1。

表1 单罐真空式吸鱼泵性能参数

Tab.1 Performance parameters of single-tank vacuum fish pump

2 主要部件设计

2.1 基本要求

以池塘为工作环境，草鱼或等同规格鱼为对象，平均尾质量约2.5 kg，鱼体最大截面宽度≤90 mm。起捕高程≤5 m。吸捕鱼水比例约为1∶1，鱼肉的平均密度1.033×103 kg/m3[23]，目标抽吸量约15 t/h。

2.2 进鱼管

单条依次或累计等同截面积鱼体有序通过，鱼水比例为1∶1。进水管内部直径D最小为鱼体最大截面鱼体宽度W的2倍[24]。即：D≥2W，根据计算得到进鱼管至少保证为180 mm，考虑进鱼管安装及其他能量损失，进水管直径设计为200 mm。

2.3 吸鱼泵罐体

2.3.1 罐体容积

罐体容积是吸入量的实际有效空间，也是吸鱼泵工作效能的重要指标[25-26]，空间利用协同最佳工作状态，推导出罐体容积。进鱼管截面积的确定：

(1)

式中：S为进鱼管截面积，m2；D为进水管直径， m。计算得S=0.031 4 m2。

吸鱼泵选用水循环真空泵，1 h内有效吸鱼时间是40 min，吸鱼水总质量m约为30 t，由于鱼肉密度已定，假设水的密度为1×103 kg/m3，则鱼水的平均密度ρ平为1.033×103 kg/m3，由此得到吸鱼泵的吸入流量[27-28]为：

(2)

式中：Q为进水流量，m3 /s ；m为单位小时内抽吸的鱼水总质量，kg；ρ平为鱼水的平均密度，kg/m3；t为时间，s。计算得Q=0.012 m3/s。设计的吸鱼泵是单罐间歇式吸鱼，因此进鱼管流速为：

(3)

式中：v为进鱼管流速,m/s;Q为进水流量， m3/s；S为进鱼管截面积，m2；计算得v=0.46 m/s。

由于箱体密封条件和真空泵抽吸能力的限制，罐体内无法得到完全的真空环境。吸鱼泵单次吸鱼时间为40 s，放鱼时间为20 s，因此，按照进口流量和吸鱼时间计算，所需容积为0.48 m3，考虑到安全系数，罐体体积取计算体积的1.25倍，为0.6 m3算。罐体设计为圆柱形，两端为半球形端盖，罐体直径0.7 m，长度1.6 m。

2.3.2 罐体壁厚

单罐鱼泵在工作过程中，真空泵始终在工作状态，为罐体内提供负压的环境，由伯努利方程[27]得到：

(4)

式中：P1为鱼泵进水口压力值，取一个标准大气压，1.013×105 Pa；P2为鱼泵进鱼口压力值；h1为吸鱼口高度，取0 m；h2为进鱼口高度，设计高度为4.5 m；v1为吸鱼口流速，取0 m/s；v2为进鱼口流速，为0.38 m/s；K1，K2为吸鱼口、进鱼口流体的运动系数，为1.2；H′为水头损失，由参考资料[28]得到H′由流速水头损失(H1)和压力水头损失(H2)两部分组成，在汇流比为0.5时，流速水头H1约为0.01 m，测压管水头H2为0.18 m，所以水头总损失H′水头为0.19 m；ρ为密度，为1.033×103 kg/m3；g为重力加速度，为9.8 m/s2。

经计算，鱼泵罐体内压力P2为0.534×105 Pa，则罐体内外的压力差约为-0.048 MPa。根据真空罐外压中圆筒壁厚计算公式：

(5)

式中：δ为筒体计算壁厚，m；P为计算压力，此处为桶壁所受内外压力差，为0.479×105 Pa；m为稳定系数，取4；D为筒体外径，为0.7 m；l为筒体长度，为1.6 m；E为304不锈钢的弹性模量，为1.9×1011 Pa;C0为壁厚基本余量，取0.3。

经计算，罐体的壁厚δ最小值约为3.6×10-3 m，考虑到温度影响及安全性，选择2倍的安全系数，罐体壁厚为7.2×10-3 m，圆整为8×10-3m。

2.4 真空泵基本型式

单罐鱼泵依靠真空泵产生的负压将活鱼吸入罐体内，罐体吸满后，真空阀开启，破坏罐体内真空度，鱼和水利用自身的重力排出罐体。鱼泵在吸鱼和放鱼的过程中，真空泵始终处于工作状态。根据真空系统容积、抽气时间、系统的起始压强、吸鱼时间和终止压强等条件，计算所需真空泵的参数，其抽吸量计算公式为[20]：

(6)

式中：Se为真空泵的抽气速率，m3/s；V1为鱼泵内容积，为0.6 m3；V2为管道内容积，为0.3 m3；T为抽气所需时间，为40 s；Z为真空泵数量，取1；H1为大气压的水柱高度，为10 m；H2为鱼泵的吸水高度值，为4.5 m；△h—泵体中心离地面之间的距离，为0.1 m；k为备用系数，为1.1。

经计算，真空泵的抽气速率为0.914 m3/min，考虑到鱼泵内压力值和抽气速率及安全系数等因素，选用抽气效率大于2 m3/min的真空泵。水环式真空泵采用水进行循环，鱼泵罐体中的水体或者水蒸气倒吸到真空泵中也不影响泵的运行。水环式真空泵结构简单，制造精度要求不高，容易加工，选用小的结构尺寸，可以获得较大的排气量，占地面积也小。据此，选用SK-4B水环式真空泵，抽气速率为3 m3/min，功率5.5 kW，可满足上述技术条件工作要求。

2.5 控制系统

鱼泵控制系统主要由开关、热熔断器、交流继电器、时间继电器、延时继电器等元器件组成。真空泵在工作过程中全程开启，吸鱼和放鱼时间采用时间继电器调节，当罐体内充满鱼和水时，真空电磁阀自动打开，大气由真空电磁阀进入罐体，破坏罐体内的真空，罐体进鱼端的闸门阻断了进鱼管道和罐体的连通，罐内的鱼和水利用自身的重力排出罐体；放鱼时间结束，真空电磁阀关闭，真空泵再次抽吸罐体内的大气，当罐体内的真空度达到一定值时，鱼和水的混合物再次被吸入到罐体内，如此循环往复，连续工作。

3 样机试验

2019年10月在上海鹏平机械设备有限公司制造完成吸鱼泵试验样机，并分别在上海和宁夏两地开展了样机的性能试验(图2)。2020年9月，在宁夏贺兰新明水产养殖公司开展了生产性试验。试验池塘长100 m，宽70 m，水深1.8 m，吸捕对象主要是草鱼、鲤鱼、鲫鱼、鲢鱼和鳙鱼等品种。鱼泵水平固定于塘基，距岸边约1 m，鱼泵进水口距池塘水面约2.5 m，通过大拉网将鱼密集，鱼泵的吸鱼管置于网内进行吸捕作业，连续进行10次作业试验。

4 结果与讨论

4.1 结果

表2为宁夏的试验数据。草鱼(主养品种)、鲤鱼、鲫鱼、鲢鱼、鳙鱼分别占比45.9%、20.4%、18.2%、8.3%、7.2%，试验对象长100～700 mm，最大直径90～130 mm。鱼水比1∶2.3，实测罐体压力为-0.04 MPa。

图2 现场试验图
Fig. 2 Field test

表2 吸鱼泵试验数据

Tab.2 Fish pump test data

对鱼泵进行功能性测试，包括活鱼抽吸能力、疲劳测试、罐体内真空度等，单罐鱼泵初步实现了带水吸鱼的功能，设备能够正常完成抽吸作业，设备的吸放动作、真空密封等性能试验效果良好。真空泵空载功率约为2.7 kW，负载功率约为3.7 kW；吸鱼泵实测鱼水比为1∶2.3，按照单次40 s吸鱼181 kg计算，鱼泵的活鱼抽吸能力约为11 t/h；鱼泵罐体内的计算压力差为-0.048 MPa；活鱼通过鱼泵的抽吸并无损伤，活跃程度很高。

4.2 讨论

4.2.1 鱼水比对吸鱼效果的影响

鱼泵实测鱼水比为1∶2.3，比设计值1∶1相差较大。刘健等[13]研究显示当鱼水比为1∶1时，吸鱼泵效率最高，导致鱼水比低的主要原因有吸鱼口形状做得不够合理，不能紧紧贴合水面引导鱼进入吸鱼管道；吸鱼管道充水后笨重，不利于拖拽，操作不灵活。后续主要工作重点是吸鱼口的改进设计，实现良好的集鱼性和操作性。实现机械化活鱼起捕和提高起捕效率的关键是先将起捕鱼类聚集并达到一定的密度，因此，集鱼装置也是提高鱼水比的重要手段。

4.2.2 吸鱼泵其他参数

鱼泵罐体内的计算压力差为-0.048 MPa，实测罐体压力为-0.04 MPa，相对误差为20%，这主要是因为选用的真空表精度不恰当的原因，真空表的精度是小数点后面两位。单尾鱼的质量小于3 kg，鱼体长10～70 cm，单罐鱼泵抽吸能力为11 t/h，吸鱼速率约为270 kg/min，放鱼速率约为540 kg/min。相比于叶燮明等[3]研制的HYS-60型真空吸鱼泵抽吸能力略小，但抽吸的鱼质量大、功率小。

5 结论

设计了一种适用于小型池塘活鱼捕捞的单罐真空式吸鱼泵，具有结构简单、操作方便、移动灵活的特点，可以有效降低劳动强度，转变池塘养殖生产方式，提高渔业捕捞的机械化水平。其主要的改进方向是吸鱼口的设计，以及增加集鱼装置，提高鱼水比，以提高鱼泵的抽吸能力。作为延伸性的应用，鱼泵还可用于渔船渔获物的起卸、网箱鱼类捕捞和鱼苗转运。