新型织网式贻贝机械化包苗设备的设计与包苗方法研究

申超男， 付宗国， 李磊， 吴瑞康， 刘全良， 袁跃峰

（浙江海洋大学 船舶与机电工程学院，浙江 舟山316022）

0 引 言

贻贝又名海虹，亦称青口，附着性贝类，因其具备突出的药用与营养价值，素有“海中鸡蛋”等美称,其养殖技术简单，广泛分布于中国黄海、渤海、东海沿岸,现已成为沿海渔业经济发展新的增长点[1]。目前贻贝的分苗方法多采用“簇夹法”，即将贻贝苗分成若干小片或块，每小片或块约300粒左右，然后等间距地夹到苗绳上，这样贝苗即会自动的附在苗绳上，并随着个体的逐步长大做小范围的移动，不断调整贝苗之间的密度直至布满整根苗绳。此方法虽然前期省力高效，但是存在依靠生长中的贝苗自适应调节贝苗密度这一固定缺陷，贝苗生长前期易堆叠，生长速率不一，贻贝品质下降[2]。后期必须进行人为的密度调整，协调苗绳上的实际附苗量，工时急剧增大且易延误贻贝生长周期。

另外一种分苗方法俗称“包苗法”，即用网片把贝苗包到养殖苗绳上，待苗附着牢固后，再将网片拆去，这种方法对于零散、不成片或块的苗种也同样适用，分苗阶段即避免了贝苗密度不均这一缺陷，但是人工包苗相比“簇夹法”更为费事费力[3]。综合以上两种分苗方法的优劣，本文提出一种织网式贻贝包苗方法，实现贻贝的机械化包苗，兼顾贝苗密度调控与整体运作速率，在规避传统分苗法缺陷的同时，可有效提高包苗效率。

图1 织网式包苗设备总体设计图

1 织网式贻贝机械化包苗设备机构设计与工作原理

1.1 总体设计

织网式贻贝机械化包苗设备主要包括撒苗机构、织网式包苗机构、收铰机构等部分（以下简称为包苗设备）。撒苗机构可实现贝苗的暂时存放与分撒；织网式包苗机构可将贻贝苗与麻绳包裹在由粗网线编织成的筒状网布中，多组包苗电动机同时运作可有效提高包苗效率，缩短分苗阶段占用的时间，形成有利的经济优势；收铰机构负责养殖苗绳的收集同时兼顾贝苗密度调控与整体运作速率。包苗设备总体设计如图1所示。

1.2 基本机构设计

1.2.1 撒苗机构

包苗设备的撒苗机构包括贻贝斗、撒苗口、滑道控制杆、撒苗电动机等。贻贝斗内盛放贻贝苗，贻贝自撒苗器出口撒出后经输送管道送至包苗台，进入包苗流程。撒苗机构由其下方的电动机驱动，需与织网式包苗机构配合调控贝苗的撒出速率。圆柱形撒苗口的柱面上设置四处凹口，凹口之间间隔90°，贻贝斗中贝苗充足时单个凹口每次撒苗量为20～25粒[4]。撒苗机构与撒苗口设计如图2所示。

图2 撒苗机构设计图

1.2.2 织网式包苗机构

织网式包苗机构是包苗设备的核心机构，可将按预设量分撒的贻贝苗与麻绳包裹在由粗网线编织成的筒状网布中，完成包苗作业。织网式包苗机构设置3台包苗电动机，同时运作可有效提高包苗效率[5]，织网式包苗机构设计如图3所示。

包苗机构上部通过三角支架连接固定，并与上梁孔下方的齿轮啮合，其可在三角支架电动机的驱动下绕线轴盘转动。线轴盘由支架连接固定在上梁孔下方，线轴盘上均匀布置了24组定线轴，每个定线轴与线轴圈上的槽位对应，每个槽位内侧布置一块电磁铁，定线轴外侧部分为铁壳，可通过磁吸方式实现定线轴与线轴盘的固定。定线轴数量根据养殖苗绳的直径可以调节数量，养殖苗绳直径大时则可设计布置更多的定线轴。

织网式包苗机构中，连杆2、连杆3与圆槽组成一个类曲柄滑块机构，连杆2在包苗电动机的驱动下做圆周运动，进而带动连杆3，连杆3推动滑杆，使其沿圆槽轨道方向做频率可控的周期伸缩运动，最终实现滑杆端部的电磁铁与线轴盘上定线轴的周期性相遇。电磁铁与定线轴接触弧面内侧设置有柔性贴片，以减少两者接触时的碰撞噪声。包苗机构中的转臂是由一个横剖面为矩形的3/4圆环及其一个沿半径方向的杆组成，其端部设置动线轴，自动线轴上的出线口可引出横网线。线轴部分详细设计如图4所示。

图3 织网式包苗机构图

图4 线轴部分详图

圈式梳结构位于线轴圈里面，包括弹簧、外齿轮、电动机、齿条、连接架等。外齿轮设计部分齿缺失，电动机工作可驱使齿条向上运动，当遇到外齿轮缺齿处时，齿条在弹簧的拉力下坠落，使圈式梳快速向下移动，挤压横网线，从而可使编织完成的筒状网布紧密地堆砌在一起，防止因网线松散而使贻贝散落，同时调整贻贝与麻绳之间填充的密集程度。电动机转速决定着圈式梳垂向下落的频率，在包苗机构的运转速率确定后，可选择最佳的圈式梳下落频率。圈式梳结构如图5所示。

包苗机构工作时，每个定线轴均引出一条竖网线，每个动线轴均引出一条横网线。包苗电动机启动，驱使滑杆端部电磁铁与线轴盘周期性相遇，相遇时电磁铁以磁吸的方式从线轴盘上带走一个定线轴。转臂电动机驱使转臂以预定角速度匀速转动，并将自动线轴引出的横网线置于此时刻被电磁铁带走的定线轴引出的竖网线的内侧，随后电磁铁与线轴盘再次相遇时会放还此前被带走的定线轴。此时包苗机构在三角支架电动机的驱动下绕线轴盘转动一个定线轴槽位，电磁铁亦回到初始位置，新循环开始。在此期间圈式梳始终保持垂向运动，收紧横网线。

图5 圈式梳结构图

1.2.3 收铰机构

包苗设备的收铰机构位于包苗设备末端，是贻贝包苗的最后一道工序。设备工作时驱转电动机驱动养殖苗绳铰轮转动，完成养殖苗绳的收集，同时兼顾调控整个设备的包苗速度[6]。

收铰机构的前方设置两个导绳轮，用以改变养殖苗绳方向，同时避免养殖苗绳网布因过度受拉造成网布松散贻贝掉落。

图6 各机构依时间线运行状态图

1.3 工作原理

织网式贻贝机械化包苗设备高效有序的包苗作业是在撒苗机构、织网式包苗机构、收铰机构等协调配合下完成的，各机构依时间线运行状态如图6所示。

1）A时刻。转臂与动线轴均处于初始位置，动线轴位于转臂最上方；此时电磁铁第一次接触到线轴圈上的定线轴（以下简称为定线轴P），产生磁力吸附定线轴P；转臂电动机与包苗电动机启动，滑杆逐渐向斜下方滑动，电磁铁与定线轴P一起向斜下方移动，转臂开始沿逆时针方向旋转，使横网线逐渐进入定线轴P引出的竖网线内侧；三角支架不转动。

2）B时刻。转臂转过90°，包苗电动机转过180°，滑杆抵达最低位置开始逐渐向上滑动，电磁铁与定线轴P自此刻开始向斜上方移动；此时横网线已经全部进入定线轴P引出的竖网线内侧；三角支架亦不转动。

3）C时刻。转臂转过180°，包苗电动机转过360°，动线轴位于转臂最下方；包苗电动机转过360°，电磁铁第二次线轴盘，电磁铁磁力消失，槽位内侧电磁铁启动，将定线轴P放还原位置；此时刻电磁铁不再吸附任何定线轴，随滑杆开始单独向斜下方移动；此时横网线自定线轴P引出的竖网线内侧移至其外侧；三角支架开始转动。

4）D时刻。转臂转过270°，包苗电动机转过540°；C-D过程中，三角支架转动15°（即一个定线轴的角度），转臂电动机正对应定线轴Q，此时横网线完全处于自定线轴Q引出的竖网线外侧；滑杆单独向斜下方移动抵达最低处。

5）E时刻。转臂恰好转过360°，电动机转过720°；D-E过程中, 三角支架再次转动15°，电磁铁随滑杆回归至A时刻位置，此时电磁铁第三次接触线轴盘，产生磁力吸附定线轴R，横网线开始进入定线轴R引出的竖网线内侧，开始新循环。

织网式包苗机构的核心功能，即将由动轴线引出的横网线，依照预定周期在定线轴引出的竖网线内侧与外侧之间转换，实现横纵网线的网格式交叉堆叠[7]。包入筒状网布中的贻贝苗遇水恢复活性后，会分泌弹性纤维形成“足丝”附着在养殖苗绳上，此过程在贻贝下水后半个月内完成。网布拆除时，自养殖苗绳上端剪断竖网线后可将竖网线从苗绳下方抽出。竖网线拆除后横网线后亦可去除，拆除后的网线可回收利用。贻贝包苗台与筒状网布如图7所示。

图7 贻贝包苗台与筒状网布图

2 包苗方法研究

传统“簇夹法”包苗密度为每15～20 cm夹一簇苗，每簇苗约300粒，一根2.5 m长的苗绳的附苗量约为3600～4500粒苗，即每米苗绳约布置1500～1800粒苗。

2.1 包苗速度

包苗设备的包苗速度，主要依赖织网式包苗机构的网织速度与收铰机构的收铰速度，两者协调配合，以免养殖苗绳内的贝苗过分密集或松散。织网式包苗机构的设计包苗速率按照以下分析公式计算：

式中：v为设计包苗速率，m/min；n为织网式包苗机构中配置的包苗电动机数目；s为横网线横截面直径，m；k为两条横网线的间距与横网线横截面直径的比值；ω为三角支架电动机转速，rad/min；新型织网式贻贝机械化包苗设备，n=3,横网线直径s=2×10-3m,系数k可取1.8，ω=250 rad/min，故织网式包苗机构的设计包苗速率为v=0.430 m/min。

相比与人工“包苗法”分苗速度v=0.15～0.20 m/min，织网式贻贝包苗设备的包苗速率可提高1.15倍，且可持续不间断运行。人工“包苗法”与紫贻贝如图8所示。

图8 人工“包苗法”分苗

2.2 养殖苗绳贝苗密度调控

织网式包苗设备设计包苗速率确定后，需设定撒苗结构的撒苗速率，以便使包苗过程前后协调搭配。贻贝斗中贝苗充足时单个凹口每次撒苗量为20～25粒,撒苗结构的撒苗设计速率按以下公式计算：式中：μ为撒苗结构设计速率，粒/min；v为织网式包苗机构的设计包苗速率，m/min；d1为养殖苗绳的平均直径，m；d2为麻绳的平均直径，m；V为单个贻贝的平均体积，m3；k为养殖苗绳的贻贝填充率。

织网式贻贝机械化包苗设备设计包苗速率为v=0.430 m 10/m-2im n，，系养数殖k苗可绳取直0径.75d，1=由9×于10贻-2贝m，苗麻多绳为的小平片均或直块径，d按2=5照×贝苗壳高达到1.5～2 cm时包苗，故单个贻贝的平均体积可近似取V=1.8×10-6m3，综上，撒苗机构的撒苗速率设计为μ=788 粒/min，每米苗绳布置约1832粒贝苗。

2.3 多方协同控制

织网式贻贝机械化包苗设备依靠撒苗机构、织网式包苗机构与收铰机构等机构的协调运作共同完成包苗任务[8]。织网式包苗机构实现包苗的过程需依赖收铰机构及时收集已完工的养殖苗绳，同时需要撒苗机构按时按量分撒贝苗，中间过程中的任何一环都是至关重要的。

3 结 语

随着养虾业的兴起，大量贻贝供做虾饵[9]，进一步刺激了贻贝养殖业的发展，贻贝需要量持续增长，据统计，2014年全国贻贝产量已突破80 000 t。在此背景下落后费时的贻贝包苗技术更显颓势，高效省力的包苗方法必然成为研究的焦点。本文提出的织网式贻贝包苗方法在融合传统贻贝“分苗法”的基础上实现了贻贝的机械化包苗，代替人工，同时从根本上规避“簇夹法”分苗方法前期需将贝苗分块，中期需人为进行密度调整等缺陷，贻贝恢复活性后筒状网布拆除也相对便利。文中对贝苗密度、包苗速度等影响包苗设备性能的几个参数进行设计，包苗设备的包苗速率v=0.430 m/min，撒苗机构的撒苗速率为778 粒/min，每米苗绳分撒约1832粒贝苗，包苗速率较传统方法提高了约1.15倍，综合提出更高效的包苗方法。该包苗方法的研究可降低人工劳动强度，提高生产效率，为渔业机械与贻贝养殖生产技术等提供有益参考。