噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的設計

龐雄斌++劉海++郭翔++張俊峰++高星星++張唐娟++萬勇++羅友誼

摘要：為解決人工潑灑漁藥工作勞動強度大、施藥效率低且施藥過程中漁藥對施藥人員身體的危害大等問題，利用SolidWorks軟件進行建模，設計了由直流自吸水泵驅動，自動混藥、施藥的新型無線遙控噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機。噴施機由船體、動力裝置、噴水推進轉向系統、施藥系統、無線遙控系統以及配套的水管管路系統組成，樣機機身質量約為26 kg，并對樣機進行測試。結果表明，該漁藥噴施機運行平穩可靠、噪音小，作業時的平均行駛速度為1.0 m/s，最大噴施效率約為2.4 hm2/h（傳統的人工潑灑效率約為0.4 hm2/h），噴施效率約是人工的6倍。通過遙控控制噴施機完成漁藥的噴施，保證了操作人員的安全，同時對漁藥進行在線混合，從而避免噴施藥液配置過多造成浪費和污染環境，適用于水產養殖。

關鍵詞：漁藥；噴施機；噴水推進；無線遙控；水產養殖

中圖分類號：S224.21 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）13-2532-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.13.034

Design of the Hydraulic Jet Propulsion Machine for Spraying Fishery Drug

PANG Xiong-bin， LIU Hai， GUO Xiang， ZHANG Jun-feng， GAO Xing-xing，

ZHANG Tang-juan， WAN Yong， LUO You-yi

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

Abstract： In order to solve a series of problems—low efficiency， high labor intensity and high harm to operators of artificial sprinkling of fishery drugs， create a modeling design by using “SolidWorks”， a complete new hydraulic jet propulsion machine for spraying fishery drug was designed which was driven by a water pump and could mix drugs automatically. The machine was composed of hull， power device， hydraulic jet propulsion system， drug delivery system， remote control system and pipeline. The sample machine was 26 kg and was tested. The testing results showed that the average speed of the machine was 1.0 m/s， the maximum spraying efficiency was 2.4 m2/h while the efficiency of artificial sprinkling of fishery drugs was 0.4 hm2/h， and spraying efficiency was 6 times of the efficiency of artificial sprinkling. The machine can guarantee the safety of operator by completing the spraying process using the remote control and can reduce the fishery drugs waste and remove environmental pollution because the way of online mixing. It was stable， reliable and applied in aquiculture.

Key words： fishery drug；spraying machine；hydraulic jet propulsion；radio remote control；aquiculture

湖北省號稱千湖之省，淡水養殖居全國首位，武漢市水資源極為豐富，水域面積占全市面積的近1/4，水域面積占比居中國大城市之首。淡水養殖在湖北農業中占據極為重要的地位[1]。但是不管在湖北省還是在全國，除了個別高端的工廠化循環水養殖外，普遍而言，水產養殖的機械化程度相對不高，水產養殖施藥機械比較缺乏。隨著中國淡水水產養殖業的迅猛發展，水產動物病害已成為影響中國淡水水產養殖業發展的主要制約因素[2]。水產養殖中，使用漁藥的目的除了調節水質外，主要是防治水產動物的疾病。藥物防治作為一種最直接的控制手段，在水產動物病害防治中起重要作用[3]。

魚病防治中常用的方法是全池潑灑法，又稱遍灑法[4]，具有見效快、療效高的優點，適用小型水體、池塘等。據了解，人工施用漁藥，要完成混藥和人工潑灑，首先必須了解所使用藥物的安全濃度，在安全濃度以下的劑量作為潑灑濃度，通過計算水體的面積和平均水深，大概估算出水體總體積和使用的藥物總量，進行總量控制，均勻潑灑。如果超過安全濃度潑灑，會導致濃度偏高，魚類中毒。人工潑灑時，在木質、陶瓷或塑料容器中加入水，使藥物充分溶解，濾去殘渣后，將藥液均勻潑灑于水中。人工全池潑灑藥液，一般需要2個人操作。1個人負責船的劃行，1個人負責潑灑漁藥。初步估算，1個0.33 hm2的魚塘，若考慮充分撒勻漁藥，大約需要1 h，每0.067 hm2水面需要10～15 min。漁藥中的很多種類均是潑灑類藥物。有的水產養殖戶由于缺乏水中運載工具，全池潑灑藥物變成繞池1周潑灑。這種施藥方法周邊一圈濃度高，中間濃度低，中間區域達不到防治魚病的作用，導致用藥效果差甚至加重疾病的暴發，不僅成本增加、浪費勞力，還可能損失慘重。全池潑灑法存在工作效率低、勞動強度大和潑灑不均勻等問題，并且在使用毒性較大的漁藥時，因操作不當，還易造成人、畜、魚中毒[5-7]。

根據上述水產養殖漁藥的施用情況，無論從提高勞動生產率、降低勞動強度、提高施藥的均勻性，還是施藥時人、魚等的安全方面的考慮，都有必要對漁藥噴施機展開研究和開發，并盡快形成簡單有效、性能可靠的產品，為農業生產服務。噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的設計將遠距離遙控控制技術引入普通水產養殖領域，進一步推動水產養殖的施藥機械化水平，解決漁民施藥勞動強度大和效率低等問題，實現水產養殖的重要環節——施藥的自動化[8-13]。本研究所研發的噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的設計主要是針對小型水體和池塘（1.33 hm2以內）水產養殖，其主要目的是為水產養殖戶提供小型便攜的可遙控的水中運載施藥機具，代替人工進行全池塘全覆蓋相對均勻的施放漁藥，增加施藥效果、提高水產養殖生產效率、降低漁民勞動強度以及保障人和養殖對象的安全[14]。

1 噴施機模型及工作原理

1.1 模型設計

噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機主要由船體、動力裝置、噴水推進轉向系統、施藥系統、無線遙控系統以及配套的水管管路系統六部分組成。噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的設計結構見圖1。

1.2 工作原理

1）噴水推進原理：通過直流泵從船體底部吸入水，在水泵的作用下，有壓水流從管道系統傳送到船體尾部下端中間的噴管，經由噴管在水面下向后噴出縱向水流，在反作用力下，推動船體向前運動。

2）行進操控轉向原理：在船體向前運動的過程中，由于船體運動的回轉性，需要在船向前行進的過程中，對船體的前進和轉向進行操控，在漁藥噴施機左右兩側設置有兩個常閉電磁閥，通過遙控點動控制電磁閥，接通電磁閥，泵送水流經由分流系統通過電磁閥后再分流到船頭船尾，由噴管側向噴出，形成相對水流來操控船體向右或向左轉向。

3）施藥工作原理：施藥采用可調施藥泵對藥液進行微小流量精準施藥，施藥過程中可調施藥泵能夠保證流量前后一致；工作時，可調施藥泵從藥箱中吸入藥液再送入動力水泵進水口，經水泵攪動與池塘水混合，藥液被稀釋后經由船體尾部推進出水管噴出，進入池塘中再一次進行擴散稀釋。

2 噴施機主要零部件的設計

2.1 動力裝置的設計和選型配套

噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的動力裝置主要包括水泵和電池。設計根據漁藥施放時噪聲盡量小以免干擾魚類等進食的要求，以及基于最大程度地實現執行動作的遠距離遙控操作的考慮。噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的動力裝置設計采用直流水泵泵送有壓水流經船尾噴管噴出，利用反作用推動船體前進。

基于漁藥噴施機輕便以及行進速度方面的要求，直流水泵的重量不能太重，在滿足漁藥噴施機功能要求的條件下，盡量選擇重量更輕的直流水泵；并且要求功率適宜，功率太小不能滿足推動漁藥噴施機以較快的速度工作，甚至造成在有風的條件下無法工作，功率太大就必須選配更大容量的電源，容量越大電源的重量就會越重，并且電源采購的成本也相應增加；樣機的研究主要針對中小型池塘的漁藥施放、水面面積一般不超過1.33 hm2，漁藥噴施機工作時間一般在30 min以內，最多不超過40 min，經過綜合比對，選用XF-350型直流多功能自吸泵。水泵技術參數：額定電源12 V、重量3.59 kg、最大功率360 W、最大流量150 L/min、最大揚程10 m、最大吸程2.5 m。綜合考慮電源重量、成本以及續航時間等方面，最后配套電源選用 12 V 40 ah動力型鋰電池，重量3.27 kg。

隨著電源技術的進步，未來電源在成本和重量下降的同時，電源容量必將大幅上升，對噴施機來說，選擇的余地會更大，也會大大提升噴施機的性能，尤其是在增加續航時間和減重提速上。

2.2 噴水推進轉向系統的設計與選型

在動力裝置的設計和選型配套符合要求后，噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機噴水推進轉向系統的設計與選型配套問題就成為主要的問題，轉向操控的成敗決定著漁藥噴施機的設計能否滿足基本的功能要求，決定著漁藥噴施機能否在遙控下按照用戶設想的路徑進行前進和左右轉向。采用不同的管徑、噴管組合進行多次轉向操控試驗，經過分析比選，最終完成了選型，實現了轉向操控功能。

2.3 電磁閥的選型

根據工作壓力及水泵壓力，選用12 V電磁閥（2W-200-20），該電磁閥水管公稱直徑為20 mm，工作溫度范圍-5～80 ℃，工作壓力0～10 kg/cm2。

2.4 施藥系統的設計與選型

漁藥施放是漁藥噴施機需要完成的主要功能，漁藥施放系統設計的好壞決定著漁藥噴施機開發的最終成敗。在進行漁藥噴施機的漁藥施放系統的設計時，由于漁藥噴施機受動力的選配、總重量、船速、工作效率等的限制，綜合考慮后，決定噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的設計采用配置2 000 mL額定容量的小藥箱、裝載原液（或按照一定比例稀釋后的藥液）的方法，通過微型可調施藥泵吸取藥箱中的藥液，泵入水泵前端進水口，通過水泵攪合混合均勻后由尾部噴管噴射進池塘中。噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的設計藥液路徑如圖2所示。

可調施藥泵主要優點：重量輕、體積小、耗電少，原液不需要經過泵體內部，只經過泵管傳輸，安全無腐蝕，對于同種藥液，進行施藥工作時，流量可以保持始終穩定一致，實現精準施藥?？烧{施藥泵選用KCP3-S10型可調施藥泵，泵頭采用三滾輪形式的工程塑料，泵管可用硅膠管和BPT管。其技術參數：工作電壓12 V、重量270 g、功率 5 W、流量范圍19～65 mL/min（實測最大約80 mL/min）。在原液通過水泵前端吸水管道進入水泵進行第一次稀釋，可以初步實現稀釋比1∶1 000到1∶5 000，然后經過尾部噴管再一次噴入池塘中進行第二次稀釋擴散，最后實現全池塘相對均勻的施藥。

2.5 遙控控制電路的設計與實現

在進行整體方案的設計時，對于噴施機的功能和動作需要實行遙控進行統一規劃，設計了遙控控制電路圖，如圖3所示。

在對遙控控制有了整體的設計后，噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的設計對電控系統相關部件進行了選型。遙控控制采用3 km遙控套裝，12 V，8路控制，其中1～4點動，5～8自鎖；經試驗實測遙控最遠距離約160～200 m；2路點動控制左右2個電磁閥，剩下2路點動方便維修換接；2路自鎖控制動力泵和藥液泵啟閉；剩下2路自鎖方便維修換接。在遙控控制動力水泵的開關時，測得水泵工作電流為25 A，在遙控控制開關與動力水泵之間增加了MZJ-50型（12 V）直流接觸器。圖4為噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的設計遙控實物線路。

3 噴施機檢測和試驗

分別選取鈣霸、金碘、溴氧海因粉這3種不同黏度魚藥進行了漁藥噴施試驗，試驗地點為武漢市農業科學技術研究院北部園區，魚塘呈正方形，長100 m，寬100 m，平均儲水深度約2.4 m。經對樣機的實際測試，其技術參數如表1所示。樣機設計如圖5所示。

3.1 重量的測量

噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的設計定型初步完成后，對整機重量進行了稱重，不裝藥液時的重量為26 kg；在進行設計時，對影響整機重量比較大的零部件進行了嚴格控制，不僅在部件性能上進行比選，而且也注意重量的控制，包括水泵、電源電池、電磁閥、施藥系統設計、配套管道管徑選擇等方面，以保證整機的輕便性。

3.2 遙控距離的測量

分別選擇了2 km遙控套裝和3 km遙控套裝進行測量，試驗在武漢市黃陂區武湖武漢市農業科學技術研究院北部園區寬闊的道路上進行。天氣條件：晴好天氣、微風。試驗結果顯示3 km遙控套裝的有效遙控距離約為150～200 m，符合本機要求。

3.3 尾部噴管流量和蠕動泵流量的測量

流量實測時采用計時稱重的方法或稱重（控制總容量）計時的方法。尾部噴管管徑為15.6 mm，在沒有進行轉向操控，兩側電磁閥關閉的情況下，測得噴管的流量為 80 L/min、流速約 7 m/s；在進行蠕動泵流量測試時，噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的設計采用了自來水作為對象，測得可調蠕動泵流量范圍約為 16～82 mL/min；在采用魚藥進行相關試驗時，對黏稠性比較大的魚藥進行一定比例的預稀釋（稀釋比一般為1∶2～1∶6，視黏稠程度而定，比較黏稠的比例取大值，比如金碘試驗時采用1∶6）；經過試驗，流量有所減少，但變化相對比較穩定，對同種藥液，基本可以保證流量穩定。因此，可以視蠕動泵的最大流量約為80 mL/min，計算出經過蠕動泵將藥液泵入管道的稀釋比約為1∶1 000，調低蠕動泵到最低流量，則稀釋比為1∶5 000。

3.4 船速和續航時間的測量

在噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機的設計定型初步完成后，對正常行進速度進行了測量，測得船速約為1.0 m/s；試驗通過在船尾系上細尼龍繩，正常操控保持直線行駛，計時測量繩長得到船速數值。在施藥工作狀態下，對鋰電池充滿電時進行試驗，正常操控時可以持續工作約55 min。在進行續航試驗時發現工作50～55 min時速度下降明顯，試驗至約55 min時，動力水泵停止工作。

4 小結

本研究研制的噴水推進轉向式遙控漁藥噴施機，根據漁藥的噴施特性、魚塘對漁藥的要求和噴施特點，利用無線電遙控技術控制漁藥噴施機的運行，通過自動藥水混合進行噴施作業。噴施機的質量為26 kg，其平均行駛速度為1.0 m/s。該設備每小時最大噴施覆蓋面積為2.4 hm2，噴施效率是人工的6倍。該噴施機采用無線電遙控技術，有效遙控距離可達200 m，發射功率較大，抗干擾和靈敏度強。該噴施機操作簡單，可以根據魚塘的面積進行漁藥配制，科學施藥，不會造成浪費和對環境的污染。該噴施機與傳統施藥方式相比較漁藥噴灑效率大大提高，噴灑效率達到2.4 hm2/h，節省勞動力，有效解決了人工潑灑漁藥工效較低且施藥過程中漁藥對施藥人員身體的危害等問題，具有安全、高效、施藥均勻、自動化程度高等優點。

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