鱼塘自动投饲和增氧装置的改进

1. 问题描述

随着水产养殖业不断发展，对鱼塘增氧和投饲装置的需求比较大，也出现了很多自动增氧或投饲的装置。如公开号为CN86206535U的实用新型专利公开了“一种用于鱼塘的叶轮式增氧机”，如图7−5所示。该增氧机由密封的电动机罩壳和设在其两侧的浮筒漂浮装置等组成，两传动臂由电动机罩壳分别经浮筒向两侧延伸，末端分别设一叶轮，该叶轮由电动机通过锥齿轮和设在传动臂内的传动轴驱动；传动臂与电动机罩壳之间设有由棘轮棘爪构成的单向离合器。该专利利用两叶轮自转时所产生的反作用力驱动两传动臂绕电动机罩壳公转，以实现大面积的增氧。一旦因缺氧而造成鱼浮头时，便控制电动机反转，此时单向离合器使两传动臂与电动机罩壳结合在一起而停止转动，只依靠叶轮自转实现局部增氧。

图7−5 叶轮式增氧机

1—搅拌减速器；2—主减速器；3—电动机；4—支撑架；5—悬浮筒；6—搅动叶轮

该专利存在以下不足：一是它利用两叶轮自转时产生的反力矩驱动其绕两传动臂中心公转，但当两叶轮自转转速较慢或两传动臂较短时，所产生的反力矩相对较小，尤其当鱼塘内存在漂浮物的阻碍时，公转则更加难以实现；二是使用的叶轮为直叶片，无法实现鱼塘内水的上下交换，导致增氧效率降低；三是该装置只能实现增氧，为了实现鱼的喂饲，还需在鱼塘内布设固定的投饲机，由于360°移动投饲机需要较大的转动空间，因此，二者可能存在明显的干涉现象。

2. 基于基元模型的矛盾分析

对问题一、二的解决方案很容易想到，用单一的TIRZ或可拓学方法就能解决，因此只做简单说明。

对于问题一，若提高叶轮自转转速，则会导致电动机消耗更多的功率，且高转速会使构件的发热严重，影响装置使用寿命；若增加传动臂的长度，则会导致装置运动的范围幅度较大，影响鱼的正常活动。因此，不管是通过何种手段提高叶轮自转产生的反力矩，都会导致其他不利因素的发生。

对于这一矛盾问题，采用标准参数描述，待改善的参数为：叶轮产生的力（NO.10）；导致其恶化的工程参数为：物体内部有害因素（NO.31）。

查矛盾矩阵表，得到相应的创新原理为：#13反向作用原理；#03局部特性（质量）原理；#36相变原理；#24中介物原理。经过比较，选用反作用原理#13，其具体内容为：

反向作用原理#13 a. 不实现技术条件规定的作用而实现相反的作用；b. 使物体或外部介质的活动部分成为不动的，而使不动的成为可动的；c. 将物体颠倒。

由上述原理得到启示：将叶轮自转带动公转的运动用叶轮的公转带动自转来替代。考虑到行星齿轮传动结构紧凑、传动平稳等优点，可以采用一行星齿轮箱来实现该传动。行星齿轮箱的设计如图7−6所示。

图7−6 行星齿轮箱的结构示意图

1—电动机；2—电动机输出轴；3—箱座；4—主动双联齿轮；5—行星齿轮；6—中心支撑轴承； 7—行星轮轴承；8—软轴；9—空心中心轴；10—套轴轴承；11—固定轴；12—回转臂接头； 13—支撑板；14—中心双联齿轮；15—公转传动齿轮

电动机通过输出轴与公转轮15啮合，直接驱动传动臂带动叶轮绕中心轴的公转。改进后，不仅提高了增氧装置的可靠性，而且可以删减相应的元部件（如棘轮棘爪构成的单向离合器，叶轮的公转可由电动机的开启和闭合控制），提高系统的简便性。

对于问题二，先建立问题的可拓学模型。该问题是用直叶片轮无法提高增氧效率，是一个不相容问题。用叶轮物元M1表示条件；用鱼塘增氧效率物元M2表示目标问题。即

M1= (叶轮，形状，直叶片) =(Om1,cm1,vm1)

M2= (鱼塘，增氧效率，高) =(Om2,cm2,vm2)

则该不相容问题建模为：

问题=目标×条件= (鱼塘，增氧效率，高) × (叶轮，形状，直叶片)即

P=G*L=M 2↑M1=(Om2,cm2,vm2)*(Om1,cm1,vm1)

解决不相容问题可以应用菱形思维方法。在该问题中，预期的目标是鱼塘的增氧效率较高，因此，先考虑在保持目标基元M2不变的前提下，对条件基元M1进行发散。

根据物元的发散性（一征多值）可知：

M1−|{M11 ,M12 ,M13}

其中，

M11= (叶轮，形状，圆弧形) =(Om11,cm11,vm11)；

M12= (叶轮，形状，机翼形) =(Om12,cm12,vm12)；

M13= (叶轮，形状，螺旋形) =(Om13,cm13,vm13)。

利用可拓学的优度评价机制可以对上述三种叶轮形状进行评估，选出较优的解决方案（具体过程略）。由于三维螺旋形叶轮利用螺旋升降的原理，在叶轮自转的同时，使水流沿着叶轮螺旋线的方向从上到下或从下到上运动。在叶轮的公转带动自转的条件下，可以将传动臂两端的叶轮设置成不同旋向，以增加水体中氧气交换的效率。因此，此方案中选择螺旋形叶片对其进行改进。螺旋形叶轮的结构如图7−7所示。

图7−7 螺旋形叶轮的结构图

1—饲料存储器；2—软轴；3—限位挡块；4—螺旋叶轮；5—滑动平台；6—回转臂

对于问题三，先建立增氧装置物元M3和投饲装置物元M4，再考虑如何将二者进行组合，即

从物元模型中可以看出增氧装置与投饲装置运动规律几乎相同，只是其功能和作用方式不同，因此可将二者在结构上进行组合，以提高整个系统的自动化程度。

但同时，由于给鱼塘投饲是间断运动，就需要增加相应的控制装置来控制投饲装置的开启和关闭，这同时也导致了装置的可操作性降低。

对于这个问题，采用标准参数描述，待改善的工程技术参数为：自动化程度（NO.38）；导致恶化的工程参数为：易操作性（NO.33）。

3. 基于TRIZ创新原理的可行解预测

查经典TRIZ矛盾矩阵表，得到推荐的发明原理为：#1分割原理；#12等势原理；#34抛弃或再生原理；#3局部特性原理。各发明原理的具体内容为：

分割原理#1 a. 将物体分成独立的部分；b. 使物体成为可拆卸的；c. 增加物体的分割程度。

等势原理#12 改变工作状态而不必升高或降低物品。

抛弃或再生原理#34 a. 已完成自己的使命或已无用的物体部分应当剔除（溶解、蒸发等）或在工作过程中直接变化；b. 消除的部分应当在工作过程中直接再生。

局部特性原理#3 a. 从物体或外部介质（外部作用）的一致结构过渡到不一致结构；b. 物体的不同部分应当具有不同的功能；c. 物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件。

根据上述原理得到启示：将投饲装置单独分割出来安装在传动臂末端位置，使其在公转的状态下能随传动臂一起旋转，实现投饲功能；在叶轮仅自转的条件下，依靠外界作用（如自重）关闭投饲装置，使其处于非工作状态。

4. 可行解的基元变换

根据上述分析，先将装有鱼饲料的投饲器安装在传动壁的末端。只需对增氧装置做一增加变换T1，使

T 1 M4=M4⊕M0

其中，

这样，投饲装置在公转离心力的作用下，会向传动臂末端运动，直至被限位块挡住。此时，控制落料孔开启进行投饲。现拟想在增氧装置仅自转的条件下，投饲器能回到原先位置，关闭落料孔。由于投饲器安装在传动臂上，因此建立传动臂物元M41，即

对传动臂M41进行拓展分析（一征多值），有

M41−|{M411 ,M412}

其中， 。

只需选择合适的倾斜角，当传动臂静止时，投饲器便会在其自身重力的作用下下滑，至下端的限位块处。

此时，需要再给该装置增加一个控制装置来控制投饲器落料孔的开闭。较简便的控制装置是运用复位弹簧进行机械式控制。上述过程运用可拓变换可表述为：做增加变换T2，使

T 2 M4=M4⊕M′

其中， M′=(控制装置，原理，弹簧复位式)。

对控制装置的作用原理进行发散，可得到不同的控制类型。根据物元的发散性（一征多值），有：

其中，=(控制装置，原理，电磁式)；

=(控制装置，原理，弹簧复位式)。

由此，可得到两种可行的方案解。方案一：采用弹簧复位式的控制原理进行机械式控制；方案二：采用电磁式控制原理进行控制。

5. 优度评价

（1）确定衡量条件

在该实例中，拟选择控制装置的可靠性c1和简便性c2作为衡量条件，得衡量条件集：

O={(c1,v1),(c2,v2)}

其中，iv为量值域。

（2）确定权系数

采用层次分析法（AHP），根据各因素在增氧装置中重要程度的差别，确定两因素之间的相互比率，使用1−9比率标度法。由于控制装置的可靠性比简便性略微重要，因此，采用AHP法构造出的判别矩阵H为：

采用AHP的和积法求得权系数α为：

α= (0.67,0.33)

（3）建立关联函数，计算规范关联度

设装置的可靠性和简便性的量级均为1～5级，建立简单的离散型关联函数 i K：

装置的可靠性和简便性的最优值均为5（级）。

比较两种控制方式，电磁式控制装置的可靠性比弹簧复位式的可靠性高，因此可取Kc1 (O1 )=4，Kc1 (O2 )=5。由于增氧装置需要做周期性旋转运动，且控制装置靠近水面运作，因此，对电磁式控制装置的密封性等要求较高，其装置的简便性不及弹簧复位式较优，可取Kc2 (O1 )=5，Kc2 (O2 )=5。

综上，两方案关于衡量指标：可靠性c1和简便性c2的关联度分别为：

Kc 1=(Kc1 (O1 ),Kc1 (O2 ))=(4,5)

Kc 2=(Kc2 (O1 ),Kc2 (O2 ))=(5,2)

根据规范关联度公式：

则它们的规范关联度分别为：kc1=(0.8,1)，kc2=(1,0.4)。

（4）计算优度

方案一关于衡量条件O的规范关联度为：K(O1 )=(0.8,1)T；方案二关于衡量条件O的规范关联度为：K(O2 )=(1,0.4)T。

因此，两方案的优度分别为：

C(O 1 )=αK(O1 )=0.866

C(O 2 )=αK(O2 )=0.802

由于C(O1 )＞C(O2 )，因此，控制装置选择弹簧复位式方案较优。

6. 最终方案

最终方案：将传动臂做成带有一定斜度形式，并将投饲装置和叶轮安装在传动臂的末端，并在其端部设置一限位挡块。当电动机带动传动臂公转时，且在离心力大于投饲器沿传动臂方向的重力分量时，控制板带动投饲器往端部运动，此时落料孔打开，该装置一边进行大范围的增氧，一边投撒饲料；当公转转速小于一定值或电动机不转时，投饲器在其重力的作用下下滑，直至被限位挡块阻挡而停止运动，此时落料孔被由弹簧控制的控制块关闭。这样就利用投饲器自身的质量来实现落料孔的开闭，没有增加控制装置的复杂性。投饲器装置的示意图如图7−8所示。鱼塘自动投饲增氧装置总体结构图如图7−9所示。

图7−8 投饲器装置

（a）投饲器落料孔闭合示意图；（b）投饲器落料孔打开示意图

1—传动臂；2—落料孔；3—控制板；4—楔形块；5—复位弹簧；6—叶轮； 7—软轴；8—滑动台；9—限位挡块

图7−9 移动式投饲增氧装置总体结构图

1—支承座；2—电动机；3—行星齿轮箱；4—回转臂；5—投饲器； 6—螺旋叶轮；7—回转臂接头；8—软轴