深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗裝備關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

袁太平 ，廖宇琦，黃小華 ，胡 昱 ，陶啟友 ，李 根 ，龐國(guó)良

1. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所熱帶水產(chǎn)研究開發(fā)中心/三亞熱帶水產(chǎn)研究院，海南 三亞 572000

2. 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部外海漁業(yè)可持續(xù)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/廣東省網(wǎng)箱工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510300

3. 上海海洋大學(xué)，上海 201306

網(wǎng)箱養(yǎng)殖已成為海水魚養(yǎng)殖的主要方式，1998—2022 年間，我國(guó)重力式高密度聚乙烯(HDPE)深水網(wǎng)箱數(shù)量已超過2 萬個(gè)，2022 年我國(guó)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖海水魚產(chǎn)量超過3.93×105t，比2021 年增長(zhǎng)16.6%，目前重力式深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖規(guī)模仍在不斷擴(kuò)大[1-2]。中央及廣東省政府多個(gè)文件明確指出建設(shè)現(xiàn)代海洋牧場(chǎng)，發(fā)展深水網(wǎng)箱等深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖，支持漁業(yè)裝備開發(fā)[3-5]，深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。由于網(wǎng)箱網(wǎng)衣長(zhǎng)期浸泡于海水中會(huì)誘導(dǎo)大量污損生物附著，附著嚴(yán)重時(shí)會(huì)阻礙網(wǎng)箱內(nèi)外水體交換，大幅增加網(wǎng)箱框架受力，在長(zhǎng)期海流的作用下易導(dǎo)致網(wǎng)箱框架破壞及魚病滋生，從而造成重大經(jīng)濟(jì)損失。以人工為主的傳統(tǒng)網(wǎng)衣清洗方式已不能適應(yīng)網(wǎng)箱養(yǎng)殖的規(guī)?；l(fā)展，網(wǎng)衣清洗難已嚴(yán)重限制了深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖的規(guī)?；l(fā)展，開發(fā)機(jī)械化、自動(dòng)化的水下網(wǎng)衣清洗裝備是未來深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖集約化管理的必然趨勢(shì)[6-7]。

國(guó)外漁業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在網(wǎng)衣清洗技術(shù)方面的研發(fā)較早，相對(duì)國(guó)內(nèi)技術(shù)成熟度較高。挪威Mainstay AS 公司長(zhǎng)期致力于開發(fā)水下網(wǎng)衣清洗裝備[8]，提供Mainstay 系列網(wǎng)衣清洗機(jī)器人、清潔裝備產(chǎn)品和相匹配的高壓泵站及配件，其中最新發(fā)布的Mainstay Manta 網(wǎng)衣清洗機(jī)器人設(shè)置有5 個(gè)工作洗盤，5 個(gè)推進(jìn)器，4 個(gè)相機(jī)傳感器，工作壓力為6～30 MPa，整機(jī)可實(shí)現(xiàn)在無推進(jìn)器工作條件下的自由懸浮且不發(fā)生側(cè)向翻轉(zhuǎn)，機(jī)器人控制操作簡(jiǎn)便。日本YANMAR 公司的帶纜潛水網(wǎng)衣清洗機(jī)器人，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用歧管式洗盤，利用傾斜安裝的噴嘴產(chǎn)生射流反沖力帶動(dòng)洗盤旋轉(zhuǎn)，智能化程度高[9]；澳大利亞Aurora Marine 公司研制的網(wǎng)衣清洗機(jī)器人，集成在清洗工作船上，采用履帶式結(jié)構(gòu)與水流雙重驅(qū)動(dòng)，能較好地依附于網(wǎng)衣上并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的網(wǎng)衣清潔[10]。國(guó)內(nèi)對(duì)網(wǎng)衣清洗裝備研究起步較晚，Peng 等[11]對(duì)高圍壓淹沒條件下的水射流空化現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)空化射流沖蝕強(qiáng)度的變化與沖擊速率的變化關(guān)系更密切，而與絕對(duì)沖擊強(qiáng)度的變化關(guān)系較小。黃小華等[12]、張小明等[13]所設(shè)計(jì)制作的歧管式高壓水射流水下洗網(wǎng)機(jī)，利用空化射流打擊原理解決了水下網(wǎng)衣清洗的問題；莊集超等[14]結(jié)合水下機(jī)器人，開發(fā)出一種旋流式深海網(wǎng)衣清洗裝置，以歧管式噴盤噴射的高壓旋轉(zhuǎn)水射流作為清洗動(dòng)力源，利用特制雙浮筒調(diào)整水下潛浮姿態(tài)，改變運(yùn)行方向，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)箱各個(gè)方向上的清洗。宋玉剛和鄭雄勝[15]研制了一種深海網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗系統(tǒng)，包括水上工作船和水下清洗裝置，水上工作船配小型發(fā)電機(jī)和小型吊機(jī)，轉(zhuǎn)盤刷子在網(wǎng)衣表面進(jìn)行劇烈的摩擦運(yùn)動(dòng)，從而去除網(wǎng)衣表面的海洋附著污損生物。青島森科特智能儀器有限公司開發(fā)出一套履帶式網(wǎng)衣清洗機(jī)器人，采用自主研發(fā)的空化射流技術(shù)和履帶螺旋槳聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)控制策略，可有效控制水下機(jī)器人的運(yùn)行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)衣污損生物的清除[16]。由于裝備操作的便利性、清洗清潔度及養(yǎng)殖觀念固化等原因，國(guó)內(nèi)清洗裝備應(yīng)用尚不廣泛，裝備樣機(jī)技術(shù)水平還有待成熟化。

為解決深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗難的技術(shù)瓶頸，本研究研制了一種雙體深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗裝備，結(jié)合數(shù)值計(jì)算及試驗(yàn)方法對(duì)清洗裝備的關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和力學(xué)分析，探究了清洗裝備噴嘴孔徑、噴嘴與清洗轉(zhuǎn)盤夾角、網(wǎng)面與清洗盤靶距對(duì)網(wǎng)衣污損生物去除率的影響，以優(yōu)化網(wǎng)衣清洗裝備設(shè)計(jì)參數(shù)及工作參數(shù)配置，為深水網(wǎng)箱水下網(wǎng)衣清洗裝備的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

本研究基于淹沒環(huán)境下的空化射流原理開發(fā)了雙體深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗裝備。網(wǎng)衣清洗裝備包括高壓泵站系統(tǒng)、四流道左旋轉(zhuǎn)盤、四流道右旋轉(zhuǎn)盤、高壓水密封系統(tǒng)、高速旋轉(zhuǎn)接頭、三通接頭、框架、外罩、吊環(huán)等，其中高壓泵站系統(tǒng)由汽油機(jī)驅(qū)動(dòng)高壓泵產(chǎn)生高壓流，轉(zhuǎn)盤由盤體與噴嘴組成，密封系統(tǒng)由O 型密封圈、中心軸組成 (圖1)。清洗及工作時(shí)，由繩索將清洗裝備吊裝至養(yǎng)殖網(wǎng)箱內(nèi)表面，高壓泵站提供壓力水流經(jīng)三通接頭進(jìn)入清洗轉(zhuǎn)盤，從而經(jīng)由噴嘴形成空化射流，實(shí)現(xiàn)水下網(wǎng)衣的清洗作業(yè)。期間噴嘴的反作用力帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤形成環(huán)形清洗面，通過調(diào)節(jié)推進(jìn)器推力大小控制轉(zhuǎn)盤與污損生物的靶距。通過調(diào)節(jié)繩索長(zhǎng)度和控制清洗裝置在網(wǎng)箱框架的吊裝點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)衣清洗機(jī)在網(wǎng)箱的橫縱向運(yùn)動(dòng)。該機(jī)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)參數(shù)如表1 所示[17-19]。

表1 深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗裝備結(jié)構(gòu)參數(shù)及技術(shù)參數(shù)Table 1 Structural and technical parameters of deep water net cage net cleaning equipment

圖1 空化射流式網(wǎng)衣清洗機(jī)主體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Main structure of cavitation jet type net cleaning machine

1.2 旋轉(zhuǎn)圓盤運(yùn)動(dòng)特性

清洗轉(zhuǎn)盤為四流道結(jié)構(gòu)，流道末端軸線垂直于旋轉(zhuǎn)圓盤半徑并與圓盤表面成α角 (圖2)。高壓流進(jìn)入流道經(jīng)噴嘴形成高速射流，射流反作用力作用在噴嘴及轉(zhuǎn)盤形成旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩M，清洗轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)高壓噴嘴繞軸向旋轉(zhuǎn)形成柱狀或錐狀的高速空化射流，從而在轉(zhuǎn)盤正方向形成環(huán)狀的網(wǎng)面清洗軌跡，旋轉(zhuǎn)圓盤結(jié)構(gòu)如圖2 所示，材質(zhì)為鋁合金。圓盤直徑為400 mm，配置4 只高壓噴嘴，噴嘴與圓盤呈傾角α。

圖2 清洗轉(zhuǎn)盤受力分析Fig. 2 Force analysis on cleaning rotating discs

清洗轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速及理論計(jì)算公式[20]：

式中：w為噴嘴旋轉(zhuǎn)角速度 (r·s?1)；t為時(shí)間(s)；qt為4 個(gè)噴嘴出口總流量 (m3·s?1)；R為旋轉(zhuǎn)半徑，即水射流出口到旋轉(zhuǎn)軸的距離 (m)；α為偏轉(zhuǎn)角，即水射流軸心線與旋轉(zhuǎn)軸的夾角 (°)；J為旋轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg·m2)；M為阻力扭矩 (N·m)；As為清洗轉(zhuǎn)盤的徑向投影面積 (m2)；h為噴嘴所在位置的水深 (m)，Ph為旋轉(zhuǎn)圓盤處的射流出口壓力；考慮到O 形圈、軸承等摩擦產(chǎn)生，αf= 1.05；Rα為旋轉(zhuǎn)圓盤半徑，即圓盤周線到旋轉(zhuǎn)軸的距離(m)。

當(dāng)t→∞時(shí)，旋轉(zhuǎn)角速度w趨于穩(wěn)定值Ω，即：

式中：n為轉(zhuǎn)盤噴嘴的數(shù)量；d為噴嘴孔徑 (m)。

1.3 空化特性分析

空化普遍發(fā)生在流體機(jī)械設(shè)備中，高壓水流經(jīng)過噴嘴沿程管道突變截面時(shí)會(huì)在近壁面區(qū)域形成低壓區(qū)，使流體發(fā)生斷裂產(chǎn)生空化核，空化核在流體中持續(xù)經(jīng)歷生長(zhǎng)、匯集和潰滅演變過程，空泡的持續(xù)潰滅產(chǎn)生的高速、高壓和高溫作用引起噪聲和固態(tài)材料的破壞，從而可用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)面附著生物的清洗。流體的空化數(shù)可以用σ表示[21-22]：

式中：U∞和P∞分別表示均勻流體上游來流的速度與壓力；Pv(T∞)為當(dāng)?shù)亓黧w的飽和氣體壓力；ρL為流體密度。流體發(fā)生斷裂產(chǎn)生空化核將會(huì)首先發(fā)生在特定空化數(shù)σ下，用σi表示；當(dāng)σ足夠大，空化將不會(huì)發(fā)生，當(dāng)σ減小且低于σi時(shí)將引起流體空化數(shù)量及程度上的增強(qiáng)。流體空泡破裂是一個(gè)劇烈的過程，伴隨大幅度的激波和微射流產(chǎn)生，破裂過程發(fā)生在障礙物表面時(shí)會(huì)形成較高的局部瞬變表面壓力，大量的空泡在障礙物表面破裂產(chǎn)生的壓力重復(fù)作用在障礙物表面將導(dǎo)致局部壁面疲勞失效和表面材料的分離脫落[23]。

1.4 射流沖擊動(dòng)力響應(yīng)分析

試求淹沒環(huán)境下噴嘴對(duì)障礙物的打擊力，以噴嘴射流外輪廓線所圍體積為控制體進(jìn)行計(jì)算，作用在控制體內(nèi)流體上的力有重力，障礙物對(duì)流體的作用力F和環(huán)境摩擦阻力Fa(圖3)。

圖3 水下射流對(duì)障礙物的作用Fig. 3 Interaction between underwater jets and obstacles

根據(jù)動(dòng)量方程：

式中：v0為噴嘴射流出口位置速度；射流對(duì)障礙物的打擊力F'=?F?？梢钥闯鏊淞鲗?duì)障礙物的沖擊力受水黏性阻力影響較大，與Zhong 等[24]在水淹沒環(huán)境下用10 MPa 的空化射流對(duì)1060 鋁板沖擊的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

2 材料與方法

2.1 深水網(wǎng)箱污損生物附著

本研究制作了網(wǎng)衣掛板對(duì)珠海桂山島海域深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖基地海域進(jìn)行污損生物取樣，獲取初步試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為網(wǎng)衣清洗裝備清洗試驗(yàn)提供了準(zhǔn)備材料。掛板污損生物附著取樣地點(diǎn)位于珠海市萬山區(qū)桂山鎮(zhèn)枕箱島西側(cè)，水深12～16 m。監(jiān)測(cè)表層水溫為14.72～33.51 ℃，表層溶解氧為5.306～13.842 mg·L?1，鹽度為14.6‰～30.9‰。使用電弧焊機(jī)焊接4 只長(zhǎng)1.2 m、寬1 m 的金屬框架，裁剪4 張規(guī)格為長(zhǎng)1.4 m、寬1.2 m 的網(wǎng)箱PE 網(wǎng)片。網(wǎng)片為絞拈無結(jié)網(wǎng)，網(wǎng)目尺寸為25 mm，用細(xì)繩綁于金屬框架制成掛板，網(wǎng)線規(guī)格為0.23/3×3，縮結(jié)系數(shù)為0.6/0.8，所用網(wǎng)箱網(wǎng)片由珠海桂山島養(yǎng)殖企業(yè)提供。用兩條網(wǎng)繩系綁掛板長(zhǎng)邊角，另一頭網(wǎng)繩系綁網(wǎng)箱護(hù)欄，掛板整體呈漏斗狀，相鄰掛板間隔超過1 m，以保證在水流作用下盡量減小對(duì)掛板的晃動(dòng)，避免造成相鄰掛板纏繞。網(wǎng)衣掛板海上懸掛情況見圖4。

圖4 網(wǎng)衣掛板 (左) 和掛板懸掛效果 (右)Fig. 4 Net hanging board (Left) and effect of hanging board (Right)

經(jīng)網(wǎng)箱養(yǎng)殖海域懸掛4 個(gè)月后提起掛板進(jìn)行圖像采樣和生物鑒別，網(wǎng)衣掛板污損生物附著情況如圖5 所示。網(wǎng)衣掛板附著污損生物群落有中胚花筒螅 (Ectopleuracrocea)、翡翠貽貝 (Pernaviridis)、網(wǎng)紋藤壺 (Amphibalanusreticulatus)、華貴櫛孔扇貝(Chlamysnobilis) 等。污損生物優(yōu)勢(shì)物種為翡翠貽貝，且主要附著在金屬框架周圍，網(wǎng)紋藤壺多分布于網(wǎng)片網(wǎng)線交叉及掛板框架位置，以該處沿網(wǎng)面方向生長(zhǎng)繁殖，附著力較大，清除難度大[25]。掛板網(wǎng)線上有大量泥土附著。

圖5 網(wǎng)片掛板污損生物附著Fig. 5 Net hanging board and biological fouling

2.2 網(wǎng)箱清洗裝備性能試驗(yàn)

網(wǎng)衣掛板清洗試驗(yàn)地點(diǎn)位于中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所花都實(shí)驗(yàn)基地試驗(yàn)車間。試驗(yàn)水槽長(zhǎng)1.2 m、寬1.2 m、高1 m，初始水槽水深為1 m，槽內(nèi)水無流動(dòng)。網(wǎng)衣掛板實(shí)驗(yàn)方案參考Bi 等[26]，準(zhǔn)備9 只長(zhǎng)0.3 m、寬0.3 m 的316 不銹鋼金屬框架，框架直徑為3 mm，將污損生物附著后的網(wǎng)衣裁剪成9 只長(zhǎng)350 mm、寬350 mm 的網(wǎng)片。網(wǎng)片與框架用扎帶系綁制成原始掛板，掛板編號(hào)為1—9 號(hào)，原始網(wǎng)衣掛板需保持繃緊狀態(tài)。

安裝雙體網(wǎng)衣清洗裝備各部件，將裝有過濾裝置的高壓泵站進(jìn)水管路一端放入水槽中，出水管路快插公母接頭與清洗機(jī)構(gòu)三通接頭相連，安裝過程確保裝備的高壓密封性，以防止漏水造成網(wǎng)衣清洗裝備的水力損失。利用橫桿將網(wǎng)衣掛板懸掛于水槽中心，掛板上沿端距離水面為0.3 m，下沿端懸掛配重10 kg，保證網(wǎng)衣掛板在水淹沒狀態(tài)下受水流影響不出現(xiàn)大幅晃動(dòng)。水槽上端放置另一橫桿，通過清洗裝備吊環(huán)及繩索將清洗裝備與橫桿連接。啟動(dòng)高壓泵，等待機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，將壓力桿調(diào)至最大處，轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)壓調(diào)壓閥，提高裝備系統(tǒng)的壓力，當(dāng)壓力表讀數(shù)達(dá)到18 MPa 時(shí)，觀察清洗裝備的噴嘴射流情況。當(dāng)噴嘴射流呈圓環(huán)狀旋轉(zhuǎn)正常，將裝備置于水下對(duì)網(wǎng)衣掛板進(jìn)行清洗。通過調(diào)節(jié)繩索伸縮量控制網(wǎng)衣清洗裝備的入水深度，通過控制器調(diào)節(jié)螺旋槳推力控制靶距。試驗(yàn)中裝備分流轉(zhuǎn)盤正對(duì)網(wǎng)衣掛板表面進(jìn)行清洗，控制清洗時(shí)間為15 min[27]。

最大量程為1 kg，精度為0.01 g 的電子天平稱量器稱量掛板濕質(zhì)量，并及時(shí)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。網(wǎng)衣掛板清洗試驗(yàn)過程如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)衣掛板清洗試驗(yàn)Fig. 6 Cleaning test of net hanging board

2.3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為進(jìn)一步研究工程應(yīng)用中網(wǎng)衣清洗裝備空化射流的清洗性能，優(yōu)化網(wǎng)衣清洗裝備設(shè)計(jì)參數(shù)和工作系統(tǒng)配置，根據(jù)網(wǎng)衣清洗裝備的清洗工況設(shè)計(jì)3×3 正交試驗(yàn)方案，依據(jù)正交設(shè)計(jì)原則，選擇正交表L9(33)[28]。當(dāng)輸入壓力確定的情況下，分流轉(zhuǎn)盤噴嘴直徑選定后，流量對(duì)應(yīng)確定，設(shè)定自變量為噴嘴孔徑d、噴嘴與轉(zhuǎn)盤夾角α、靶距L(網(wǎng)衣清洗裝備與網(wǎng)衣掛板表面的距離)。汽油機(jī)帶動(dòng)高壓泵站運(yùn)行為網(wǎng)衣清洗裝備提供持續(xù)高壓水流，高壓泵站額定功率為18 kW，輸入壓力為18 MPa，額定工作流量為50 L·min?1，配備量程為0～60 MPa 壓力表、調(diào)壓穩(wěn)壓閥及流量計(jì)。基于工藝加工可行性及設(shè)定試驗(yàn)范圍內(nèi)常用值考慮，設(shè)定水平參考值，3 因素3 水平試驗(yàn)如表2 所示。

表2 三因素三水平Table 2 Three factors and three levels

根據(jù)三因素三水平正交表得到表3 所示的9 種試驗(yàn)方案，9 個(gè)試驗(yàn)號(hào)中各因素各水平搭配均衡，每個(gè)因素每個(gè)水平分別做3 次試驗(yàn)，每?jī)蓚€(gè)因素的每一種水平搭配均做1 次試驗(yàn)，從而通過9 個(gè)試驗(yàn)結(jié)果可以分析清楚每個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，全面了解不同工況參數(shù)下網(wǎng)衣清洗裝備的清潔效率。每組試驗(yàn)方案進(jìn)行多次重復(fù)，剔除結(jié)果變化梯度較大的實(shí)驗(yàn)組，求剩余實(shí)驗(yàn)組污損生物去除率平均值，確保試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

表3 正交試驗(yàn)方案Table 3 Orthogonal test schedule

3 網(wǎng)衣清洗裝備的性能試驗(yàn)與討論

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

分析正交試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注網(wǎng)衣清洗裝備的清潔性能，選用網(wǎng)衣掛板污損生物去除率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，掛板污損生物去除率計(jì)算公式如下：

式中：M1為污損生物附著嚴(yán)重的掛板濕質(zhì)量 (稱量時(shí)瀝干水分，g)；M2為使用清洗裝備清洗后的掛板濕質(zhì)量 (g)，則M1?M2為清洗裝備清除污損生物的質(zhì)量；M3為以人工敲除方式對(duì)污損生物徹底去除后的掛板濕質(zhì)量 (g)[29-30]，則M1?M3為掛板污損生物實(shí)際的總質(zhì)量。掛板清洗正交試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，結(jié)果表明5 號(hào)試驗(yàn)網(wǎng)衣掛板相對(duì)于其他8 個(gè)試驗(yàn)網(wǎng)衣掛板的污損生物去除率最大。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal test results

Ki(i=1～3) 為該列因素第i水平累計(jì)質(zhì)量損失；ki=Ki/3。K1、K2、K3分別代表因素在1、2、3 水平下對(duì)應(yīng)去除率值的總和。k1、k2、k3分別表示因素在相應(yīng)水平下對(duì)應(yīng)的去除率值總和的平均值。極差R為因素對(duì)應(yīng)最大k值與最小k值之差。

極差與各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響程度呈正相關(guān)。極差越大，表示該因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)值影響越大；反之，極差越小，表示該列因素的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)的變化對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)值影響越小。分析極差結(jié)果RL＞Rα＞Rd，表明在給定試驗(yàn)條件下，網(wǎng)衣清洗裝備系統(tǒng)參數(shù)對(duì)網(wǎng)衣掛板污損生物去除率的影響程度順序?yàn)椋喊芯鄬?duì)清洗裝備的污損生物清潔率影響最為顯著，噴嘴與轉(zhuǎn)盤夾角次之，噴嘴孔徑影響程度最小。

各因素優(yōu)選參數(shù)由試驗(yàn)指標(biāo)網(wǎng)衣污損生物去除率決定，網(wǎng)衣污損生物去除率越高，說明網(wǎng)衣清洗裝備清洗效果越好。在每個(gè)因素中選取K值最大對(duì)應(yīng)的水平。如表3 中，以噴嘴孔徑為例，K2最大，說明水平2 在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)最優(yōu)；對(duì)于噴嘴與轉(zhuǎn)盤夾角因素，水平3 效果最優(yōu)；對(duì)于靶距因素，水平1 效果最優(yōu)。因素水平組合d=1.0 mm，α=60°，L=0 cm 為優(yōu)選方案。優(yōu)選方案組合d2α3L1對(duì)應(yīng)為5 號(hào)試驗(yàn)參數(shù)工況，網(wǎng)衣掛板污損生物去除率達(dá)到最大值 (72.55%)，說明通過使用正交方法統(tǒng)計(jì)分析得出的優(yōu)選方案與試驗(yàn)工況結(jié)果相吻合，因此確定因素水平組合d=1.0 mm，α=60°，L=0 cm為網(wǎng)衣清洗裝備系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)選方案。

3.2 各因素水平對(duì)掛板污損生物去除率作用影響分析

圖7 為正交試驗(yàn)最優(yōu)結(jié)果組合條件下的單因素試驗(yàn)分析。當(dāng)α=60°，L=0 cm 時(shí)，一定范圍內(nèi)掛板污損生物去除率隨著噴嘴孔徑增大呈先增后減的趨勢(shì)，說明在噴嘴孔徑選取的試驗(yàn)水平范圍內(nèi)有最大值，試驗(yàn)條件下噴嘴孔徑d=1.0 mm 時(shí)，網(wǎng)衣掛板污損生物去除率最大，表明在試驗(yàn)范圍內(nèi)網(wǎng)衣清洗裝備清洗效果最佳。當(dāng)d=1.0 mm，L=0 cm 時(shí)，隨著噴嘴與轉(zhuǎn)盤夾角的增大，掛板污損生物去除率先減后增，噴嘴與轉(zhuǎn)盤夾角α=60° 時(shí)，網(wǎng)衣掛板污損生物去除率最大，與Yang 等[31]關(guān)于60° 噴嘴的空化數(shù)值模擬和Al1060 沖蝕試驗(yàn)為最優(yōu)相吻合。當(dāng)d=1.0 mm，α=60° 時(shí)，掛板污損生物去除率隨著靶距的增大而減小，靶距L=0 cm 時(shí)，掛板污損生物去除率最大，說明網(wǎng)衣清洗裝備在緊貼網(wǎng)衣工況下的清洗效果最佳。當(dāng)靶距不斷增大，掛板污損生物去除率顯著下降，可以預(yù)測(cè)在試驗(yàn)范圍內(nèi)，靶距對(duì)污損生物去除率的影響最大。

圖7 試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系Fig. 7 Relationship between experimental factors and evaluation indicator

3.3 清洗裝備清洗效果分析

由單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)0.8～1.2 mm噴嘴孔徑是具有最大掛板污損生物去除率的孔徑參數(shù)，這是因?yàn)榍逑囱b備的污損生物清除率不僅受射流空化程度影響，還受射流流量的共同作用。同時(shí)在最優(yōu)參數(shù)組合下的單因素實(shí)驗(yàn)分析中，60° 噴嘴與轉(zhuǎn)盤夾角下清洗裝備有最大污損生物去除率。系統(tǒng)參數(shù)恒定情況下噴嘴與轉(zhuǎn)盤夾角決定了轉(zhuǎn)盤的清洗轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速過快，網(wǎng)衣污損生物的空化射流作用時(shí)間不足易導(dǎo)致清洗不徹底，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速過慢，清洗裝備作業(yè)的持續(xù)定向運(yùn)動(dòng)易導(dǎo)致網(wǎng)衣部分區(qū)域污損生物未受到射流的沖擊作用。靶距的單因素實(shí)驗(yàn)表明在0～4 mm 范圍內(nèi)，靶距對(duì)清洗裝備污損生物去除率的影響極大，可能呈單向非線性關(guān)系，而非存在中間極值，這為清洗裝備的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)配置提供了重要參考依據(jù)。

掛板附著污損生物種群為中胚花筒螅、翡翠貽貝、網(wǎng)紋藤壺、華貴櫛孔扇貝等，清洗試驗(yàn)后網(wǎng)片掛板表面泥土已被完全清除，污損生物在水下空化射流作用下脫落，網(wǎng)衣呈現(xiàn)出PE 網(wǎng)繩原色 (圖8)。應(yīng)用自制網(wǎng)衣清洗裝備能實(shí)現(xiàn)水下污損生物附著嚴(yán)重的網(wǎng)衣自動(dòng)清洗功能，貝類污損生物主要以殼體破碎的形式被清除，但同時(shí)很難徹底將具有強(qiáng)抓力的貝類生物底部軟質(zhì)足絲盤清除，試驗(yàn)后仍留有少量殼體及絲盤狀物質(zhì)掛附于網(wǎng)衣表面。清除不徹底的原因主要有以下3 點(diǎn)：1) 貝類及托盤觸角類污損生物多以群落聚集方式附著在網(wǎng)衣表面，有小范圍內(nèi)大量聚集的特點(diǎn)，需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能徹底清洗去除；2) 清洗試驗(yàn)所選用的網(wǎng)衣掛板為污損生物附著極端情況，遠(yuǎn)高于深水網(wǎng)箱實(shí)際養(yǎng)殖生產(chǎn)的網(wǎng)衣污損生物附著情況；3) 掛板同位置的污損生物清洗還受清洗轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和清洗裝備運(yùn)動(dòng)速率影響，速度過快，會(huì)使掛板同一位置的射流作用時(shí)間過短，易導(dǎo)致污損生物清除不徹底。

圖8 掛板清洗后的效果Fig. 8 Results after cleaning hanging board

4 結(jié)論

本研究研發(fā)了一款水下雙體深水網(wǎng)箱網(wǎng)衣清洗裝備，通過水下掛板污損生物清洗試驗(yàn)分析了網(wǎng)衣清洗裝備功能的有效性，探討了在裝備噴嘴孔徑、噴嘴與轉(zhuǎn)盤夾角、靶距不同工況參數(shù)下對(duì)網(wǎng)衣掛板污損生物去除率的影響。得出以下結(jié)論：

1) 新型雙體網(wǎng)衣清洗裝備實(shí)現(xiàn)了水下養(yǎng)殖網(wǎng)衣自動(dòng)清洗的功能：正交試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)范圍內(nèi)網(wǎng)衣清洗裝備噴嘴孔徑為1.0 mm，噴嘴與轉(zhuǎn)盤夾角為60°，靶距為0 cm 時(shí)清洗裝備的網(wǎng)衣掛板污損生物去除率最大。

2) 在試驗(yàn)范圍內(nèi)，網(wǎng)衣掛板污損生物去除率為30.26%～72.55%，去除率受靶距、噴嘴孔徑、噴嘴與轉(zhuǎn)盤夾角因素影響顯著；相比噴嘴孔徑、噴嘴和轉(zhuǎn)盤夾角，靶距對(duì)網(wǎng)衣掛板污損生物去除率的影響更大。

3) 貝類污損生物在網(wǎng)衣清洗裝備空化射流沖擊作用下主要以殼體破碎的形式脫落，清洗后仍有部分物質(zhì)殘留，主要?dú)埩粑餅榫哂休^強(qiáng)吸附力的貝類軟質(zhì)足絲盤。建議在污損生物生長(zhǎng)初期對(duì)網(wǎng)箱網(wǎng)衣進(jìn)行水下清洗，能有效防止污損生物在春夏季迅猛生長(zhǎng)。