Обоснование системы удержания модулей для промышенной аквакультуры

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал _ИАЭП. 2018. Вып. 96_

nauki. Sbornik materialov 4 nauchno-prakticheskoj konferencii [Contribution of young scientists to science development. Proc. 4th Sci.Prac.Conf.] Velikie Luki: RIO VGSKHA 2009: 255 -259. (In Russian) 10. Plaksin I.E., Plaksin S.I., Trifanov A.V. Opredelenie optimal'nyh razmerov

tekhnologicheskih modulej dlya soderzhaniya svinej [Determination of optimal size of technological modules for pig housing]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015. N 87: 195-201.

УДК 639 3 06 Б01 10.24411/0131-5226-2018-10082

ОБОСНОВАНИЕ СИСТЕМЫ УДЕРЖАНИЯ МОДУЛЕЙ ДЛЯ ПРОМЫШЕННОЙ

АКВАКУЛБТУРЫ

Е.А. Тихонов1, канд. техн. наук; В.И. Базыкин2

М.И. Зайцева1;

1 Петрозаводский государственный университет, Петрозаводск,Россия

2Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства(ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ ,Санкт-Петербург, Россия

В настоящее время промышленное выращивание рыбы в садках развивается в Республике Карелия, в Псковской области, а также в других регионах и странах. С увеличением объемов производства рыбы возрастает актуальность технологических, технических и биологических проблем получения экологически безопасной продукции рыбного хозяйства. В представленной работе рассматриваются технические аспекты совершенствования конструкции садкового модуля для промышленного выращивания рыбы. Цель работы - уменьшение затрат на систему удержания садкового модуля за счет снижения требуемого количества канатов и отказ от использования круглозвенных цепей. Задача, которую необходимо решить для достижения данной цели, заключается в разработке новой системы фиксации садков с учетом их взаимодействия в кластере. Для решения данной задачи использован патентный поиск и анализ сильных и слабых сторон известных технических решений садков и их систем. Разработана система удержания садкового модуля, в которой не подразумевается использование круглозвенных цепей, а натяжение системы обеспечивается балансирами. Кроме того, учет вертикальной составляющей при расчете реакции опоры якоря позволил более точно рассчитать необходимую массу якорей с учетом уменьшения силы трения и архимедовой силы.

Ключевые слова: аквакультура; садковый модуль; система удержания; динамическая система; моделирование.

Для цитирования: Тихонов Е.А., Зайцева М.П., Базыкин В.И. Обоснование системы удержания модулей для промышленной аквакультуры // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2018. № 3 (96). С. 264-270.

Технологии и технические средства механизированного производства продукции

растениеводства_

JUSTIFICATION OF HOLDING-IN-PLACE SYSTEM OF CAGE MODULES IN INDUSTRIAL

AQUACULTURE

E.A. Tikhonov1, Cand. Sc. (Engineering); V.I. Bazykin2

M.I. Zajtseva1;

Petrozavodsk State University, Pertozavodsk, Russia

2Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production - branch of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia

Currently, industrial-scale fish farming in cages is developing in the Republic of Karelia, in Pskov Region and in other regions and countries. With the rise in fish production, the relevance of technological, technical and biological problems associated with obtaining environmentally safe products of fish farming increases. The paper considers the technical aspects of improving the design of the cage module for industrial-scale fish farming. The objective of the study was to reduce the cost of the holding-in-place system of cage modules by lower number of ropes required and avoiding the round-link chains. The task that needs to be completed to achieve this objective is to develop a new system for fixing the cages, taking into account their interaction in the cluster. With this aim in view, the relevant patents were searched and reviewed and the strengths and weaknesses of the known technical solutions of fish cages and their systems were analysed. A system has been developed for holding the cage module in place, which does not make use of the round link chains, and the tension of the system is provided by the balancers. In addition, taking into account the vertical component, when calculating the response of the anchor support, allowed calculating the required mass of anchors more accurately with due regard to the reduction of friction and the Archimedes buoyant force.

Key words, aquaculture; fish cage; holding-in-place system; dynamic model; modelling.

For citation. Tikhonov E.A., Zajtseva M.I., Bazykin V.I. Justification of holding-in-place system of cage modules in industrial aquaculture. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstvaprodukcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2018. 3

Введение

В настоящее время промышленное выращивание рыбы в садках развивается в Республике Карелия [1], в Псковской области [2], а также в других регионах [3, 4] и странах [5, 6]. С увеличением объемов производства рыбы возрастает актуальность технологических, технических и

биологических проблем получения экологически безопасной продукции рыбного хозяйства [ 1, 8].

рассматриваются технические аспекты совершенствования конструкции системы удержания садков для промышленного выращивания рыбы. В данной области, как

правило, применяется так называемая «Норвежская система удержания» [10]. Основной особенностью данной системы является применение круглозвенных якорных цепей, соединяющих

удерживающий канат и якорь. При работе системы удержания часть цепи лежит на дне, а часть висит в толще воды, тем самым, с одной стороны, обеспечивая натяжения всей системы канатов и исключая вертикальную составляющую силы, действующей на якорь.

К недостаткам данной системы можно отнести неоправданно большое количество канатов и грузов. Так же стоимость 1 метра круглозвенной цепи очень высока.

ISSN 0131-5226. Теоретический _ПАЭП. 2018.

и научно-практическии журнал. Вып. 96_'

Цель работы: уменьшение затрат на систему удержания садкового модуля за счет снижения требуемого количества канатов и отказ от использования круглозвенных цепей.

Задача, которую необходимо решить для достижения данной цели заключается в разработке динамической расчетной модели системы удержания садкового модуля, которая будет учитывать ветровую и волновую нагрузки на модуль, а также обеспечит натяжение системы и учет вертикальной составляющей реакции опоры якоря.

Материалы и методы

Для решения данной задачи применялся численный метод моделирования динамических систем. Данный метод показал свою эффективность и хорошую адекватность получаемых результатов [7]. Была смоделирована система удержания садкового модуля из 4-х садков диаметром 25 м. Общая компоновка системы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Система фиксации садков 1, 2, 3, 4-Якоря.

Далее,

необходимо

4. Определение максимального осевого усилия в удерживающих канатах;

5. Определение необходимой массы якоря с учетом динамической отрывающей силы.

В качестве исходных данных примем следующее:

1. Скорость ветра: 20 м/с.

2. Параметры волны:

a. Высота: 1,88 м

b. Длина: 20,7 м

c. Период: 3,64 с

3. Течение: 0,15 м/с

4. Усилие на балансире: 1000Н

осуществляется в два этапа: 1. Определение эпюры скоростей потока воздуха, проходящего через садок.

гидравлического давления на элементы конструкции садка.

3. Определение реакции опоры места крепления садка.

Для решения поставленных задач используем систему численного

моделирования Flow Simulation и Simulation. Для расчета используем упрощенную модель садка с хомутами, обеспечивающими требуемую парусность (см. рис. 2).

выполнить

следующие этапы расчета:

1. Определение исходных данных для на рис. 3. расчета.

2. Расчет ветровой нагрузки на один садок.

3. Расчет комплексного динамического воздействия волна/ветер на садковый модуль.

Рис. 2. Модель садка для определения ветровой нагрузки

Результат продувки садка представлен

Рис. 3. Распределение скоростегО потока воздуха в диаметрального плоскости садка

Данная ветровая нагрузка приводит к деформациям садка. Форма садка становится эллиптической в пределах упругих деформаций элементов конструкции садка. Определим усилие, действующее на садок, от ветровой нагрузки путем определения реакции опоры места крепления каната к садку (см. рис. 4).

Рис. 5. Общий вид расчетного модели садкового модуля

Перемещения садков по вертикали определяются формой водной поверхности. В соответствии с параметрами волны, волновая функция соответствует высоте, длине и периоду волны.

В соответствии с реальными условиями эксплуатации модель ограничена 4 якорными точками. На балансир в центре действует сила, равная 1000 Н. Ветровая нагрузка прикладывается к каждому садку (см. рис. 6 и 7).

Рис. 4. Реакция опоры места крепления каната к

По результатам расчета принимаем ветровую нагрузку для дальнейших расчетов равную 2830 Н.

Для определения динамического воздействия ветра и волны используем систему ANSYS MECHANICAL. Применим нестационарный тип анализа. Для построения расчетной модели используем упрощенную модель садков. Для моделирования канатов используем балочный элемент linkl 80. Общий вид системы представлен на рис. 5.

Рис. 6. Сила тяжести балансира

Рис. 7. Прг1ложенг1е ветрового нагрузки

Направление движения волн совпадает с вектором приложения ветровой нагрузки.

В целом на систему действует ускорение, равное 4000 мм/с2. Данное ускорение имитирует силу тяжести для канатов, погруженных в воду.

КБЫ 0131-5226. Теоретический _ПАЭП. 2018.

и научно-практическии журнал. Вып. 96_'

Длительность моделирования системы составит 50 с, минимальный шаг по времени расчета составит 0,01с.

Результаты и обсуждение По результатам расчета получены графики изменения осевого усилия всех канатов. График изменения осевого усилия наиболее нагруженного каната представлен на рис. 8.

Рис. 8. График изменения осевого усилия наиболее нагруженного каната

Максимальное усилие, равное 8921 Н, возникает на 36 секунде моделирования. Это обусловлено цикличностью волновой и инерциальных нагрузок системы. В данный момент времени наблюдается наибольший резонанс колебаний. Теперь, согласно рассчитанному максимальному усилию, можно подобрать канат.

Для определения требуемой массы якорей необходимо учесть комплексный фактор 2/ХУ. Комплексный фактор ХГХ.У учитывает величину вертикальной составляющей реакции опоры якоря. В табл. 1 представлены значения усилий, действующих на якоря (опоры) с самым нагруженным канатом, по осям координат.

Таблица 1

Максимальные значения реакций опор по декартовым координатам

№ опоры По оси X, Н По оси У, Н По оси Ъ, Н В горизонтальной плоскости, Х + ?,Н

1 5142 4737 1673 6991

2 2997 2714 1081 4043

л 1817 1836 775 2583

4 5657 5924 2238 8191

Определим необходимую силу тяжести для каждого якоря через минимально необходимую силу трения. Коэффициент трения якоря о дно (удерживающая сила) примем как для гравитационного якоря, без зацепов и лап/=1,01 [10].

Тогда, минимальная составляющая сила тяжести якоря в воде составит:

где Ы: - сила реакции опоры якоря по оси Ъ.

Сведем в табл. 2. результаты расчета минимальной требуемой силы тяжести якорей в воде.

Таблица 2

Значения минимальной требуемой силы тяжести якорей в воде

№ груза Минимальная требуемая сила тяжести груза, Н

1 8663

2 5124

3 3357

4 10429

Данная сила тяжести действует в воде. Выполним итерационный расчет масс

Для расчета необходимой массы якорей якорей с подбором требуемого объема необходимо скомпенсировать архимедову якорей. Результаты расчета сведем в табл. 3. силу. Для этого примем плотность материала якоря (гранит) равную 2500 кг/м3.

Таблица 3

Итерационный расчет массы якорей

Объем груза (принимаем), куб.м Архимедова сила, Н Минимальная сила тяжести якоря на суше, Н Масса якоря, кг Объем якоря (расчетный), куб.м

0,59 5786 14449 1473 0,59

0,35 3432 8556 872 0,35

0,22 2158 5515 562 0,22

0,71 6963 17392 1773 0,71

Выводы

Моделирование предложенной системы удержания садкового модуля показало перспективность применения балансиров и отказ от использования круглозвенных цепей. Это стало возможным благодаря

выделению из расчетных реакций опор якорей вертикальной составляющей. Предложенная система позволяет уменьшить требуемое количество канатов и сопутствующего такелажного обеспечения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

¡.Кузнецова Е.В. Особенности болезней лососевых рыб при садковом выращивании // Международный вестник ветеринарии. 2016. №4. С. 18-21.

Выращивание товарной форели в садках на примере рыбоводного хозяйства Псковской области // Континентальная аквакультура: ответ вызовам времени. Материалы Всероссийской научно-практической

конференции. М.:ФГБНУ ВНИИР, 2016. Т.1. М.: Издательство «Перо», 2016. С. 233-235.

Ануарбеков С.М., Евсеева A.A., Жаркенов Д.К. Особенности садкового выращивания пеляди (coregonus peled) и радужной форели (oncorhynchus mykiss) в горных водоёмах восточного Казахстана // Технологии

промышленности АПК - продукты здорового питания. 2017. № 4 (18). С. 21-27. 4. Хандожко Г.А., Васильев A.A. Результаты производственной апробации выращивания

госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. -2013. №2. С. 45-46.

5. Жаркенов Д.К., Неваленный А.Н., Исбеков К.Б., Асылбекова С.Ж., Садыкулов Т.С.,

Технология выращивания форели на Таинтинском водохранилище в Восточно-Казахстанской области // Вестник

технического университета. Серия: Рыбное хозяйство. 2017. № 4. С. 85-94.

6. Горина М. А., Горин А. В., Козырев Д. Л. Моделирование динамических систем // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - Т. 31. - С. 726-730. -URL: http://e-koncept.ru/2017/970160. htm.

7. Aqualine Midgard System [Электронный ресурс] http://www.aqualine.no/en/products [дата обращения 18.10.2018].

8. Тихонов Е.А., Анчеев В.А., Маганов И.А., Курицин А.Е. Садок для промышленного

ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал _ПАЭП. 2018. Вып. 96_'

выращивания рыбы с системой подъёма сетной камеры. Патент на полезную модель РФ №160 857. Опубликовано: 10.04.2016. Бюл. № 10.

9. Fish Farm Nets [Электронный ресурс] http://crnetloft.ca/fish-farm-nets [дата

обращения 18.10.2018].

REFERENCES

1. Kuznecova E.V. Osobennosti boleznej lososevyh ryb pri sadkovom vyrashchivanii [Features of the diseases of salmonids at net cage rearing]. Mezhdunarodnyj vestnik veterinarii. 2016. N 4: 18-21.

2. Monahov I.A., Kupinskij S.B. Vyrashchivanie tovarnoj foreli v sadkah na primere rybovodnogo hozyajstva Pskovskoj oblasti [Growing commodity trout in cages: cacse study of fish farming in Pskov Region]. Kontinental'naya akvakul'tura: otvet vyzovam vremeni [Continental aquaculture: response to the challenges of the time. Proc. Int. Sci. Prac. Conf.] Moscow: Pero Publ. 2016. Vol. 1: 233235.

3. Sudakova N.V., Kushnikova L.B., Anuarbekov S.M., Evseeva A.A., Zharkenov D.K. Osobennosti sadkovogo vyrashchivaniya pelyadi

4. Handozhko G.A., Vasil'ev A.A. Rezul'taty proizvodstvennoj aprobacii vyrashchivaniya sterlyadi [Results of production testing of starlet rearing]. Vestnik Saratovskogo

gosagrouniversiteta im. N.I. Vavilova. 2013. N 2: 45-46.

5. Zharkenov D.K., Nevalennyj A.N., Isbekov K.B., Asylbekova S.Zh., Sadykulov T.S., Anuarbekov S.M., Badryzlova N.S. Tekhnologiya vyrashchivaniya foreli na Taintinskom vodohranilishche v Vostochno-Kazahstanskoj oblasti [Technology of trout breeding in the Tayintinsky water reservoir of Eastern Kazakhstan]. Vestnik Astrahanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Rybnoe hozyajstvo. 2017. N 4: 85-94.

6. Gorina M. A., Gorin A. V., Kozyrev D. L. Modelirovanie dinamicheskih sistem [Modelling of dynamic systems]. Nauchno-metodicheskij ehlektronnyj zharnal "Koncept". 2017. vol. 31: 726-730. - URL: http://e-koncept.ru/2017/970160.htm.

7. Aqualine Midgard System. Available at: http://www.aqualine.no/en/products (accessed 18.10.2018).

8. Tikhonov E.A., Ancheev V.A., Maganov I.A., Kuritsin A.E. Sadok dlya promyshlennogo vyrashchivaniya ryby s sistemoj pod"yoma setnoj kamery [Cage for industrial-scale fish rearing with net chamber lifting system]. Patent RF N 160 857. 2016.

9. Fish Farm Nets. Available at: http://crnetloft.ca/fish-farm-nets (accessed 18.10.2018).