方婷+金浩+安敏慧+田子翔+周平

摘要：針對(duì)家庭養(yǎng)殖場(chǎng)糞便撿拾存在的糞尿混合污染、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、地面潔凈度低等問(wèn)題，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)與虛擬化仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種手推式糞便撿拾復(fù)式作業(yè)機(jī)，實(shí)現(xiàn)糞便撿拾、固液分離與地面清掃一體化作業(yè)。糞便撿拾部分采用鏟式軸葉輪和排式毛刷通過(guò)弧形擋板配合工作；固液分離分為初步分離和精細(xì)分離，其中初步分離由帶有密集小凸片篩網(wǎng)式傳送帶實(shí)現(xiàn)，精細(xì)分離在螺旋擠壓機(jī)中進(jìn)行，并在作業(yè)機(jī)底部分別設(shè)有液體和固體收集箱，減少因多次操作而造成的人工勞動(dòng)強(qiáng)度大的問(wèn)題；地面清掃由柔性精掃毛刷進(jìn)行，提高清潔度。通過(guò)傳感器、單片機(jī)（包括STM32F4、MAX813看門(mén)狗芯片）調(diào)節(jié)鏟式軸葉輪與傳送滾輪的速度，實(shí)現(xiàn)液體收集自動(dòng)報(bào)警功能。通過(guò)CAN總線以及PLC進(jìn)行技術(shù)集成。仿真結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案能有效進(jìn)行糞便的撿拾，對(duì)流態(tài)糞便撿拾程度理論上可達(dá)95%，有效降低后期糞便處理難度。分離后的糞便肥效高可用作農(nóng)作物肥料，為家庭養(yǎng)殖場(chǎng)糞便收集提供一種可靠方案。

關(guān)鍵詞：糞便干清機(jī)械；糞便撿拾；固液分離；地面清掃

中圖分類號(hào)：S221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）21-4141-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.21.036

A Duplex Hand Operation Machine for Picking Excrement in Farm

FANG Ting，JIN Hao，AN Min-hui，TIAN Zi-xiang，ZHOU Ping

（College of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China）

Abstract： The family farms are picking up feces pollution， labor intensity， low ground cleanliness. Using 3D digital design and virtual simulation technology， designed a hand operated fecal pickup compound machine to achieve fecal pick， solid-liquid separation and cleaning of the ground integrated operation. Dung pick up part adopts shovel type impeller and shaft row type brush by arcbaffle with work. The solid-liquid separation is divided into preliminary separation and fine separation， the preliminary separation by a dense small lug mesh belt conveyor to achieve， fine separation is carried out in a screw press， and the bottom machine are respectively provided with solid and liquid collecting box， reduce labor intensity caused by repeated operation of large. The cleaning of the ground by flexible fine sweep brush to improve cleanliness. Through the sensors and SCM regulates the speed of the shovel type shaft impeller and the conveying roller， and realize the automatic alarm function of liquid collection. Technology integration was developed by CAN and PLC. The simulation results show that the design can effectively collect feces. Theoretically， the degree of fecal collection is up to 95% which can effectively reduce the difficulty of fecal treatment in the late stage. The isolated manure has high fertilizer efficiency and be used as crop fertilizer and provides a reliable scheme for collecting manure in a domestic farm.

Key words： excrement clearing machine；fecal pickup；solid-liquid separation；gground cleaning

家庭養(yǎng)殖是中國(guó)畜禽養(yǎng)殖的生產(chǎn)主體，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)生豬年出欄500頭以下的家庭養(yǎng)殖量占生豬飼養(yǎng)總量的61.5%。畜禽標(biāo)準(zhǔn)化家庭養(yǎng)殖快速發(fā)展的同時(shí)也帶來(lái)了一系列問(wèn)題，最突出的就是生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，畜禽糞便不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，威脅人類的健康安全，而且嚴(yán)重制約了畜牧業(yè)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，已成為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。而解決環(huán)境問(wèn)題的首要任務(wù)是完成糞便的清理。endprint

當(dāng)前清糞方式主要分為水沖糞和干清糞。根據(jù)國(guó)家環(huán)保總局《畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染防治技術(shù)規(guī)范》（HT/T81-2001）規(guī)定，采用水沖糞、水泡糞濕法清糞工藝的養(yǎng)殖場(chǎng)，要逐步改為干法清糞工藝。干清糞分為機(jī)械清糞和人工清糞兩種。目前，絕大部分養(yǎng)殖場(chǎng)干清糞都是人工清糞。漏糞地板下面是有一定坡度的水泥地面，大部分糞便都滯留在水泥斜面上，尿液沿著水泥斜面流入糞溝，然后人工定時(shí)用鏟子將糞便鏟到清糞車上，運(yùn)至集糞池；機(jī)械清糞主要采用刮板式清糞機(jī)械，在修建糞池的時(shí)候，糞溝的底部成“V”字形，兩斜面坡度均為8°～10°，刮糞車也設(shè)計(jì)成“V”字形。糞溝底部修建成“V”字形后，埋設(shè)“Ω”形導(dǎo)尿管，導(dǎo)尿管開(kāi)口朝上，主要是便于豬產(chǎn)生尿液順著池底坡度流進(jìn)導(dǎo)尿管。在豬舍糞溝縱向長(zhǎng)度上也有0.3°～0.5°的坡度，進(jìn)入導(dǎo)尿管的尿液又沿著導(dǎo)尿管流向末端的集尿池。針對(duì)家庭型養(yǎng)殖場(chǎng)規(guī)模小的特點(diǎn)，現(xiàn)有的清糞方式主要存在3個(gè)方面不足：①糞尿混合污染，后期處理難；②人工清糞過(guò)于原始，勞動(dòng)強(qiáng)度大；③刮板式清糞適用范圍小，潔凈度低。

針對(duì)以上存在的糞尿混合污染、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、地面潔凈度低問(wèn)題，為適應(yīng)家庭養(yǎng)殖場(chǎng)設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便的手推式糞便復(fù)式作業(yè)機(jī)，以期為解決以上問(wèn)題提供便利。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要包括撿拾單元、傳送單元、固液分離單元。利用鏟式軸葉輪與旋轉(zhuǎn)毛刷通過(guò)弧形擋板配合作業(yè)完成糞便撿拾，結(jié)合傳送單元及固液分離單元實(shí)現(xiàn)初步與精細(xì)分離。采用柔性精掃毛刷進(jìn)行精掃，提高清潔度。通過(guò)關(guān)鍵問(wèn)題的研究和關(guān)鍵構(gòu)件的仿真，設(shè)計(jì)一種手推式糞便復(fù)式作業(yè)機(jī)，有效提高家庭養(yǎng)殖場(chǎng)干清自動(dòng)化強(qiáng)度，促進(jìn)畜禽環(huán)境友好化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，車空載時(shí)為100 kg，滿載時(shí)為150 kg。該裝置為差速轉(zhuǎn)彎，故選用2臺(tái)120 W電機(jī)。

1.2 功能設(shè)計(jì)

撿拾由旋轉(zhuǎn)毛刷、鏟式軸葉輪、雙面弧形擋板、傳送滾輪以及柔性精掃毛刷組成。鏟式軸葉輪包含軸，軸上設(shè)有一定夾角的楔形撥片和硬質(zhì)排式毛刷，楔形撥片在前，硬質(zhì)排式毛刷在后，楔形撥片距離地面2 mm，硬質(zhì)排式毛刷比楔形撥片長(zhǎng)8 mm，能與地面緊密接觸。雙面弧形擋板的前弧面與鏟式軸葉輪撥片的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡相合，后弧面與傳送滾輪撥片的轉(zhuǎn)動(dòng)軌跡相合，且后弧面延長(zhǎng)端與傳送帶表面相切。傳送滾輪包含軸，軸上設(shè)有軸向的曲面撥片。

分離由篩網(wǎng)式傳送系統(tǒng)和螺旋式分離系統(tǒng)組成。糞便在傳送帶上傳送的同時(shí)，糞渣與尿液污水進(jìn)行初步分離，傳送帶上設(shè)有密集小凸片以增大摩擦，防止糞便從傳送帶上滾落。初步分離后的液體落入液體收集箱，固體經(jīng)過(guò)引向板落入螺旋擠壓機(jī)進(jìn)料口，并在螺旋擠壓機(jī)實(shí)現(xiàn)精細(xì)分離。精細(xì)分離后的液體經(jīng)過(guò)網(wǎng)篩，進(jìn)入液體收集箱，固體通過(guò)出料口進(jìn)入固體收集箱。地面清掃時(shí)，由兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的柔性精掃毛刷工作。圖2為手推式糞便復(fù)式作業(yè)機(jī)功能設(shè)計(jì)。

2 關(guān)鍵構(gòu)件的數(shù)字化設(shè)計(jì)

關(guān)鍵構(gòu)件包括鏟式軸葉輪、傳送滾輪、篩網(wǎng)式傳送帶。其中以鏟式軸葉輪為例（圖3），在進(jìn)行鏟式軸葉輪的設(shè)計(jì)時(shí)，需通過(guò)仿真試驗(yàn)確定硬質(zhì)排式毛刷與楔形撥片的夾角，確保效果達(dá)到最佳。硬質(zhì)排式毛刷與楔形撥片的夾角決定糞便撿拾的殘留程度，對(duì)撿拾效率有直接影響，合理的角度可以有效地提高撿拾效率。所謂撿拾效率就是撿拾后得到的糞便質(zhì)量與撿拾前糞便質(zhì)量的比值。比值越大說(shuō)明撿拾效果越好。表1是仿真過(guò)程中，得到的不同夾角值對(duì)應(yīng)的撿拾效率。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為每一夾角角度對(duì)應(yīng)做10 組重復(fù)，取其平均值。

由表1數(shù)據(jù)可以得出，角度的設(shè)置與后期撿拾的效果存在一定的聯(lián)系。當(dāng)角度為5 °時(shí)撿拾效果最好，在設(shè)計(jì)過(guò)程中楔形撥片與硬質(zhì)排式毛刷的夾角應(yīng)取1°至10°之間，以確保較好的撿拾效果。

3 系統(tǒng)集成

手推式養(yǎng)殖場(chǎng)糞便撿拾復(fù)式作業(yè)機(jī)從PG電機(jī)獲得動(dòng)力后，一部分供給驅(qū)動(dòng)輪前進(jìn)，另一部分動(dòng)力帶動(dòng)撿拾單元、傳送單元和固液分離單元。當(dāng)車體要轉(zhuǎn)彎或換向時(shí)，人工推桿即可?；趯?duì)系統(tǒng)的可靠性和靈活性要求，通過(guò)CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送以及S7-300型PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真進(jìn)行技術(shù)集成。

3.1 撿拾

智能調(diào)速：鏟式軸葉輪、旋轉(zhuǎn)毛刷與傳送滾輪均由PG電機(jī)控制轉(zhuǎn)動(dòng)，鏟式軸葉輪上裝有傳感裝置，壓力傳感器感知楔形撥片上的阻力并將感應(yīng)值輸入到單片機(jī)STM32F4中，與單片機(jī)中設(shè)定的初始范圍相比較，若感應(yīng)值不在初始范圍內(nèi)，可利用單片機(jī)控制雙向可控硅的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)PG電機(jī)的輸入電壓，用以調(diào)節(jié)PG電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速增大，同時(shí)將反饋調(diào)節(jié)的速度信號(hào)通過(guò)軸上的速度傳感器循環(huán)傳輸給單片機(jī)，再次與設(shè)定范圍比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)PG電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速控制，將電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，能減少過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲；若感應(yīng)值在初始范圍內(nèi)，則保持穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)速度的自適應(yīng)（圖4）。

3.2 自動(dòng)報(bào)警

圖5為報(bào)警系統(tǒng)的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。壓力傳感器以及與之相接的基本電路都鋪設(shè)于液體收集箱內(nèi)部靠近箱底的位置，然后外接電源與信號(hào)接收系統(tǒng)，由處理器分析信號(hào)的變化控制系統(tǒng)報(bào)警并且使蜂鳴器發(fā)出響聲。

當(dāng)手推式養(yǎng)殖場(chǎng)糞便撿拾復(fù)式作業(yè)機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，傳感器受到較小壓力而處于導(dǎo)電鏈數(shù)目少的狀態(tài)，此時(shí)電阻較大。當(dāng)箱體內(nèi)部液體逐漸增多時(shí)，傳感器受到液體的重力壓迫而處于多導(dǎo)電鏈狀態(tài)，電阻較小，從而導(dǎo)致電壓在測(cè)量電路中分配變化，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)接收到電阻減小而發(fā)出的電信號(hào)，發(fā)出指令報(bào)警切斷動(dòng)力輸出（圖6）。

4 仿真設(shè)計(jì)

4.1 基于ADAMS平臺(tái)的仿真分析

ADAMS是以計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，包含多個(gè)專業(yè)模塊的虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)軟件，通過(guò)對(duì)虛擬樣機(jī)的仿真試驗(yàn)分析，可以有效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)改進(jìn)、縮短開(kāi)發(fā)周期。本研究基于CATIA軟件建立模型（圖7），將鏟式軸葉輪和傳送滾輪作為主要研究對(duì)象導(dǎo)入ADAMS/View（圖8），進(jìn)行材料屬性定義。圖9為在ADAMS中定義各部分運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)副后的模型。通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計(jì)方案能有效進(jìn)行糞便的撿拾，對(duì)流態(tài)糞便撿拾程度理論上可達(dá)95%，對(duì)于糞便的撿拾率高，運(yùn)行可靠。endprint

4.2 基于ANSYS平臺(tái)的靜力分析

建立基于ANSYS平臺(tái)進(jìn)行關(guān)鍵部件——鏟式軸葉輪的靜力學(xué)分析，圖10是有限元分析流程，主要目的是考察鏟式軸葉輪在工作時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變與應(yīng)力。將彈性模量設(shè)置為2.06×1011 Pa，泊松比定為0.3。通過(guò)分析與計(jì)算選擇在葉片上施加625 Pa的壓力載荷，圖11為網(wǎng)格劃分。

通過(guò)求解計(jì)算，利用ANSYS軟件生成的結(jié)果文件（對(duì)于靜力分析，就是Jobname.RST）進(jìn)行后處理。由圖12、圖13可知，最大應(yīng)力應(yīng)變值都在允許的范圍之內(nèi)?？捎行дf(shuō)明鏟式軸葉輪設(shè)計(jì)合理，滿足功能需要。

5 結(jié)論

主要對(duì)一種手推式養(yǎng)殖場(chǎng)糞便撿拾復(fù)式作業(yè)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括楔形撥片與硬質(zhì)排式毛刷夾角的確定，將二者通過(guò)最佳夾角進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)二次撿拾，有效提高了撿拾效率。手推式養(yǎng)殖場(chǎng)糞便撿拾復(fù)式作業(yè)機(jī)的設(shè)計(jì)成功，滿足了糞便撿拾、固液分離、清掃地面等功能，并通過(guò)信息感知及控制技術(shù)，通過(guò)壓力等傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、微處理器實(shí)現(xiàn)信息綜合，實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)速以及液體收集箱自動(dòng)報(bào)警等功能?；贑ATIA平臺(tái)整機(jī)建模，ADAMS和ANSYS平臺(tái)對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)和靜力分析，表明設(shè)計(jì)合理，為家庭型養(yǎng)殖場(chǎng)糞便收集提供了一種可靠方案。

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