王忠宇，董和銀，范國強(qiáng)，王金星，王保興，吳愛兵

(1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東泰安，271018； 2. 山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室，山東泰安，271018；3. 山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東泰安，271018； 4. 泰安意美特機(jī)械有限公司，山東新泰，271215；5. 泰安市畜牧智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，山東新泰，271215； 6. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，居民消費(fèi)水平持續(xù)上升，人們對于肉、蛋和奶的消費(fèi)需求逐漸增加[1]，使得我國畜禽養(yǎng)殖業(yè)不斷向規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展[2]。但是在牛羊養(yǎng)殖場喂養(yǎng)過程中還伴隨著大量的剩飼料現(xiàn)象，每頭牛每天吃料25 kg，撒料時會多撒3～5 kg，導(dǎo)致牧場中飼喂通道上產(chǎn)生全混合日糧剩余的情況，在養(yǎng)殖規(guī)模為500頭牛的養(yǎng)殖場，每天產(chǎn)生的剩料最多會達(dá)到2.5 t。

在國內(nèi)，畜牧業(yè)污染已經(jīng)成為繼鋼鐵、煤炭污染的第三大污染產(chǎn)業(yè)，畜禽養(yǎng)殖中產(chǎn)生的糞便和剩飼料發(fā)酵都會產(chǎn)生廢氣和污水，對大氣、水源和土壤造成污染[3-6]。將養(yǎng)殖場中飼喂通道上的剩料收集起來既能減少飼料的浪費(fèi)、節(jié)約成本，又能減少對環(huán)境的污染，保持牧場良好的空氣情況，是實(shí)現(xiàn)畜牧業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展行之有效的方法。

收集工作繼續(xù)使用大量人力是不現(xiàn)實(shí)的，也不符合我國畜牧業(yè)規(guī)?；B(yǎng)殖的發(fā)展要求，所以牧場清掃工作的發(fā)展趨勢是以機(jī)械化程度很高的收集設(shè)備代替人工收集[7]。因此，如何減輕剩飼料收集的勞動強(qiáng)度，提高收料的效率，已經(jīng)成為亟待解決的重大問題。

國外發(fā)達(dá)國家畜牧生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，飼草機(jī)械、飼料加工機(jī)械和飼喂機(jī)械品種多樣，功能完善，自動化程度不斷提高。我國的畜牧業(yè)機(jī)械化經(jīng)過幾十年的發(fā)展，通過引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)研制了多種類型的畜牧機(jī)械設(shè)備，與國外發(fā)達(dá)國家差距不斷減小。但在養(yǎng)牛機(jī)械化方面，國內(nèi)外更偏向擠奶設(shè)備和清糞設(shè)備的研究，缺乏對剩料收集設(shè)備的研究[8-11]。針對以上問題，本文研制了一種牛羊養(yǎng)殖場剩料收集機(jī)，在我國具有較廣闊的市場前景，對進(jìn)一步提高我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本剩料收集機(jī)是在吸收國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過功能、技術(shù)及結(jié)構(gòu)集成創(chuàng)新，經(jīng)過多年攻關(guān)試驗(yàn)研制成功。該機(jī)主要是由盤刷、收料裝置、輸送裝置、集料箱等部件組成，如圖1所示。

圖1 牛羊養(yǎng)殖場剩料收集機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

在工作時，剩料收集機(jī)先通過液壓馬達(dá)驅(qū)動前端2個盤刷，將剩料清掃到剩料收集機(jī)的清掃方向上，利用圓柱刮板將剩料刮至吸口的清掃范圍前端，再利用螺旋圓柱刷將剩料送至吸口的清掃范圍內(nèi)，通過兩側(cè)絞龍將清掃范圍內(nèi)兩側(cè)的剩料輸送到吸口處，利用鏈條、刮板將剩料輸送到剩料箱。同時，在剩料收集箱內(nèi)也裝有向車箱后側(cè)輸送物料的絞龍，避免剩料在車箱前側(cè)堆積。整機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Main technical parameters

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 盤刷清掃裝置設(shè)計(jì)

2.1.1 盤刷清掃裝置結(jié)構(gòu)及原理

在剩料收集作業(yè)過程中，要將剩料聚攏到清掃裝置正前方，考慮到兩側(cè)都具有剩料的情況，清掃裝置兩側(cè)都配置盤刷。牛羊養(yǎng)殖場的剩料多為蓬松狀態(tài)，易堆積在清掃裝置前部，因此在清掃裝置前部加裝圓柱刮板，及時將剩料刮入清掃裝置內(nèi)。盤刷清掃裝置如圖2所示，盤刷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動受液壓馬達(dá)控制，同時考慮到盤刷的磨損、路面凹凸不平和收集那些附著性較強(qiáng)的剩料等情況，盤刷清掃裝置應(yīng)該安裝的略微低一些，能夠緊密的貼合地面。兩個盤刷與地面相接觸，工作時作旋向相反的圓周運(yùn)動，將剩料沿盤刷的旋轉(zhuǎn)切線方向掃至剩料收集機(jī)的前進(jìn)方向上，同時清掃裝置前方的圓柱刮板將剩料刮入清掃裝置內(nèi)。

圖2 盤刷清掃裝置

2.1.2 盤刷轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度的選擇

剩料收集機(jī)在工作時，前進(jìn)速度保持一定，增大盤刷的旋轉(zhuǎn)速度，會使刷毛接地點(diǎn)的絕對速度增加，并且會使絕對速度的方向更加向內(nèi)傾斜[12]。根據(jù)王利偉等[13]的研究，剩料收集機(jī)的前進(jìn)速度取5 km/h，盤刷的旋轉(zhuǎn)速度n為150 r/min。

2.1.3 盤刷所需功率的計(jì)算

在剩料收集機(jī)工作過程中，盤刷消耗的功率主要由克服刷毛與地面之間的摩擦消耗的功率，刷毛變形消耗的功率和盤刷旋轉(zhuǎn)時克服空氣阻力所消耗的功率組成，分別對這3種能耗進(jìn)行計(jì)算[14]。

1) 克服刷毛與地面之間摩擦力需要的功率

(1)

式中：F——盤刷對地面的壓力；

μ——刷毛與路面之間的摩擦系數(shù)，刷毛材質(zhì)為人造纖維，μ=0.4；

V——剩料收集機(jī)的前進(jìn)速度，5 km/h；

Vm——盤刷圓周線速度。

式中：R——盤刷半徑，250 mm。

盤刷刷毛對地面的壓力

(2)

刷毛數(shù)量

(3)

式中：B——清掃寬度，1 m；

β——盤刷和地面接觸點(diǎn)到盤刷垂直位置的轉(zhuǎn)角。

(4)

計(jì)算得刷毛數(shù)量z=3 260，β=0.4 rad，盤刷的接地壓力F=1 076 N，克服刷毛與地面之間摩擦力需要的功率Pa=1.82 kW。

2) 刷毛變形消耗的功率

(5)

計(jì)算得Pb=0.753 kW。

3) 盤刷旋轉(zhuǎn)時克服空氣阻力所消耗的功率[14]

Pc≈0.01Pa

(6)

計(jì)算得Pc=0.023 kW。

4) 盤刷所需功率

P1=2(Pa+Pb+Pc)

(7)

計(jì)算得P1=5.2 kW。

2.2 螺旋圓柱刷設(shè)計(jì)

2.2.1 螺旋圓柱刷的結(jié)構(gòu)及工作原理

剩料進(jìn)入清掃裝置內(nèi)部后需及時清掃并送至集料機(jī)構(gòu)，因此要加裝圓柱毛刷。將刷毛排滿圓柱毛刷，刷毛與地面緊密接觸后，會導(dǎo)致剩料的輸送通道狹小，清掃效率降低。為保證具有足夠的剩料輸送通道，提高清掃效率，設(shè)計(jì)了一種螺旋圓柱刷。如圖3所示，螺旋圓柱刷是由主軸和兩排沿旋向相反、螺距為250 mm的螺旋線排列的刷毛組成，主軸直徑為150 mm，長度為1 500 mm，刷毛的寬度為100 mm，長度為75 mm。工作時，螺旋圓柱刷作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，將前方盤刷和圓柱刮板收集到的剩料送至螺旋集料機(jī)構(gòu)，同時也會將部分剩料直接輸送到鏈條刮板的前方。

圖3 螺旋圓柱刷結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 螺旋圓柱刷的轉(zhuǎn)速選擇

當(dāng)前進(jìn)速度一定時，剩料收集效果隨螺旋圓柱刷的轉(zhuǎn)速增加而變好，但當(dāng)轉(zhuǎn)速增加到一定值后，收集效果趨于穩(wěn)定；當(dāng)螺旋圓柱刷的轉(zhuǎn)速一定時，剩料收集效果隨前進(jìn)速度的減小而變好[15]。當(dāng)選取剩料收集機(jī)工作時的前進(jìn)速度為5 km/h，收集效果穩(wěn)定時的轉(zhuǎn)速為80 r/min，因此確定螺旋圓柱刷的轉(zhuǎn)速為80 r/min。

2.2.3 螺旋圓柱刷功率的計(jì)算

螺旋圓柱刷消耗的功率由兩部分構(gòu)成，一是將剩料向后拋送至螺旋集料機(jī)構(gòu)消耗的功率，二是將部分剩料集中到螺旋圓柱刷中間位置消耗的功率。螺旋圓柱刷向后拋送剩料消耗功率的計(jì)算方式和盤刷消耗功率的計(jì)算方法相同，并且刷毛的材質(zhì)相同。

計(jì)算得，螺旋圓柱刷向后拋送剩料消耗功率

Pa1=26.6 kW

(8)

剩料集中到螺旋圓柱刷中間位置消耗功率[16-17]

(9)

式中：e——輸送質(zhì)量比例系數(shù)，約為0.35；

Im——最大輸送質(zhì)量，t/h；

λ——阻力系數(shù)，0.7；

D1——螺旋直徑，0.3 m；

H1——提升高度，0；

S——螺旋長度，1.5 m。

Im=Vblρ

(10)

式中：b——剩料最大寬度，1 m；

l——剩料最大厚度，0.15 m；

ρ——剩料堆積密度，400 kg/m3。

計(jì)算得Im=300 t/h，Pb1=0.32 kW。

螺旋圓柱刷功率

P2=Pa1+Pb1=26.92 kW

(11)

2.3 螺旋集料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.3.1 螺旋集料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及原理

如圖4所示，螺旋集料機(jī)構(gòu)由螺旋絞龍輥上對稱安裝且旋向相反的螺旋絞龍、半開式外殼組成，中間的鏈輪為刮板輸送機(jī)構(gòu)的驅(qū)動鏈輪。螺旋絞龍前方的螺旋圓柱刷、圓柱刮板和盤刷將剩料收集并輸送至螺旋集料機(jī)構(gòu)后，液壓馬達(dá)通過鏈條帶動雙螺旋絞龍進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，將剩料集中輸送到中間的鏈條刮板處，由刮板輸送至車廂。

圖4 螺旋集料機(jī)構(gòu)

2.3.2 螺旋集料機(jī)構(gòu)的外形參數(shù)選擇

1) 螺旋絞龍直徑的選擇[16-18]。

(12)

式中：k——物料特性系數(shù)，0.053 7；

φ——填充系數(shù)，0.45；

c——傾角系數(shù)，水平布置，1。

計(jì)算得D2=139 mm，鑒于機(jī)器的工作環(huán)境復(fù)雜多變，并且剩料的種類和數(shù)量不同，最終選取螺旋直徑為400 mm。

2) 螺旋絞龍轉(zhuǎn)速的選擇。在滿足輸送要求后，絞龍的轉(zhuǎn)速[16]不應(yīng)該過高，如果轉(zhuǎn)速過高會導(dǎo)致噪音增大和揚(yáng)起灰塵，也會導(dǎo)致功率的浪費(fèi)，對于剩料收集來說還會對飼料造成一定的破壞。所以絞龍的轉(zhuǎn)速應(yīng)該小于極限轉(zhuǎn)速。

(13)

式中：nj——絞龍的極限轉(zhuǎn)速，r/min；

n1——絞龍轉(zhuǎn)速，r/min；

A——物料綜合特性系數(shù)，40。

計(jì)算得nj=63.5 r/min。

絞龍的最小轉(zhuǎn)速

(14)

式中：ni——絞龍的最小轉(zhuǎn)速，r/min；

M——絞龍的螺距，選擇推薦值355 mm[7]。

計(jì)算得ni=38 r/min。

于是，絞龍的轉(zhuǎn)速選擇最小轉(zhuǎn)速和極限轉(zhuǎn)速之間的值，取60 r/min。

2.3.3 螺旋絞龍功率的計(jì)算

螺旋絞龍功率

(15)

式中：H2——絞龍?zhí)嵘叨龋?；

S2——絞龍長度，1 m。

計(jì)算得P3=0.57 kW。

2.4 鏈條刮板輸送機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.1 鏈條刮板輸送機(jī)構(gòu)的組成和原理

如圖5所示，鏈條刮板輸送機(jī)構(gòu)主要由鏈條、刮板和液壓支架組成。

圖5 鏈條刮板輸送機(jī)構(gòu)

螺旋集料機(jī)構(gòu)將剩料輸送到刮板輸送機(jī)構(gòu)后，液壓馬達(dá)帶動鏈輪驅(qū)動鏈條刮板作循環(huán)運(yùn)動，將剩料輸送至車廂。

液壓支架與連桿、刮板輸送機(jī)構(gòu)、機(jī)架組成四連桿機(jī)構(gòu)，刮板輸送機(jī)構(gòu)的外殼與螺旋集料機(jī)構(gòu)的外殼焊接為一個整體，通過伸縮液壓支架可以調(diào)整剩料收集機(jī)的作業(yè)高度，來適應(yīng)不同的地面情況，保證收集效率。

2.4.2 鏈條刮板輸送機(jī)構(gòu)鏈輪轉(zhuǎn)速的計(jì)算

鏈輪轉(zhuǎn)速[18]

(16)

式中：r——鏈輪的節(jié)圓半徑，0.15 m；

L1——刮板長度，0.5 m；

H3——刮板高度，0.1 m。

計(jì)算得n2=266 r/min。

2.4.3 鏈條刮板輸送機(jī)構(gòu)總阻力的計(jì)算

鏈條刮板輸送機(jī)構(gòu)總阻力[19]

F1=g[(q1f+q2k)L2cosT±(q1+q2)L2sinT]

(17)

式中：q1——鏈條刮板每米的重量，30 kg/m；

f——鏈條刮板與殼體間的阻力系數(shù)，0.3；

q2——每米輸送的剩料重量，20 kg/m；

k——剩料與殼體間的阻力系數(shù)，試驗(yàn)測得0.2；

L2——鏈條刮板輸送機(jī)構(gòu)的長度，3 m；

T——鏈條刮板輸送機(jī)的傾斜角度，50°；

g——重力加速度，9.8 m/s2。

計(jì)算得F1=1 372 N。

2.4.4 鏈條刮板輸送機(jī)構(gòu)所需功率得計(jì)算

鏈條刮板運(yùn)行所需扭矩[18]

M1=F1r=205.8 N·m

(18)

鏈條刮板運(yùn)行所需功率

(19)

2.5 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)的動力來源于液力變速器的液壓輸出。輸送裝置鏈條刮板由液壓馬達(dá)Ⅰ提供動力；螺旋集料機(jī)構(gòu)和螺旋圓柱刷共用液壓馬達(dá)Ⅱ提供動力；液壓油缸控制收料機(jī)構(gòu)的升起和下降；兩個盤刷由液壓馬達(dá)Ⅲ和液壓馬達(dá)Ⅳ提供動力，并通過換向器傳遞動力到圓柱刮板；兩個液壓馬達(dá)串聯(lián)，以保持盤刷的轉(zhuǎn)速相同。

4個液壓馬達(dá)均可通過調(diào)速閥進(jìn)行調(diào)速，以適配不同的前進(jìn)速度和工作時剩料質(zhì)量的不同。液壓原理如圖6所示。

圖6 液壓系統(tǒng)原理圖

3 試驗(yàn)與分析

樣機(jī)的試驗(yàn)在新疆博樂市天萊牧業(yè)進(jìn)行，在奶牛采食結(jié)束后，進(jìn)行剩料收集機(jī)的收集試驗(yàn)。根據(jù)路面清掃機(jī)掃凈率的試驗(yàn)方法制定試驗(yàn)方案[20]：選取100 m 的養(yǎng)殖通道進(jìn)行剩料收集試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中剩料收集機(jī)以5 km/h的速度前進(jìn)，收集前隨機(jī)選取10段長度為1 m的養(yǎng)殖通道統(tǒng)計(jì)剩料的質(zhì)量，收集完成后再隨機(jī)選取10段長度為1 m的養(yǎng)殖通道，統(tǒng)計(jì)殘余飼料的質(zhì)量。

收集率的計(jì)算如式(20)所示。

(20)

式中：Z——收集率；

Qn——收集前，隨機(jī)10段養(yǎng)殖通道內(nèi)剩料總質(zhì)量；

Qm——收集完成后，隨機(jī)10段養(yǎng)殖通道內(nèi)的殘余剩料總質(zhì)量。

共進(jìn)行了3次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，三次試驗(yàn)的平均收集率達(dá)到了97%，收料前后的效果如圖7所示，絕大部分的剩料已經(jīng)收回，只有少量的細(xì)小顆粒殘留，收集效果良好，并且收料過程中機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)的收料效果和牧場的收料需求。

表2 主要技術(shù)參數(shù)Tab. 2 Main technical parameters

(a) 收料前 (b) 收料后

4 結(jié)論

1) 針對養(yǎng)殖場剩料收集缺乏專用機(jī)械的問題，研制了一種牛羊養(yǎng)殖場剩料收集機(jī)，機(jī)器除行走部分之外，其他各機(jī)構(gòu)均由液壓系統(tǒng)提供動力，并且各液壓馬達(dá)都可以由調(diào)速閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同的工作強(qiáng)度，有效地降低能耗。

2) 對牛羊養(yǎng)殖場剩料收集機(jī)的關(guān)鍵部件和參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，確定了盤刷轉(zhuǎn)速為150 r/min，螺旋圓柱刷的轉(zhuǎn)速為80 r/min，螺旋集料機(jī)構(gòu)螺旋絞龍的轉(zhuǎn)速為60 r/min，機(jī)器前進(jìn)速度為5 km/h，并對各機(jī)構(gòu)工作時所需功率進(jìn)行了理論計(jì)算。

3) 本機(jī)可以一次性完成剩料的收集和轉(zhuǎn)運(yùn)，3次試驗(yàn)的收集率均達(dá)到96%以上，平均收集率達(dá)到97%，工作效率高，收料效果好。