軌道式奶牛精飼料精確飼喂裝備機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蒙賀偉，李亞萍，高振江，李　輝，侯扶琴

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京　100083;3.新疆西部牧業(yè)股份有限公司，新疆 石河子　832000)

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軌道式奶牛精飼料精確飼喂裝備機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蒙賀偉1，李亞萍1，高振江2，李輝2，侯扶琴3

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京100083;3.新疆西部牧業(yè)股份有限公司，新疆 石河子832000)

摘要：實(shí)施奶牛精細(xì)養(yǎng)殖是奶業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是提高奶牛養(yǎng)殖技術(shù)水平、降低生產(chǎn)成本的重要舉措。為此，在前期研究基礎(chǔ)上，完成了軌道式奶牛精飼料精確飼喂裝備機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該裝備采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與等徑變螺距容積式計(jì)量方式相結(jié)合實(shí)現(xiàn)裝備的精確給料，通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與軌道式行進(jìn)機(jī)構(gòu)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)裝備的往復(fù)行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了奶牛飼喂裝備的行進(jìn)與精確投料。試驗(yàn)結(jié)果表明：給料誤差小于2%，符合精細(xì)養(yǎng)殖技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：奶牛；精確飼喂；機(jī)械；軌道式

0引言

奶業(yè)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分。目前，我國(guó)奶業(yè)存在著靠數(shù)量促產(chǎn)量及養(yǎng)殖技術(shù)水平低等突出問題，奶牛單產(chǎn)水平低已成為制約我國(guó)奶業(yè)發(fā)展的重要方面。研究表明：開展奶牛精確養(yǎng)殖是提高奶牛單產(chǎn)的有效途徑，因此開發(fā)奶牛精細(xì)養(yǎng)殖技術(shù)裝備逐漸成為研究人員的重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)如李發(fā)德、宋占華、高振江、倪志江等[1-5]均對(duì)此開展了研究。筆者在倪志江、李繼成、高振江、蒙賀偉等[6-11]研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種軌道式智能化奶牛飼喂裝備機(jī)械系統(tǒng)，系統(tǒng)采用基于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與等徑變螺距容積式計(jì)量方式相結(jié)合實(shí)現(xiàn)裝備的精確給料、通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與軌道式行進(jìn)機(jī)構(gòu)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)裝備的往復(fù)行進(jìn)，在實(shí)現(xiàn)精飼料精確給料的同時(shí)，并可實(shí)現(xiàn)裝備的軌道式行進(jìn)、自動(dòng)行進(jìn)及剎車等功能。

1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1機(jī)械系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

軌道式智能化奶牛飼喂裝備機(jī)械系統(tǒng)主要由給料機(jī)構(gòu)、行進(jìn)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行元件及機(jī)架等部分組成。其中，給料機(jī)構(gòu)主要由料倉、三螺旋給料器、步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)固定架、法蘭盤等組成；行進(jìn)裝置主要由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、直流電機(jī)、前后軸、行進(jìn)輪和軌道等組成。裝備結(jié)構(gòu)及三維造型如圖1所示。

1.料倉　2.控制系統(tǒng)　3.給料裝置　4.動(dòng)力與傳動(dòng)系統(tǒng)

1.2工作原理

工作過程中，裝備按照控制系統(tǒng)指令，通過帶斷電自動(dòng)剎車器的步進(jìn)電機(jī)經(jīng)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)前后軸完成裝備的行進(jìn)或停止；飼喂時(shí)，通過控制系統(tǒng)發(fā)出的指令控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，繼而帶動(dòng)三螺旋給料裝置旋轉(zhuǎn)，經(jīng)下料溜槽將飼喂物料輸送至個(gè)體牛只前。

2給料裝置

給料裝置主要包括料倉、料倉底座以及三螺旋給料器等。其中，三螺旋給料器由步進(jìn)電機(jī)、聯(lián)軸器、三等徑變螺距螺旋葉片、螺旋輸送器外壁及下料溜槽等組成。工作時(shí)，控制系統(tǒng)按照個(gè)體奶牛精飼料飼喂模型確定個(gè)體牛只精飼料需求量，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)，向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送工作指令并驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，從而帶動(dòng)螺旋給料器進(jìn)行精確投料。

2.1料倉部分

料倉部分主要包括料倉和料倉底座兩部分?？紤]到飼喂效率與牛舍環(huán)境的要求，本設(shè)計(jì)中料倉儲(chǔ)藏倉裝料量在700kg左右，材料為熱軋鋼板，厚度為2mm，飼喂機(jī)可滿足200頭牛場(chǎng)的飼喂試驗(yàn)需求，料倉形狀為流線型。料倉三維圖如圖2所示。

圖2　料倉三維圖

料倉底座主要用于支撐料倉與安裝三螺旋給料器，通過螺栓與料倉聯(lián)接；三螺旋給料器經(jīng)安裝孔連接到料倉內(nèi)部，通過法蘭與料倉底座連接；底座內(nèi)部采用人字形支架結(jié)構(gòu)，以方便下料，結(jié)構(gòu)如圖3所示。料倉底座由厚度為3mm熱軋鋼板制成。

2.2三螺旋給料器

裝備通過步進(jìn)電機(jī)作為螺旋給料器的執(zhí)行元件，通過設(shè)定步進(jìn)脈沖數(shù)控制螺旋給料器轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)給料量進(jìn)行控制，從而解決了直流電機(jī)由于電壓不穩(wěn)而造成的投料不穩(wěn)定性現(xiàn)象，提高了裝備投料精度，通過設(shè)定，步進(jìn)電機(jī)最小控制角度為1.8°。

三螺旋給料器由螺旋葉片、輸送軸組成，螺旋長(zhǎng)度分別為480、385、275mm，對(duì)應(yīng)螺距分別為40、35、25mm。螺旋給料器的結(jié)構(gòu)及三維圖如圖4所示。

圖3　料倉底座三維圖

圖4　三螺旋給料器結(jié)構(gòu)與三維圖

在三螺旋給料裝置中，攪龍是主要工作部件，因此對(duì)其進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)分析。攪龍材料選擇為45鋼，屈服強(qiáng)度355MPa，通過分析，獲得其位移、應(yīng)力和安全系數(shù)變化云圖如圖5和圖6所示。

圖5　位移變化云圖和應(yīng)力變化云圖

圖6　安全系數(shù)變化云圖

由此可知：螺旋短軸最大位移變化量為0.319 7mm，最大應(yīng)力為107.493MPa，安全系數(shù)為3.81，符合使用要求。

2.3給料驅(qū)動(dòng)電機(jī)

給料裝置步進(jìn)電機(jī)選用北京時(shí)代超群有限公司生產(chǎn)的兩相步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)型號(hào)為110BYG250-115，電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1　電機(jī)技術(shù)參數(shù)

步進(jìn)電機(jī)控制器采用2HD8080A/B系列伺服式數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，具有實(shí)時(shí)電流跟蹤控制功能，從而減少了高頻自激振動(dòng)及共振等現(xiàn)象，降低了噪聲，提高了工作可靠性。

3行進(jìn)機(jī)構(gòu)

3.1行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)

行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用48V直流電機(jī)，為了保證裝備能夠及時(shí)停車，在采用斷電自動(dòng)剎車式直流電機(jī)的同時(shí)，在裝備中安裝有剎車機(jī)構(gòu)以輔助直流電機(jī)剎車器停車；裝備動(dòng)力傳動(dòng)采用鏈傳動(dòng)。工作過程中，接收到指令的行進(jìn)電機(jī)啟停，并通過鏈條帶動(dòng)前軸旋轉(zhuǎn)，同時(shí)前軸通過鏈條帶動(dòng)后軸旋轉(zhuǎn)，裝備行進(jìn)速度由控制平臺(tái)的速度控制旋鈕控制，裝備電源采用4塊12V蓄電池串聯(lián)供電。行進(jìn)直流電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2　行進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.2行進(jìn)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化分析

裝備行進(jìn)機(jī)構(gòu)是裝備工作可靠的重要保障，其主要受力零件為行進(jìn)軸。為此，對(duì)裝備行進(jìn)軸進(jìn)行有限元分析，行進(jìn)軸材料為45鋼，屈服強(qiáng)度355MPa，承載負(fù)載，網(wǎng)格劃分后節(jié)點(diǎn)總數(shù)13 905個(gè)，單元總數(shù)8 406個(gè)。

分析后安全系數(shù)云圖如圖7所示。由圖7可知：行走軸最大位移變化量0.603mm，最大應(yīng)力37.2MPa，安全系數(shù)10.11，符合使用要求。

圖7　安全系數(shù)變化云圖

4精度試驗(yàn)

4.1試驗(yàn)材料

農(nóng)標(biāo)普瑞納奶牛泌乳期精料補(bǔ)充料與自備料按2：1均勻混合，主要成分為玉米、麩皮、豆粕(餅)、魚粉、棉粕、菜粕、礦物質(zhì)、氨基酸及多種維生素等。

4.2試驗(yàn)儀器

精飼料精確飼喂機(jī)(自制)，電子秤(上海友聲衡器有限公司制造，最大值30kg，分度值2g)。

4.3數(shù)據(jù)分析

精度測(cè)試試驗(yàn)設(shè)定飼喂機(jī)目標(biāo)投料量分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0kg/次，得到測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3　測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

測(cè)量值和目標(biāo)值的相對(duì)誤差如表4所示。

表4　相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)表

從表4可知：裝備投料相對(duì)誤差小于2%，滿足精確飼喂精度要求。

5結(jié)論

實(shí)施奶牛精細(xì)養(yǎng)殖是奶業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，本研究完成的軌道式奶牛精飼料精確飼喂裝備機(jī)械系統(tǒng)，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與等徑變螺距容積式計(jì)量方式相結(jié)合實(shí)現(xiàn)裝備的精確給料，通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)與軌道式行進(jìn)機(jī)構(gòu)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)裝備的往復(fù)行進(jìn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：其給料誤差小于2%，符合精細(xì)養(yǎng)殖技術(shù)要求。

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Abstract ID:1003-188X(2016)05-0165-EA

The Rail-mounted Cow Concentrated Feed Feeds the Equipment Mechanical System Design Precisely

Meng Hewei1, Li Yaping1, Gao Zhenjiang2, Li Hui2, Hou Fuqin3

(1.College of Mechanical and Electronical Engineering，Shihezi University，Shihezi 832000,China；2.College of Engineering Institute,China Agricultural University,Beijing 100083,China; 3.Xinjiang Western Animal Husbandry Limited by Share Ltd,Shihezi 832000,China)

Abstract：Implementation cow fine breed is the dairy industry development inevitable trend, it is an important measure to raise the cow breeding technical level and reduce the production cost. In the earlier research base, this article completed the equipment mechanical system design precisely of the rail-mounted dairy cow precision feeding, the equipment uses the stepping motor-driven changes with and other diameters the pitch volume measurement way unified to realize the equipment gives the accurate feeding , unified to realize the reciprocation of equipment to march forward through the direct current machine actuation and rail-mounted march organization, the equipment that the research completed realized the cow to feed the equipment march by with the precise batch feeding. After the experiment, the material error is smaller than 2% , meets the fine cultivation specification.

Key words：cow; accurate feeding; mechanics; rail-mounted

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0165-04

中圖分類號(hào)：S817.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：蒙賀偉(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，(E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。通訊作者：李亞萍(1980-)，女，黑龍江虎林人，講師，碩士，(E-mail)lyp_mac@shzu.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2010GB2G410603)；新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)科技支疆項(xiàng)目(2013AB005)

收稿日期：2015-04-20