豬場(chǎng)水泡糞糞溝清洗機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張志勇，樊士冉，劉 聰，杜曉冬，燕 凱

(新希望六和股份有限公司，山東 青島266000)

0 引言

近年來(lái)，中國(guó)的養(yǎng)豬業(yè)一直朝著現(xiàn)代化、產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；较虬l(fā)展。生產(chǎn)規(guī)模從過(guò)去的小規(guī)模和分散性轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的大規(guī)模和集約化[1]。我國(guó)規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)主要采用干清糞、水沖糞或水泡糞工藝清理豬舍糞污[2-4]。其中，水泡糞工藝具有節(jié)省人力、管理方便和受季節(jié)影響小等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用[3-4]。

水泡糞模式是在豬舍內(nèi)的糞溝中注入一定量的水，糞尿、沖洗和飼養(yǎng)管理用水一并排放至縫隙地板下的糞溝中，儲(chǔ)存一定時(shí)間后，打開(kāi)漏糞口的漏糞提塞，將糞溝中糞水排出[5]。大多數(shù)糞污可以經(jīng)漏糞口進(jìn)入排污管道，但是糞溝內(nèi)仍不可避免有大量殘留。非洲豬瘟病毒可以在豬的排泄物(如糞便、尿液)中保持相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的活性，是傳播非洲豬瘟的重要渠道[6-7]。在當(dāng)前非洲豬瘟的嚴(yán)峻形式下，糞溝的清洗是切斷非洲豬瘟傳播的重要途徑之一。

目前，水泡糞糞溝的清洗通常由人工手持高壓水槍進(jìn)入糞溝內(nèi)進(jìn)行。糞溝作業(yè)空間有限，且糞污厭氧發(fā)酵產(chǎn)生大量的有害氣體，如CH4(甲烷)、H2S(硫化氫)等[8-9]。清潔過(guò)程本身會(huì)導(dǎo)致工作環(huán)境惡化，被沖洗的污垢、微生物和水等不經(jīng)意間會(huì)被操作者吸入[10]。糞溝的人工清洗作業(yè)對(duì)于操作人員的生命安全及身體健康造成巨大危害。目前行業(yè)內(nèi)對(duì)于水泡糞糞溝清洗的設(shè)備研究較少，亟待開(kāi)發(fā)一款設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水泡糞糞溝的自動(dòng)化清洗。

通過(guò)前期對(duì)規(guī)?；i場(chǎng)水泡糞工藝實(shí)地調(diào)研及相應(yīng)的基礎(chǔ)性試驗(yàn)，提出采用糞溝清洗機(jī)對(duì)糞溝進(jìn)行清洗作業(yè)，采用高壓水的沖刷作用實(shí)現(xiàn)清洗效果，代替豬場(chǎng)工作人員進(jìn)入糞溝進(jìn)行作業(yè)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，避免作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。最后對(duì)糞溝清洗機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，對(duì)清洗的效果進(jìn)行評(píng)估。

1 整機(jī)設(shè)計(jì)

1.1清洗對(duì)象

水泡糞糞溝長(zhǎng)度在15.0 m左右，寬度為2.2 m(施工誤差±0.1 m)，糞溝深度0.6 m。在儲(chǔ)存結(jié)束后將漏糞口的漏糞提塞拔掉，糞污經(jīng)漏糞口進(jìn)入排污管道。通常情況下，拔塞后糞溝地面殘余約2～10 cm的糞污，呈膠狀，且越靠近拔塞口的位置，糞污聚集越多；糞溝側(cè)面殘余的糞污較少，相對(duì)比較容易清洗干凈。

1.2總體方案

高壓水由集中式清洗系統(tǒng)中的高壓水泵提供，豬舍內(nèi)布置有高壓水接口，額定流量42 L/min，額定壓力18 MPa。豬舍內(nèi)布置有220 V交流電。水泡糞糞溝清洗機(jī)總體方案如圖1所示。

1.電纜卷管器 2.水泡糞糞溝 3.糞溝清洗機(jī)本體 4.漏糞口 5.水管卷管器圖1 水泡糞糞溝清洗機(jī)總體方案Fig.1 Deep-pit manure ditch cleaning machine general design

糞溝清洗機(jī)在清洗作業(yè)中拖動(dòng)高壓水管與電纜運(yùn)動(dòng)，高壓水與電力分別通過(guò)水管卷管器與電纜卷管器提供給清洗機(jī)本體。水管卷管器實(shí)現(xiàn)了豬舍高壓出水口與糞溝清洗機(jī)的水路連接；電纜卷管器實(shí)現(xiàn)了墻體電源插座與糞溝清洗機(jī)的電路連接。卷管器作用是當(dāng)清洗機(jī)前進(jìn)時(shí)，卷管器處于低阻尼狀態(tài)，便于水管與電纜拉出，當(dāng)清洗機(jī)后退時(shí)，卷管器將水管與電纜分別自動(dòng)收回。糞溝清洗機(jī)帶有主噴頭、后噴頭模組實(shí)現(xiàn)糞溝底部的清洗；側(cè)噴頭模組實(shí)現(xiàn)糞溝側(cè)墻的清洗。使用過(guò)程中的清洗用水及清除的殘余糞污最終均由漏糞口排出。糞溝清洗機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.3糞溝清洗機(jī)本體設(shè)計(jì)

糞溝清洗機(jī)本體由控制系統(tǒng)、車體框架、行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和高壓水系統(tǒng)等部分組成，如圖2所示。

1.車體框架 2.引導(dǎo)機(jī)構(gòu) 3.電控箱 4.側(cè)噴頭模組 5.后噴頭模組 6.行程開(kāi)關(guān)A 7.行走驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 8.分水塊 9.電磁閥組10.從動(dòng)輪 11.行程開(kāi)關(guān)B 12.行程開(kāi)關(guān)C 13.主噴頭系統(tǒng) 14.行程開(kāi)關(guān)D圖2 糞溝清洗機(jī)本體組成Fig.2 Manure ditch cleaning machine composition

1.3.1控制系統(tǒng)

以PLC為主控制器，型號(hào)為三菱FX3U-32MT/ES-A。采用行程開(kāi)關(guān)作為位置感應(yīng)傳感器。PLC核心控制板實(shí)現(xiàn)各功能邏輯控制與手動(dòng)/自動(dòng)的切換，遙控模組實(shí)現(xiàn)遙控器對(duì)糞溝清洗機(jī)的遠(yuǎn)程控制。PLC輸入輸出點(diǎn)的地址分配如表2所示。

表2 PLC輸入輸出點(diǎn)地址分配

1.3.2車體框架

車體框架為糞溝清洗機(jī)的基礎(chǔ)部分，起到搭載使用終端(電箱、噴頭、擺桿等)、連接外部水電、電路中轉(zhuǎn)等功能。車體框架整體采用304不銹鋼，保證使用過(guò)程中的強(qiáng)度與防腐蝕性能。

1.3.3行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括減速電機(jī)帶動(dòng)的兩個(gè)主驅(qū)動(dòng)輪、兩個(gè)支撐行走的從動(dòng)輪，以及保證清洗機(jī)直線行走的引導(dǎo)機(jī)構(gòu)。

主動(dòng)輪為33.3 cm(10寸)實(shí)心橡膠輪，減速電機(jī)提供動(dòng)力，由鏈輪鏈條進(jìn)行傳動(dòng)。糞溝清洗機(jī)行走過(guò)程中需要克服的力包括水管卷管器與電纜卷管器的拖拽力、車體行走過(guò)程中的摩擦力和高壓水射流的反作用力等。水管卷管器與電纜卷管器的拖拽力可通過(guò)實(shí)際測(cè)量得出。高壓水射流的反作用力由公式計(jì)算得出。根據(jù)驅(qū)動(dòng)的要求，減速電機(jī)功率選擇200 W；根據(jù)糞溝清洗效率的要求，糞溝清洗機(jī)行走速度設(shè)計(jì)為1.5 m/min。

從動(dòng)輪選用20 cm(6寸)萬(wàn)向腳輪，起到支撐及微調(diào)方向的作用。

考慮到糞溝施工質(zhì)量的問(wèn)題，避免由于糞溝寬度的不一致導(dǎo)致糞溝清洗機(jī)跑偏或者卡死的情況，設(shè)計(jì)一套自適應(yīng)引導(dǎo)機(jī)構(gòu)，引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向輪由彈簧壓緊在糞溝側(cè)墻之上，由彈簧的變形量抵消糞溝施工寬度方向的誤差，保證糞溝清洗機(jī)可沿糞溝直線運(yùn)動(dòng)且不被卡死。

1.3.4高壓水系統(tǒng)

高壓水由清洗泵房的集中式清洗系統(tǒng)提供，在豬舍內(nèi)預(yù)留高壓水的快速接頭。采用高壓水管卷管器，一端接高壓水的快速接頭；另一端接糞溝清洗機(jī)本體。糞溝清洗機(jī)帶動(dòng)水管運(yùn)動(dòng)，防水電磁閥對(duì)前后兩組噴頭進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。糞溝清洗機(jī)高壓水流向如圖3所示。

圖3 糞溝清洗機(jī)高壓水流向Fig.3 Manure ditch cleaning machine high-pressure water flow

糞溝清洗機(jī)后噴頭模組用于清洗糞溝清洗機(jī)存放區(qū)域糞溝底部的區(qū)域。采用110°扇形噴頭，底部布置7個(gè)噴頭，實(shí)現(xiàn)糞溝底部位置的全覆蓋。糞溝清洗機(jī)側(cè)噴頭模組用于清洗糞溝的側(cè)面區(qū)域，采用110°扇形噴頭，兩側(cè)各布置2個(gè)噴頭，實(shí)現(xiàn)糞溝側(cè)面區(qū)域的全覆蓋。

主噴頭通過(guò)擺桿馬達(dá)帶動(dòng)擺桿實(shí)現(xiàn)左右擺動(dòng)，行程開(kāi)關(guān)B、D確定擺動(dòng)的幅度，實(shí)現(xiàn)糞溝底部范圍的全覆蓋。

為提高清洗效率，糞溝清洗機(jī)可不停車連續(xù)清洗。需特別注意擺桿擺動(dòng)的速度與糞溝清洗機(jī)行進(jìn)速度的匹配，避免由于行走速度相對(duì)擺桿速度太快導(dǎo)致的清洗盲區(qū)?，F(xiàn)驅(qū)動(dòng)輪的行走速度為v=1.5 m/min，主噴頭采用旋轉(zhuǎn)噴頭，根據(jù)安裝的位置測(cè)得噴水最小有效覆蓋寬度為W=250 mm。則假設(shè)擺桿擺動(dòng)一個(gè)周期時(shí)間為T，則T應(yīng)滿足

計(jì)算得T≤10 s。本設(shè)備擺桿設(shè)計(jì)的擺動(dòng)周期為6 s，可以保證良好的清洗效果。

1.3.5自動(dòng)程序/手動(dòng)控制簡(jiǎn)介

在自動(dòng)模式下，清洗過(guò)程如圖4所示。在設(shè)備自動(dòng)模式開(kāi)啟之前，設(shè)備存放于糞溝中靠近漏糞口的位置。開(kāi)啟設(shè)備電源，上水上電。此時(shí)，后噴頭模組與側(cè)噴頭模組打開(kāi)，糞溝清洗機(jī)后退行走，進(jìn)行糞溝側(cè)面及糞溝底部的部分清洗。由于側(cè)面相對(duì)底部的糞污較少，此步驟可將側(cè)面清洗干凈，同時(shí)對(duì)底部進(jìn)行簡(jiǎn)單的清洗。直到碰到行程開(kāi)關(guān)A，糞溝清洗機(jī)運(yùn)動(dòng)換向，開(kāi)始前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。前進(jìn)運(yùn)動(dòng)行程約2 m，前進(jìn)的過(guò)程中清洗漏糞口最遠(yuǎn)端底部約2 m的區(qū)域范圍，此部位主噴頭無(wú)法清洗。2 m前進(jìn)完成后進(jìn)行后退動(dòng)作，至碰到行程開(kāi)關(guān)A。后噴頭與側(cè)噴頭關(guān)閉。主噴頭打開(kāi)，搭載主噴頭的擺桿開(kāi)始擺動(dòng)。糞溝清洗機(jī)換向前進(jìn)，前進(jìn)的過(guò)程中，擺桿一直擺動(dòng)由主噴頭進(jìn)行清洗工作。采用旋轉(zhuǎn)噴頭作為主噴頭，清洗能力強(qiáng)，可有效清除糞溝底部糞污。工作過(guò)程持續(xù)到碰到行程開(kāi)關(guān)C，糞溝清洗機(jī)停止行走，主噴頭關(guān)閉，整個(gè)自動(dòng)清洗流程結(jié)束。

圖4 糞溝清洗機(jī)自動(dòng)程序流程Fig.4 Manure ditch cleaning machine automatic program

糞溝清洗機(jī)可以在自動(dòng)模式和手動(dòng)模式下自由切換。手動(dòng)模式可以單獨(dú)控制清洗機(jī)的前進(jìn)、后退、不同噴頭類型的開(kāi)啟和關(guān)閉等。對(duì)于糞溝內(nèi)特別頑固的糞污，可以采用手動(dòng)模式進(jìn)行重點(diǎn)清洗。

2 性能試驗(yàn)

糞溝清洗機(jī)試驗(yàn)于2020年3月在山東省萊陽(yáng)市萊陽(yáng)新好牧業(yè)有限公司的產(chǎn)仔舍進(jìn)行。單條糞溝長(zhǎng)度15.0 m，寬度2.2 m，深度0.6 m。仔豬在產(chǎn)房?jī)?nèi)出生21 d后進(jìn)行斷奶，將斷奶仔豬與母豬趕出產(chǎn)房后進(jìn)行豬舍及水泡糞糞溝的清洗。取其中的3條糞溝進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)21 d使用，水泡糞糞污的高度為20～30 cm。清洗之前先將漏糞口的漏糞提塞取出，大部分糞污經(jīng)漏糞口流入排污管道。剩余約2～10 cm的糞污殘余，此部分糞污需要由糞溝清洗機(jī)進(jìn)行清洗。

清洗作業(yè)開(kāi)始之前，連接糞溝清洗機(jī)的水電系統(tǒng)，采用如圖4所示的自動(dòng)程序進(jìn)行糞溝的清洗，不進(jìn)行額外的手動(dòng)控制等操作。糞溝清洗機(jī)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況如圖5所示。

圖5 糞溝清洗機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Manure ditch cleaning machine in field operation

在糞溝清洗機(jī)作業(yè)過(guò)程中，記錄清洗作業(yè)所需的耗水量、清洗時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并對(duì)清洗效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。試驗(yàn)過(guò)程中的主要參數(shù)如表3所示。

表3 清洗試驗(yàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)可得，糞溝清洗機(jī)單條糞溝清洗的耗水量為870 L，清洗時(shí)間22 min。清洗效率高，用水量少。

重點(diǎn)對(duì)清潔率進(jìn)行評(píng)估。清潔率的計(jì)算方式借鑒農(nóng)業(yè)機(jī)械推廣鑒定大綱DG/T 055—2019《清糞機(jī)》進(jìn)行，如式(1)和式(2)所示[11]。

(1)

式中F——清潔率， %

Qi——清洗前糞溝中糞污質(zhì)量，kg

Qn——清洗后糞溝中糞污質(zhì)量，kg

其中

(2)

式中ρ——水泡糞糞污密度，kg/m3

L——水泡糞糞溝長(zhǎng)度，m

W——糞溝寬度，m

hi——不同測(cè)量點(diǎn)糞溝中殘留糞污深度，m

在本次試驗(yàn)中，清洗作業(yè)之前測(cè)量糞溝長(zhǎng)度方向前中后3個(gè)位置殘余的糞污深度hi，計(jì)算對(duì)應(yīng)的一條糞溝清洗前的糞污質(zhì)量Qi。清洗作業(yè)完成后馬上對(duì)糞溝內(nèi)殘余糞污進(jìn)行收集并稱量，記錄清洗后糞溝中糞污質(zhì)量Qn。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算清潔率F。

糞溝清洗清潔率試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，糞溝清洗機(jī)對(duì)糞溝的清潔率可達(dá)99%以上，起到較好的清洗效果。清洗完成后的糞污殘余集中在糞溝清洗機(jī)的存放區(qū)域，隨著清洗作業(yè)的進(jìn)行，部分糞污會(huì)飛濺并殘留在車體之上，需要后續(xù)將車體進(jìn)行人工清洗干凈。

表4 糞溝清洗清潔率

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前水泡糞糞溝清洗的難題，設(shè)計(jì)了一款糞溝清洗機(jī)?？梢詫?shí)現(xiàn)糞溝的自動(dòng)清洗，大大提高清洗效率，節(jié)省人力，避免清洗人員進(jìn)入糞溝的狹窄空間作業(yè)造成的健康安全風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況，清洗一條15 m的糞溝，清洗時(shí)間22 min，清潔率>99%，取得了較好的清洗效果，對(duì)于豬場(chǎng)水泡糞糞溝的清洗有重要的推廣價(jià)值。