豬舍步進(jìn)式自動(dòng)清糞系統(tǒng)曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

曾雅瓊 楊佳樂, 陳 剛 王 浩* 劉作華 龍定彪

(1.重慶市畜牧科學(xué)院，重慶402460；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，北京 100083)

機(jī)械化是生豬養(yǎng)殖現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)和標(biāo)志[1]。清糞作為豬場飼養(yǎng)管理和糞污處理的主要環(huán)節(jié)，機(jī)械化自動(dòng)清糞是實(shí)現(xiàn)生豬規(guī)?；B(yǎng)殖全程機(jī)械化的重要組成部分。機(jī)械干清糞相比于水泡糞、水沖糞及人工干清糞，具有污水產(chǎn)生量少、糞便養(yǎng)分損失小和節(jié)省人工等優(yōu)點(diǎn)，是我國規(guī)模化豬場清糞方式的重點(diǎn)發(fā)展方向[2-9]。目前，豬舍機(jī)械清糞系統(tǒng)主要采用繩索、鏈條等方式牽引刮糞板進(jìn)行清糞，張小云等[10]發(fā)明了一種豬舍用刮板式清糞機(jī)，設(shè)計(jì)了牽引繩繩托與花籃螺絲等加固結(jié)構(gòu)。Stapel R等[11]發(fā)明了一種由電力機(jī)車牽引的清糞裝置，由車身中部伸出的軸連接刮板行進(jìn)。王紅英等[12]發(fā)明了牽引繩牽引的多層刮板刮糞機(jī)，該牽引繩為柔性材質(zhì)，作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)多層刮板刮糞機(jī)的刮板抬起或回落。但這種牽引式清糞系統(tǒng)的牽引繩易腐蝕斷裂、刮板運(yùn)行方向偏移等現(xiàn)象頻發(fā)，普遍存在穩(wěn)定性低和耐久性差的問題[13-14]。

為了解決上述問題，重慶市畜牧科學(xué)院與中國農(nóng)業(yè)大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了步進(jìn)式豬舍清糞系統(tǒng)[15-16]，采用槽鋼等剛性材料代替繩索等柔性牽引材料，克服了繩索腐蝕斷裂和刮板運(yùn)行偏移的問題，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多采用液壓方式，液壓傳動(dòng)可實(shí)現(xiàn)低速大噸位運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)可調(diào)速，但在糞尿、粉塵較多的糞溝環(huán)境中，活塞桿易粘附雜質(zhì)，且長期受糞尿侵蝕，密封圈極易磨損，出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，引起塞桿伸縮不均、供給力量不足、速度下降、保壓性降低等問題，導(dǎo)致系統(tǒng)傳動(dòng)性能下降，嚴(yán)重影響清糞系統(tǒng)的穩(wěn)定性[17-19]。為了進(jìn)一步提高清糞系統(tǒng)穩(wěn)定性，有必要對(duì)其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具有承載力高、耐磨損、制造簡便等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造行業(yè)，但將其應(yīng)用于豬場機(jī)械清糞設(shè)備的研究還鮮有報(bào)道。本研究基于豬舍步進(jìn)式機(jī)械清糞工藝，擬設(shè)計(jì)一種曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，確定其主要參數(shù)取值，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真模擬，并開展現(xiàn)場試驗(yàn)對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)性能進(jìn)行驗(yàn)證，以期為豬舍步進(jìn)式清糞系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)及推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

豬舍步進(jìn)式刮糞系統(tǒng)主要由糞溝、刮糞機(jī)運(yùn)行軌道、刮糞機(jī)、傳動(dòng)桿、傳動(dòng)桿懸吊組件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐架等部分構(gòu)成(圖1)。系統(tǒng)主要部件的組成及功能說明如下：1)糞溝位于豬舍漏縫地板下方，由V形底面、兩側(cè)面和預(yù)埋在糞溝中軸線底部的排尿管組成，是豬舍糞污收集和刮糞機(jī)運(yùn)行的場所；2)刮糞機(jī)運(yùn)行軌道為兩條平行的槽鋼，固定于糞溝兩側(cè)面；3)刮糞機(jī)由刮板、框架和轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)鍵構(gòu)成，清糞過程中刮板受糞的阻力，底部與糞溝貼合實(shí)現(xiàn)清糞，返程時(shí)刮板底部翹起不與糞溝接觸，由框架上側(cè)設(shè)置的調(diào)節(jié)鍵與推桿連接帶動(dòng)刮糞機(jī)在運(yùn)行軌道上往返運(yùn)行以完成清糞和歸位；4)傳動(dòng)桿由槽鋼焊接而成，槽鋼開口處有多個(gè)撥鍵，用于牽連刮糞機(jī)的轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)鍵，帶動(dòng)刮糞機(jī)運(yùn)行；5)傳動(dòng)桿懸吊組件固定于糞溝兩側(cè)面，且含有支撐滑輪，傳動(dòng)桿在懸吊組件的支撐滑輪上往返運(yùn)行；6)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)和減速機(jī)組成，減速機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連輸出動(dòng)力；7)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為曲柄連桿，用于連接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)桿，形成步進(jìn)式運(yùn)行軌跡；8)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐架固定于糞溝驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一端的兩側(cè)壁，且含有支撐滑輪，曲柄連桿在支撐架的滑輪上往返運(yùn)行。

1.刮糞機(jī)運(yùn)行軌道；2.糞溝；3.曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；4.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐架；5.刮糞機(jī)運(yùn)行軌道；6.傳動(dòng)桿；7.刮糞機(jī)；8.傳動(dòng)桿懸吊組件；9.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1.Manure scraper running track; 2.Dung storage ditch; 3.Crank connecting rod transmission mechanism; 4.Supporting frame of transmission mechanism; 5.Manure scraper running track; 6.Transmission rod; 7.Manure scraper; 8.Suspension components for transmission rod; 9.Drive system

2 曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要參數(shù)的確定

曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為清糞系統(tǒng)的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，能夠?qū)⒒剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K在直線上的往返移動(dòng)，主要由曲柄、連桿及與連桿末端相連的滑塊3部分構(gòu)成。曲柄連桿機(jī)構(gòu)參數(shù)主要包括曲柄長度L1、連桿長度L2、偏心距e、極位夾角θ、滑塊行程S、行程速比系數(shù)K、最小傳動(dòng)角γmin。一般在對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，傳動(dòng)角γ的大小能夠檢驗(yàn)曲柄連桿參數(shù)是否達(dá)到最優(yōu)化，同樣可以判斷曲柄連桿的傳動(dòng)性能。因此，將曲柄連桿的參數(shù)確定最終歸納為，在確定滑塊行程距離S與行程速比系數(shù)K的條件下，探尋最小傳動(dòng)角γmin最大時(shí)的其他各項(xiàng)參數(shù)值。

2.1 滑塊行程的確定

滑塊行程S應(yīng)綜合考慮傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝運(yùn)行空間大小、清糞速度和建筑尺寸模數(shù)等因素進(jìn)行確定，滑塊行程過大會(huì)增加設(shè)備占地空間和面積，過小則會(huì)降低清糞效率，在實(shí)際應(yīng)用中，可按照我國通用建筑模數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)以便使用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。本研究中滑塊行程S可設(shè)置為300、600、900和1 200 mm等，以試驗(yàn)豬舍為例，單個(gè)豬圈的跨度為3 m，當(dāng)S=600 mm時(shí)可兼顧設(shè)備占地空間、清糞效率，并可將圈欄跨度進(jìn)行整數(shù)倍等分，故本研究以滑塊行程600 mm為例，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 行程速比系數(shù)與極位夾角的選擇

曲柄連桿機(jī)構(gòu)中的行程速比系數(shù)K是指連桿在曲柄帶動(dòng)下往復(fù)擺動(dòng)時(shí)快慢速行程平均角速度的比值。行程速比系數(shù)K越大，對(duì)曲柄連桿機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行產(chǎn)生的慣性力就越大，不利于系統(tǒng)整體運(yùn)行；而行程速比系數(shù)K過小時(shí)，會(huì)使連桿長度增加，機(jī)構(gòu)占地面積增大，設(shè)備成本增加。本研究將曲柄連桿應(yīng)用于清糞系統(tǒng)中，對(duì)運(yùn)行速度的要求較低，以行程速比系數(shù)1.25為例，進(jìn)行設(shè)計(jì)。極位夾角θ與行程速比系數(shù)K的關(guān)系為：

(1)

根據(jù)式(1)計(jì)算得到極位夾角θ=20°。

2.3 偏心距的確定

刮糞機(jī)運(yùn)行時(shí)，傳動(dòng)桿在單一方向往返移動(dòng)，連桿安裝于曲柄與傳動(dòng)桿之間，構(gòu)件自身受到材料尺寸的影響，在曲柄運(yùn)動(dòng)到與滑塊行進(jìn)方向垂直時(shí)，二者之間要留出一定距離，保證連桿與傳動(dòng)桿不發(fā)生碰撞，使機(jī)構(gòu)正常運(yùn)行，所以偏心距e的尺寸要大于曲柄長度L1，且保證超出尺寸大于連桿的材料厚度。本研究中的連桿采用截面尺寸為30 mm×30 mm的矩形鋼管，因此在設(shè)計(jì)時(shí)偏心距e尺寸超過曲柄長度30 mm，即偏心距e>(L1+30)mm時(shí)可滿足要求。

2.4 曲柄連桿長度的確定

在SolidWorks中建立設(shè)計(jì)模型見圖2：O為曲柄回旋運(yùn)動(dòng)中心，OA為曲柄長度L1、AB為連桿長度L2、圓形為曲柄回轉(zhuǎn)時(shí)的輔助圓軌跡。OB1為曲柄連桿共線位、A2B2為二者重疊共線位、OA3B3是最小傳動(dòng)角發(fā)生位，OA3垂直于滑塊的行進(jìn)路線B1C。

O為曲柄回旋運(yùn)動(dòng)中心；OA1為曲柄；A1B1為連桿，BC為滑塊行進(jìn)路線。S為滑塊行程；K為行程速比系數(shù)；θ極位夾角；L1為曲柄長度；L2為連桿長度；e為偏心距；γ為最小傳動(dòng)角；β為曲柄連桿共線時(shí)與滑塊行程方向的夾角。O is the center of crank rotation; OA1 is the crank; A1B1 is the connecting rod; BC is the travel route of the slider.S is the slider stroke; K is the stroke speed ratio coefficient; θ is the pole angle; L1 is the crank length; L2 is the connecting rod length; e is the eccentricity; γ is the minimum transmission angle; β is the angle between the crank connecting rod and the stroke direction of the slider when the crank connecting rod is collinear.

根據(jù)2.1、2.2、2.3所述，已知參數(shù)為：滑塊行程S=600 mm、行程速比系數(shù)K=1.25、極位夾角θ=20°、偏心距e>(L1+30)mm。建立參數(shù)模型時(shí)，將S、θ設(shè)置為驅(qū)動(dòng)尺寸，固定不變，其余參數(shù)均設(shè)置為從動(dòng)。點(diǎn)A1、點(diǎn)A2、點(diǎn)A3位于圓上，點(diǎn)B1、點(diǎn)B2、點(diǎn)B3位于同一條水平線上，即位于滑塊行進(jìn)路線上。

為探尋γmin最大時(shí)的曲柄長度、連桿長度與偏心距，在模型中調(diào)整β角度，尋找滿足偏心距e>(L1+30)mm的最大傳動(dòng)角，可以得到曲柄連桿尺寸的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)模型模擬測試，得出：曲柄長度L1=272 mm、連桿長度L2=778 mm、偏心距e=303 mm。

2.5 傳動(dòng)桿及其支架間距的確定

傳動(dòng)桿作為清糞系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一部分，其一端與曲柄連桿相接，另一端與刮糞機(jī)連接，主要起牽引刮糞機(jī)作用，是步進(jìn)式自動(dòng)清糞系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。本研究提及的清糞系統(tǒng)的傳動(dòng)桿采用若干根槽鋼焊接為一體，目前市場上的槽鋼單根長度為6 m，可根據(jù)糞溝的實(shí)際長度確定傳動(dòng)桿所需的槽鋼數(shù)量，本研究中試驗(yàn)豬舍糞溝的長度為24 m，傳動(dòng)桿采用4根6 m長的槽鋼連接而成，傳動(dòng)桿通過懸吊組件形式的支架進(jìn)行支撐，安裝于糞溝上方，傳動(dòng)桿與支架上的支撐滑輪接觸，在多個(gè)支撐滑輪上往返移動(dòng)。支撐架的間距直接影響傳動(dòng)桿的形變量，基于Simulation 建模分析，支撐架間距為3 m時(shí)，幾種受試型材的形變量均滿足安裝間距要求。

3 曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

在ADAMS軟件內(nèi)，根據(jù)得出的設(shè)計(jì)尺寸結(jié)果建立曲柄連桿三維仿真模型，為使曲柄正常轉(zhuǎn)動(dòng)，在曲柄與平面間的旋轉(zhuǎn)副上添加轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，為模擬滑塊處所受阻力，在滑塊與平面的移動(dòng)副處添加10 kN摩擦阻力，并設(shè)置重力。對(duì)設(shè)置完成后的模型(圖3)進(jìn)行運(yùn)行學(xué)仿真，仿真單次時(shí)長10 s，步數(shù)1 000。

圖3 曲柄連桿機(jī)構(gòu)三維仿真模型Fig.3 3D simulation model of the crank connecting rod

圖4示出滑塊位移隨仿真時(shí)間的變化規(guī)律，可以看出，滑塊的行程距離為600 mm，滿足S的初始設(shè)計(jì)值，且滑塊在其行程上運(yùn)行平穩(wěn)，沒有異常波動(dòng)；在曲柄的轉(zhuǎn)速一定時(shí)，滑塊的速度與加速度在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)一直處于相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)(圖5)，波動(dòng)較小，沒有突變情況發(fā)生。滑塊的位移、速度與加速度特性曲線符合其實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，驗(yàn)證了曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性。

圖4 滑塊位移隨仿真時(shí)間的變化Fig.4 Variation of slider displacement with simulation times

圖5 滑塊速度(v)和加速度(a)隨仿真時(shí)間的變化Fig.5 Variation of slider velocity (v) and acceleration (a) with simulation time

4 樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 傳動(dòng)桿形變量測試

曲柄連桿機(jī)構(gòu)中傳動(dòng)桿型材類型及連接方式對(duì)傳動(dòng)桿受荷載時(shí)的形變量有很大影響，傳動(dòng)桿形變較大會(huì)造成傳動(dòng)桿往復(fù)運(yùn)行時(shí)與支撐架間摩擦阻力增大，從而使清糞系統(tǒng)運(yùn)行過程中的能耗增加。因此本研究對(duì)不同連接方式傳動(dòng)桿受荷載時(shí)的形變量進(jìn)行了測試。

試驗(yàn)選用5#、6.3#、8#槽鋼以及鋼板折彎加工的U形槽結(jié)構(gòu)鋼材，受測試件斷面尺寸見表1。從市場銷售的型材長度及實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，本次試驗(yàn)選擇6和3 m長的傳動(dòng)桿型材，支撐架間距3 m，測試采用銷接或焊接兩種連接方式時(shí)不同鋼材傳動(dòng)桿的形變量。試驗(yàn)在安裝了施加壓力機(jī)構(gòu)、數(shù)顯千分表及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的測試平臺(tái)進(jìn)行，對(duì)受試傳動(dòng)桿施加0～5 000 N的壓力，以500 N為梯度逐級(jí)增加壓力，記錄各受試傳動(dòng)桿的最大形變量。試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)，取平均值。

表1 試驗(yàn)型材斷面尺寸Table 1 Section size of the test profile mm

不同鋼材隨著施加壓力形變量變化見圖6。對(duì)于5#槽鋼傳動(dòng)桿，施加推力荷載至4 000 N時(shí)，銷接方式其形變量達(dá)20.47 mm，而焊接形變量僅5.53 mm，焊接時(shí)形變量較銷接降低72.98%；施加荷載接近5 000 N時(shí)，傳動(dòng)桿焊接與銷接相比，6.3#槽鋼、8#槽鋼、2#U型槽鋼形變量分別減小73.08%、26.7% 和79.86%，1#U型槽鋼兩種連接方式下形變量相當(dāng)。與5#槽鋼傳動(dòng)桿相比，6.3#槽鋼、8#槽鋼、1#U型槽鋼、2#U型槽鋼的傳動(dòng)桿在施加推力荷載時(shí)形變速率相對(duì)較緩。傳動(dòng)桿在受到驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的推力荷載時(shí)，焊接連接方式型材的形變量明顯小于銷接，試驗(yàn)過程中觀察到，銷接處在受力后更易發(fā)生較大變形。5#槽鋼在受到壓力后發(fā)生了極大的形變，不適合用于清糞系統(tǒng)傳動(dòng)桿；6.3#槽鋼由于其焊接時(shí)形變量較小，且屬市場常用鋼材，選購方便，宜作為清糞系統(tǒng)傳動(dòng)桿。

圖6 連接方式為銷接(a)和焊接(b)時(shí)傳動(dòng)桿形變量隨壓力的變化Fig.6 Variation of deformation with pressure of transmission rod with pinning (a) and welding (b) links

4.2 清糞系統(tǒng)性能測試及結(jié)果分析

為測試本研究設(shè)計(jì)的曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)際效果，將曲柄連桿傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)應(yīng)用于重慶市畜牧科學(xué)院試驗(yàn)豬場步進(jìn)式清糞系統(tǒng)，測試曲柄連桿電機(jī)轉(zhuǎn)速為1.40、2.96和4.84 r/min時(shí)，不同清糞量下系統(tǒng)的運(yùn)行阻力；同時(shí)與液壓傳動(dòng)的清糞系統(tǒng)作對(duì)比，測試系統(tǒng)能耗和清糞效率。

4.2.1刮糞機(jī)運(yùn)行阻力及清糞能力測試

試驗(yàn)用糞溝上方的豬圈尺寸為24 m×3.75 m，飼養(yǎng)面積共90 m2，依據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)體地面的豬欄內(nèi)，每只育肥豬所需的活動(dòng)面積為0.9～1.2 m2，取極限條件下的飼養(yǎng)數(shù)量，計(jì)算出該豬舍內(nèi)最多可飼養(yǎng)育肥豬100頭，糞便日排放系數(shù)以2 kg/d計(jì)算[20-21]，每天產(chǎn)生糞便約200 kg，故試驗(yàn)以200 kg糞便量為基數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。測試采用3種轉(zhuǎn)速(1.40、2.96和4.84 r/min)曲柄連桿傳動(dòng)的清糞系統(tǒng)不同清糞量時(shí)的運(yùn)行阻力，并探究當(dāng)糞溝內(nèi)存有的糞污量達(dá)到極限值(500 kg)時(shí)系統(tǒng)的清糞能力。選用20 m長的糞溝，第1段長11 m，測試前將稱重后的糞污平鋪于糞溝內(nèi)底面，模擬清糞系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)糞溝內(nèi)糞污分布情況；第2段糞溝長9 m，無糞污。刮糞機(jī)清理過第1段糞溝內(nèi)糞污后，至第二段時(shí)開始測量拉力值，試驗(yàn)重復(fù)3次。刮糞機(jī)阻力測試現(xiàn)場見圖7。

1.曲柄；2.連桿；3.電機(jī)；4.軌道；5.糞溝；6.傳動(dòng)桿1.Crank; 2.Connecting rod; 3.Motor; 4.Track;5.Manure ditch; 6.Transmission rod

不同電機(jī)轉(zhuǎn)速的曲柄連桿對(duì)清糞機(jī)運(yùn)行阻力的影響見圖8，采用曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的清糞系統(tǒng)，能夠清理豬舍500 kg的極限糞量；在清糞量500 kg條件下，曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速1.40 r/min時(shí)，清糞機(jī)運(yùn)行阻力最小，為2.25 kN，運(yùn)行阻力比轉(zhuǎn)速4.84 r/min時(shí)小15.6%。刮糞機(jī)運(yùn)行阻力測試結(jié)果反映出清糞過程中曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)減速比較大時(shí)，設(shè)備運(yùn)行阻力更小，運(yùn)行更平穩(wěn)；在使用相同電機(jī)的情況下，采用轉(zhuǎn)速最小的曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)行阻力最小，實(shí)際功率也較小，同條件下可減少能耗，降低設(shè)備運(yùn)行過程中的機(jī)械磨損。試驗(yàn)中采用幾種轉(zhuǎn)速的曲柄連桿機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)均可對(duì)糞溝內(nèi)糞污進(jìn)行有效清理，綜合考慮能耗、運(yùn)行阻力及清糞效率，采用轉(zhuǎn)速1.40 r/min的動(dòng)力機(jī)組即可滿足設(shè)計(jì)的清糞需求，且設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

豎直線為誤差線，圖9同。The vertical line is the error bar. The same in Fig.9.

4.2.2系統(tǒng)能耗及清糞效率測試

測試分別以液壓缸和曲柄連桿為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)清糞系統(tǒng)空載運(yùn)行的能耗與清糞時(shí)長，其中曲柄連桿機(jī)構(gòu)的電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為4.84、2.96、1.40 r/min。選用1段長20 m的糞溝，刮糞機(jī)位于糞溝一端，開啟系統(tǒng)運(yùn)行至終點(diǎn)，用秒表記錄運(yùn)行時(shí)長，電能表記錄電能消耗，試驗(yàn)重復(fù)3次。

系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速1.40 r/min的曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)能耗最低(圖9(a))，分別比液壓缸組、轉(zhuǎn)速4.84和2.96 r/min組低35.1%、41.2%和37.3%。系統(tǒng)在試驗(yàn)糞溝的單次空載運(yùn)行時(shí)長見圖9(b)，液壓缸傳動(dòng)的系統(tǒng)清糞時(shí)間最長，單次清糞時(shí)長分別為轉(zhuǎn)速4.84、2.96和1.40 r/min曲柄連桿傳動(dòng)的6.2倍、3.5倍和1.8倍。液壓缸作為清糞系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)時(shí)，運(yùn)行速度慢，清糞效率低，在同等條件下，清糞時(shí)間明顯長于曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用于清糞系統(tǒng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，運(yùn)行速度可控可調(diào)，能顯著提高系統(tǒng)清糞效率，在本研究試驗(yàn)條件下，曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速越大清糞效率越高。綜合考慮能耗及清糞效率，曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速1.40 r/min時(shí)即可滿足清糞需求。

圖9 液壓傳動(dòng)和3種轉(zhuǎn)速(n)曲柄連桿傳動(dòng)的清糞系統(tǒng)運(yùn)行1 h的能耗(a)和單次清糞耗時(shí)(b)Fig.9 The energy consumption of running 1 h (a) and the single cleaning time (b) of the manure cleaning system with hydraulic transmission and 3 different speed crank-link transmissions

5 結(jié) 論

本研究基于豬舍步進(jìn)式機(jī)械清糞系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，提出了其關(guān)鍵參數(shù)取值計(jì)算方法，得出參數(shù)取值推薦結(jié)果；在此基礎(chǔ)上，通過形變量的測試，對(duì)曲柄傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)桿型材與連接方式進(jìn)行了選擇。在豬舍進(jìn)行了清糞系統(tǒng)性能測試，主要結(jié)論如下：

1)所設(shè)計(jì)的曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)為：滑塊行程S=600 mm,行程速比系數(shù)K=1.25,極位夾角θ=20°,曲柄長度L1=272 mm,連桿長度L2=778 mm,偏心距e=303 mm，運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模擬驗(yàn)證了曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2)選用6.3#槽鋼以焊接方式連接的傳動(dòng)桿形變量較小。

3)清糞機(jī)曲柄連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1.40 r/min時(shí)，運(yùn)行阻力最小,能耗最低,清糞時(shí)長適中，可滿足清糞系統(tǒng)功能需求，整體性能優(yōu)于液壓傳動(dòng)和電機(jī)轉(zhuǎn)速4.84、2.96 r/min曲柄傳動(dòng)的清糞機(jī)。