母豬分娩欄的防壓結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

周昆樂，邊峰，陳福元，鄧事特，耿瑋

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點實驗室，廣東 廣州 510630；3.廣東廣興牧業(yè)機械設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

我國是世界第一養(yǎng)豬大國，具有悠久的養(yǎng)豬歷史和豐富的品種資源，為世界養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻[1-2]。隨著生豬養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展以及科技含量的不斷提升，生豬養(yǎng)殖生產(chǎn)水平明顯提高，目前已成為我國農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，因此，加強豬場養(yǎng)殖建設(shè)對生豬養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義[3-5]。而在豬場養(yǎng)殖中，仔豬的存活率又直接關(guān)系到豬場最終的經(jīng)濟效益[6-8]。初生仔豬的死亡率最高時段是出生后1 周內(nèi)，仔豬死亡的主要原因有：①初乳攝入不足導(dǎo)致仔豬免疫力較弱，感染病毒死亡；②環(huán)境控制不好，溫度太低導(dǎo)致仔豬凍僵、凍死；③母豬擠壓、踩踏導(dǎo)致仔豬死亡。其中，母豬擠壓、踩踏是造成仔豬死亡的主要原因之一[9]。造成仔豬被踩壓的主要原因有：①母豬產(chǎn)仔后身體虛弱或體形較大、行動不便；②部分頭胎母豬產(chǎn)仔時起臥不安，使仔豬遭到踩踏；③母豬產(chǎn)仔時產(chǎn)圈未設(shè)護仔欄，加上母豬母性不好，進而造成仔豬死亡；④新生仔豬因寒冷變得行動遲緩，且因怕冷而向母豬腹下鉆被壓死。因此，豬場需要對產(chǎn)后母豬進行限位，以降低因仔豬被擠壓、踩踏致死所帶來的損失，本文針對2 種防壓結(jié)構(gòu)進行了對比分析，使用更符合豬場實際需求的結(jié)構(gòu)，提高豬場收益。

1 防壓結(jié)構(gòu)設(shè)計

豬場實際應(yīng)用表明，在傳統(tǒng)無防壓設(shè)計的分娩欄的母豬位兩側(cè)和后方增加防壓的耙齒、護欄等部件，可以有效降低母豬側(cè)臥和后退時壓傷或壓死仔豬的現(xiàn)象。因此，結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟實用且適用于多種現(xiàn)有分娩欄的防壓結(jié)構(gòu)部件能滿足豬場養(yǎng)殖所需。使用含防壓結(jié)構(gòu)部件的分娩欄可減少因母豬擠壓、踩踏造成仔豬的死亡，提升豬場收益。以下是近幾年豬場實際應(yīng)用的2款分娩欄防壓結(jié)構(gòu)。

1.1 欄柵式防壓結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)主要采用了直徑為26 mm 鍍鋅管和扁鋼加工，由3 段彎管組成，兩側(cè)彎管靠近漏縫板，對母豬后蹄的行動范圍進一步限制，保證仔豬移動時的安全，彎管中間留有避空部分可有效防止刮傷母豬陰部造成感染。此結(jié)構(gòu)通過將防壓片直接掛在分娩欄上的簡便安裝，與分娩欄后門分離開，后欄與防壓結(jié)構(gòu)間留有200 mm 的間隙以便仔豬通過。欄柵式防壓結(jié)構(gòu)安裝示意圖及現(xiàn)場實物圖如圖1 所示。

圖1 欄柵式防壓結(jié)構(gòu)安裝示意圖及現(xiàn)場實物圖

1.2 封板式防壓結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)主要采用了直徑為26 mm 鍍鋅管和12 mm實心PVC 板加工，通過將掛耳插入掛耳座，并關(guān)閉碰鎖以完成安裝。該結(jié)構(gòu)在作為分娩欄后門的同時，通過彎管對母豬起到了限制活動的作用。彎管與后門的實心PVC 板間留有200 mm 間隙，仔豬則可以從下方空間通過，避免在移動到保溫區(qū)時，被母豬壓傷。封板式防壓結(jié)構(gòu)安裝示意圖及現(xiàn)場實物圖如圖2 所示。

圖2 封板式防壓結(jié)構(gòu)安裝示意圖及現(xiàn)場實物圖

1.3 結(jié)構(gòu)對比分析

欄柵式防壓結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于安裝簡單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐用性強。向下增長彎管進一步對母豬限位的同時，提升了欄片整體使用壽命。

封板式防壓結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于加工相對簡單，整體成本相對低，結(jié)構(gòu)簡單。但存在長時間受到母豬撞擊時，掛耳可能脫焊導(dǎo)致整個后門都需要維修的問題，同時，由于用于阻擋母豬的彎管高度位于整個欄片的中央，母豬陰部可能會因剮蹭而受到感染。單獨一根彎管也不能很好地對母豬后蹄進行限制，仍存在仔豬被踩踏的風(fēng)險。

因此，對封板式防壓結(jié)構(gòu)進行了修改，將防壓結(jié)構(gòu)與后門分離開，減少后門損壞的可能性。即使防壓結(jié)構(gòu)損壞也可以方便更換、維修。相對而言，欄柵式防壓結(jié)構(gòu)的限制能力也更強，進一步降低仔豬被踩踏的風(fēng)險。

2 仿真試驗

2.1 有限元分析簡介

有限元分析的原理是利用數(shù)學(xué)近似法對真實的物理系統(tǒng)進行模擬，把幾何和載荷工況運用簡單且相互關(guān)聯(lián)的單元用有限數(shù)量的未知量去逼近真實系統(tǒng)。有限元分析是用簡單的問題代替復(fù)雜問題并求解，把求解域分解為許多單元并對每個單元假定一個合理的近似解，再推導(dǎo)這個求解域的滿足條件從而得到問題的解。此方法作為方便性和實用性兼具的研究手段，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，被運用于越來越多的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[10-11]。

2.2 仿真試驗參數(shù)

仿真試驗主要參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真試驗主要參數(shù)

2.3 有限元網(wǎng)格劃分模型

如圖3 所示，模型采用了inventor 軟件對欄柵式防壓結(jié)構(gòu)按2.2 所述參數(shù)進行了實體模型的建立。并將其作為有限元網(wǎng)格劃分對象進行網(wǎng)格劃分，具體網(wǎng)格設(shè)置參數(shù)如下：劃分網(wǎng)格的最小元素大小設(shè)置為0.2，最大轉(zhuǎn)角設(shè)置為60°。網(wǎng)格劃分完成后，整個模型節(jié)點總數(shù)為26 403個，元素總數(shù)為12 762 個。

圖3 欄柵式防壓結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分模型

如圖4 所示，采用同樣設(shè)置對封板式防壓結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)劃分，網(wǎng)格劃分完成后，整個模型節(jié)點總數(shù)為41 119個，元素總數(shù)為20 501 個。

圖4 封板式防壓結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分模型

2.4 應(yīng)力分析

使用inventor 軟件對防壓結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時的情況進行模擬，載入圖3 和圖4 所示的模型，將所有零部件的材料定義為鋼。選擇的分析類型為靜力分析，接下來就需要對模型進行施加約束及施加載荷。在平常使用中，防壓結(jié)構(gòu)會受到平行于分娩欄方向的力，所以分別對欄柵式防壓結(jié)構(gòu)的豎管和封板式欄柵結(jié)構(gòu)的橫管施加相應(yīng)載荷，如圖5 所示。并依據(jù)實際的安裝方式，在欄柵式防壓結(jié)構(gòu)的安裝座的4處弧形折邊處和封板式防壓結(jié)構(gòu)的掛耳處設(shè)置了固定約束，至此前處理過程完成?？梢赃M行求解計算，并查看分析結(jié)果，其內(nèi)容包括基本解（節(jié)點位移）與導(dǎo)出解（節(jié)點與單元的應(yīng)力、節(jié)點與單元的應(yīng)變單元力、單元力、節(jié)點反力等），依此可以生成應(yīng)力云圖和變形圖。

圖5 施加載荷示意圖

經(jīng)過仿真分析，根據(jù)圖6 可知，封板式防壓結(jié)構(gòu)受到撞擊時，應(yīng)力最大值均發(fā)生在鉸鏈連接處，最大變形均發(fā)生在彎管中央處。欄柵式防壓結(jié)構(gòu)受到撞擊時，應(yīng)力最大值均發(fā)生在安裝座與彎管的焊接處，最大變形均發(fā)生在彎管的下方。

圖6 最大形變示意圖

根據(jù)圖7 中數(shù)據(jù)可得知，在受到同樣大小力度的正面撞擊時，欄柵式防壓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力顯著低于封板式防壓結(jié)構(gòu)。因此，在長久的使用中，欄柵式防壓結(jié)構(gòu)因母豬撞擊而造成損壞的可能性更低。

圖7 不同載荷下應(yīng)力最大值數(shù)據(jù)

根據(jù)圖8 中數(shù)據(jù)可得知，在受到同樣大小力度的正面撞擊時，2 種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大形變量數(shù)值接近，無明顯區(qū)別。2 種防壓結(jié)構(gòu)均符合豬場實際使用中的要求，不會產(chǎn)生不可逆的塑性形變。

圖8 不同載荷下形變量最大值數(shù)據(jù)

3 結(jié)語

上述2 款適用于豬場分娩欄的防壓結(jié)構(gòu)，均能滿足豬場實際使用的需求，且均有結(jié)構(gòu)相對簡單，安裝方便，制造成本較低的優(yōu)點。經(jīng)過了仿真模擬試驗測試分析，得出了欄柵式防壓結(jié)構(gòu)更耐用的結(jié)論，采用該防壓結(jié)構(gòu)對母豬進行限位，將大幅減少母豬后退時踩傷仔豬的情況，減少仔豬死亡的機率，為豬場帶來較大的經(jīng)濟效益。