羊圈帶式飼喂輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要 為解決傳統(tǒng)羊圈飼喂方式效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及飼料浪費(fèi)等問題，設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制的帶式飼喂輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)將帶式輸送機(jī)作為核心結(jié)構(gòu)，結(jié)合鋼絲繩和皮帶牽引等組件，實(shí)現(xiàn)羊圈內(nèi)飼料的自動(dòng)化傳送與定量投放。研究內(nèi)容包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、主要參數(shù)、關(guān)鍵部件選型和工作原理，并對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。結(jié)果表明，改造后的飼喂系統(tǒng)顯著提升了效率，降低了人工成本和飼料浪費(fèi)，具備較高的經(jīng)濟(jì)效益與推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞 輸送帶；飼喂；改造設(shè)計(jì)；PLC控制

中圖分類號(hào) TU 264+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2025）05-0177-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.05.037

Design and Research of Sheep Pen Belt Feeding Conveyor System

WANG Rong-hua1， ZHANG Yan-bin2， YANG Kai2

（1.Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics， Hohhot， Inner Mongolia 010000;2. Vocational and Technical College of Inner Mongolia Agricultural University， Baotou， Inner Mongolia 014100）

Abstract To address issues of low efficiency， high labor intensity， and feed wastage in traditional sheep pen feeding methods， this paper designs a PLC-controlled belt feeding conveyor system. The system integrates a belt conveyor as the core structure， with steel ropes and belt traction components， enabling automated feed transport and precise delivery within the sheep pen. The study covers the system’s structural design， key parameters， component selection， and operating principles， followed by practical application testing. Results indicate that the upgraded feeding system significantly enhances efficiency， reduces labor costs and feed wastage， and offers considerable economic benefits and potential for widespread adoption.

Key words Conveyor belt;Feeding;Renovation design;PLC control

目前，我國許多羊場仍采用傳統(tǒng)的人工飼喂方式，存在飼料浪費(fèi)嚴(yán)重，勞動(dòng)強(qiáng)度大，管理不規(guī)范等問題。隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展，羊圈飼喂系統(tǒng)自動(dòng)化成為提高養(yǎng)殖效率及降低勞動(dòng)成本的重要手段［1-2］。因此，實(shí)現(xiàn)羊圈飼喂系統(tǒng)的自動(dòng)化顯得尤為迫切和必要。為解決這一問題，筆者針對傳統(tǒng)羊圈建筑結(jié)構(gòu)，在盡量減少成本的原則下，設(shè)計(jì)由PLC控制的輸送帶系統(tǒng)改造飼喂條件［3-4］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

1.1 輸送方案確定

舍飼圈養(yǎng)羊飼喂需要做到定量、定質(zhì)、搭配合理，定量即在一定時(shí)間內(nèi)飼喂相對穩(wěn)定的飼料量，滿足羊只足夠的營養(yǎng)需要即可，避免造成不必要的損失浪費(fèi)；定質(zhì)即給羊喂的飼料要新鮮、清潔，保證質(zhì)量、營養(yǎng)成分要達(dá)到要求，確保不喂腐爛、霉變的飼料和飼草；搭配合理即按羊的采食性、消化特點(diǎn)和飼料的品種、特性等選用多種多樣的原料，以加強(qiáng)營養(yǎng)互補(bǔ)，防止偏食和營養(yǎng)缺失［5-6］。通常情況下，舍飼羊的圈舍與活動(dòng)場相連，白天飼喂完在活動(dòng)場自由活動(dòng)，晚上可回到圈舍休息。傳統(tǒng)飼喂方式由人工或者撒料車將飼料拋灑在羊舍圍欄外的飼槽。飼槽常用磚石或水泥筑成，固定在圍欄外下方，與舍欄等長，飼槽上寬下窄，寬30～40 cm，羊圈中間留有過道供飼喂人和撒料車通過［7］。根據(jù)羊圈結(jié)構(gòu)，在羊圈中間利用過道的空間設(shè)置飼喂系統(tǒng)較合理，且可以節(jié)約成本。圖1a為改造前的羊舍。

帶式輸送機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、操作安全、維修容易、節(jié)省人力等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)簡單，僅需膠帶、托輥（板）、滾筒、驅(qū)動(dòng)裝置等幾大部件；使用方便，可以在各種場所安裝、使用；操作安全，維修容易，需要經(jīng)常維修的僅是托輥，膠帶使用壽命長，損耗很??；節(jié)省人力，由于操作簡單，維修容易，需要的管理人員少［8］。同時(shí)，帶式輸送機(jī)還易于實(shí)行集中遙控，自動(dòng)保護(hù)，適合作為羊舍飼喂系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)［9］?？紤]到環(huán)形輸送機(jī)的相對密閉性特點(diǎn)，飼料碎末泄漏到上、下皮帶中間不易清理，易造成飼料腐爛、霉變，筆者結(jié)合輸送機(jī)與卷揚(yáng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)改造羊圈內(nèi)飼喂輸送帶。圖1b為根據(jù)羊舍空間結(jié)構(gòu)改造飼喂系統(tǒng)后的羊舍。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

飼喂輸送系統(tǒng)主要由控制部分、羊圈內(nèi)傳送部分、羊圈外輔助部分組成，其中控制部分主要由皮帶牽引電動(dòng)機(jī)、喂料牽引電動(dòng)機(jī)、電磁離合器、電氣控制柜等組成；傳送部分主要由傳送帶、皮帶滾筒、鋼絲繩、鋼絲繩滾筒、不銹鋼導(dǎo)槽、托輥等部分組成；輔助部分主要由攪拌機(jī)、皮帶提升機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)輸送皮帶機(jī)、廢料回收車等部分組成，如圖2 所示，為了說明飼喂輸送系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，圖2中1號(hào)與2號(hào)羊舍中間的輸送帶展開，2號(hào)與3號(hào)羊舍中間的輸送帶收回［10］。筆者主要對控制及羊圈內(nèi)傳送部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對主要參數(shù)、工作部件、工作性能和工作原理進(jìn)行分析。羊圈外輔助部分可利用羊場已有的機(jī)器或者選配標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備組成。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

配套動(dòng)力：交流電動(dòng)機(jī)；飼喂速度：0.80～1.06 m/s；飼喂輸送帶長度：18 m；輸料能力：250 kg/min;功率：3 kW。

2 羊圈內(nèi)飼喂輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 羊圈內(nèi)飼喂輸送系統(tǒng)工作原理

送料時(shí)，飼料可以由攪拌機(jī)、皮帶提升機(jī)、轉(zhuǎn)運(yùn)輸送皮帶機(jī)等輔助設(shè)備輸送至飼喂輸送帶的入料端，也可將攪拌好的飼料由料車直接勻速撒在飼喂輸送帶的入料端。牽引鋼絲繩的一端固定在鋼絲繩滾筒上，另外一端固定在飼喂輸送帶邊緣，喂料牽引電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，動(dòng)力通過電磁離合器輸送至鋼絲繩滾筒，牽引鋼絲繩隨著鋼絲繩滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞在滾筒上，將飼喂輸送帶沿著不銹鋼導(dǎo)槽鋪開，將輸送帶上的飼料輸送至羊舍。喂料牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，皮帶牽引電動(dòng)機(jī)的電磁離合器置于離合位置，以減小工作阻力［11-13］。

回收殘余飼料時(shí)，皮帶牽引電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，動(dòng)力通過電磁離合器輸送至皮帶滾筒，輸送帶隨著皮帶滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)纏繞在滾筒上，廢料回收車放置在入料端皮帶滾筒的下方，殘余飼料自動(dòng)掉落到回收車中。皮帶牽引電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，喂料牽引電動(dòng)機(jī)的電磁離合器置于離合位置，以減小工作阻力［14］。羊圈內(nèi)飼喂輸送系統(tǒng)的工作原理如圖 3 所示。

2.2 主要部件的選型及計(jì)算

2.2.1 電動(dòng)機(jī)及減速機(jī)選型。

由于羊舍供電不受限制，動(dòng)力輸出選擇三相異步電動(dòng)機(jī)。2臺(tái)電動(dòng)機(jī)均采用了羊場已有的 YE3-100L2-4異步電動(dòng)機(jī)，標(biāo)定功率為3 kW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為1 420 r/min，工作電壓為380 V，不僅功率大，還可有效節(jié)約成本。

減速機(jī)連接電動(dòng)機(jī)和滾筒，是輸送機(jī)的重要部件之一，應(yīng)滿足輸送機(jī)功率、速比、轉(zhuǎn)矩等要求。由于電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速很高，但輸送帶的設(shè)計(jì)速度要求在1 m/s左右，故選取傳動(dòng)較大的 XWD4 型擺線針輪式減速機(jī)。該減速機(jī)減速比大，體積小，使用壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊，噪聲低，傳動(dòng)效率高，故筆者采用擺線針輪減速機(jī)更為合理［15］。XWD4 型擺線針輪式減速機(jī)的單級減速比包括11、17、23、29、35、43、59、71、87，具體減速比選擇需要結(jié)合滾筒直徑計(jì)算確定。

2.2.2 滾筒直徑計(jì)算。

生產(chǎn)中，如果使飼喂輸送帶一直勻速運(yùn)行，需要使?fàn)恳摻z繩均勻地纏繞在滾筒上，且保持鋼絲繩纏繞滾筒的直徑不改變，這就需要設(shè)計(jì)較復(fù)雜的導(dǎo)向及牽引機(jī)構(gòu)?？紤]到飼喂輸送帶實(shí)際使用過程中速度在一定范圍內(nèi)變化并不影響飼喂效果，故而簡化滾筒設(shè)計(jì)，以減少改造及后續(xù)維修成本，皮帶滾筒、鋼絲繩滾筒均選擇普通尼龍滾筒，牽引鋼絲繩選用直徑3 mm半鋼芯，最大承重764.2 kg鋼絲繩，皮帶及鋼絲繩滾筒寬度根據(jù)羊舍內(nèi)結(jié)構(gòu)確定為700 mm，滾筒直徑需要通過計(jì)算獲得［14］。

2臺(tái)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速相同n1=1 420 r/min，喂料時(shí)皮帶的理想速度為1 m/s，即60 m/min，如果減速機(jī)傳動(dòng)比選擇i=29，則計(jì)算過程如下：

鋼絲繩滾筒轉(zhuǎn)速：n2=n1/i=1 420/29≈48.97 r/min

鋼絲繩滾筒半徑：r=v_輸送帶/（2πn₂）=60/（2×3.14×48.97）≈0.20 m

鋼絲繩滾筒直徑：d=2r= 400 mm

回收殘余飼料時(shí)對皮帶的速度沒有嚴(yán)格要求，因此選擇相同減速機(jī)傳動(dòng)比，皮帶滾筒直徑與鋼絲繩滾筒直徑同為400 mm。

2.2.3 飼喂輸送帶選型。

帶式輸送機(jī)中，輸送帶既是承載構(gòu)件，又是牽引構(gòu)件，不僅要有承載能力，還要有足夠的強(qiáng)度。該設(shè)計(jì)中，由于輸送的物料是草料，就允許張力、最高耐溫等參數(shù)而言，普通國產(chǎn)PVC、PU輸送帶都可以滿足工作需要?？紤]到PU材質(zhì)的耐磨性、耐油性、耐水性、耐腐蝕性、耐切割性更好的特點(diǎn)，且常用于食品加工業(yè)，其用于飼料輸送更加環(huán)保，選擇價(jià)格相對較高的PU材質(zhì)。輸送帶的尺寸根據(jù)羊舍的建筑面積養(yǎng)殖數(shù)量確定為長18.00 m，寬0.65 m。

通過一年實(shí)踐證明，輸送帶能夠滿足日常飼喂負(fù)荷支撐，有足夠的抗張強(qiáng)度，耐撕裂性和耐老化、風(fēng)化性能好，非工作面的覆蓋膠耐磨，承載面的覆蓋膠能承受羊的啃咬。一年使用期間未出現(xiàn)破損，有效節(jié)約了使用成本［16］。

2.2.4 托輥與不銹鋼導(dǎo)槽選型及設(shè)計(jì)。

托輥起著支撐輸送帶和減小輸送帶與不銹鋼導(dǎo)槽摩擦力的作用。該研究針對輸送帶的跑偏問題，采取2節(jié)式“V”形托輥，托輥滿足了使用可靠、功率消耗低的要求。如圖4所示，托輥軸安裝在不銹鋼導(dǎo)槽兩側(cè)，托輥下方的位置開槽，使從皮帶與不銹鋼導(dǎo)槽縫隙漏下的飼料碎末直接從開槽位置漏下，減少托輥維修率，便于設(shè)備維護(hù)［17］。

不銹鋼導(dǎo)槽選用冷彎等邊角鋼和冷彎等邊槽鋼焊合而成，具有支撐輸送帶的作用，不銹鋼導(dǎo)槽的尺寸根據(jù)皮帶尺寸及羊舍的建筑結(jié)構(gòu)確定為長19.0 m，寬0.7 m。如圖4所示，在不銹鋼導(dǎo)槽內(nèi)每隔0.25 m安裝1個(gè)托輥，托輥軸安裝在不銹鋼導(dǎo)槽兩側(cè)，托輥下方的位置開槽。不銹鋼導(dǎo)槽可以直接放置在磚砌的底座上，在開槽位置預(yù)留清理飼料碎末的空隙［18］。不銹鋼導(dǎo)槽兩側(cè)根據(jù)養(yǎng)殖的羊的身高等體征確定角鋼高度，預(yù)留羊頸夾的安裝位置。

3 電氣控制設(shè)計(jì)

3.1 控制方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用PLC控制，通過PLC的輸出控制2臺(tái)電動(dòng)機(jī)工作，還可以通過網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，利用電腦、手機(jī)遠(yuǎn)程定時(shí)、定量控制和監(jiān)控。通過傳感器采集飼料重量等參數(shù)，與羊舍內(nèi)的溫度、濕度、水循環(huán)、空氣質(zhì)量等恒溫供水與環(huán)境控制參數(shù)共同構(gòu)建智能控制系統(tǒng)［19］，如圖5所示。

3.2 電控柜設(shè)計(jì)

電控柜從功能上除滿足對系統(tǒng)的控制外，還須集成電源系統(tǒng)、信號(hào)通信、電氣保護(hù)、運(yùn)行狀態(tài)顯示、遠(yuǎn)程就地控制、故障報(bào)警等功能，電控柜內(nèi)包含 PLC主機(jī)與模擬量及通信擴(kuò)展模塊、斷路器、電源模塊、接觸器、繼電器、接地排、溫控器、急停以及各種按鈕開關(guān)等電氣元件。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際的輸入輸出點(diǎn)的數(shù)量，選用西門子S7-1200系列PLC，所選 PLC 集成了14個(gè)輸入點(diǎn)和10個(gè)輸出點(diǎn)，足夠現(xiàn)場設(shè)備使用。電氣控制柜安裝在室外，選用 2 mm 厚不銹鋼材質(zhì)，IP65 防護(hù)等級。

4 結(jié)論

（1）PLC控制的帶式飼喂輸送系統(tǒng)在傳統(tǒng)羊圈中實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化飼喂，相比人工方式顯著提高了效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)有效節(jié)約了飼料成本。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，安裝和維護(hù)成本較低，關(guān)鍵部件選用耐用材料，保證了系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行，為規(guī)模化養(yǎng)殖場的自動(dòng)化改造提供了便捷的解決方案。

（3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，PLC控制模塊支持未來的智能化升級，能夠進(jìn)一步集成溫濕度、空氣質(zhì)量等參數(shù)監(jiān)控功能，為現(xiàn)代化養(yǎng)殖提供技術(shù)支持，具備廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介 王榮華（1981—），女，山西霍州人，副教授，碩士，從事農(nóng)業(yè)工程及機(jī)電一體化技術(shù)研究。

*通信作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事農(nóng)業(yè)建筑與環(huán)境研究。

收稿日期 2024-10-27；修回日期 2024-12-02