基于SolidWorks大型羊场羊粪清理机改进设计

雷福祥　许晓东　丁 羽　艾 鑫　王易强　周 岭

(塔里木大学机电学院， 新疆 阿拉尔 843300)



基于SolidWorks大型羊场羊粪清理机改进设计

雷福祥许晓东丁 羽艾 鑫王易强周 岭*

(塔里木大学机电学院， 新疆 阿拉尔 843300)

养羊业是新疆兵团畜牧业的主体，其生产水平的高低影响着兵团畜牧业的整体水平，目前兵团羊场常使用的清粪方式主要是人工清理。本文针对羊场人工粪便清理中存在的问题，利用SolidWorks软件设计羊场粪便清理机三维模型，对自走式和手推式方案做了改进，为羊粪清理机的仿真优化及实体验证提供理论依据。

大型羊场； 羊粪清理机； 三维建模； SolidWorks

1　前言

养羊业是兵团畜牧业的主体，其生产水平的高低影响着兵团畜牧业的整体水平。羊场畜牧机械在羊场的发展中起到重要的作用，而羊粪清理机械在其中非常关键[1]。我们通过实地考察新疆兵团图木舒克市疆南牧业公司后，发现大型羊场今后都向大型化、机械化发展，羊圈全部采用双层结构，即上层为木质栅格，地面为水泥地面，而羊粪通过栅格落到地面。每天都需要人工清理，浪费大量人力物力[2]。

目前国内对于清粪机还处于起步阶段，大部分羊场圈舍还是采用铺草方式，这种饲养方式，一方面圈舍卫生环境差[3]。另一方面清理机械结构较为笨重，大多采用刮板式，清理效果不理想。自走式羊粪清理机由于结构复杂，成本太高不适合大面积推广。手推式羊粪清理机结构简单，依靠人力推动作业，动力不足，工作效率低。本文主要结合前两种驱动方式的优缺点，利用solidworks三维实体软件对羊粪清理机进行了改进设计，毛刷的动力由内燃机提供，动力可随时切断，行走采用人力推动，清理机体积具有体积小、适用场地范围广、成本低、工作效率高等优点。

2　整机三维实体建模及主要技术指标

2.1动力系统

动力系统采用小型汽油机，功率4.4 kw，工作转速在2 200 r/min。动力通过皮带传动传到蜗轮蜗杆减速器，再经过皮带传动传到毛刷装置，整个动力传递过程中，传动平稳，工作可靠，结构紧凑，如图1所示。

图1　动力传输过程

2.2整机清扫过程及主要技术指标

羊粪清扫机基本工作过程：将清除机运送到工作场地，将发动机启动，推动整机前行，开始工作。清扫机工作原理是将发动机动力通过皮带传递到蜗轮蜗杆减速器中，蜗轮作为输出轴继续将动力通过皮带传递到毛刷装置，而毛刷轴通过皮带将动力传递到旋转刀片装置。

工作过程中，人推动清扫车前进，车体前部分铲子将羊粪收集起，毛刷和旋转刀片同时工作，旋转刀片将较厚的羊粪切碎，毛刷将羊粪扫起，抛到两侧的倾斜板，羊粪通过自身重力落入到两侧收集箱内。

图2　结构简图

3　羊粪清理机零部件各参数设计及整体建模

3.1羊粪清理机设计参数

手推式羊粪清理机设计参数：

传动比i=12，行驶速度0.8 m/s，动力输入轴转速2200 r/min，功率4.4 kw，扭矩19.1 N·m。毛刷转速183 r/min。车体尺寸长1.1 m，宽0.8 m，高0.7 m。整车重量约50 kg。

3.2传动系统设计

手推式动力羊粪清理机传动系统采用蜗轮蜗杆与带传动相结合方式，动力由小型汽油发动机传入。图3,图4为传动三维模型。

图3　传动系统三维模型　　　　　　　　　　　　　　图4　蜗轮蜗杆减速器三维建模

动力传输过程平稳可靠，经过蜗轮蜗杆一级变速，扭矩损失较小。整车传动系统成本较低，维修方便，能快速完成清扫工作。

3.3圆弧板及倾斜板设计

考虑到羊粪收集过程中，如果采用带传动方式，需要多级变速、结构较为复杂、运行稳定性较差。所以本文采用圆弧板及倾斜板组合设计方式收集羊粪。

图5　圆弧板设计　　　　　　　　　　　　　　　　图6倾斜板设计

1)圆弧板设计计算

圆弧板的图形有圆弧与直线组成，可以有效的将羊粪抛到上倾斜板上[4]。

由滚刷轴所受的扭矩，T=17.68 N·m,滚刷作用在羊粪上的作用力：

F1=T×r=2.65 N

(1)

设经过旋转刀片切割过的羊粪重量为0.03 kg，即G=0.3 N。

圆弧板与羊粪间的摩擦系数为0.3，圆弧板由前段圆弧和后段直线导轨组成，设圆弧所对的圆心角为θ，即在θ时合速度取得最大值：

F2=μmgcosθ+mgsinθ

(2)

F合=F1-F2

(3)

当θ=1/2π时值F合最大。

为了在直线段导轨上不熟摩擦力的影响，让抛出的羊粪在圆弧端的速度与直线段相切，设直线段与水平方向夹角为α，则

2) 倾斜板设计

为了使羊粪在倾斜板上顺利滑到收集箱中，倾斜板的角度要经过计算，取倾斜板与羊粪的摩擦系数0.35，则:

tan(1/2π-1/2φ)π=0.35

(4)

φ=141.4°所以保证羊粪顺利下滑，两块倾斜板夹角φ≤141.4°。

3.4滚刷及旋转刀片机构设计

3.4.1材料参数

滚刷材料采用尼龙610，具有刷丝抗磨损性能较好，具有耐高温、耐酸碱等特性，弹性较好。旋转刀片材料采用普通结构钢，具有防腐、耐磨优点。

3.4.2滚刷机构结构设计

滚刷长度L=600 mm，在刷子拨动瞬间，羊粪在长度L=400 mm的范围内有m=4.2 kg与滚刷产生碰撞，有:

(5)

有v=3.2m/s，取转速v=4.0 m/s，假设作用时间t=0.1 s，有：

(6)

羊粪颗粒产生的力矩为：

M=F×L=1.68×1=1.68 N ·m

(7)

刷子参与旋转部分产生的转矩有：

将刷子简化为一个直径为150 mm轴

刷子质量：

(8)

(9)

3.4.3旋转刀片

旋转刀片使用的是优质钢材，作用是将大块的羊粪切碎，有利于滚刷清扫。机器在运行状态时应避免大幅转弯操作，避免刀片碰触墙壁，损害刀片。

3.4.4滚刷及旋转刀片机构三维建模

图7　刷子结构图　　　　　　　　　　　　　　　　　　图8　旋转刀片结构图

图9　滚刷与旋转刀片连接图

3.5整机建模

整机建模过程需现场调研，确定整车尺寸及重量，通过传动比计算确定蜗轮蜗杆参数、带轮参数、倾斜板角度等，合理对各部件进行空间装配，建模如图12。

图10　自走式羊粪清理机整机模型　　　　　　　　　　　图11　手推式羊粪清理机整机模型

图12　手推式动力羊粪清理机整机模型

4　结论

4.1本文针对自走式羊粪清理机和手推式羊粪清理机方案存在的问题，利用SolidWorks三维实体软件对大型羊场羊粪清理机械进行改进设计，提出了手推式动力羊粪清理机的设计方案。

4.2手推式动力羊粪清理机设计是利用圆弧板与倾斜板的组合，内燃机动力通过涡轮蜗杆减速器及带传动传递到刷子及动刀片，羊粪在毛刷作用下上抛至组合板落到收集箱内，实现羊粪清理，对圆弧板与倾斜版角度进行计算，并对关键部件进行数学建模，为清理机的结构优化和样机开发提供理论论据。

4.3手推式动力羊粪清理机具有传动方式简单、清理效率高、可实现过载保护等特点，适用于大型规模化的养殖场，具有良好发展和应用前景，可对兵团大型养羊业发展起到积极推动作用。

[1]杨文光．变废为宝改善环境——FQC系列畜禽废弃物处理装置介绍[J]．中国牧业通讯，1998：43-47．

[2]莫啟怀，何超明，张海斌．环保型鸡舍粪便清理机[P]．广东：CN201905127U，2011-07-27．

[3]曹军青．宠物粪便清理装置[P]．山东：CN201722650U，2011-01-26．

[4]刘敏，邱建兴．9FL移动式畜禽粪便处理机[N]．中国畜牧兽医报，2013-08-18008．

[5]林代炎，郭艳，吴锦瑞，于文．畜禽粪便排污装置[P]．福建：CN101144480，2008-03-19．

Large Sheep Field Sheep Manure Cleaning Machine Improved Design Based on SolidWorks

Lei FuxiangXu XiaodongDing YuAi XinWang YiqiangZhou Ling*

(College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

Sheep industry is the main body of the livestock industry in Xinjiang, production and construction corps, its level of production affects the overall level of corps of animal husbandry.At present, the cleaning manure by manpower is commonly used in the Corps of sheep farms. For the problem of manual waste cleaning, sheep farm manure cleaning machine 3D model was designed by using SolidWorks software, and the scheme of Self propelled and hand push type was improved. The result provides a theoretical basis for the simulation optimizion and entity verification of the cleaning machine for sheep manure.

large sheep farm； dung cleaning machine； 3d modeling； SolidWorks

2015-04-06

塔里木大学校长基金(TDZKSS201411，2012GA891025)。

雷福祥(1983-) ,男， 实验师，研究方向为CAD/CAM及先进制造技术。E-mail：leifuxiang1127@163.com

*为通讯作者E-mail：Zhoul-007@136.com

1009-0568(2016)01-0077-06

S220

ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2016.01.014