发酵床垫料处理翻拌机构模型构建

2018-09-11张炳超曾庆东

现代农业装备 2018年4期

张炳超，曾庆东

（广东省现代农业装备研究所，广州 510630）

0 引言

发酵床养殖技术是按一定比例混合秸秆、锯末屑、稻壳粉等作为养殖垫料，再利用禽畜的拱翻习性，使禽畜粪尿和垫料充分混合，通过发酵床的分解发酵，使禽畜粪尿中的有机物质得到充分的分解和转化，微生物以尚未消化的粪便为养分，繁殖滋生。合理管理发酵床，可以使禽畜粪便能即时分解，从而保证养殖场达到无臭、无味、无害化的目的[1-4]。发酵床养殖技术作为一种无污染、无排放、无臭气的新型环保生态养殖技术，越来越受到人们的重视。

大型养殖场一般使用非接触型发酵床技术——高床养殖模式，即将禽畜舍建二层，一、二层之间的楼板用漏缝板隔开，上层养禽畜，下层铺设木糠等垫料，禽畜粪尿通过漏缝板落入下一层垫料中，解决了接触式发酵床存在的禽畜与粪料不能分开处理的技术问题[5-8]。

在高床养殖过程中，垫料需要经常翻拌，否则会导致粪便分解不彻底、发酵床死床、潮湿长虫等情况的发生，严重情况下还会导致各种疾病的发生和传播，给禽畜养殖场带来不可挽回的损失。传统的养殖模式通过人工翻拌垫料，既费力耗时，效果又不理想，不适合大规模养殖。因此，亟需设计一种用于发酵床养殖技术的垫料处理翻拌装置，既节省人力物力，节约了成本，又能满足大规模养殖需求，适应社会环保要求。

1 机构总体设计

发酵床垫料处理翻拌机构在工作过程中，需要解决的问题是翻拌装置在发酵槽墙体轨道上正常行走时，对整条发酵槽内的垫料进行翻拌及推平，机构行走至发酵槽末端时，通过旋转机构将翻拌部件反转，实现对垫料的二次翻拌。

用于发酵床养殖技术的垫料处理翻拌装置主要包括：驱动系统、行走系统、翻推系统。驱动系统包括支架以及设在支架上的卷扬机，卷扬机的缆筒内设有正绕钢丝绳与反绕钢丝绳，两端钢丝绳分别与行走系统相连。行走系统包括行走钢架、旋转部件和固定部件，行走钢架底部设有行走轮，行走轮滚动连接在槽墙的导轨上。旋转部件连接行走系统和翻堆系统，固定部件固定在行走钢架上，通过螺纹连接与耙架固定。驱动系统与行走系统传动相连，行走系统具有横向移动的行程。翻推系统包括耙架、翻拌件和推料件，翻推系统在行走系统的带动下具有横向移动的行程。耙架顶部通过固定部件和旋转部件与行走系统相连，翻拌件与推料件分别连接在耙架底部，翻拌件上设有能够翻拌垫料的翻拌部，推料件上设有能够推平垫料的推料部。

综合考虑禽畜养殖场的规模、单个场房的布局、以及一、二层之间的高度等因素，确定发酵床垫料处理翻拌装置的外形尺寸参数，并利用SolidWorks三维软件对发酵床垫料处理翻拌机构进行设计和模型构建。SolidWorks具有强大的机械设计三维软件系统，因其性能优越、容易上手、操作方便等特点而受到广泛应用。此次机构设计过程是：首先，对零部件完成设计；其次，根据零部件之间的机构关系将驱动系统、行走系统和翻堆系统分别装配完成；然后，将各个系统进行总体装配，如图1所示；最后，通过对总装配体的干涉检查和动态模拟仿真，完成对发酵床垫料处理翻拌机构的模型构建。

图1 发酵床垫料处理翻拌机构模型图

2 驱动系统结构设计

驱动系统主要包括卷扬机、两段钢丝绳、定滚轮和挂环，如图2所示。为了保证驱动系统的传动稳定性，在行走系统的两端分别设计2套钢丝绳传动，支架固定在合适的位置，将2台卷扬机放置在支架的两端，减速机在电机的带动下，同时驱动2台卷扬机。每台卷扬机的绕线筒上均卷绕着两段相反旋向的钢丝绳，正向钢丝绳的一端通过固定在发酵槽墙体末端的定滚轮改变拉动方向，另一端固定在行走钢架上的挂环上。反向钢丝绳则穿过行走钢架的底部空间，同样固定在挂环上。

图2 驱动系统模型图

3 行走系统结构设计

图3 行走系统模型图

行走系统主要包括行走钢架、固定部件和旋转部件，如图3所示。行走钢架底部安装行走轮，行走轮为4个，分布在行走钢架的4个角部，行走轮滚动连接在槽墙的导轨上，每个行走轮的两侧还设有轴承座，有效地防止了行走轮在滚动过程中从导轨上滑落。行走钢架上设有挂环，用于固定正向钢丝绳和反向钢丝绳，如图2所示。固定部件由2个丝杆升降机组成，分别安装在行走钢架顶部中间的两侧，丝杆构件螺旋插入翻堆系统的耙架内，将翻堆系统固定住。旋转部件上的中空旋转平台一面通过螺栓连接在行走钢架的底部，另一面与翻堆系统固定，启动旋转平台，带动翻堆系统进行正反向旋转。

4 翻堆系统结构设计

翻堆系统主要由耙架、推料件和翻拌件3部分构成，如图4所示。耙架顶部与旋转部件通过螺栓连接到行走系统上，行走系统的固定部件丝杆穿过耙架中部两端的通孔。耙架外围一边可旋转固定5个推料件，改变旋向杆的位移，调节翻堆系统处在推料状态还是翻拌状态，对比图4a和图4b可知。耙架底部装有翻拌件，翻拌件上设有能够使翻拌部在翻拌过程中避过障碍的避障机构，翻拌部设在避障机构的底部。通过避障机构，翻拌装置能够在工作过程中有效的越过障碍，如固化在发酵床上的垫料等。

图4 翻堆系统模型图

耙架上安装有带动传动杆旋转的电机，每一推料件分别包括推料部、推料杆和传动杆，每一推料杆的上端与耙架转动相连，每一旋向杆的一端固定连接在对应推料杆的上部，另一端与传动杆固定相连，传动杆与电机传动相连。耙架底部设有沿横向的导轨，导轨上连接有滑块，第一翻拌杆的上端与滑块铰接，通过导轨与滑块实现第一翻拌杆与耙架的滑动连接。

翻拌件中的避障机构包括第一翻拌杆、第二翻拌杆、第三翻拌杆以及弹簧调节器，第一翻拌杆的上端横向滑动连接在耙架底部，第一翻拌杆的下端与第二翻拌杆的上端铰接，翻拌部设在第二翻拌杆的下部，第三翻拌杆的上端与弹簧调节器的上端分布铰接在耙架底部，第三翻拌杆的上端与弹簧调节器的上端在横向上分别位于第一翻拌杆上端的两侧，第三翻拌杆的下端铰接在第二翻拌杆的中部，弹簧调节器的下端铰接在第三翻拌杆的中部。翻推系统包括4个翻拌件与5个推料件，多个翻拌件与推料件分别沿纵向并列设在耙架底部，横向与纵向位于同一水平面。如图5所示。

图5 翻堆系统推料件和翻拌件模型图

5 工作原理分析

发酵床垫料处理翻拌装置的整体结构，如图1所示。其工作原理为：①机构处于初始状态，启动驱动系统，卷扬机正向转动时，收缩正向钢丝绳，带动行走系统和翻堆系统前进；卷扬机反向转动时，收缩反向钢丝绳，带动行走系统和翻堆系统后退；②行走系统中的旋转部件调节翻堆系统处于推料或者翻拌初始位，固定部件将翻堆系统的翻拌固定于可靠位置，开始随钢丝绳的拉动在发酵槽墙体轨道上行走；③当翻拌装置翻拌作业时，启动电机驱动推料杆转动，使得推料部与装置的移动方向平行；当翻拌装置推料作业时，启动电机驱动推料杆转动，使得推料部与翻拌装置的移动方向垂直。当翻拌装置在工作过程中遇到障碍后，在阻力的作用下，第二翻拌杆逆时针转动，第二翻拌杆带动第三翻拌杆与第一翻拌杆逆时针转动，第一翻拌杆在转动过程中上端向左侧滑动，第三翻拌杆在转动过程中压缩弹簧调节器；当翻拌装置越过障碍后，在弹簧调节器的弹力作用下，第一翻拌杆、第二翻拌杆、第三翻拌杆恢复到初始状态。采用第一翻拌杆、第二翻拌杆、第三翻拌杆和弹簧调节器组成的四杆联动结构，能够使得翻拌装置在工作过程中具有良好的避障效果；④翻拌装置作业行进到发酵槽末端时，启动行走系统中的固定部件丝杆机构，使翻堆系统随着旋转部件反转，对垫料进行二次翻拌处理，如图6所示。