猪舍轨道式自动送料系统设计与试验

2018-09-17庞昌乐张东旭

农业机械学报 2018年9期

庞昌乐程进张东旭陈刚

(1.中国农业大学工学院，北京 100083； 2.中国农业大学水利与土木工程学院，北京 100083)

0 引言

国内很多规模化养猪场育肥猪舍采用双列圈栏饲养形式，饲养密度大，日常喂料是一项重复和繁重的劳动，近年来，随着人工成本和饲料成本的不断上升，迫切需要机械化和自动化饲养设备来提高养猪效益。自动输料系统能减少人员工作量，实现精确供料和节省饲料成本，提高饲喂效率，是规模化养猪场的重要配套设施[1]。目前国内外养猪舍内的干饲料自动送料系统普遍采用绞龙输送和塞盘输送两种管道输料方式。饲料在管道内被绞龙或塞盘推向出料口后落入食槽，这种输料方式结构简单、输料速度较快，但管道易磨损，影响系统使用寿命，且容易产生管道堵塞、饲料粉末残留等问题，需定期清理[2]。为了改进管道式供料的不足，叶浩等[3]研究了轨道式自动喂料车向食槽供料，该车设置上下两层料箱，上层料箱暂时储存饲料，下层料箱向食槽供料，结构复杂，且料箱的出料口不够大，易引起箱内饲料结拱。

精确饲喂的实现主要有称量式和容积式两种计量方式[4-6]。称量式计量主要应用于母猪的饲喂[7]，在保育、育肥方面应用很少。目前精确饲喂系统中大部分使用的是容积式计量，其包括简单的容器定容积计量和螺旋容积计量[8-9]，也有通过槽轮进行容积式计量的实例[10]，容积式计量方法简单易行，但与饲料密度密切相关，对料位、摩擦、挤压等与饲料密度有关的因素十分敏感。且容积式计量在双列圈栏、管道式连续输送系统中应用时每个食槽上方都要单独设置一套计量装置，通用性较差。

针对上述问题，本文设计一种应用于保育、育肥猪舍的高架轨道式饲料自动输送系统，该系统可实现送料车装料量精确计量、自动巡航卸料的自动化作业。配合料库自动装料系统和自动化饲喂食槽，可组成适用于规模化养猪场的自动饲喂系统。

1 自动送料系统组成与工作原理

自动送料系统既需要满足自动喂料要求，又需要避免生猪的过激反应，尽可能保证同一栏舍内猪群同时喂料和精确喂料[11]。

猪舍内自动送料系统主要由装料系统、称量平台、送料车、平移轨道、高架轨道、圈栏接料系统和电控系统等组成，如图1所示。装料系统接收和存放舍外供料装置输送进来的饲料，向送料车卸料。送料车装料、行走和落料均由电控系统自动控制。

称量平台位于装料系统出料口正下方，上面设有轨道。送料车装料作业时，电控系统控制送料车行驶到称量平台上停止，将称量平台归零后，控制装料系统卸料机构向送料车排料，直至排料量达到设定值时停止；送料车启动前往目标圈栏过程中，平移轨道载着送料车自动连接到目标圈栏的轨道线上，送料车继续前行直到碰到目的地行程开关时停止，并打开卸料阀向食槽接料仓卸料。卸料完毕，送料车自动返回储料箱下方继续装料，重复上述作业过程。当舍内设定的圈栏都巡航一遍后，圈栏落料系统打开所有接料仓的下料阀门同时向食槽卸料，送料车自动返回停泊位待命。

图1 猪舍饲料自动送料系统示意图Fig.1 Schematic diagrams of automatic feeding system for pig housing1.蜗轮蜗杆减速器 2.料箱电动机 3.储料箱监控摄像头 4.储料箱 5.下料绞龙 6.出料口 7.计算机 8.控制箱 9.路由器 10.称量平台 11.送料车 12.行程开关 13.称量传感器 14.平移轨道 15.平移槽轮滑轨 16.圈栏栅栏 17.圈栏接料仓 18.落料阀门 19、20.双列轨道 21.食槽

2 自动送料系统设计

2.1 装料系统

装料系统由图1中1～6所组成，负责存贮舍外供应的饲料并向送料车卸料。其储料箱容积要大于送料车料仓容积，以保证向送料车稳定供料，其容积计算公式为

Vb=knVc

(1)

其中

1/3≤k≤1/2

式中Vb——储料箱容积，m3

k——系数，由放置储料箱的空间大小确定

n——舍内送料位个数

Vc——送料车料仓容积，m3

储料箱底部设有并列双螺旋机构向送料车排料。

2.2 送料车

送料车实际上是一个移动的储料仓，运输粉状饲料时，由于粉状饲料含有一定的含水率，尤其是猪舍潮湿环境容易吸潮而具有较强的团聚性，加上车体振动压实而影响卸料，因此，送料车设计时应满足以下要求：送料车行走平稳，不能脱轨；卸料时，箱内料仓不发生结拱，一次性落完料，料仓内干净无残留，防止粉尘飞扬。实现上述要求的送料车结构设计如图2所示。主要由车架、料仓、防尘盖、卸料蝶阀、电动机、集电器和控制箱等组成。车架根据轨道尺寸，设计为1 320 mm×400 mm×400 mm的长方体结构，轴距970 mm，轮距580 mm，采用50 mm×30 mm×4.0 mm热镀锌矩形管作为车架材料，材质为Q235钢。使用两极滑触线集电器给移动送料车及其控制电路供电，可简化电缆供电的复杂结构。

图2 送料车结构示意图Fig.2 Structure diagram of feeding vehicle 1.导向轮 2.从动轮 3.防尘盖 4.防尘盖导轨 5.料仓 6.集电器 7.驱动轮 8.防尘盖驱动装置 9.车架 10.推杆电动机 11.蝶阀开启杠杆 12.蝶阀 13.电动机 14.控制箱

2.2.1料仓设计

料仓设计重点考虑卸料时粉体饲料的流动型态和不出现结拱。不出现结拱的理想流动型态是整体流[12]，正确选用壁面材料和设计料仓的几何结构，使料仓中饲料向下流动的作用力始终大于摩擦力，是送料车卸料顺畅的关键。

粉体饲料在料仓内流动时受壁面摩擦力阻碍，摩擦力与壁面摩擦角有关，壁面摩擦角越小，摩擦阻力越小。聚四氟乙烯和304不锈钢是两种壁面摩擦角较小的壁面材料，其壁面摩擦角均优于碳钢、塑料等其它材料[13]。

料仓几何结构设计主要是料仓底部出口形状和尺寸设计。当饲料在仓底出口处发生结拱时，饲料对底部侧壁的压力可分为下滑力与正压力两个分力，正压力S的反力就是引起结拱的支座反力[14]。

S=Qcosθ

(2)

式中Q——饲料对料仓底部倾斜侧壁的压力

θ——料仓底部侧壁倾角

研究表明[15-16]：出料口在条件允许的情况下，越大越有利于物料流动，圆形出料口直径一般大于300 mm，方形出料口边长一般大于200 mm，侧壁倾角大于饲料休止角30°。

综上分析，本文设计的送料车料仓壁面材料采用304不锈钢，厚度0.8 mm，将出料口设计为矩形，尺寸为340 mm×700 mm，侧壁设计为竖直壁结构，即θ=90°，料仓高度为550 mm。根据式(2)可得饲料对侧壁的正压力为零，卸料时料仓内饲料呈整体流动，不会出现结拱现象。

2.2.2蝶阀推杆电动机选型

采用双页蝶阀作为料仓出料口阀门，蝶阀由电动推杆驱动开闭，蝶阀叶片和推杆受力如图3所示。

图3 叶片受力分析与推杆安装示意图Fig.3 Blade force analysis and electric actuator installation diagram

蝶阀在开启时，不仅受叶片上方饲料均布载荷的影响，还与饲料自身内部摩擦等因素有关，将蝶阀开启时作用在叶片上的载荷简化为等效载荷P1、P2，如图3a，蝶阀开启力矩为

(3)

式中M1、M2——蝶阀叶片开启力矩，N·m

P1、P2——叶片上最大静力等效载荷，N

l1、l2——叶片受力点到中心杆距离，m

分析图3b中杆件受力，得到

(4)

式中α——电动推杆推力角，(°)

F——电动推杆推力F1——F的分力

a——连杆长度，m

由式(4)得电动推杆推力F的计算公式为

(5)

蝶阀实际开启力往往高于理论计算值[17]，为保证计算准确，本文采用试验加理论计算来测量蝶阀开启力。将80 kg饲料放入料仓内，使用数显拉力计实测蝶阀的开启力矩为29.56 N·m。考虑到安装空间问题，电动推杆选择150 mm行程，根据蝶阀开启角度86°计算出开启连杆长度a=110 mm，根据式(5)可得推杆至少需要有367.44 N的推力，所以选择推力为500 N的电动推杆，伸缩速度24 mm/s，作用到蝶阀驱动轴上的转矩为40.22 N·m，满足开启转矩要求。

2.3 称量平台

称量平台结构设计如图4所示，由1.5 m长轨道、称量传感器、支架和测量电路组成，轨道通过连接套与称量传感器连接。称量传感器采用电阻应变片测力传感器，单个传感器量程为50 kg，输出灵敏度为(1.0±0.1) mV/V，名义电阻为1 000 Ω。选取4个阻值相同的传感器组成电压灵敏度高的全桥测量电路，后接信号调节放大电路[18]。称量平台最大满量程为200 kg。为避免传感器过载损坏，设计满量程为180 kg。

图4 称量平台结构示意图Fig.4 Structure diagram of weighing platform 1.支架 2.轨道 3.连接套 4.称量传感器

根据惠斯通电桥原理，称量平台输出电压U0与加载力F0的关系式为[19]

(6)

式中U0——总输出电压，V

U0m——满量程输出电压，V

Ui——桥路所加激励电压，V

KF——灵敏度，mV/V

Fm——满量程力，N

F0——加载力，N

送料车停止在轨道上装料，加载力是轨道、送料车和饲料三者重力的合力。对于设计的称量平台，激励电压、灵敏度等已知，可以通过加载标准砝码由式(6)标定加载力和输出电压U0的关系(标定试验见4.1节)，输出电压经调节电路放大后由单片机采集，即可计算实际加载力。称量时，先通过程序去除轨道和送料车空质量(即去皮质量)，然后计算出料质量。

2.4 平移轨道机构与舍内轨道

在双列圈栏的食槽上方分别设置双列高架轨道，架设高度1.8 m，采用8号槽钢，轨距500 mm，轨道支撑立柱固定在栏间栅栏上。为了使称量平台旁边的单列轨道和舍内双列送料轨道对接，设计了如图5所示的平移轨道机构，轨道长度1.5 m，平移轨道由曳引电动机驱动，可载运送料车在两列圈栏的送料轨道之间平移。

图5 平移轨道结构示意图Fig.5 Structure diagram of translational orbit 1.单列轨道 2.曳引电动机与曳引轮 3.曳引绳 4.双列轨道5.平移轨道 6.槽轮轨道 7.槽轮

2.5 接料仓

图6 接料仓结构示意图Fig.6 Structure diagram of receiving feed bin 1.推杆电动机 2.蝶阀 3.柔性连接套 4.食槽进料口 5.送料轨道 6.橡胶防溅套 7.接料仓

接料仓结构如图6所示，其作用是暂时储存送料车送来的饲料，待所有圈栏送料结束后统一打开蝶阀向下方食槽内落料，确保喂料时间一致，防止猪群应激反应。送料车卸料口和接料仓上开口之间、接料仓和食槽之间都由软质的柔性橡胶套连接，有效限制了落料过程中粉尘的扩散。

2.6 送料车运行参数设计

2.6.1总送料时间T

送料车单次装料、卸料和巡航所耗时间Ti(s)的计算公式为

Ti=t0+t1+t2+t3+t4

(7)

式中t0、t1、t2、t3、t4分别为轨道平移时间、装料时间、巡航时间、卸料时间和延时时间。其中，卸料时间和延时时间通过试验确定，巡航时间由送料车巡航速度确定。

设猪舍送料位数量为n个，其中有np个料位位于第2列，需要经过平移轨道，装料处与第1个送料位的距离为l0，相邻送料位间的距离为l，每次装料量为m，装料系统装料速度为um(试验测定um=1.1 kg/s)，送料车巡航速度为V，送料车在装料位和卸料位处工作前后停止延时各5 s(共计20 s)，试验测定卸料时间约为10 s，轨道平移时间27 s(含料车停止启动时间)，根据式(7)可计算各次单独送料所耗时间。

单列情况下，第1个送料位耗时为

第2个送料位耗时为

第n个送料位耗时为

将n个送料位单独送料所耗时间和2np次轨道平移的时间相加得到送料总时间为

(8)

2.6.2送料车巡航速度V

先根据生产实际情况初步确定总送料时间T，然后根据式(8)确定送料车运行速度V。文中，l0=5 m，l=3 m，送料位n=30，第2列料位np=15，每个送料位送料80 kg，设定总送料时间为2.5～3.5 h，则根据式(8)计算出送料车巡航速度V为0.334～0.569 m/s。

2.6.3送料车减速器选型及电动机功率

(1)减速器选型

送料车车轮驱动轴与电动机之间设有减速器，拟采用单相4级异步电动机，转速1 400 r/min。减速器减速比i为

(9)

式中nc——电动机输出转速，r/min

d——车轮直径，取0.25 m

将已知数值代入式(9)计算出减速比i为1/54～1/32。选择减速比为1/50的NMRV50型蜗轮蜗杆减速机，效率40%，具有良好的自锁性能。

综上计算出送料车巡航速度为0.367 m/s。代入式(8)计算出送料时间为3.28 h，符合设计要求。

(2)电动机功率

电动机功率根据其所受阻力计算。送料车在水平轨道匀速行驶，车速较低，空气阻力可以忽略，所需功耗P(kW)为[20]

(10)

式中η——机械系统和电气系统总效率，蜗轮蜗杆减速器效率0.4，电气系统效率0.95，则总效率为0.38

mmax——最大整车质量，200 kg

g——重力加速度，9.8 m/s2

f——滚动阻力系数，取0.1

按式(10)计算得送料车正常行驶所需功耗为0.24 kW。

综上，送料车选择功率370 W单相4级异步电动机，配合速比为1/50的NMRV50型减速器，输出扭矩为47.12 N·m。

3 控制系统设计

控制系统主要负责控制送料车装料、装料量计量、自动巡航和卸料，协调整个系统的运行。

3.1 硬件设计

控制电路硬件可分为主控制箱电路、装料系统电路、送料车控制系统电路3部分，由上位机或主控箱按键控制。控制电路中包含了电源、单片机控制单元、通信模块、电动机驱动模块、称量信号处理电路等。主控单元和送料车控制单元采用Arduino 系列单片机，两单片机通过WiFi无线模块建立通信联系，系统控制电路图和硬件配置分别如图7和表1所示。

3.2 软件设计

系统软件设计包括上位机控制界面设计和下位机编程设计。下位机包括主控单片机和控制送料车单片机，完成实际设备的监控。控制系统软件设计采用Arduino编程语言，控制流程图如图8所示。

上位机控制界面使用LabVIEW软件设计，如图9所示，其主要功能是监控下位机，通过RS232串口向下位机发送相关控制指令。上位机控制界面由6个功能区块组成:

(1)手动/自动切换区：在上位机控制模式下，切换手动/自动控制模式，包括系统急停按钮也在此区。

图7 控制系统电路图Fig.7 Control system circuit diagram

(2)送料车控制区：在手动控制模式下，可以操作此区按钮来控制送料车的前进、后退以及卸料蝶阀的开闭。

(3)平移轨道控制区：用户可在此查看平移轨道位置，在手动控制模式下，通过此区控制平移轨道与送料轨道的对接。

(4)送料量设定区：用户可以通过旋钮设定送料量。在储料箱内料量不足时，报警灯报警提醒加料。

(5)系统信息显示区：用户可在此查看WiFi的连接情况、储料箱饲料是否充足、送料是否结束、送料车是否在停泊位，从而根据这些信息来进行系统的操作。

(6)送料圈栏选择区：可全选或单独选择某一个或多个按钮作为送料车送料的目标圈栏位。

表1 控制系统硬件配置Tab.1 Control system hardware

图8 控制系统流程图Fig.8 Flow chart of control system

图9 上位机控制界面Fig.9 Interface of control software

4 试验与结果分析

4.1 称量平台标定试验

试验设备：10～80 kg砝码和本文设计的称量平台系统。

试验方法：采用不带车的砝码加载标定。标定时，每隔5 kg采样一次，同一组重复进行6次，取平均值作为本组实测值。

根据式(6)对称量平台进行标定。试验数据(环境温度为8℃)如表2所示。由表2可知，不带车标定时，在线监测数据的相对标准偏差在1%以内，系统测量精度较好，数据可靠。

4.2 验证试验

为验证在线监测系统的性能及可靠性，开展了饲料装载试验，如图10所示。试验饲料为育肥用粉状饲料，含水率11.62%，休止角37.763°。试验时(环境温度4℃)，先将饲料倒入储料箱中，并将送料车停止在储料箱下方，然后控制系统按设定值向送料车排料，系统自动记录测量值，同时将落下的料全部收集后进行人工称量，每组设定值重复6次试验，结果如表3所示。

表2 加载标定数据Tab.2 Load calibration data

图10 验证试验现场Fig.10 Test site

4.3 结果与讨论

系统测量值相对标准偏差平均值为1.22%，实际落料量相对标准偏差平均值为1.52%，两者之差小于1%，系统测量值的最大相对标准偏差小于2.5%，精度满足计量要求。如表3所示系统测量结果与实际测量结果十分接近，准确度较高，可满足实时监测功能需求和精度要求。表3中有些实际测量值较系统测量结果偏大，原因是试验时存在风的干扰，在落料电动机停止旋转后风将储料箱出料口处的部分残余粉料吹落到送料车中。