新型仔猪补奶机的研制

杨 亮，裴孟侠，肖 强，熊本海

（1.中国农业科学院北京畜牧兽医研究所/动物营养学国家重点实验室，北京 100193；2.河南南商农牧科技股份有限公司，河南 郑州 453500；3.海南中海网农科技有限公司，海南 海口 571900）

0 引言

仔猪饲养是现代养猪业发展的基础，决定着养猪业的生产水平，如何保证仔猪的健康饲养成为养猪业发展急需解决的关键问题。仔猪新陈代谢旺盛，生长发育快，哺乳1个月后，体重可实现5倍以上的增长。仔猪饲养管理不善、哺乳不足等因素可能引起仔猪腹泻，导致仔猪死亡，对养猪业的危害严重。因此，保证仔猪充分哺乳显得尤为关键[1,2]。养殖场需要加强仔猪饲养管理，提高仔猪生命活力，满足其采食量需求，搞好营养调控，保持营养合理和相对稳定性[3]。

随着养殖业集约化、规模化的发展，仔猪出生后是否能够按规范哺乳与仔猪的成活率直接相关，是能否实现养殖场经济效益的关键因素。我国每年出栏的商品猪数量在6亿头以上，仔猪出生后，母猪奶水量不足，奶水营养不够等问题严重影响仔猪的正常生长发育。

为提高仔猪的成活率，需要人工补充奶源为仔猪提供奶水，增加营养。但是现有的补奶机需要人工倒入已冲好的奶水或者奶粉，无法做到定时定量为仔猪补奶，奶水长时间未吃完会变质，造成仔猪腹泻，严重影响仔猪生长。因此，根据仔猪少食多餐的原则，需要定时定量为仔猪提供新鲜的营养奶水，满足仔猪生长发育的营养需求，当母猪奶水不足或奶水营养不足的情况下，完全或部分代替母猪对仔猪进行哺育，就显得尤为重要。本文研制一种新型仔猪补奶机，可满足上述需求，饲养人员只需设定好每日喂奶次数和奶水浓度，设备即会自动运行，使用方便，降低饲养人员的劳动强度、节省人力成本。

1 整体结构与工作原理

本文研制的新型仔猪补奶机，主要由料仓、电器舱和箱体3个部分组成，料盒和电器舱位于箱体顶部，结构如图1所示。在箱体中，隔板将空间分成3个部分，分别是干燥桶、搅拌桶、恒温桶。

图1 仔猪补奶机结构图Fig.1 Structure diagram of milk machine for piglet

工作原理：开启主电源，仔猪补奶机首先自动进行所有变量及相关外设初始化，读取系统参数。然后，系统判断恒温箱内水是否加满，未加满时自动启动向恒温箱内注水；判断恒温箱内水温是否在39～42℃范围内，不在此区间内，则启动快速加热模式，直到达到温度要求；判断是否达到下奶时间，如已到时间，则按照系统预设的比例进行奶粉和水的搅拌。通过精准控制电机转动圈数，精确控制奶粉下料量；通过角阀精确控制进水速度，精确控制温水下料量；通过搅拌电机充分搅拌奶粉和水，形成搅拌均匀的奶水。当仔猪吸食奶嘴时，搅拌桶中制备好的奶水通过奶管输送至奶嘴，实现仔猪的采食。

2 核心部件设计

仔猪补奶机核心部件包括下料装置、进水装置、搅拌装置、吸奶装置和干燥装置，这些核心部件直接影响仔猪补奶机的性能。

2.1 下料装置设计

在仔猪补奶机箱体上方设有下料装置，用于向箱体内投放奶粉。下料口结构装置如图2所示。

设计原理：当箱体内奶水不足时，料盒总成通过下料口将奶粉放进箱体内，以补足奶水。系统通过控制电机转动圈数，控制下料量的多少，实现精准下料，减少饲料的浪费。料盒能快速取下，放料后能快速与下料电机上连接的塑料齿轮配合好。料盒内的拨料大齿轮在绞龙轴的带动下，缓慢转动带动钢丝绳移动，防止物料结拱。

图2 仔猪补奶机下料口结构俯视图Fig.2 Top view of feeding structure of piglet milk supplementer

推杆与开闭电机相连，开闭电机的转动带动推杆的转动，推杆的转动带动竖板沿推杆移动，盖板随着竖板移动。当下料口打开时，通过下料口向箱体投放奶粉。

开闭电机与电器舱相连，电器舱通过线路控制开闭电机的启动和停止。料盒支架设置于下料口盖板总成上方，料盒总成安装于料盒支架上。

下料装置开闭系统由步进电机、步进电机驱动器、T8丝杆、丝杆螺母、导轨轴、导轨轴支架、导轨压板、尼龙导向块、盖板、电机安装支架、霍尔开关、磁钢片等组成。

通过驱动器带动步进电机的正反转，从而带动T8丝杆转动，带动盖板前后移动，从而将下料口打开或闭合。盖板通过装在其上的尼龙导向块在导轨轴上前后移动，避免左右摆动。通过装在盖板上的磁钢片和固定位置的霍尔开关，确定盖板移动的零点位置。

下料口位于搅拌桶上方，料盒总成通过下料口将奶粉放进搅拌桶内，搅拌桶内的水和奶粉混合形成奶水以供仔猪食用。

图3 料盒总成结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the material box assembly

料盒总成由料盒、齿轮、下料电机、转轴、联轴器、钢丝、绞龙轴、出料口等部分组成，如图3所示。其中，转轴安装在料盒内部，齿轮固定在转轴上，齿轮两侧的转轴上设有钢丝，下料电机设置于料盒外部，绞龙轴设置于料盒下端，绞龙轴一端通过联轴器与下料电机连接，另一端与出料口连接，绞龙轴与齿轮啮合，出料口位于下料口上方。

料盒总成的工作原理：下料电机与电器舱相连，下料电机转动带动绞龙轴转动，由于绞龙轴与齿轮啮合，绞龙轴转动带动齿轮转动，同时，齿轮固定在转轴上，齿轮转动带动转轴转动，从而带动钢丝转动，触发钢丝翻动料盒内的奶粉，并推动奶粉进入出料口。出料口位于下料口上方，便于奶粉通过下料口进入搅拌桶内。

2.2 进水装置设计

进水装置由水管、角阀、Y形阀、常闭电磁阀、多种管接头组成。水龙头中的自来水流经Y形阀过滤，通过电磁阀进入箱体的恒温桶中。角阀控制进水速度的大小，电磁阀控制是否进水。

恒温桶为L型，环绕搅拌桶，便于对搅拌桶中的奶水进行保温。对应的液位开关负责限定恒温桶中的水量，温度传感器用于测定恒温桶内的水温，发热管便于对恒温桶内的水进行加热保温，如图4所示。

图4 测温电路图Fig.4 Temperature measurement circuit

发热管通过单片机控制继电器来进行控制，继电器型号选择需满足发热管电压电流和控制电路的电压。温度传感器采用Pt100经LM324放大，放大倍数为图4中R5/R1，有较大温漂。放大倍数根据实际情况选择，先根据惠更斯桥式电路计算出输出电压，再根据系统的基准电压进行放大。系统根据惠更斯桥式电路通过调VR2改变Pt100的测温范围。

进水管一端与电磁阀连接，另一端浸入恒温桶内。外界水源通过电磁阀进入水管，经由进水管向恒温桶中加水。当搅拌桶内奶水不足时，恒温桶内的温水经由进水口进入搅拌桶内。箱体侧壁下端设有排水阀，用于排出恒温桶内的水。

2.3 搅拌装置设计

搅拌装置由搅拌桶、搅拌电机、高低液位开关、放水塞等组成。低液位开关用于判定是否有奶水剩余。高液位开关用于限定搅拌桶中进水最大量。搅拌电机用于搅动奶粉和水，使奶粉溶于水中。搅拌电机位于隔板下端，便于充分搅拌奶粉和水。低液位开关位于隔板下端，便于判定搅拌桶内奶水是否还有剩余。高液位开关位于隔板上端，便于限定搅拌桶中的最大奶水量，防止奶水过多溢出搅拌桶造成浪费。

2.4 吸奶装置设计

吸奶装置由奶嘴、管接头、宝塔接头、吸管、吸珠组成。

箱体侧壁外侧设有4个奶嘴，便于多只仔猪同时吸食奶水。4个奶嘴分别通过奶管与搅拌桶相连，当仔猪吸食奶嘴时，搅拌桶中制备好的奶水通过奶管输送至奶嘴，便于仔猪食用。

系统连接方便，结构简单，仔猪只需很小的吸力即可吸到奶水。奶管局部高于搅拌桶中奶水最高液位，当没有仔猪吸奶时，奶水不会自动流入奶嘴而渗滴到地上，有效避免奶水浪费。

2.5 干燥装置设计

仔猪补奶机中电器件的电源线、数据线均布置在干燥桶中，干燥桶底部设有排水孔，当搅拌桶和恒温桶内的液体进入干燥桶后，能够及时通过排水孔排掉。干燥桶内布置电源线、数据线，由于干燥桶内不含有液体，避免了水中漏电的危险，提高了设备安全性。

3 硬件选择

补奶机中所选硬件及型号如表1所示。

表1 硬件及型号表

液位开关选用干簧式液位开关，适用于低压条件下的液面位置测量，准确地发出相应的控制信号，可以及时报警或自动控制电动机的运行。

霍尔开关选用NJK-5002A CHE12-10PA-H710，检测距离10 mm，反应频率10 kHz，工作温度-20℃～+65℃，工作湿度35%～85%RH。

Pt100温度传感器主要用于温度参数的测量和控制。变送器包括传感器和信号转换器。传感器主要包括热电偶或热电阻；信号转换器主要由测量单元、信号处理和转换单元组成。

其他硬件选择电压和功率符合本设备要求的即可。

4 仔猪补奶机系统设定

为了满足养殖场的不同需求，奶粉稠稀度档位共设有6档，主要通过下料电机的转动时间控制下料量。

仔猪补奶机中的水量为2 000 g，系统设定了不同奶粉和水的比例，分别是1∶4，1∶5，1∶6，1∶7，1∶8，1∶10，得出奶粉量和下料时间数据，如表2所示。

表2 不同档位下料时间表

5 仔猪补奶机性能测试与验证

对仔猪补奶机而言，其工作效率是衡量装置经济性的重要指标之一，本装置工作效率与控制下奶量的下料电机精度有关，下料电机单位时间内的下料量必须保持稳定，不能有明显误差。因此，需进行电机下料量精准度的测试。

目的：测试仔猪补奶机下料的精度及准确性。

方法：记录仔猪补奶机1 min的下料量，测试分为3组，每组重复5次，通过称重设备对下料量进行称重，记录数据并进行分析。

结果：测试数据如表3所示。

表3 下料测试数据表 g

分析：通过分析测试结果，发现仔猪补奶机可实现精准下料，下料量为200±2 g/min。

6 讨论

满足仔猪每天所需的采食量，是仔猪补奶机的基本任务之一。此外，如何在仔猪的饲喂中，加入促进仔猪生长和减少疾病发生所需的营养物质，是仔猪饲喂过程中应该考虑的问题，也是未来仔猪补奶机设备研发和扩展的功能。

仔猪出生时体内含铁约50 mg，每日生长需要7 mg铁，母乳仅能提供1 mg，导致仔猪免疫力低下、对疾病易感性增加。因此，在补奶的过程中，适当的加入铁制剂是避免引起仔猪阶段性营养性疾病，保证仔猪健康生长的基础[4]。在哺乳仔猪的教槽料中添加益生菌对哺乳仔猪的生产具有良好的促进作用[5]，可以增强哺乳仔猪生长性能和健康指数，提高仔猪日增重，降低仔猪腹泻率和死亡率，改善肠道健康[6]。

利用嗜酸乳杆菌和枯草芽孢杆菌灌服哺乳仔猪[7]，可显著提高血清免疫球蛋白含量及肠道乳酸杆菌数量，降低仔猪腹泻率以及粪便中大肠杆菌数量，同时对小肠绒毛的发育有促进作用。

乳酸菌能够改善猪肠道微生态和健康状况，提高仔猪的生长性能[8]。以乳酸菌为主的高品质微生态制剂已经成为打造安全、高效养殖的首选添加剂[9]。酵母菌和枯草芽孢杆菌都能提高断奶仔猪的生长性能，单独添加酵母细胞壁多糖时效果不显著[10]。将乳酸菌、酵母菌和枯草芽孢杆菌组成复合益生菌，能够提高仔猪的生长性能和免疫水平[11]。

仔猪出生后，胃肠道发育快速，处于发育的关键时期[12]。早期进行低聚半乳糖干预可改善回肠肠道形态结构，提高回肠对碳水化合物的消化与吸收能力，促进回肠肠道发育，调节回肠肠道菌群组成，并在一定程度上提高回肠肠道屏障功能[13]，同时可以增加新生仔猪回肠的绒毛高度、绒毛表面积[14]。

7 结论

本文研制的新型仔猪补奶机，基于仔猪少食多餐的原则，定时定量为仔猪提供新鲜营养的奶水，保证仔猪的采食需求，有效缓解在母乳不足、缺奶和断奶等情况下引起的仔猪死亡等问题。系统设计人性化，智能化，饲养人员只需设定好每日喂奶次数和奶水浓度，设备即会自动运行，使用方便，有效降低饲养人员的劳动强度，可为养殖企业节省大量人力成本，具有较大的市场推广价值。