阶梯式鸡蛋降落装置设计

张 婷， 张 蕊， 刘绍冲， 王程骏， 魏晨旭， 籍 鸽， 高 桐， 吕丰訸

（鲁东大学交通学院，山东 烟台 264025）

0 引言

目前我国的机械化养鸡业正处于初级阶段，国内蛋鸡养殖多采取阶梯式蛋鸡笼模式。阶梯式蛋鸡笼养鸡数目多，产蛋量也多，然而国内极少有鸡蛋收集自动化装置，96.2%养殖场收蛋全靠人工实现，人工收集鸡蛋费时费力且易造成鸡蛋破碎，还可能带入病菌，存在一定安全隐患。市面现有的收蛋机器主要针对大型养殖户，存在鸡蛋破损率高、使用时需要更换鸡笼等不足，长期以来使养殖户产生收支不平稳问题，因此市场占有率较小。近年我国鸡蛋年产量约3 039 万t，占全球年产量38.48%，并以每年2%的复合增长率增长，鸡蛋产量大导致鸡蛋收集急需自动化产品的出现[1]。为克服人工收蛋弊端和现有技术的不足，本研究设计一种配合收蛋器用的阶梯式鸡蛋降落装置，实现阶梯式鸡笼鸡蛋的运输、转移、收集全自动化。该装置可普遍满足大、中、小养殖户的需求，能够减轻收蛋作业的劳动强度，有效降低鸡蛋破损率，节省蛋鸡养殖的人工成本，具有较好的经济效益，符合农业机械化的发展理念[2]。

1 装置结构及工作原理

1.1 整体结构

配合收蛋器用的鸡蛋降落装置包括阶梯式降落装置、集蛋盒和小车。其中，阶梯式降落装置包括装置支架、外壳和集蛋盒轨道。其特征是支架垂直设置在小车上部，装置外壳上端与支架顶端呈30°角焊接固定，装置外壳为空心长方体设计，竖直方向一侧开有3 个输入门，内部有斜坡滑道，底端朝向支架一侧开有输出门，输出门外侧下部设有集蛋盒轨道与集蛋盒连接，整体结构如图1 所示。

图1 配合收蛋器用鸡蛋降落装置整体结构Fig. 1 Overall structure of egg landing device used with egg collector

1.2 工作原理

阶梯式鸡蛋降落装置可以实现多层式鸡笼鸡蛋的运输和转移全自动化，如图2 所示。该装置配合收蛋器用，收蛋器与养殖场的养殖鸡笼连接。当鸡下蛋后，鸡蛋从鸡笼缺口处滚动到输送鸡蛋的滑道，至输入门自动滑入阶梯式降落装置，依次通过由柔性材料制作的缓冲挡板，一级级滑落至最底层，最后通过有一定坡度的管道滑至集蛋盒处。鸡蛋滑至此处已具备足够冲量顶开集蛋盒的单向推挡门，由此进入集蛋盒内。多个鸡蛋重复，完成从鸡笼到集蛋盒的运输。

图2 工作原理Fig. 2 Working principle

2 关键部件设计

阶梯式降落装置由装置支架、外壳和集蛋盒轨道构成，其中装置外壳为技术核心，可以实现鸡蛋从鸡笼经过阶梯式降落无损转移至集蛋盒。

2.1 输入输出门设计

装置外壳在竖直方向一侧开有3 个输入门，均为直径8 cm 的圆形孔，能够收集3 层鸡笼中的鸡蛋，自上至下分别为第1 输入门、第2 输入门和第3 输入门，如图3 所示。3 个输入门内侧上方均设有输入门挡板，输入门挡板为弧形板，只能向装置外壳内部弯折，其内部有铁丝加固，在输入门处形成单向通路，既能对自上部落下的鸡蛋起到缓冲减振的作用，抵挡落下的冲力，又能保证上层落下的鸡蛋不从下层输入门误滑出。3 个输入门开口内侧下方设有引导板，既避免鸡蛋进入时滑动停滞，也避免因鸡蛋滑动时冲力过大导致速度过快，产生因碰撞造成的鸡蛋破损。

图3 输入门局部结构Fig. 3 Local structure of input gate

装置外壳在底端朝向支架一侧开有1 个输出门，为直径8 cm 的圆形孔，能保证鸡蛋顺利离开阶梯式降落装置，其直径大小的设计又能防止2 个鸡蛋同时离开，避免因碰撞造成鸡蛋破损。装置外壳内部下侧靠近输出门位置设有弧形弯角，为弧形板，其一侧固定于装置外壳内部下侧第3 输入门处，另一侧固定在靠近输出门位置。便于引导鸡蛋通过输出门进入集蛋盒轨道，有效防止因鸡蛋卡顿造成的碰撞破碎，如图4 所示。

图4 输出门局部结构Fig. 4 Local structure of output gate

2.2 斜坡滑道倾斜角度计算

装置外壳内部与输入门相对的另一侧，自第1 输入门的投影位置下方6.25 cm 处开始，自上至下等间隔12.5 cm，设置4 个相同的斜坡滑道，可起到缓冲效果，保证鸡蛋在落下时不受磕碰造成破损。

鸡蛋在斜面下落时的受力分析如图5 所示，其中，P为鸡蛋重力，Fx为鸡蛋重力沿斜面方向分力，PN为鸡蛋所受约束力，fS为静摩擦因数， θ为摩擦角，v为鸡蛋下滑速度，Fsmax为鸡蛋所受摩擦力。

图5 鸡蛋在斜面上的受力分析Fig. 5 Force analysis of egg on slope

鸡蛋将要下落时，根据受力分析可得

此时， θ称为摩擦角，经实际测量得θ= 13°，当滑道角度ϕ< 13°时，会发生自锁现象，鸡蛋无法落下。

为保证鸡蛋能够在阶梯式降落装置中顺利下滑且下落速度不宜过快，斜坡滑道的倾斜角度ϕ 为13°～16°，优选使用15°，这样既能避免鸡蛋滑动停滞，也能避免因鸡蛋滑动时冲力过大导致速度过快，产生因碰撞造成的鸡蛋破损。

3 蛋壳及蛋体的有限元模拟

鸡蛋的组成为蛋壳和蛋体内容物两部分，其中蛋体内容物包括气室、蛋清、蛋黄，鸡蛋外形头大的一面为大端面，头小的一面为小端面，假设鸡蛋的几何外形由下列椭圆曲线所构成[3]。

为探究鸡蛋不同部位受力载荷大小，防止鸡蛋壳破损，验证装置结构设计的合理性，对鸡蛋蛋壳及蛋体进行有限元分析。

3.1 鸡蛋蛋壳受载特性有限元分析

使用有限元软件进行模拟分析，选取模拟的鸡蛋尺寸为长轴长55.28 mm、短轴长45.32 mm、蛋形角 λ为10° ，蛋売属性设置为弹性模量E=30 GPa，泊松比µ=0.3。分别从端面和侧面两个方向施加15 N 集中载荷，观察蛋壳形变情况。发现在相同外载加压下，最大应力和形变点出现在加载端面，最小应力和形变点出现在加载点侧面，得出端面的抗载性高于侧面，进一步探究大端面和小端面这两个部位哪个抗载性更好[4]。

对鸡蛋的大端面和小端面不断施加载荷得到蛋壳所承受的最大载荷，如表1 所示，发现蛋壳小端面承受的最大载荷略高于大端面的最大载荷，因此鸡蛋小端承受载荷能力较强，大端承受载荷能力较弱，而且大端承受载荷能力略强于中部[5]。

表1 不同部位受压时最大载荷Tab. 1 Biggest load along different directions单位：N

已有研究表明，越厚的蛋壳能承受的应力越大[4]。通过实际测量得到不同部位蛋壳厚度，如表2 所示，小端的厚度明显高于其他两个部位，大端面的厚度次之，中部的厚度最薄，进一步定性的验证了鸡蛋端面（小端面强于大端面）抗压能力大于侧面这一结论[6]。鸡蛋壳最薄即鸡蛋最脆弱部位在侧面中间部位，鸡蛋壳最厚即鸡蛋最坚硬部位在小头端面部位，经数次阶梯式鸡蛋降落试验观察可知，鸡蛋碰撞时接触部位为小头端面处，该部位厚度最大，故鸡蛋不易发生破损。

表2 不同部位蛋壳厚度Tab. 2 Thickness from different parts of eggshell单位：mm

3.2 鸡蛋蛋体流-固耦合有限元分析

选取分析的鸡蛋尺寸为长轴长58 mm、短轴长46 mm、蛋壳厚度0.38 mm，蛋壳属性参数为弹性模量E=30 GPa ，泊松比 µ=0.307，材料密度ρ=2 400 kg/m3，气室高度h=4 mm。蛋体的有限元模型由蛋壳有限元网格、气室和蛋液的声学有限元网格等部分构成，如图6所示[7]。其中蛋壳有限元单元为二维壳单元，气室有限元单元和蛋液有限元单元均为六面体单元。将整个鸡蛋蛋体作为流−固耦合模型分析对象，蛋体一阶模态频率及振型如图7 所示，其中z轴为蛋体长轴D，x、y轴为蛋体短轴2R，一阶振型结果表现为蛋体纵轴钝端与尖端振动量最小，两端向赤道方向振动量逐渐增大，在蛋体赤道位置附近振动量达到最大，且最大振动量位于赤道中心轴方向的0°、90°、180°和270°位置处[7]。蛋体短轴（赤道）方向振动量最大，纵轴钝端与尖端的振动量最小，测试结果与蛋壳受载有限元分析结果基本吻合。

图6 蛋壳及单体内容物有限元网格Fig. 6 PE mesh of eggshell and its content

图7 蛋体一阶模态振型Fig. 7 Isometric view and top view of mode shape of 1st mode

为保证鸡蛋能够成功通过缓冲通道并且不会受冲击而导致破损，对鸡蛋碰撞进行分析。由图5 可知，鸡蛋在斜面上做纯滚动，为平面运动，所以根据平面运动方程得

由以上有限元分析可知，鸡蛋最脆弱部位（赤道部位），查阅资料可知其可承受大概30 N 的力量，所以会稳定下落，并且速度与效率可观的条件下，装置不会使鸡蛋破损。

4 缓冲材料选择

鸡蛋壳为典型的弹性薄壳结构且表面较为光滑，在整个装置运动过程中其所受摩擦较小，下滑速度快，易发生碰撞导致破碎，因此需要一种造价低廉、缓冲减振效果好的材料作为装置内衬包装[8]。现有聚乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、AB 型瓦楞纸板3 种缓冲材料作为选择，选定鸡蛋的小头端作为跌落的冲击部位，在相同跌落高度下，鸡蛋跌落在这3 种缓冲材料上的最大冲击力和碰撞时间关系如表3 所示[9]。

表3 不同缓冲材料性质下最大冲击力和碰撞时间关系Tab. 3 Maximum impact force and collision time relationship under different buffer material properties

已有研究表明，缓冲材料的弹性模量对鸡蛋与该材料碰撞时受到的冲击力峰值有很大影响，弹性模量越大，缓冲性能越差，鸡蛋与之碰撞受到的冲击力峰值越大[9]。通过对表中3 种缓冲材料的比较分析得知，鸡蛋跌落在AB 型瓦楞纸板上受到的最大冲击力明显大于其他两种材料，说明其缓冲性最差。鸡蛋跌落在聚乙烯泡沫上碰撞时间最长，说明其加速度峰值最小。由此综合比较得出，鸡蛋在聚乙烯泡沫上进行跌落时产生破损的几率低于其他两种材料，所以缓冲材料优选聚乙烯泡沫。

对聚乙烯材料的性能进行分析可知，聚乙烯具有化学性能稳定、不易受腐蚀、机械性能好、耐摩擦、加工性能好、易于成型、价格较便宜的优点，是理想的缓冲材料[10]。所以利用聚乙烯泡沫制成缓冲衬垫作为包装内衬材料，铺设在装置外壳、引导板、斜坡滑道和集蛋盒轨道上，在斜坡滑道和装置外壳侧边结合处留有弧形弯角，既对鸡蛋起到缓冲减振作用，又不影响原有构件的使用效果。

5 蛋鸡养殖场试验与结果分析

为验证阶梯式鸡蛋降落装置的可行性，选择1 个长59 m 的蛋鸡养殖场（中型鸡舍）进行实地试验，养殖场有4 大组（1 组2 坡）鸡笼，共养有约14 886 只鸡，鸡笼积存鸡蛋数目约为15 000 个/d。分别采用3 种方式对鸡蛋进行收取作业：人工拾取、传送带式收蛋机、阶梯式鸡蛋降落装置（配合收蛋器）。人工拾取需2 名工人，每人工作5 h；2 台传送带式收蛋机将15 000 个鸡蛋完全收集需工作3.2 h；2 台阶梯式鸡蛋降落装置可以2.4 h 连续运转，直至完成全部鸡蛋的收取。经过上千余次的鸡蛋收取试验，且对每一次试验进行数据统计取平均值后，以1 名工人、1 台传送带式收蛋机、1台阶梯式鸡蛋降落装置（配合收蛋器）的工作量进行对比分析，如表4 所示。

表4 不同方式下鸡蛋收取比较Tab. 4 Comparison of egg collection in different ways

采用阶梯式降落装置收集的效率约为人工的2.08 倍，传送带式收蛋机的1.33 倍，如果多台设备同时运行，效率则会成倍增长，能极大提升收蛋效率。另外，该配合收蛋器使用的阶梯式鸡蛋降落装置可达到零破蛋率的效率，与人工收集相比，其受环境影响小；与传送带式收蛋机相比，收集过程高效平稳，足以满足养鸡场的需求。

6 结论

（1）如今国内拥有养殖场多达60 余万家，其中96.2%的养殖场中鸡蛋的收取仍是以人工为主，人工收蛋不仅工作环境脏乱差、有害健康，而且费时费力、效率低下、鸡蛋破损率高。使用本装置单机收集鸡蛋效率约为人工2.08 倍，设备成本较低，根据场地需要本装置可多台同时使用，效率显著提高；能减轻收蛋作业的劳动强度，有效降低鸡蛋破损率。

（2）目前市面上可购买到的适用于多层式鸡笼的自动收蛋装置必须配套特制的鸡笼，给养殖户带来非必要支出，大大增加养殖成本。本阶梯式鸡蛋降落装置，可直接应用养殖户现有鸡笼，无需对鸡笼改装，便可实现鸡蛋无破损的降落与转移，其结构简单、造价低廉、占地面积小的优势解决了多层鸡笼自动收蛋的技术难题。