基于水射流技术的禽舍冲洗设备研究

摘 要：全球禽类养殖业迅速发展，传统禽舍清洁方法存在效率低、耗时长等问题，制约了行业的可持续发展。为解决这一问题，研究了一种基于水射流技术的禽舍冲洗设备，利用高压水射流和智能化控制系统，能够快速高效地清除禽舍内的粪便和污染物，同时最大限度地减少水资源消耗和环境影响。研究从机械结构设计、水力学性能优化到智能控制系统开发等多个方面进行了系统性研究，以期为禽舍清洁设备研发提供参考。

关键词：水射流技术；养殖业；禽舍清洁

中图分类号：S831.4+5 文献标识码：A 文章编号：1673-1085（2024）10-0053-06

近年来，我国畜禽规模化养殖迅速发展，养殖规模位居全球前列。然而，与发达国家相比，我国在养殖机械化水平上仍存在较大差距[1]。特别是在畜禽养殖环境的防疫消毒环节，其执行效果直接影响畜禽健康和产品质量，对养殖业可持续发展至关重要[2-3]。如何在保证消毒效果的同时实现机械化高效作业、降低环境污染，是当前亟待解决的问题[4-5]。

基于此，本文研究了一种基于水射流技术的禽舍冲洗设备。通过研究其在禽舍冲洗中的应用，不仅能提高冲洗效率、降低劳动强度，还有助于减少化学消毒剂的使用，从而减少环境污染。此外，该技术的应用还能有效提升畜禽产品的卫生质量，满足市场对高品质产品的需求[6-8]。

1 研究原理与技术路线

1.1 高压水射流技术原理

高压水射流技术作为一种高效的清洁和加工技术，源于其能够通过极高压力水流对目标表面施加力量而显著提升其清洁效果和工艺加工能力。其原理基于利用特制泵系统将水增增压至数十兆帕，并通过精确设计的喷嘴将水流高速释放，产生的高速水流不仅具有显著的冲击力，能有效去除表面污垢和附着物，还能透过流体动力学原理实现对表面的深层清洁和精细加工。该技术的应用范围涵盖了工业清洗、建筑维护、材料加工以及环境清洁等多个领域，其环保性和高效性使其成为现代工业和农业生产中不可或缺的重要工具之一。

高压水射流技术在禽舍卫生管理中展现了显著的优势。相对于传统的普通水枪，高压水射流技术产生的高速水流能够深入到禽舍表面的微观结构中，全面清除附着的污垢、沉积物及微生物，显著减少了病原微生物的存在，亦有效消除了异味，显著提升了禽舍的清洁度。除此之外，高压水射流技术在节约水资源方面具有明显优势，不仅操作快捷，而且可通过减少化学消毒剂的使用来降低环境污染风险。因此，高压水射流技术不仅提升了禽舍清洁效率，而且更符合现代养殖业对于环境友好和资源节约的要求。

1.2 设备研究技术路线

基于水射流技术的禽舍清洗设备的核心技术特征包括自主轨迹运行和多角度喷射能力。设备通过预设的轨迹系统化地移动，确保全面覆盖禽舍内部表面，同时具备多个喷头以多方位喷射高压水流的能力。这种技术设计优化了清洗效率和彻底性，能有效清除有机废物和病原体，减少了化学清洁剂的使用量，降低环境污染风险。

此外，设备配备先进的自动化控制系统，能够精确调节水流压力和喷射角度，以适应不同禽舍结构和清洁需求。不仅提高了操作的精准度和稳定性，还减少了人工干预，从而提升了操作效率和资源利用效率。冲洗设备结构如图1所示。

冲洗设备的设计与技术构成了一个复杂而精密的系统，涵盖了控制、运动、喷射、加药、传感器、能源和供水及保障等多个关键部分。每个部分都经过精心设计，以确保设备在各种环境条件下能够高效运行，并实现对目标表面的精确处理和清洗。

2 设备系统组成

2.1 控制系统

在冲洗设备中，控制系统由STM32单片机作为主控模块驱动。允许设备快速响应各种环境条件和操作需求，同时保证了设备运行的稳定性和可靠性。

单片机配套的外设包括传感器、执行器、通讯模块、存储设备及各类接口电路等，这些外设能够实时采集环境参数和物理量数据，通过数字或模拟信号接口传输至单片机进行进一步处理和分析。执行器则通过单片机指令控制外部设备的操作，如电机驱动和阀门控制。通讯模块外设使单片机能够与其他设备或系统进行信息交换和数据传输。

2.2 驱动系统

冲洗设备的运动机构由多个关键部件组成，包括电机、驱动器、机架和轮胎。电机通过驱动器由控制系统精确控制，提供设备所需的动力和速度调节能力。机架则作为整个设备的骨架，支持和连接各个运动部件，使得设备能够在不同地形上稳定移动。轮胎则提供了设备的移动能力，其设计考虑了在不同地形和工作条件下的耐用性和操作性。

运行机构采用高效的四轮机构，通过电动机提供稳定动力。车轮与电动机的优化组合对称分布在底盘两侧，并通过刚性连接确保了整体结构的稳定性。在底盘上方的中央位置，设计有一个专门的支撑柱，用于支撑喷射结构，这不仅保障了喷射方向的精准性，还增强了操作时的稳定性。支撑柱后方配备了集成的控制中枢、驱动电路、稳压电路以及蓄电池，形成了设备的核心控制系统和能源供应模块。此外，为了优化能源使用，底盘支撑柱两侧还各安装了一块太阳能电池板，旨在日间为设备提供辅助能源，降低对传统能源的依赖，提升能源利用效率，并彰显了绿色环保的设计理念。

2.3 水射流系统

水射流系统是冲洗设备的关键部分，负责通过喷嘴将清洗剂精确地释放到目标表面。喷嘴的转向由转向机构控制，这使得设备能够灵活地调整喷射方向和角度。增压泵提供喷射所需的水压力，确保了喷嘴在不同工作条件下的稳定性和效率。

在本研究设计的禽舍冲洗设备中，喷射角度的调控是通过支撑柱上方的机构实现的，该机构具备水平面内旋转和俯仰角调整的两个自由度。这种设计允许操作者根据实际需要灵活地调节喷射方向，以确保清洗效果的最优化。水源通过设备上方的水管输送至喷射结构，该水管与桁架上的滑块进行了刚性连接。这种刚性连接方式不仅确保了水管在喷射过程中的稳定性，还有助于减少因长时间使用而可能出现的磨损，从而延长了设备的使用寿命并保持了喷射效率。

2.4 导航与定位系统

在本研究中，使用了一种基于超宽带（UWB）技术的定位系统。该系统由三个关键组件构成：即定位标签、定位基站以及数据处理中心。每个定位基站均装备有高精度的UWB模块，能够发送和接收纳秒级的脉冲信号，从而实现精确的距离测量和位置跟踪。

在试验设置中，三个定位基站分别布置在任意三角形的三个端点，如图2所示。利用这三个基站作为参考点，我们可以建立一组方程来代表标签与各基站之间的距离。通过求解这组方程的交点，能够准确地确定标签的位置。

数据传输方面，基站收集到的数据通过有线或无线方式传输至数据中心。在那里，专门的定位系统应用软件负责对接收到的数据进行解析和计算，以实时地计算出标签的位置信息。这种架构不仅确保了数据传输的高效性，还保证了位置数据的实时更新和准确性，为后续的数据分析和应用提供了可靠的基础。

本研究设计的UWB定位系统展示了其在室内环境中提供高精度、高可靠性定位服务的潜力。

3 试验验证方案

3.1 试验方法

本研究旨在通过试验验证基于水射流技术的禽舍冲洗设备在实际养殖环境中的应用效果和效率。试验设计侧重于模拟真实禽舍条件下的冲洗作业，以获取设备操作性、冲洗效果和水资源利用效率等方面的数据。

为了全面评估设备的冲洗效果，试验还包括对冲洗前后禽舍地面微生物残留量的检测，这是评估设备消毒效果的关键指标。通过比较前后的数据，能够直观地了解设备在实际使用中的消毒能力。

试验过程中，所有数据通过高精度传感器和自动记录装置收集，确保数据准确性和客观性。同时，采用高速摄像机记录冲洗过程中水流的分布和变化，为分析水流对冲洗效果的影响提供了直观的视觉资料。

3.2 试验条件

试验条件的设定考虑了多个影响冲洗效果的变量，包括水压、喷嘴类型、冲洗角度及距离等。水压范围设定在5～20 bar之间，以涵盖不同规模养殖场可所需水压条件。喷嘴类型选择了市场上常见的扁平扇形喷嘴和高压旋转喷嘴，以评估它们对冲洗效果的影响。

冲洗角度和距离的确定依据禽舍内污染分布和结构布局进行优化。试验设置了多个固定的角度和距离，模拟实际操作条件，旨在确定最佳操作参数以提高效率并减少水资源浪费。

3.3 冲洗效果的评估标准

在探讨基于水射流技术的禽舍冲洗设备设计与性能评估时，冲洗效果的评估标准至关重要。这不仅反映了设备在实际工作中的效能，还直接关系到畜禽养殖环境中疾病控制和预防消毒的成效。因此，本研究旨在通过精确而系统的方法评估所设计设备的冲洗效果，确保其能够满足现代畜禽养殖业对防疫消毒的严格要求，同时兼顾环保和效率的双重需求。

（1）冲洗效果的评估首先依赖于定量分析方法的应用。①通过测量冲洗前后禽舍内细菌数量的变化，直观评估冲洗操作的消毒效果；②冲洗液的均匀分布也是关键指标之一，直接影响消毒剂的覆盖范围和作用效果。采用高速摄像技术捕捉冲洗过程中水流的分布情况，并结合图像处理软件进行定量分析，能够有效评估冲洗液的覆盖均匀性；③冲洗后禽舍内残留污物的检测同样至关重要。利用光谱分析技术对冲洗后的禽舍地面样本进行检测，能够精确评估冲洗设备去除有机和无机物的能力。这不仅涉及冲洗液的选择，还包括优化冲洗压力、喷嘴设计等参数。

（2）评估冲洗效果还需考虑设备的运行成本和操作便利性。比较不同冲洗策略下的能耗和时间消耗，可以为养殖户提供经济高效的冲洗方案。此外，用户体验是设备实用性的关键。设计合理的用户界面和简化的操作流程，能够显著提升设备的普及率和使用频率。

最终，综合考虑以上指标，构建全面的评价体系对于指导设备的优化设计至关重要。这不仅需要跨学科的知识融合，如流体力学、微生物学和环境科学，还需要通过实地测试和持续反馈信息，结合最新科研成果进行迭代更新，确保基于水射流技术的禽舍冲洗设备在实际应用中表现出最佳性能。

4 结论与展望

在畜禽养殖领域，防疫消毒设备的研究与应用是确保动物健康和提高生产效率的关键环节。本研究专注于基于水射流技术的禽舍冲洗设备的设计与性能评估，旨在探索更为高效、环保的清洁方法以应对当前我国在这一领域所面临的挑战。通过深入分析现有的机械化水平，并结合国内外的先进技术，本研究成功设计了一款新型禽舍冲洗设备，其核心在于利用水射流技术实现对禽舍的深度清洁和消毒。

该设备的设计理念源于对传统清洁方法的局限性的认识，如化学消毒可能带来的环境污染和生物安全风险、物理消毒方法在操作复杂性和成本效益方面的不足。相比之下，水射流技术提供了一种物理清洁的同时，也具备一定的杀菌能力，且不产生二次污染。

在技术特点上，该设备采用了高压水流生成系统，能够调节水流的压力和速度，以适应不同清洁需求。此外，集成的智能控制系统允许用户根据具体情况编程清洁模式，从而提高清洁效率和效果。

在性能评估方面，通过对禽舍内不同区域的清洁效果进行对比测试，结果表明，与传统清洁方法相比，采用水射流技术的禽舍冲洗设备在去除粪便和有机物残留方面表现更为优异。同时，该技术在减少水资源消耗和提高作业效率方面也显示出明显优势。然而，研究也发现，设备在处理某些特定类型的污垢时存在局限，提示了未来改进的方向。

综上所述，基于水射流技术的禽舍冲洗设备在提高畜禽养殖环境卫生水平、降低劳动强度和提升生产效率方面展现出巨大潜力。尽管面临一些技术和应用挑战，但通过持续的研究和技术创新，有望进一步优化设备性能，满足更广泛的养殖场景需求。展望未来，随着智能化养殖的不断推进，集成更多智能元素的清洁设备将更好地服务于绿色、高效的现代畜禽养殖业。

参考文献：

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[5] 毛建.鸡场带鸡消毒技术[J].乡村科技，2020，11（29）：98-100.

[6] 王光锋，齐艳君，朱俊平，等.等离子空气消毒法对禽舍有害气体和微生物消除作用的研究[J].中国家禽，2022，44（10）：77-82.

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[8] 郭日新，付兴周.浅谈养禽场的消毒技术[J].河南农业，2023（28）：58-59.

Research on Poultry House Washing Equipment based on Water Jet Technology

Abstract： The rapid development of the global poultry farming industry and the problems of low efficiency and time-consuming traditional poultry house cleaning methods have restricted the sustainable development of the industry. To solve this problem， a poultry house flushing equipment based on water jet technology was studied. Using high-pressure water jets and an intelligent control system， it can quickly and efficienQWC4NOguiWXHQst4FXGbOGOcJM/HUvaJTcmjeb9wWYQ=tly remove manure and pollutants from poultry houses， while minimizing water consumption and environmental impact. The study conducted a systematic research from the mechanical structure design， optimization of hydraulics performance to the development of intelligent control system and other aspects， in order to provide a reference for poultry house cleaning equipment.

Keywords： Water jet technology; Farming; Poultry house cleaning