軌道式奶牛精飼料精確飼喂裝備機械系統設計

蒙賀偉，李亞萍，高振江，李　輝，侯扶琴

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832000;2.中國農業大學 工學院，北京　100083;3.新疆西部牧業股份有限公司，新疆 石河子　832000)

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軌道式奶牛精飼料精確飼喂裝備機械系統設計

蒙賀偉1，李亞萍1，高振江2，李輝2，侯扶琴3

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832000;2.中國農業大學 工學院，北京100083;3.新疆西部牧業股份有限公司，新疆 石河子832000)

摘要：實施奶牛精細養殖是奶業發展的必然趨勢，是提高奶牛養殖技術水平、降低生產成本的重要舉措。為此，在前期研究基礎上，完成了軌道式奶牛精飼料精確飼喂裝備機械系統設計。該裝備采用步進電機驅動與等徑變螺距容積式計量方式相結合實現裝備的精確給料，通過直流電機驅動與軌道式行進機構相結合實現裝備的往復行進，實現了奶牛飼喂裝備的行進與精確投料。試驗結果表明：給料誤差小于2%，符合精細養殖技術要求。

關鍵詞：奶牛；精確飼喂；機械；軌道式

0引言

奶業是現代農業的重要組成部分。目前，我國奶業存在著靠數量促產量及養殖技術水平低等突出問題，奶牛單產水平低已成為制約我國奶業發展的重要方面。研究表明：開展奶牛精確養殖是提高奶牛單產的有效途徑，因此開發奶牛精細養殖技術裝備逐漸成為研究人員的重點，國內如李發德、宋占華、高振江、倪志江等[1-5]均對此開展了研究。筆者在倪志江、李繼成、高振江、蒙賀偉等[6-11]研究的基礎上，設計了一種軌道式智能化奶牛飼喂裝備機械系統，系統采用基于步進電機驅動與等徑變螺距容積式計量方式相結合實現裝備的精確給料、通過直流電機驅動與軌道式行進機構相結合實現裝備的往復行進，在實現精飼料精確給料的同時，并可實現裝備的軌道式行進、自動行進及剎車等功能。

1總體結構及工作原理

1.1機械系統總體結構

軌道式智能化奶牛飼喂裝備機械系統主要由給料機構、行進機構、執行元件及機架等部分組成。其中，給料機構主要由料倉、三螺旋給料器、步進電機、電機固定架、法蘭盤等組成；行進裝置主要由傳動機構、直流電機、前后軸、行進輪和軌道等組成。裝備結構及三維造型如圖1所示。

1.料倉　2.控制系統　3.給料裝置　4.動力與傳動系統

1.2工作原理

工作過程中，裝備按照控制系統指令，通過帶斷電自動剎車器的步進電機經鏈傳動帶動前后軸完成裝備的行進或停止；飼喂時，通過控制系統發出的指令控制步進電機旋轉角度，繼而帶動三螺旋給料裝置旋轉，經下料溜槽將飼喂物料輸送至個體牛只前。

2給料裝置

給料裝置主要包括料倉、料倉底座以及三螺旋給料器等。其中，三螺旋給料器由步進電機、聯軸器、三等徑變螺距螺旋葉片、螺旋輸送器外壁及下料溜槽等組成。工作時，控制系統按照個體奶牛精飼料飼喂模型確定個體牛只精飼料需求量，并進一步轉化為步進電機脈沖數，向步進電機驅動器發送工作指令并驅動步進電機運行，從而帶動螺旋給料器進行精確投料。

2.1料倉部分

料倉部分主要包括料倉和料倉底座兩部分。考慮到飼喂效率與牛舍環境的要求，本設計中料倉儲藏倉裝料量在700kg左右，材料為熱軋鋼板，厚度為2mm，飼喂機可滿足200頭牛場的飼喂試驗需求，料倉形狀為流線型。料倉三維圖如圖2所示。

圖2　料倉三維圖

料倉底座主要用于支撐料倉與安裝三螺旋給料器，通過螺栓與料倉聯接；三螺旋給料器經安裝孔連接到料倉內部，通過法蘭與料倉底座連接；底座內部采用人字形支架結構，以方便下料，結構如圖3所示。料倉底座由厚度為3mm熱軋鋼板制成。

2.2三螺旋給料器

裝備通過步進電機作為螺旋給料器的執行元件，通過設定步進脈沖數控制螺旋給料器轉動角度對給料量進行控制，從而解決了直流電機由于電壓不穩而造成的投料不穩定性現象，提高了裝備投料精度，通過設定，步進電機最小控制角度為1.8°。

三螺旋給料器由螺旋葉片、輸送軸組成，螺旋長度分別為480、385、275mm，對應螺距分別為40、35、25mm。螺旋給料器的結構及三維圖如圖4所示。

圖3　料倉底座三維圖

圖4　三螺旋給料器結構與三維圖

在三螺旋給料裝置中，攪龍是主要工作部件，因此對其進行了有限元結構分析。攪龍材料選擇為45鋼，屈服強度355MPa，通過分析，獲得其位移、應力和安全系數變化云圖如圖5和圖6所示。

圖5　位移變化云圖和應力變化云圖

圖6　安全系數變化云圖

由此可知：螺旋短軸最大位移變化量為0.319 7mm，最大應力為107.493MPa，安全系數為3.81，符合使用要求。

2.3給料驅動電機

給料裝置步進電機選用北京時代超群有限公司生產的兩相步進電機，電機型號為110BYG250-115，電機主要參數如表1所示。

表1　電機技術參數

步進電機控制器采用2HD8080A/B系列伺服式數字驅動器，具有實時電流跟蹤控制功能，從而減少了高頻自激振動及共振等現象，降低了噪聲，提高了工作可靠性。

3行進機構

3.1行進驅動電機

行進驅動電機選用48V直流電機，為了保證裝備能夠及時停車，在采用斷電自動剎車式直流電機的同時，在裝備中安裝有剎車機構以輔助直流電機剎車器停車；裝備動力傳動采用鏈傳動。工作過程中，接收到指令的行進電機啟停，并通過鏈條帶動前軸旋轉，同時前軸通過鏈條帶動后軸旋轉，裝備行進速度由控制平臺的速度控制旋鈕控制，裝備電源采用4塊12V蓄電池串聯供電。行進直流電機的技術參數如表2所示。

表2　行進電機技術參數

3.2行進機構的優化分析

裝備行進機構是裝備工作可靠的重要保障，其主要受力零件為行進軸。為此，對裝備行進軸進行有限元分析，行進軸材料為45鋼，屈服強度355MPa，承載負載，網格劃分后節點總數13 905個，單元總數8 406個。

分析后安全系數云圖如圖7所示。由圖7可知：行走軸最大位移變化量0.603mm，最大應力37.2MPa，安全系數10.11，符合使用要求。

圖7　安全系數變化云圖

4精度試驗

4.1試驗材料

農標普瑞納奶牛泌乳期精料補充料與自備料按2：1均勻混合，主要成分為玉米、麩皮、豆粕(餅)、魚粉、棉粕、菜粕、礦物質、氨基酸及多種維生素等。

4.2試驗儀器

精飼料精確飼喂機(自制)，電子秤(上海友聲衡器有限公司制造，最大值30kg，分度值2g)。

4.3數據分析

精度測試試驗設定飼喂機目標投料量分別為2.0、2.5、3.0、3.5、4.0kg/次，得到測試數據如表3所示。

表3　測試數據統計表

測量值和目標值的相對誤差如表4所示。

表4　相對誤差統計表

從表4可知：裝備投料相對誤差小于2%，滿足精確飼喂精度要求。

5結論

實施奶牛精細養殖是奶業發展的必然趨勢，本研究完成的軌道式奶牛精飼料精確飼喂裝備機械系統，采用步進電機驅動與等徑變螺距容積式計量方式相結合實現裝備的精確給料，通過直流電機驅動與軌道式行進機構相結合實現裝備的往復行進。試驗結果表明：其給料誤差小于2%，符合精細養殖技術要求。

參考文獻：

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[11]高振江,李輝,蒙賀偉.基于全混合日糧飼喂技術的精飼料精確飼喂模式[J].農業工程學報,2013,29(7):148-154.

Abstract ID:1003-188X(2016)05-0165-EA

The Rail-mounted Cow Concentrated Feed Feeds the Equipment Mechanical System Design Precisely

Meng Hewei1, Li Yaping1, Gao Zhenjiang2, Li Hui2, Hou Fuqin3

(1.College of Mechanical and Electronical Engineering，Shihezi University，Shihezi 832000,China；2.College of Engineering Institute,China Agricultural University,Beijing 100083,China; 3.Xinjiang Western Animal Husbandry Limited by Share Ltd,Shihezi 832000,China)

Abstract：Implementation cow fine breed is the dairy industry development inevitable trend, it is an important measure to raise the cow breeding technical level and reduce the production cost. In the earlier research base, this article completed the equipment mechanical system design precisely of the rail-mounted dairy cow precision feeding, the equipment uses the stepping motor-driven changes with and other diameters the pitch volume measurement way unified to realize the equipment gives the accurate feeding , unified to realize the reciprocation of equipment to march forward through the direct current machine actuation and rail-mounted march organization, the equipment that the research completed realized the cow to feed the equipment march by with the precise batch feeding. After the experiment, the material error is smaller than 2% , meets the fine cultivation specification.

Key words：cow; accurate feeding; mechanics; rail-mounted

文章編號：1003-188X(2016)05-0165-04

中圖分類號：S817.3

文獻標識碼：A

作者簡介：蒙賀偉(1982-)，男，新疆伊犁人，副教授，(E-mail)mhw_mac@shzu.edu.cn。通訊作者：李亞萍(1980-)，女，黑龍江虎林人，講師，碩士，(E-mail)lyp_mac@shzu.edu.cn。

基金項目：國家農業科技成果轉化資金項目(2010GB2G410603)；新疆生產建設兵團科技支疆項目(2013AB005)

收稿日期：2015-04-20