犢牛飼喂裝置的設計及參數計算

王 玄，李源源，侯云濤

（黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081）

傳統的奶牛養殖場飼喂犢牛時，需要大量人工，成本高，效率低，不利于奶牛養殖場大規模發展。為解決此問題，模擬奶牛乳頭喂養的自然狀態，設計一種全自動犢牛精準飼喂裝置。此裝置具有犢牛識別、恒定水溫、自動攪拌、代乳粉設定量排放、牛奶輸送、機器消毒等功能，并準確記錄犢牛的平均飲奶量、時間、次數。犢牛飼喂裝置接近奶牛乳頭喂養的自然狀態，提高犢牛的存活率和健康水平，同時節省大量勞動力，有利于我國奶牛養殖向規模化與標準化方向發展。

1 飲奶站整體結構設計

奶、水供入裝置主要由多組電磁閥、減壓閥、流量傳感器、牛奶輸送與配料用不銹鋼泵、管路等組成，詳見圖1。其主要功能是為其他裝置定量提供水、奶，以及排放攪拌器內的溶液。

圖1 奶、水供入裝置結構簡圖Figure 1 Structural diagram of milk and water feeding device

2 飲奶站動力元件的選用

為滿足犢牛飲奶需要加熱的要求，且避免能源浪費，設計選擇額定功率5 kW的加熱器，其電源電壓為 380 V，頻率 50 Hz。

從電動機的特性來看，由調節頻率來調節電動機轉速，可以達到改變自動飼喂機速度的目的。因此采用變頻器置實現電動機的供電及調速要求。選用上海電氣設備廠生產的KSF-3A／230V新型變頻設備。工作電源主要技術參數如下：輸入電壓為380 V，輸入電流為5 A，配用電機規格的額定電壓為380 V，額定功率為 0.3 kW。

3 飼喂控制傳動型式硬件設計

就齒輪傳動和帶傳動2種形式而言，機械傳動尤其是齒輪傳動工作可靠，傳動效率高，且便于選購和加工。為此，犢牛飲奶站傳動選用自行設計的主傳動系統。

4 飼喂控制軟件設計

系統通過讀卡器識別進入飼喂站的犢牛電子耳標，根據動物編號查詢飼喂數據庫的飼喂標準和設定飼喂量，啟動飼喂機加入代乳粉、水并攪拌均勻后，蠕動泵開始輸送牛奶，完畢后對管路進行消毒、清洗。系統程序如圖3所示。

5 飼喂裝置主要參數的選定及計算

5.1 代乳粉料斗容量的確定

在傳統飼喂中，犢牛每天飼喂2～3次限量代乳粉。當犢牛每日按低于 1.5 磅（0.68 kg）的固體限喂奶時，代乳粉料斗約為34 kg（裝至頂面時）。一個綜合飼喂站可以操控3～4個奶嘴線。犢牛一天飼喂4～8次，每次 0.5～2.0 L， 則每條線可以飼喂 20～30 頭犢牛或10～15頭仔牛肉犢牛。

圖2 飼喂控制系統的工作流程Figure 2 Feeding control system working process

5.2 代乳粉料斗質量計算

代乳粉料斗質量計算公式為：

式中：h1，h2是圓臺高度，h1＝0.25 m，h2＝0.25 m；R為料斗上口半徑，R＝0.25 m，r為料斗下口半徑，r＝0.06 m；ρ為代乳粉密度，設定 ρ＝450 kg／m3。

經計算得M＝0.077 0346ρ＝34.65（kg）。

5.3 飼喂速度的確定

根據犢牛日齡確定飼喂裝置的奶嘴流量，具體如表1所示。

表1 計劃飼喂速度Table 1 Plan feeding speed

5.4 熱計算

換熱采用管殼式換熱器，其適于大溫差的流體，且管的內表面易于清洗。銅管內的牛奶從進口t1′＝4℃加熱到出口的t1″＝37℃。牛奶95%以上為水分，水的密度為 ρ＝998 kg／m3，比熱容cp1＝4 187 J／（kg·℃），牛奶輸泵流量Qmax＝10 L／min，所以質量流量m1＝0.16 kg／s。

同時，管外熱水由溫度t2′＝70 ℃下降到t2″＝43.6℃，故換熱器采用直徑9.52 mm、壁厚0.8 mm的銅管，管內側放熱系數a1＝405 W／（m2·℃），管外側放熱系數a2＝348 9 W／（m2·℃）。

5.4.1 管內流體升溫需要的熱流量管內流體升到37℃需要的熱流量為：

式中：m1為冷流體質量流量，kg／s。

由Q＝m2·cp1·（t2″-t2′），得t2″＝43.6 ℃。

5.4.2 傳熱溫差Δt按叉流方式求傳熱溫差Δt， 把傳熱溫差Δt和傳熱系數K代入換熱面積公式得：

因此傳熱溫差為31.1℃。

5.4.3 傳熱系數 K銅管采用直徑 9.52 mm、 壁厚 0.8 mm銅管。因為銅管導熱熱阻很小，故熱阻可略。銅管傳熱熱阻R1為：

式中：d2為圓管的內徑；d1為圓管的外徑；L為圓管的長度；a1為管內側放熱系數，W／（m2·℃）；a2為管外側放熱系數，W／（m2·℃）。

5.4.4 所需換熱面積把傳熱溫差Δt和傳熱系數K代入換熱面積公式得：

式中：Q為熱量／W；K為傳熱系數，W／（m2·℃）；F為換熱面積，m2；Δt為平均溫差，℃。

5.5 攪拌軸的設計與計算

攪拌電機的主要功能是為旋轉工作部件和代乳粉、熱水混合提供動力。為滿足輸出軸轉數要求，n1＝1 540 rpm；n2＝1 000 rpm，Ne＝0.30 kw，ne＝1 500 rpm，傳動比i1＝ne／n1＝2.78，i2＝ne／n2＝1.5， 選用 J02-11-4 電動機。

5.5.1 攪拌軸計算按扭矩強度計算，取；按扭轉鋼度計算，取取d＝1.2 cm。

5.5.2 攪拌軸的校核齒輪的圓周為kg；齒輪的經向力為：pr＝pt×tgα＝20×0.364＝0.73（kg）；水平面的水剪切力為：T1＝1.3 kg，T2＝1.1 kg；垂直面的反力為：R1＝0.3 kg；R2＝0.5 kg； 最大彎距為：Mw1＝10.2 kg·cm，MW2＝9.1 kg·cm； 組合彎距（kg·cm）。

5.5.3 校核強度 （彎扭組合）攪拌軸許應用力σ1的計算過程為：

式中：D＝4.2，d＝3.6，b＝0.7，Z＝8。計算得出W＝2.4，σ1＝M／W＝13.68／2.4＝5.7。

查鋼材許用應力表可知，攪拌軸材料的許用應力［σ］＝12 kg／cm2＞σ1，說明軸的疲勞強度足夠。

5.4.4 危險斷面校核 退刀槽處有圓角應力集中，取Kj＝2.3，Kt＝2.7，Mwa＝0，Mna＝0.5 Mn，則：

d＝說明斷面安全。

5.6 軸承的選擇

根據軸承所受負荷的大小、方向和轉速，輸入軸與輸出軸的軸承選用單列向心球軸承。

5.6.1 輸入軸的軸承軸承受徑向負荷為R＝13.3 kg，外圈轉速為n＝1 500 rpm，內圈不轉，工作過程中受輕微沖擊力和短時間的超負荷，工作溫度不超過100℃，要求壽命5 000 h。

軸的直徑d＝1.2 cm，則軸承工作能力系數c為：c＝（R·Kx+m·A）·Kf·Kw（nh）0.3＝20189。式中：Kx＝1.1，m＝1.5，A＝0，Kf＝1.2，Kw＝1，（nh）0.3＝115。

根據軸承d＝3.5 cm，c＝20 189 的要求， 選用 103或203單列向心球軸承。較分析，確定采用203軸承。此計算中忽略軸向力，但實際工作中軸向力是存在的。

5.6.2 輸出軸的軸承軸承受徑向負荷R＝15.9 kg，外圈轉速n＝1 000 rpm，內圈不轉，工作過程中受輕微沖擊。力和短時間的超負荷，工作溫度不超過100℃，要求壽命5 000 h。

軸的直徑d＝1.5 cm，因此選擇203單列向心球軸承。

6 結論

通過犢牛飼喂裝置零部件的設計、選型，以及相關參數的計算、優化，確定犢牛飼喂裝置的機械結構，為犢牛飼喂裝置的后續研究打下堅實的理論基礎。犢牛飼喂裝置的飼喂方式近似奶牛乳頭喂養，不僅飼喂效率高，而且能大幅增加犢牛的存活機率、降低犢牛的患病可能，節省人工支出，對我國奶牛養殖的規模化與智能化發展具有重要意義。