牛羊養殖電動推料機設計與試驗*

王保興，董和銀，范國強，王金星，王忠宇，吳愛兵

(1. 山東農業大學機械與電子工程學院，山東泰安，271018； 2. 山東省農業裝備智能化工程實驗室，山東泰安，271018；3. 山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安，271018； 4. 泰安意美特機械有限公司，山東新泰，271215；5. 泰安市畜牧智能裝備產業技術研究院，山東新泰，271215； 6. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014)

0 引言

近年來，我國推動牛羊養殖業向集約化和規模化轉變，取得了顯著的成效。但小規模牧場仍占比較多，且機械化程度低，飼養模式和管理模式都不具有科學性[1]。由于國內玉米、大豆等牛羊養殖常用飼料農作物種植面積減少，以及國際市場相關飼料價格不斷升高，導致我國牛羊養殖業面臨一定風險[2]。25%的牧場由于鮮牛乳價格低、飼料成本上升和招工難等問題導致奶牛存欄量銳減[3-4]。

為了提高國內牛羊養殖業抵抗風險的能力，需要繼續提高牛羊養殖業的現代化水平。針對這一問題，需要改變傳統的飼喂方法，以減少飼料的浪費、降低成本。在傳統飼喂過程中，撒料車將飼料拋撒在牛羊的圍欄邊緣供牛羊食用，但牛羊在食用過程中會將大量的飼料拱出飼喂區域，如果不及時推回會造成飼料的浪費。目前國內牧場中的飼料回推作業主要依靠裝載機或人工實現，人工作業勞動強度大且效率低，且隨著近年來勞動力成本逐年提高，導致飼喂成本上升。通過改造裝載機可以推回飼料，但大材小用且效率低。所以牧場飼喂中的飼料回推工作需要一種機械化程度很高的機械設備代替人工作業。沈治[5]研制了自適應PID控制的自動推料機器人，焦盼德等[6]研制了奶牛智能推料機器人，袁玉昊等[7]研制了精料撒料及推草機器人。但這些推料機器人適用于大型機械化和智能化程度較高的牧場，無法適用于大量小規模牧場。

針對我國牛羊飼喂現狀，設計一種集推料與掃料于一體的電動推料機，該推料機由電力驅動，只需一人操作即可實現推料、掃料和巡邏等功能，能夠代替人工作業，提高作業效率并降低勞動成本，以實現在牧場中機械化推料的目的。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機的結構

電動推料機主要由推料板、液壓系統、照明系統、轉向機構、行走機構、清掃機構、車架、駕駛室、牽引架組成。整機結構如圖1所示。

圖1 電動推料機結構示意圖

電池組為行走機構和液壓系統提供動力，由人工操作轉向機構控制行走機構的前輪實現推料機的轉向。行走機構主要由前輪、后輪、車橋和電機組成，電機驅動后輪為整車的行走提供動力，前輪控制車的行進方向。推料機構主要由2個液壓缸和推料板組成，液壓缸控制推料板運動，實現推料板升降和轉向功能。清掃機構安裝在推料機的一側，通過1個液壓缸控制清掃柱刷的上升與下落并通過1個液壓馬達控制柱刷旋轉，便于清掃牧場。車前方的照明系統由電池組提供電力，能夠實現在光線陰暗以及夜晚情況下的作業。車架后方的牽引架能夠牽引其他車輛或機械裝置，可以實現一車多用。電動推料機的設計參數如表1所示。

表1 整機參數Tab. 1 Whole machine parameter

1.2 工作原理

電動推料機在進行推料工作時首先打開電源開關，然后行駛到工作區域。通過控制閥桿操縱推料機構的2個液壓缸，使推料板下降到合適的高度并調整推料板的角度。之后駕駛推料機前進，并根據推料效果選擇合適的作業速度；同時也可控制柱刷與地面接觸并驅動其旋轉，清理未被推料板推動的殘余細小飼料。當電動推料機進行清掃工作時，首先通過控制閥桿把推料板升到最高位置，使其遠離地面。隨后再通過控制閥桿操作清掃系統的液壓缸使得柱刷下降到與地面接觸的位置，驅動液壓馬達使柱刷旋轉，駕駛推料機前進開始清掃工作。

1.2.1 推料機構

推料機構是電動推料機中最關鍵的部分，主要由升降液壓缸、升降板、三角塊、轉向液壓缸和推料板組成，如圖2所示。

(a) 主視圖

推料機構中的升降液壓缸固定于車體外殼，升降液壓缸的推桿與升降板連接，控制升降板的升降運動。三角塊與升降板的一側采用鉸接，轉向液壓缸的兩端分別連接三角塊與升降板，推料板與三角塊焊接，通過操縱轉向液壓缸推桿的伸縮可以控制推料板調整推料方向。通過升降液壓缸與轉向液壓缸的相互配合可以將推料板調整到合適的位置進行推料工作。

1.2.2 清掃機構

清掃機構主要由柱刷、柱刷罩、液壓缸和液壓馬達組成，如圖3所示。

圖3 液壓清掃機構結構示意圖

清掃機構中的液壓缸的缸體通過鉸接的方式固定于車架，液壓缸的推桿與護罩通過鉸接的方式連接，護罩又與車架鉸接于一體。柱刷遠離車架的一端通過軸承座固定在護罩上，柱刷接近車架的一端與液壓馬達相連接，驅動柱刷旋轉，同時液壓馬達安裝在護罩上。

此結構可以通過控制液壓缸的伸縮實現柱刷收起與下落動作，當不需要進行清掃工作時，液壓缸推桿伸出，護罩帶動著柱刷向上做收起運動；當進行清掃工作時，液壓缸推桿收縮，護罩連同柱刷一起向下運動，運動到與地面平行且接觸的位置停止液壓缸推桿的運動，啟動液壓馬達帶動柱刷旋轉，開始工作。

1.2.3 液壓系統

電動推料機的液壓原理圖，如圖4所示。液壓泵由電機帶動旋轉后從油箱中吸油，油液經過濾器進入到液壓泵中，進而流入到三位四通換向閥和二位二通換向閥中，以控制升降液壓缸、轉向液壓缸、柱刷液壓缸以及液壓馬達，最終回到油箱。

圖4 液壓系統原理圖

2 關鍵部件設計

2.1 清掃機構的設計

清掃機構能夠實現清理牧場環境的功能，其主要工作部件為柱刷，柱刷的清掃寬度為0.5 m，半徑為0.25 m，柱刷工作時的轉速為300 r/min，刷毛采用尼龍材質，經研究發現尼龍材質的柱刷清掃性能更好，同時能夠適應國內傳統的牛舍、羊舍和牧場中狹窄的道路[8]。柱刷外側設有120°的護罩，可以有效降低工作時產生的飛塵對駕駛員的影響。

如圖5所示，柱刷工作時，推料機以速度v帶動柱刷前進，同時柱刷以線速度vm逆時針旋轉，清掃前進道路上的雜物。根據設計目標推料機速度v為5 m/s。刷毛與地面接觸后，受地面的影響刷毛會變形。設刷毛與地面剛接觸時的極限位置為點A，刷毛與地面接觸的垂直位置為點B，刷毛離開地面的極限位置為點C。刷毛由A點運動到B點經過的角度為β，刷毛的變形量也由零增加到最大值，當由B點運動到C點時，變形量由最大值逐漸降低到零。在此過程中，刷毛的變形以及刷毛與地面的摩擦都會消耗功率。

圖5 柱刷工作示意圖

柱刷在工作時所消耗的功率

P=Pa+Pb+Pc

(1)

式中：Pa——刷毛和地面摩擦所消耗的功率，kW；

Pb——刷毛變形所消耗的功率，kW；

Pc——柱刷克服空氣阻力所消耗的功率，kW。

刷毛和地面摩擦所消耗的功率[9]

(2)

式中：N——刷毛變形后對地面的作用力，N；

μ1——刷毛與地面的摩擦,μ1=0.4[10]；

v——推料機的工作速度，5 m/s；

vm——柱刷的線速度，m/s；

η——傳動效率，由于柱刷與液壓馬達直接相連，所以η=100%。

刷毛變形后對地面的作用力[11-12]

(3)

式中：d——刷毛直徑，0.002 m；

Rm——柱刷半徑，0.25 m；

l——刷毛的長度，0.15 m；

E——刷毛材料的彈性模量，取1×1011Pa[2]；

J——刷毛摩擦截面的慣性矩，m4;

h——刷毛接觸地面因彎曲產生的變形量，0.02 m;

zB——工作時與地面接觸的刷毛的數量。

刷毛摩擦截面的慣性矩

(4)

工作時與地面接觸的刷毛的數量

(5)

式中：B——柱刷的清掃寬度，m。

(6)

柱刷的線速度

(7)

式中：n——轉速，300 r/min。

經計算得刷毛與地面接觸后變形作用到地面上的力N=270.73 N，刷毛與地面摩擦所消耗的功率Pa=1.39 kW。

柱刷在工作時，刷毛與地面摩擦消耗部分功率，刷毛與地面接觸后變形也會消耗部分功率，因此刷毛變形所消耗的功率[13]

(8)

(9)

計算得出刷毛變形所消耗的功率Pb=0.97 kW。柱刷旋轉時因空氣阻力的作用也會消耗部分功率，因空氣阻力所消耗的功率

Pc≈0.01Pa

(10)

計算得柱刷旋轉因空氣消耗的功率Pc=1.39×10-2kW。故柱刷工作時所消耗的總功率P=2.373 9 kW。

2.2 推料機構的設計

推料板是電動推料機推料機構中最主要的部分，推料板需要將遠離圍欄的飼料推回到圍欄邊緣。如圖6所示，推料板主要由兩部分組成分別為推板和橡膠板，推板用Q235普通碳素結構鋼制作，其長度L4為1.2 m，在推板的下方安裝一橡膠板，橡膠板通過螺栓與推板固定，橡膠板比推板多向下延伸L3=0.04 m距離，防止推板直接與地面摩擦，能夠提升推料效果；因該推料機構的設計主要是利用推料板左側部分工作，故在推板左側也用螺栓將橡膠板安裝在推板上，橡膠板也比推板多向左延伸L3的距離。

圖6 推料板示意圖

推料板工作時的示意圖如圖7所示，K為飼料區域，工作時，液壓缸會圍繞點O2在角度α2的范圍運動，液壓缸的伸縮能夠控制推料板中心線O1N1圍繞O1在角度為α1的范圍內運動，從而可以根據實際情況調整合適的推料角度，將遠離圍欄的飼料推回到圍欄邊緣，供牛、羊食用。

圖7 推料工作示意圖

推料板完成推料工作后，需要將推料板提升以遠離地面，減少橡膠板與地面的摩擦，等到下次工作時再將推料板下降。設計如圖8所示的升降機構達到其升降效果，升降板正面焊接有液壓缸安裝座與圖7中的液壓缸相連接，升降板的背面連接有滑塊和導軌，由安裝在車架上的液壓缸控制升降板上下滑動[14-15]。

(a) 主視圖 (b) 側視圖

電動推料機推料機構的推料功能通過控制圖7和圖8中的兩個液壓缸實現，圖7中的液壓缸控制推料方向，圖8中的液壓缸控制推料板的升降運動。

2.3 驅動電機的選型及傳動比的計算

對推料板的推料過程進行受力分析，如圖9所示。圖9(a)為推料板推料過程的三維示意圖，圖9(b)為俯視圖，圖中K所在的陰影區域表示飼料，面A1B1C1D1表示推料板。沿推料機的前進方向為x軸的正方向，垂直地面向上的方向為y軸的正方向，垂直于xy面指向飼料寬度方向為z軸正方向。

(a) 三維示意圖 (b) 俯視圖

按最大有效推料量進行受力分析，而最大有效推料量取決于推料板的面積和飼料的堆積角。最大有效推料質量

(11)

式中：ρ——青貯飼料密度[16]，取值420 kg/m3;

L5——推料板高度，取值0.4 m；

ε——青貯飼料堆積角[17]，取值39.8°。

青貯飼料與地面的摩擦力

fa=μamg

(12)

式中：μa——青貯飼料與地面的摩擦系數[18]，取值0.6。

青貯飼料與推料板的摩擦力

fb=μbFN

(13)

式中：μb——青貯飼料與推料板的摩擦系數[18]，取值0.565；

FN——推料板對青貯飼料的力。

聯合式(16)～式(18)進行求解

FN2+fb2=fa2

(14)

計算得FN=255.95 N，fb=144.61 N。

當推料板與z方向的夾角大于物料與推料板的摩擦角時，青貯飼料才能沿推料板流動。隨著推料板角度的增大，青貯飼料需要推料機沿x方向提供的力也就越小。所以青貯飼料需要推料機沿x方向提供的最大力

(15)

式中：β1——推料板的推料時的摩擦角，取值29.47°。

摩擦角β1是由青貯飼料與推料板之間的摩擦系數μb求得的。在進行推料工作時，人和推料機與地面間的摩擦力

Fc=μc(m1+m2)g

(16)

式中：μc——輪胎與地面的摩擦系數，取值0.02；

m1——推料機的質量，取值670 kg；

m2——人的質量，取值80 kg。

推料機推料過程中驅動推料機和青貯飼料運動的總功率

P=Fcvc+Ffvc

(17)

總功率P=612.98 W，根據總功率P選擇推料機的驅動電機，根據設計方案推料機有牽引其他車輛和機械裝置的需求，同時考慮負載特性以及蓄電池供電的特性，選擇直流串勵電機，該電機能夠提供較大的啟動轉矩可達到額定轉矩的5倍左右，同時轉速變化范圍較大，調速范圍在1∶3以上，適合低速大扭矩推料工作和高速巡邏等功能。所選電機的具體參數如表2所示。

表2 驅動電機參數Tab. 2 Drive motor parameters

根據設計要求推料機在巡邏狀態下行駛速度最高為15 km/h，則車后驅動輪轉速應為177.3 r/min，而電機的輸出轉速為3 500 r/min所以需要車橋提供的傳動比

(18)

式中：n1——電機輸出轉速；

n2——車輪驅動輪轉速。

求得在巡邏狀態下車橋傳動比i為19.7，根據電機和傳動比的要求，同時為了便于電機與驅動車橋的安裝，選擇電機車橋一體式結構，其傳動比為20，實際最高速度為14.805 km/h，約為15 km/h滿足要求。

在推料過程中，驅動輪的負載扭矩

T=(Fc+Ff)R

(19)

式中：R——推料機后輪的半徑，225 mm。

計算得負載扭矩T為106.722 N·m。在推料過程中電機提供給驅動輪的最大驅動扭矩

(20)

求得驅動輪的最大扭矩Tm為163.7 N·m大于負載扭矩，所以在推料過程中推料機能夠正常運動。在此最大扭矩時推料速度

(21)

計算得在最大扭矩時的推料速度vcm=4.948 km/h，約為5 km/h，滿足要求。

3 試驗結果與分析

本試驗在天津市福沃奶牛養殖專業合作社進行，用撒料車拋撒青貯飼料到奶牛圍欄邊緣，撒料后飼料堆積在圍欄邊緣，飼料堆的截面形狀近似為三角形，如圖10所示，此時飼料堆的寬度為0.8 m。

圖10 撒料后青貯飼料堆形狀

奶牛在食用過程中會將青貯飼料拱到較遠位置，其中青貯飼料離圍欄邊緣的最大寬度可達到1.7 m，如圖11所示。但是經過測量發現奶牛食用后的青貯飼料堆寬度平均為1.2 m，如圖12所示。

圖11 食用后寬度最大的青貯飼料堆

圖12 食用后一般寬度的青貯飼料堆

駕駛電動推料機以5 km/h的作業速度進行在不同位置進行多次推料作業，推料機經過后的地面上未出現大范圍飼料未被推離的現象，僅保留有極少數細微的青貯飼料顆粒，電動推料機能夠有效地將青貯飼料推到圍欄邊緣。推料后，青貯飼料堆寬度為0.7 m，成年奶牛的采食區域為距離圍欄0.8 m范圍內，所以能夠滿足奶牛食用需求。

推料機清掃效率

Q1=3 600Bvqkn

(22)

式中：kn——重疊系數，取值0.9;

vq——測試中推料機前進速度，取1.39 m/s。

推料機推料效率

(23)

相關試驗測試數據如表3所示。

表3 試驗測試結果Tab. 3 Test result

經過試驗發現，電動推料機各部件均能正常工作，遠離圍欄的飼料均能被推回圍欄邊緣，既方便了奶牛的采食又避免了飼料的浪費，同時降低人工勞動強度，提高了工作效率，達到預期效果。

4 結論

針對在國內傳統的牛羊飼喂過程中，牛羊在采食過程中會將飼料拱出飼喂區域，需要人工將遠離圍欄的飼料推回圍欄邊緣，人工勞動強度大，作業效率低這一問題，設計一種牧場用電動推料機，該推料機能夠代替人工推料，只需一人即可完成推料工作，降低勞動強度且作業效率極高。通過對關鍵機構進行設計計算，建立推料作業的理論模型，為后續研究和改進提供了理論基礎。

電動推料機采用電力驅動不會排放有害氣體既防止奶牛吸入有毒氣體損害身體健康又起到保護環境作用。電動推料機集推料、清掃、巡邏和牽引其他機械多功能于一體，真正實現了一機多用。推料寬度為1.2 m，清掃寬度為0.5 m，最高行駛速度最高可達到15 km/h。整車的動力由安裝在車內部的電池組提供，其結構主要包括推料機構和清掃機構，推料機構采用2個液壓缸實現推料板的靈活運動，能夠根據每個牧場的不同情況調整推料角度，達到最佳工作效果；清掃機構主要利用液壓馬達控制柱刷的轉速，通過液壓缸控制柱刷的升降運動，該機構可清除推料后殘留在地面上的飼料。通過試驗驗證，該機能夠將遠離奶牛飼喂區域的飼料順利推回到奶牛飼喂區域，達到預期效果。