生豬液態飼料智能喂料車設計與試驗*

趙大慶，管延華，齊自成，武連兵，梁磊，姚玉梅

(1. 山東省諸城市農機農經發展中心，山東諸城，262200； 2. 山東省農業機械技術推廣站，濟南市，250100；3. 山東省農業機械科學研究院，濟南市，250100； 4. 山東省農業科學院(壽光)農牧廢棄物資源化利用產業技術研究院，山東壽光，262700； 5. 肥城久億機械有限公司，山東肥城，271600)

0 引言

液態飼料指飼料與水的混合物或常規飼料與食品工業液體副產品的混合物，一般液態料含干物質20%～30%[1]。液態飼料來源廣，喂豬成本低[2-3]。液態飼喂可有效減少仔豬斷奶應激，顯著降低仔豬斷奶后的腹瀉率和死亡率[4-7]；液態飼喂可以提高育肥豬的日增重和飼料轉化率，液態飼喂育肥豬的平均飼料轉化率比干料組提高6.77%，平均日增重提高9.33%，效果顯著，且豬的整齊度較好[8-10]；液態飼喂產生粉塵少、豬只呼吸系統發病率低[11]。通過在液態飼料中添加有益微生物進行發酵可降解飼料中的抗營養因子，改善飼料營養組分，維持豬只腸道菌群微生態平衡，促進消化道健康，減少疾病的發生和抗生素的使用，保障了食品安全[12-13]。液態飼料喂豬在歐洲養豬發達國家得到了廣泛應用，例如丹麥、德國、荷蘭、法國超過70%的育肥豬采用了液態飼喂模式，種豬配懷舍和妊娠舍，使用比例也都超過了50%[14]。美、日、俄等國對液態飼喂也非常重視，正逐步興起；亞洲的泰國、菲律賓和我國臺灣地區也已大面積應用液態飼喂[15]。

目前歐洲發達國家的生豬液態飼喂系統主要采用管道輸送的方式，該系統設備管路復雜、投資大、對操作人員的要求高[11]，制約了生豬液態飼喂技術在我國的普及和推廣。針對這一現狀，國內多家畜牧裝備生產企業設計研發了多款替代管道輸送的電動粥料車，但這些設備未配置計量裝置，不能實現精準飼喂；且自動化程度低，需要人工操作。受人工成本上升及“雙疫情”(非洲豬瘟和新冠肺炎)影響，迫切需要機械化和自動化飼養設備來提高養豬效益。基于此，本文設計了一款用于生豬液態飼喂的軌道式智能喂料車(以下簡稱喂料車)，對喂料車的行走系統、料倉及投料系統、控制系統等進行設計，并開展裝料、定點停車、投料的試驗。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

設計的喂料車主要有行走系統、投料系統及控制系統組成，硬件框圖如圖1所示。

1.2 工作原理

喂料車在PLC控制下定時啟動飼喂程序，根據設定的飼喂參數(飼喂曲線、當餐比例)、目標豬舍的豬只數量及日齡自動計算出本次飼喂的總飼料量。喂料車PLC通過Zigbee網絡向攪拌站PLC發送加料指令，加料閥門開啟，向喂料車料倉加料。當加料量達到本次飼喂所需的飼料量或喂料車料倉額定容量時，喂料車PLC發出停止加料指令，加料閥門關閉。喂料車將液態飼料運送到相應豬舍，并按設定量將液態飼料精準投送到相應每一個食槽。當料倉剩余飼料量小于下一個食槽設定投喂量時，喂料車自動記錄該食槽位置、計算投喂剩余食槽所需飼料量并返回加料點執行加料操作。完成加料后，喂料車越過已投料食槽，直接到第一個未投料食槽繼續投料作業，既不會重復，也不會遺漏。完成目標豬舍當次飼喂任務，喂料車自動返回位于攪拌站的加料點，等待執行下一次飼喂任務。

圖1 喂料車硬件框圖

2 喂料車設計

2.1 總體方案設計

2.1.1 規格設計

對生豬液態飼料電動喂料車的參數及用戶調查情況：目前市場上銷售的喂料車全部為鉛酸蓄電池供電，有三輪也有四輪，有步進式的，也有乘坐式的，都需要人工操作。豬舍過道寬度普遍在0.8～1.0 m之間，受此限制喂料車寬度不能超過0.7 m，料倉容積一般在400 L之內。由于沒有掉頭及轉彎的空間，喂料車在豬舍內只能沿過道中心線直進或直退，做往復直線運動。受料倉容量限制，每棟豬舍投喂一遍喂料車往往要在豬舍及攪拌站之間往返多次，因此用戶要求料倉容積再大一些更好，通過調研本喂料車寬度定為700 mm，料倉容積設計值定為500 L(載重量500 kg)。

2.1.2 制導模式選擇

本喂料車是一種無人運輸車，無人運輸車按制導方式可分為AGV及RGV兩種模式。AGV能夠在工作線路復雜的情況下工作，但成本遠高于同等載重量的RGV，以載重量500 kg的AGV為例，其價格在8萬元左右，而同等載重量的RGV價格僅5 000元左右，并且AGV對環境要求高、在室外以及地面有沙粒等環境下工作，磁條易損，維護成本高[16]。本喂料車工作路線固定、相對簡單，且要求能在室外可靠運行，因此本喂料車選用了成本最低的單軌RGV模式。

2.1.3 行走系統方案選擇

喂料車要求能沿軌道前進及后退，因此前后必須各設一個導向輪，符合這一要求有六輪及四輪兩種型式，其底盤分別如圖2、圖3所示。六輪單軌車前后兩個為導向輪，不起承重作用；四輪單軌車前后各一個導向輪，該導向輪即起導向作用，還起承重作用，中間兩個為驅動輪。六輪單軌車優點是穩定性好，但其轉彎半徑較大，通常在轉向處配置轉向臺，這樣一來不僅增加了成本，還降低了系統的可靠性，因此本設計選用四輪單軌方案，如圖4所示，每棟豬舍配置1臺喂料車及其專用軌道，避免了轉向臺或轉轍機，提高了系統的可靠性。

圖2 六輪單軌車底盤

圖3 四輪單軌車底盤

圖4 豬舍喂料車

2.1.4 認址方式選擇

認址即位置識別，認址是PLC對喂料車進行位置控制、速度控制、方向控制和邏輯控制的依據。認址有激光測距儀認址、編碼器認址、接近開關認址等多種方式。考慮到豬舍環境較差，豬糞便及氨氣等有害氣體對電器元件的影響，激光測距儀、編碼器及光電式、電容式、霍爾元件等接近開關在豬舍使用可靠性難以保證，本喂料車采用磁釘+磁控開關的認址方案，選用直徑為5 mm、長度為10 mm的強力圓柱磁釘垂直固定在地面作地標傳感器，磁釘承擔著喂料車轉彎減速、目標站點的識別任務，為控制系統提供位置信息，為喂料車正常運行及精準停車起到保障作用。在喂料車相應位置安裝了磁控開關做接近開關，磁控開關隨喂料車到達磁釘上方時動作，發出位置信息。從加料點出發，隨著磁控開關動作次數的變化，就可以確定喂料車位于哪兩個磁釘之間。磁信號不受豬糞便阻隔，磁控開關封裝在玻璃管內也不怕有害氣體的腐蝕，此方案不需要電源，非接觸，免維護，工作可靠，成本低。

2.2 行走系統設計

行走系統包括驅動橋總成、行走電機、機架、驅動輪及前后導向輪等組成。軌道為鍍鋅焊管，鋪設在喂料車行進的全程，豬舍內軌道為直軌，豬舍外軌道由彎軌與直軌組成。

2.2.1 驅動橋選擇

目前市面上電動車驅動橋規格品種較多，可根據載重量及最大輸入扭矩進行選擇。本喂料車選擇了一款驅動橋，其載重量為1 000 kg，輸入端最大扭矩100 N·m，速比9.3，輪胎直徑350 mm。

2.2.2 行走電機選型及參數計算

1) 行走電機選型。永磁直流電機有良好的調速特性和機械特性，因省去了勵磁繞組和勵磁損耗而具有結構工藝簡單、體積小、用銅量少、效率高、響應快等特點，要求有良好靜態性能的精密速度和位置傳動系統都可以應用[17-19]。無刷電機相對于有刷電機，具有無電刷、低干擾、噪聲低、運行順暢、壽命長和維護成本低的優點[20]，因此本喂料車所用電機均選用了永磁直流無刷電機。

2) 行走電機額定功率和峰值功率的確定。行走電機功率越大，車輛的動力性能越好，但電機體積和質量也會增加，同時電機不能經常保持在高效區工作，降低了能量利用率[21]。

根據汽車理論，喂料車必須滿足驅動力和行駛阻力平衡公式，因此行走電機的峰值功率Pmax必須要同時滿足喂料車以最高車速行駛時所需的功率Pmax1、在一定車速下以最大爬坡度爬坡時所需的功率Pmax2以及加速過程中所需的最大功率Pmax3，即

Pmax≥{Pmax1，Pmax2，Pmax3}

(1)

式中：m——喂料車滿載質量，kg；

f——滾動阻力因數；

Cd——空氣阻力因數；

A——迎風面積，m2；

η——傳動系的機械效率；

vmax——最高車速，km/h。

(2)

式中：vi——爬坡車速，km/h；

?max——最大坡度角，?max=arctanλmax。

在對喂料車加速性能沒有要求的情況下，Pmax3無需計算，只需Pmax≥Pmax1，Pmax≥Pmax2即可。喂料車參數如表1所示。

表1 喂料車參數表Tab. 1 Parameter table of feeding vehicle

將表1數據代入式(1)、式(2)，計算得Pmax1≈0.9 kW，Pmax2≈1.37 kW。保留一定的后備功率，選擇額定功率為1.5 kW。電機過載系數一般為2～3，根據這一原則，行走電機最大功率定為3.3 kW。

3) 行走驅動電機最高轉速和額定轉速的確定。行走電機的最高轉速nmax可根據喂料車的最高車速確定。

(3)

計算得nmax≥2 537 r/min，因此取行走電機的最高轉速為2 600 r/min。

從日常行駛的角度出發，應盡量使喂料車的常規行駛車速控制在行走電機的額定轉速上，以提高電機效率。取常規車速vN=10 km/h，根據公式

(4)

可求得驅動電機的額定轉速nN=1 500 r/min。

4) 行走驅動電機最大轉矩和額定轉矩的確定。行走電機的最大轉矩是一個重要參數，需滿足喂料車起步加速和最大爬坡度的要求。

(5)

計算得最大轉矩Tmax≥29.5 N·m。

行走電機的額定轉矩TN可根據額定功率和額定轉速計算

(6)

計算得額定轉矩TN=9.55 N·m。

綜上計算與分析得到的驅動電機參數匹配結果如表2所示。

表2 行走電機參數表Tab. 2 Parameter table of travel motor

2.2.3 行走電機驅動模塊選擇

行走電機采用TB6612FNG驅動模塊，TB6612FNG是一款直流電機驅動器件，它具有大電流MOSFET-H橋結構，雙通道電路輸出，可同時驅動2個電機，并且比傳統的L298N效率上提高很多，體積更小。其驅動控制邏輯如下：芯片VM直接接電池電源，VCC內部邏輯供電，STBY置高后模塊才能正常工作，AN1和AN2不同電平組合控制電機的正反轉，PWA接單片機PWM輸出口控制電機轉速，原理圖如圖5所示。

圖5 TB6612FNG驅動模塊原理圖

2.3 料倉及投料系統設計

2.3.1 料倉

喂料車料倉按橫截面形狀，可分為方倉及圓倉，為盡可能增大容量，本喂料車選用方倉型式，如圖6所示，料倉采用壁厚2 mm 304不銹鋼板焊接而成，上部為直段，為減少殘留量底部設計成錐段，為防止液態料運送過程中分層，在料倉縱向中心面安裝了攪拌絞龍。

圖6 喂料車料倉結構圖

2.3.2 投料系統

投料系統由送料泵、電動三通閥及管路等組成。投料作業時，液態飼料通過電動三通閥3到達電動三通閥5，電動三通閥5根據PLC指令將液態飼料輸送到左投料口或右投料口。不投料時液態飼料由電動三通閥3直接返回料倉，起到攪拌作用，防止飼料產生分層，如圖7所示。

圖7 投料系統工作原理圖

生豬液態飼料由常規干飼料、其他輔料與熱水按一定比例配比而成，其他輔料主要是一些地源性飼料，如酒糟、豆渣、粉碎的植物秧蔓、尾菜、食品加工下腳料等。液態飼料比較粘稠，往往含有顆粒及纖維物質。因此對送料泵提出了較高的要求，不僅要能對投料量進行精準計量，還要求能輸送含顆粒的粘稠液體。

本設計選用了可以輸送含有堅硬磨損性雜質及固體顆粒介質液體的螺桿泵。螺桿泵是一種內嚙合轉子式容積泵，其理論排量

Qth=4eDT×10-6

(7)

式中：Qth——理論排量，L/r；

e——偏心距，mm；

D——轉子截面直徑，mm；

T——定子導程，mm。

螺桿泵實際排量

Q=Qthη泵

(8)

式中：Q——實際排量，L/r；

η泵——螺桿泵的容積效率，%。

式(7)、式(8)中偏心距e、轉子直徑D、定子導程T都是螺桿泵的結構參數。結構參數確定后，螺桿泵的實際排量只與容積效率η泵有關。而容積效率主要與泵的內泄漏量有關，也即由定子和轉子的配合間隙(過盈)、輸送介質的粘度以及出口壓力決定[22]。對于某一臺螺桿泵來說定子與轉子配合間隙(過盈)一定，出口壓力(即出料口高度)一定，如果輸送相同的液態料(粘度一定)，則容積效率不變，投料量只與轉子轉數成正比，因此螺桿泵具有一定計量功能，可以通過控制其轉子轉數的方法精準控制喂料量。

2.4 控制系統設計

喂料機控制系統主要硬件有稱重系統、磁控開關、PLC控制器等。

2.4.1 控制系統流程框圖

喂料車主控制系統流程如圖8所示。

圖8 喂料機控制系統流程

為了加快喂料進度，同時避免喂料車行進過程不出現翻車或撒料，在喂料車驅動過程中進行區段調速控制。

其控制流程圖9所示。

圖9 區段調速控制流程

2.4.2 PLC選擇

按照喂料車控制系統流程，需9個輸入點、11個輸出點、1個模擬量輸入和2個模擬量輸出來進行喂料車的運動控制及邏輯控制，經過研究喂料車作業工藝流程以及其所需的輸入、輸出變量的特點，本文采用FP-X-C38AT可編程控制器，其輸入點數為24點，輸出點數為14點，12位AD輸入點4CH，12位DA模擬量輸出點2CH。

可編程控制器的輸入及輸出點如表3、表4所示。

表3 PLC輸入點數Tab. 3 Input points of PLC

表4 PLC輸出點數Tab. 4 Output points of PLC

3 試驗驗證

為驗證喂料車性能，開展了裝料、定點停車及投料試驗，試驗物料為豬全價飼料與水以1∶3質量比配制的液態飼料，密度為1.02 kg/L。

3.1 裝料試驗

為了控制裝料精度，攪拌站出料閥采用電動球閥，其全開時流量約為10 000 kg/h。喂料車PLC程序設定當裝載量離目標值差50 kg時，喂料車PLC發出指令，攪拌站出料閥閥門開度由90°降為45°(相對開度由100%降為50%)，此時流量約為1 150 kg/h；設定當裝載量離目標值差0.3 kg時，喂料車PLC發出指令，出料閥關閉。裝料試驗分別以300、400、500 kg為設定裝載量進行試驗，每個設定裝載量試驗5次，結果如表5所示。

表5 喂料車裝料量試驗數據Tab. 5 Test data of charging amount of feeding truck

裝料試驗數據證明接近設定裝料量時，通過減小流量的方法可以對裝料量進行精準控制。

3.2 定點停車試驗

試驗時喂料車滿載，考慮到慣性，定點停車試驗分別在停車位置前1 m及2 cm處設置了磁釘，喂料車的磁控開關到達第一個磁釘上方時，喂料車開始減速；到達第二個磁釘上方時給行走電機斷電。試驗時喂料車以1.5 m/s速度前進，在3個指定點各進行了10次定點停車試驗，停車位置偏差均小于1 cm。

喂料車行走電機采用直流無刷電機，直流無刷電機斷電時電機為制動狀態。本試驗在喂料車到達目標停車位置前2 cm處給行走電機斷電，由于慣性喂料車帶動行走電機旋轉，電機產生感應電動勢(反電動勢)，為喂料車提供制動能量。試驗證明通過調整磁釘位置可以使喂料車提前減速并對停車位置進行精準控制。

3.3 投料試驗

分別以3、5、10 kg的設定投料量各進行10次投料試驗，在投料口收集并稱重，結果如表6所示。

表6 喂料車投料量試驗數據Tab. 6 Test data of feeding amount of feeding truck

從表6可以看出，以預設的3、5、10 kg為投料量，實際投料量變化范圍分別為2.93～3.07 kg、4.91～5.12 kg、9.80～10.18 kg，實際投料量與設定值偏差平均值小于1%，最大偏差小于2.5%，表明螺桿泵不僅是一種輸送設備，還可以對輸送的物料進行計量和控制，滿足喂料車精準飼喂要求。

4 結論

1) 設計了適合我國中小規模豬場使用的液態飼料喂料車，該喂料車采用磁釘、磁控開關實現了自動認址，通過WiFi與攪拌站之間組網運行，實現喂料車裝料、稱量、巡航、定位投料的全過程自動控制，滿足中小規模豬場液態飼喂要求，喂料車無人駕駛自動運行，提高了效率，降低了勞動力成本，減少了人豬接觸的機會，降低人把病原微生物攜帶傳播的危險。

2) 樣機試驗結果表明，該喂料車通過提前減速，可以實現精準停車(精度±1 cm)；以預設的3、5、10 kg為投料量，實際投料量變化范圍分別為2.93～3.07 kg、4.91～5.12 kg、9.80～10.18 kg，實際投料量與設定值偏差平均值小于1%，最大偏差小于2.5%，滿足生豬液態飼料精準飼喂要求。