雷福祥　許曉東　丁 羽　艾 鑫　王易強(qiáng)　周 嶺

(塔里木大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

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基于SolidWorks大型羊場羊糞清理機(jī)改進(jìn)設(shè)計

雷福祥許曉東丁 羽艾 鑫王易強(qiáng)周 嶺*

(塔里木大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

養(yǎng)羊業(yè)是新疆兵團(tuán)畜牧業(yè)的主體，其生產(chǎn)水平的高低影響著兵團(tuán)畜牧業(yè)的整體水平，目前兵團(tuán)羊場常使用的清糞方式主要是人工清理。本文針對羊場人工糞便清理中存在的問題，利用SolidWorks軟件設(shè)計羊場糞便清理機(jī)三維模型，對自走式和手推式方案做了改進(jìn)，為羊糞清理機(jī)的仿真優(yōu)化及實(shí)體驗(yàn)證提供理論依據(jù)。

大型羊場； 羊糞清理機(jī)； 三維建模； SolidWorks

1　前言

養(yǎng)羊業(yè)是兵團(tuán)畜牧業(yè)的主體，其生產(chǎn)水平的高低影響著兵團(tuán)畜牧業(yè)的整體水平。羊場畜牧機(jī)械在羊場的發(fā)展中起到重要的作用，而羊糞清理機(jī)械在其中非常關(guān)鍵[1]。我們通過實(shí)地考察新疆兵團(tuán)圖木舒克市疆南牧業(yè)公司后，發(fā)現(xiàn)大型羊場今后都向大型化、機(jī)械化發(fā)展，羊圈全部采用雙層結(jié)構(gòu)，即上層為木質(zhì)柵格，地面為水泥地面，而羊糞通過柵格落到地面。每天都需要人工清理，浪費(fèi)大量人力物力[2]。

目前國內(nèi)對于清糞機(jī)還處于起步階段，大部分羊場圈舍還是采用鋪草方式，這種飼養(yǎng)方式，一方面圈舍衛(wèi)生環(huán)境差[3]。另一方面清理機(jī)械結(jié)構(gòu)較為笨重，大多采用刮板式，清理效果不理想。自走式羊糞清理機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本太高不適合大面積推廣。手推式羊糞清理機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，依靠人力推動作業(yè)，動力不足，工作效率低。本文主要結(jié)合前兩種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點(diǎn)，利用solidworks三維實(shí)體軟件對羊糞清理機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，毛刷的動力由內(nèi)燃機(jī)提供，動力可隨時切斷，行走采用人力推動，清理機(jī)體積具有體積小、適用場地范圍廣、成本低、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2　整機(jī)三維實(shí)體建模及主要技術(shù)指標(biāo)

2.1動力系統(tǒng)

動力系統(tǒng)采用小型汽油機(jī)，功率4.4 kw，工作轉(zhuǎn)速在2 200 r/min。動力通過皮帶傳動傳到蝸輪蝸桿減速器，再經(jīng)過皮帶傳動傳到毛刷裝置，整個動力傳遞過程中，傳動平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，如圖1所示。

圖1　動力傳輸過程

2.2整機(jī)清掃過程及主要技術(shù)指標(biāo)

羊糞清掃機(jī)基本工作過程：將清除機(jī)運(yùn)送到工作場地，將發(fā)動機(jī)啟動，推動整機(jī)前行，開始工作。清掃機(jī)工作原理是將發(fā)動機(jī)動力通過皮帶傳遞到蝸輪蝸桿減速器中，蝸輪作為輸出軸繼續(xù)將動力通過皮帶傳遞到毛刷裝置，而毛刷軸通過皮帶將動力傳遞到旋轉(zhuǎn)刀片裝置。

工作過程中，人推動清掃車前進(jìn)，車體前部分鏟子將羊糞收集起，毛刷和旋轉(zhuǎn)刀片同時工作，旋轉(zhuǎn)刀片將較厚的羊糞切碎，毛刷將羊糞掃起，拋到兩側(cè)的傾斜板，羊糞通過自身重力落入到兩側(cè)收集箱內(nèi)。

圖2　結(jié)構(gòu)簡圖

3　羊糞清理機(jī)零部件各參數(shù)設(shè)計及整體建模

3.1羊糞清理機(jī)設(shè)計參數(shù)

手推式羊糞清理機(jī)設(shè)計參數(shù)：

傳動比i=12，行駛速度0.8 m/s，動力輸入軸轉(zhuǎn)速2200 r/min，功率4.4 kw，扭矩19.1 N·m。毛刷轉(zhuǎn)速183 r/min。車體尺寸長1.1 m，寬0.8 m，高0.7 m。整車重量約50 kg。

3.2傳動系統(tǒng)設(shè)計

手推式動力羊糞清理機(jī)傳動系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿與帶傳動相結(jié)合方式，動力由小型汽油發(fā)動機(jī)傳入。圖3,圖4為傳動三維模型。

圖3　傳動系統(tǒng)三維模型　　　　　　　　　　　　　　圖4　蝸輪蝸桿減速器三維建模

動力傳輸過程平穩(wěn)可靠，經(jīng)過蝸輪蝸桿一級變速，扭矩?fù)p失較小。整車傳動系統(tǒng)成本較低，維修方便，能快速完成清掃工作。

3.3圓弧板及傾斜板設(shè)計

考慮到羊糞收集過程中，如果采用帶傳動方式，需要多級變速、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、運(yùn)行穩(wěn)定性較差。所以本文采用圓弧板及傾斜板組合設(shè)計方式收集羊糞。

圖5　圓弧板設(shè)計　　　　　　　　　　　　　　　　圖6傾斜板設(shè)計

1)圓弧板設(shè)計計算

圓弧板的圖形有圓弧與直線組成，可以有效的將羊糞拋到上傾斜板上[4]。

由滾刷軸所受的扭矩，T=17.68 N·m,滾刷作用在羊糞上的作用力：

F1=T×r=2.65 N

(1)

設(shè)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)刀片切割過的羊糞重量為0.03 kg，即G=0.3 N。

圓弧板與羊糞間的摩擦系數(shù)為0.3，圓弧板由前段圓弧和后段直線導(dǎo)軌組成，設(shè)圓弧所對的圓心角為θ，即在θ時合速度取得最大值：

F2=μmgcosθ+mgsinθ

(2)

F合=F1-F2

(3)

當(dāng)θ=1/2π時值F合最大。

為了在直線段導(dǎo)軌上不熟摩擦力的影響，讓拋出的羊糞在圓弧端的速度與直線段相切，設(shè)直線段與水平方向夾角為α，則

2) 傾斜板設(shè)計

為了使羊糞在傾斜板上順利滑到收集箱中，傾斜板的角度要經(jīng)過計算，取傾斜板與羊糞的摩擦系數(shù)0.35，則:

tan(1/2π-1/2φ)π=0.35

(4)

φ=141.4°所以保證羊糞順利下滑，兩塊傾斜板夾角φ≤141.4°。

3.4滾刷及旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)構(gòu)設(shè)計

3.4.1材料參數(shù)

滾刷材料采用尼龍610，具有刷絲抗磨損性能較好，具有耐高溫、耐酸堿等特性，彈性較好。旋轉(zhuǎn)刀片材料采用普通結(jié)構(gòu)鋼，具有防腐、耐磨優(yōu)點(diǎn)。

3.4.2滾刷機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計

滾刷長度L=600 mm，在刷子撥動瞬間，羊糞在長度L=400 mm的范圍內(nèi)有m=4.2 kg與滾刷產(chǎn)生碰撞，有:

(5)

有v=3.2m/s，取轉(zhuǎn)速v=4.0 m/s，假設(shè)作用時間t=0.1 s，有：

(6)

羊糞顆粒產(chǎn)生的力矩為：

M=F×L=1.68×1=1.68 N ·m

(7)

刷子參與旋轉(zhuǎn)部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩有：

將刷子簡化為一個直徑為150 mm軸

刷子質(zhì)量：

(8)

(9)

3.4.3旋轉(zhuǎn)刀片

旋轉(zhuǎn)刀片使用的是優(yōu)質(zhì)鋼材，作用是將大塊的羊糞切碎，有利于滾刷清掃。機(jī)器在運(yùn)行狀態(tài)時應(yīng)避免大幅轉(zhuǎn)彎操作，避免刀片碰觸墻壁，損害刀片。

3.4.4滾刷及旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)構(gòu)三維建模

圖7　刷子結(jié)構(gòu)圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　旋轉(zhuǎn)刀片結(jié)構(gòu)圖

圖9　滾刷與旋轉(zhuǎn)刀片連接圖

3.5整機(jī)建模

整機(jī)建模過程需現(xiàn)場調(diào)研，確定整車尺寸及重量，通過傳動比計算確定蝸輪蝸桿參數(shù)、帶輪參數(shù)、傾斜板角度等，合理對各部件進(jìn)行空間裝配，建模如圖12。

圖10　自走式羊糞清理機(jī)整機(jī)模型　　　　　　　　　　　圖11　手推式羊糞清理機(jī)整機(jī)模型

圖12　手推式動力羊糞清理機(jī)整機(jī)模型

4　結(jié)論

4.1本文針對自走式羊糞清理機(jī)和手推式羊糞清理機(jī)方案存在的問題，利用SolidWorks三維實(shí)體軟件對大型羊場羊糞清理機(jī)械進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，提出了手推式動力羊糞清理機(jī)的設(shè)計方案。

4.2手推式動力羊糞清理機(jī)設(shè)計是利用圓弧板與傾斜板的組合，內(nèi)燃機(jī)動力通過渦輪蝸桿減速器及帶傳動傳遞到刷子及動刀片，羊糞在毛刷作用下上拋至組合板落到收集箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)羊糞清理，對圓弧板與傾斜版角度進(jìn)行計算，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，為清理機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和樣機(jī)開發(fā)提供理論論據(jù)。

4.3手推式動力羊糞清理機(jī)具有傳動方式簡單、清理效率高、可實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等特點(diǎn)，適用于大型規(guī)?；酿B(yǎng)殖場，具有良好發(fā)展和應(yīng)用前景，可對兵團(tuán)大型養(yǎng)羊業(yè)發(fā)展起到積極推動作用。

[1]楊文光．變廢為寶改善環(huán)境——FQC系列畜禽廢棄物處理裝置介紹[J]．中國牧業(yè)通訊，1998：43-47．

[2]莫啟懷，何超明，張海斌．環(huán)保型雞舍糞便清理機(jī)[P]．廣東：CN201905127U，2011-07-27．

[3]曹軍青．寵物糞便清理裝置[P]．山東：CN201722650U，2011-01-26．

[4]劉敏，邱建興．9FL移動式畜禽糞便處理機(jī)[N]．中國畜牧獸醫(yī)報，2013-08-18008．

[5]林代炎，郭艷，吳錦瑞，于文．畜禽糞便排污裝置[P]．福建：CN101144480，2008-03-19．

Large Sheep Field Sheep Manure Cleaning Machine Improved Design Based on SolidWorks

Lei FuxiangXu XiaodongDing YuAi XinWang YiqiangZhou Ling*

(College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

Sheep industry is the main body of the livestock industry in Xinjiang, production and construction corps, its level of production affects the overall level of corps of animal husbandry.At present, the cleaning manure by manpower is commonly used in the Corps of sheep farms. For the problem of manual waste cleaning, sheep farm manure cleaning machine 3D model was designed by using SolidWorks software, and the scheme of Self propelled and hand push type was improved. The result provides a theoretical basis for the simulation optimizion and entity verification of the cleaning machine for sheep manure.

large sheep farm； dung cleaning machine； 3d modeling； SolidWorks

2015-04-06

塔里木大學(xué)校長基金(TDZKSS201411，2012GA891025)。

雷福祥(1983-) ,男， 實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)镃AD/CAM及先進(jìn)制造技術(shù)。E-mail：leifuxiang1127@163.com

*為通訊作者E-mail：Zhoul-007@136.com

1009-0568(2016)01-0077-06

S220

ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2016.01.014