王 玄，李源源，侯云濤

（黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081）

傳統(tǒng)的奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)飼喂?fàn)倥r(shí)，需要大量人工，成本高，效率低，不利于奶牛養(yǎng)殖場(chǎng)大規(guī)模發(fā)展。為解決此問(wèn)題，模擬奶牛乳頭喂養(yǎng)的自然狀態(tài)，設(shè)計(jì)一種全自動(dòng)犢牛精準(zhǔn)飼喂裝置。此裝置具有犢牛識(shí)別、恒定水溫、自動(dòng)攪拌、代乳粉設(shè)定量排放、牛奶輸送、機(jī)器消毒等功能，并準(zhǔn)確記錄犢牛的平均飲奶量、時(shí)間、次數(shù)。犢牛飼喂裝置接近奶牛乳頭喂養(yǎng)的自然狀態(tài)，提高犢牛的存活率和健康水平，同時(shí)節(jié)省大量勞動(dòng)力，有利于我國(guó)奶牛養(yǎng)殖向規(guī)模化與標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。

1 飲奶站整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jiàn)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(nèi)的溶液。

圖1 奶、水供入裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 1 Structural diagram of milk and water feeding device

2 飲奶站動(dòng)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(fèi)，設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)的特性來(lái)看，由調(diào)節(jié)頻率來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，可以達(dá)到改變自動(dòng)飼喂機(jī)速度的目的。因此采用變頻器置實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的供電及調(diào)速要求。選用上海電氣設(shè)備廠生產(chǎn)的KSF-3A／230V新型變頻設(shè)備。工作電源主要技術(shù)參數(shù)如下：輸入電壓為380 V，輸入電流為5 A，配用電機(jī)規(guī)格的額定電壓為380 V，額定功率為 0.3 kW。

3 飼喂控制傳動(dòng)型式硬件設(shè)計(jì)

就齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)2種形式而言，機(jī)械傳動(dòng)尤其是齒輪傳動(dòng)工作可靠，傳動(dòng)效率高，且便于選購(gòu)和加工。為此，犢牛飲奶站傳動(dòng)選用自行設(shè)計(jì)的主傳動(dòng)系統(tǒng)。

4 飼喂控制軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)讀卡器識(shí)別進(jìn)入飼喂站的犢牛電子耳標(biāo)，根據(jù)動(dòng)物編號(hào)查詢飼喂數(shù)據(jù)庫(kù)的飼喂標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)定飼喂量，啟動(dòng)飼喂機(jī)加入代乳粉、水并攪拌均勻后，蠕動(dòng)泵開(kāi)始輸送牛奶，完畢后對(duì)管路進(jìn)行消毒、清洗。系統(tǒng)程序如圖3所示。

5 飼喂裝置主要參數(shù)的選定及計(jì)算

5.1 代乳粉料斗容量的確定

在傳統(tǒng)飼喂中，犢牛每天飼喂2～3次限量代乳粉。當(dāng)犢牛每日按低于 1.5 磅（0.68 kg）的固體限喂奶時(shí)，代乳粉料斗約為34 kg（裝至頂面時(shí)）。一個(gè)綜合飼喂站可以操控3～4個(gè)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?；?0～15頭仔牛肉犢牛。

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

5.2 代乳粉料斗質(zhì)量計(jì)算

代乳粉料斗質(zhì)量計(jì)算公式為：

式中：h1，h2是圓臺(tái)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(shè)定 ρ＝450 kg／m3。

經(jīng)計(jì)算得M＝0.077 0346ρ＝34.65（kg）。

5.3 飼喂速度的確定

根據(jù)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(jì)劃飼喂速度Table 1 Plan feeding speed

5.4 熱計(jì)算

換熱采用管殼式換熱器，其適于大溫差的流體，且管的內(nèi)表面易于清洗。銅管內(nèi)的牛奶從進(jìn)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(zhì)量流量m1＝0.16 kg／s。

同時(shí)，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(nèi)側(cè)放熱系數(shù)a1＝405 W／（m2·℃），管外側(cè)放熱系數(shù)a2＝348 9 W／（m2·℃）。

5.4.1 管內(nèi)流體升溫需要的熱流量管內(nèi)流體升到37℃需要的熱流量為：

式中：m1為冷流體質(zhì)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(shù)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(shù) K銅管采用直徑 9.52 mm、 壁厚 0.8 mm銅管。因?yàn)殂~管導(dǎo)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(nèi)徑；d1為圓管的外徑；L為圓管的長(zhǎng)度；a1為管內(nèi)側(cè)放熱系數(shù)，W／（m2·℃）；a2為管外側(cè)放熱系數(shù)，W／（m2·℃）。

5.4.4 所需換熱面積把傳熱溫差Δt和傳熱系數(shù)K代入換熱面積公式得：

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

5.5 攪拌軸的設(shè)計(jì)與計(jì)算

攪拌電機(jī)的主要功能是為旋轉(zhuǎn)工作部件和代乳粉、熱水混合提供動(dòng)力。為滿足輸出軸轉(zhuǎn)數(shù)要求，n1＝1 540 rpm；n2＝1 000 rpm，Ne＝0.30 kw，ne＝1 500 rpm，傳動(dòng)比i1＝ne／n1＝2.78，i2＝ne／n2＝1.5， 選用 J02-11-4 電動(dòng)機(jī)。

5.5.1 攪拌軸計(jì)算按扭矩強(qiáng)度計(jì)算，??；按扭轉(zhuǎn)鋼度計(jì)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(jīng)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(qiáng)度 （彎扭組合）攪拌軸許應(yīng)用力σ1的計(jì)算過(guò)程為：

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

查鋼材許用應(yīng)力表可知，攪拌軸材料的許用應(yīng)力［σ］＝12 kg／cm2＞σ1，說(shuō)明軸的疲勞強(qiáng)度足夠。

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

d＝說(shuō)明斷面安全。

5.6 軸承的選擇

根據(jù)軸承所受負(fù)荷的大小、方向和轉(zhuǎn)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(fù)荷為R＝13.3 kg，外圈轉(zhuǎn)速為n＝1 500 rpm，內(nèi)圈不轉(zhuǎn)，工作過(guò)程中受輕微沖擊力和短時(shí)間的超負(fù)荷，工作溫度不超過(guò)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(shù)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(jù)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(jì)算中忽略軸向力，但實(shí)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(fù)荷R＝15.9 kg，外圈轉(zhuǎn)速n＝1 000 rpm，內(nèi)圈不轉(zhuǎn)，工作過(guò)程中受輕微沖擊。力和短時(shí)間的超負(fù)荷，工作溫度不超過(guò)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(jié)論

通過(guò)犢牛飼喂裝置零部件的設(shè)計(jì)、選型，以及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算、優(yōu)化，確定犢牛飼喂裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)，為犢牛飼喂裝置的后續(xù)研究打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。犢牛飼喂裝置的飼喂方式近似奶牛乳頭喂養(yǎng)，不僅飼喂效率高，而且能大幅增加犢牛的存活機(jī)率、降低犢牛的患病可能，節(jié)省人工支出，對(duì)我國(guó)奶牛養(yǎng)殖的規(guī)模化與智能化發(fā)展具有重要意義。