龐昌樂 程 進(jìn) 張東旭 陳 剛

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

國內(nèi)很多規(guī)模化養(yǎng)豬場育肥豬舍采用雙列圈欄飼養(yǎng)形式，飼養(yǎng)密度大，日常喂料是一項重復(fù)和繁重的勞動，近年來，隨著人工成本和飼料成本的不斷上升，迫切需要機(jī)械化和自動化飼養(yǎng)設(shè)備來提高養(yǎng)豬效益。自動輸料系統(tǒng)能減少人員工作量，實現(xiàn)精確供料和節(jié)省飼料成本，提高飼喂效率，是規(guī)?；B(yǎng)豬場的重要配套設(shè)施[1]。目前國內(nèi)外養(yǎng)豬舍內(nèi)的干飼料自動送料系統(tǒng)普遍采用絞龍輸送和塞盤輸送兩種管道輸料方式。飼料在管道內(nèi)被絞龍或塞盤推向出料口后落入食槽，這種輸料方式結(jié)構(gòu)簡單、輸料速度較快，但管道易磨損，影響系統(tǒng)使用壽命，且容易產(chǎn)生管道堵塞、飼料粉末殘留等問題，需定期清理[2]。為了改進(jìn)管道式供料的不足，葉浩等[3]研究了軌道式自動喂料車向食槽供料，該車設(shè)置上下兩層料箱，上層料箱暫時儲存飼料，下層料箱向食槽供料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且料箱的出料口不夠大，易引起箱內(nèi)飼料結(jié)拱。

精確飼喂的實現(xiàn)主要有稱量式和容積式兩種計量方式[4-6]。稱量式計量主要應(yīng)用于母豬的飼喂[7]，在保育、育肥方面應(yīng)用很少。目前精確飼喂系統(tǒng)中大部分使用的是容積式計量，其包括簡單的容器定容積計量和螺旋容積計量[8-9]，也有通過槽輪進(jìn)行容積式計量的實例[10]，容積式計量方法簡單易行，但與飼料密度密切相關(guān)，對料位、摩擦、擠壓等與飼料密度有關(guān)的因素十分敏感。且容積式計量在雙列圈欄、管道式連續(xù)輸送系統(tǒng)中應(yīng)用時每個食槽上方都要單獨設(shè)置一套計量裝置，通用性較差。

針對上述問題，本文設(shè)計一種應(yīng)用于保育、育肥豬舍的高架軌道式飼料自動輸送系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)送料車裝料量精確計量、自動巡航卸料的自動化作業(yè)。配合料庫自動裝料系統(tǒng)和自動化飼喂食槽，可組成適用于規(guī)?；B(yǎng)豬場的自動飼喂系統(tǒng)。

1 自動送料系統(tǒng)組成與工作原理

自動送料系統(tǒng)既需要滿足自動喂料要求，又需要避免生豬的過激反應(yīng)，盡可能保證同一欄舍內(nèi)豬群同時喂料和精確喂料[11]。

豬舍內(nèi)自動送料系統(tǒng)主要由裝料系統(tǒng)、稱量平臺、送料車、平移軌道、高架軌道、圈欄接料系統(tǒng)和電控系統(tǒng)等組成，如圖1所示。裝料系統(tǒng)接收和存放舍外供料裝置輸送進(jìn)來的飼料，向送料車卸料。送料車裝料、行走和落料均由電控系統(tǒng)自動控制。

稱量平臺位于裝料系統(tǒng)出料口正下方，上面設(shè)有軌道。送料車裝料作業(yè)時，電控系統(tǒng)控制送料車行駛到稱量平臺上停止，將稱量平臺歸零后，控制裝料系統(tǒng)卸料機(jī)構(gòu)向送料車排料，直至排料量達(dá)到設(shè)定值時停止；送料車啟動前往目標(biāo)圈欄過程中，平移軌道載著送料車自動連接到目標(biāo)圈欄的軌道線上，送料車?yán)^續(xù)前行直到碰到目的地行程開關(guān)時停止，并打開卸料閥向食槽接料倉卸料。卸料完畢，送料車自動返回儲料箱下方繼續(xù)裝料，重復(fù)上述作業(yè)過程。當(dāng)舍內(nèi)設(shè)定的圈欄都巡航一遍后，圈欄落料系統(tǒng)打開所有接料倉的下料閥門同時向食槽卸料，送料車自動返回停泊位待命。

圖1 豬舍飼料自動送料系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of automatic feeding system for pig housing1.蝸輪蝸桿減速器 2.料箱電動機(jī) 3.儲料箱監(jiān)控攝像頭 4.儲料箱 5.下料絞龍 6.出料口 7.計算機(jī) 8.控制箱 9.路由器 10.稱量平臺 11.送料車 12.行程開關(guān) 13.稱量傳感器 14.平移軌道 15.平移槽輪滑軌 16.圈欄柵欄 17.圈欄接料倉 18.落料閥門 19、20.雙列軌道 21.食槽

2 自動送料系統(tǒng)設(shè)計

2.1 裝料系統(tǒng)

裝料系統(tǒng)由圖1中1～6所組成，負(fù)責(zé)存貯舍外供應(yīng)的飼料并向送料車卸料。其儲料箱容積要大于送料車料倉容積，以保證向送料車穩(wěn)定供料，其容積計算公式為

Vb=knVc

(1)

其中

1/3≤k≤1/2

式中Vb——儲料箱容積，m3

k——系數(shù)，由放置儲料箱的空間大小確定

n——舍內(nèi)送料位個數(shù)

Vc——送料車料倉容積，m3

儲料箱底部設(shè)有并列雙螺旋機(jī)構(gòu)向送料車排料。

2.2 送料車

送料車實際上是一個移動的儲料倉，運輸粉狀飼料時，由于粉狀飼料含有一定的含水率，尤其是豬舍潮濕環(huán)境容易吸潮而具有較強(qiáng)的團(tuán)聚性，加上車體振動壓實而影響卸料，因此，送料車設(shè)計時應(yīng)滿足以下要求：送料車行走平穩(wěn)，不能脫軌；卸料時，箱內(nèi)料倉不發(fā)生結(jié)拱，一次性落完料，料倉內(nèi)干凈無殘留，防止粉塵飛揚。實現(xiàn)上述要求的送料車結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。主要由車架、料倉、防塵蓋、卸料蝶閥、電動機(jī)、集電器和控制箱等組成。車架根據(jù)軌道尺寸，設(shè)計為1 320 mm×400 mm×400 mm的長方體結(jié)構(gòu)，軸距970 mm，輪距580 mm，采用50 mm×30 mm×4.0 mm熱鍍鋅矩形管作為車架材料，材質(zhì)為Q235鋼。使用兩極滑觸線集電器給移動送料車及其控制電路供電，可簡化電纜供電的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

圖2 送料車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of feeding vehicle 1.導(dǎo)向輪 2.從動輪 3.防塵蓋 4.防塵蓋導(dǎo)軌 5.料倉 6.集電器 7.驅(qū)動輪 8.防塵蓋驅(qū)動裝置 9.車架 10.推桿電動機(jī) 11.蝶閥開啟杠桿 12.蝶閥 13.電動機(jī) 14.控制箱

2.2.1料倉設(shè)計

料倉設(shè)計重點考慮卸料時粉體飼料的流動型態(tài)和不出現(xiàn)結(jié)拱。不出現(xiàn)結(jié)拱的理想流動型態(tài)是整體流[12]，正確選用壁面材料和設(shè)計料倉的幾何結(jié)構(gòu)，使料倉中飼料向下流動的作用力始終大于摩擦力，是送料車卸料順暢的關(guān)鍵。

粉體飼料在料倉內(nèi)流動時受壁面摩擦力阻礙，摩擦力與壁面摩擦角有關(guān)，壁面摩擦角越小，摩擦阻力越小。聚四氟乙烯和304不銹鋼是兩種壁面摩擦角較小的壁面材料，其壁面摩擦角均優(yōu)于碳鋼、塑料等其它材料[13]。

料倉幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是料倉底部出口形狀和尺寸設(shè)計。當(dāng)飼料在倉底出口處發(fā)生結(jié)拱時，飼料對底部側(cè)壁的壓力可分為下滑力與正壓力兩個分力，正壓力S的反力就是引起結(jié)拱的支座反力[14]。

S=Qcosθ

(2)

式中Q——飼料對料倉底部傾斜側(cè)壁的壓力

θ——料倉底部側(cè)壁傾角

研究表明[15-16]：出料口在條件允許的情況下，越大越有利于物料流動，圓形出料口直徑一般大于300 mm，方形出料口邊長一般大于200 mm，側(cè)壁傾角大于飼料休止角30°。

綜上分析，本文設(shè)計的送料車料倉壁面材料采用304不銹鋼，厚度0.8 mm，將出料口設(shè)計為矩形，尺寸為340 mm×700 mm，側(cè)壁設(shè)計為豎直壁結(jié)構(gòu)，即θ=90°，料倉高度為550 mm。根據(jù)式(2)可得飼料對側(cè)壁的正壓力為零，卸料時料倉內(nèi)飼料呈整體流動，不會出現(xiàn)結(jié)拱現(xiàn)象。

2.2.2蝶閥推桿電動機(jī)選型

采用雙頁蝶閥作為料倉出料口閥門，蝶閥由電動推桿驅(qū)動開閉，蝶閥葉片和推桿受力如圖3所示。

圖3 葉片受力分析與推桿安裝示意圖Fig.3 Blade force analysis and electric actuator installation diagram

蝶閥在開啟時，不僅受葉片上方飼料均布載荷的影響，還與飼料自身內(nèi)部摩擦等因素有關(guān)，將蝶閥開啟時作用在葉片上的載荷簡化為等效載荷P1、P2，如圖3a，蝶閥開啟力矩為

(3)

式中M1、M2——蝶閥葉片開啟力矩，N·m

P1、P2——葉片上最大靜力等效載荷，N

l1、l2——葉片受力點到中心桿距離，m

分析圖3b中桿件受力，得到

(4)

式中α——電動推桿推力角，(°)

F——電動推桿推力F1——F的分力

a——連桿長度，m

由式(4)得電動推桿推力F的計算公式為

(5)

蝶閥實際開啟力往往高于理論計算值[17]，為保證計算準(zhǔn)確，本文采用試驗加理論計算來測量蝶閥開啟力。將80 kg飼料放入料倉內(nèi)，使用數(shù)顯拉力計實測蝶閥的開啟力矩為29.56 N·m?？紤]到安裝空間問題，電動推桿選擇150 mm行程，根據(jù)蝶閥開啟角度86°計算出開啟連桿長度a=110 mm，根據(jù)式(5)可得推桿至少需要有367.44 N的推力，所以選擇推力為500 N的電動推桿，伸縮速度24 mm/s，作用到蝶閥驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)矩為40.22 N·m，滿足開啟轉(zhuǎn)矩要求。

2.3 稱量平臺

稱量平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示，由1.5 m長軌道、稱量傳感器、支架和測量電路組成，軌道通過連接套與稱量傳感器連接。稱量傳感器采用電阻應(yīng)變片測力傳感器，單個傳感器量程為50 kg，輸出靈敏度為(1.0±0.1) mV/V，名義電阻為1 000 Ω。選取4個阻值相同的傳感器組成電壓靈敏度高的全橋測量電路，后接信號調(diào)節(jié)放大電路[18]。稱量平臺最大滿量程為200 kg。為避免傳感器過載損壞，設(shè)計滿量程為180 kg。

圖4 稱量平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of weighing platform 1.支架 2.軌道 3.連接套 4.稱量傳感器

根據(jù)惠斯通電橋原理，稱量平臺輸出電壓U0與加載力F0的關(guān)系式為[19]

(6)

式中U0——總輸出電壓，V

U0m——滿量程輸出電壓，V

Ui——橋路所加激勵電壓，V

KF——靈敏度，mV/V

Fm——滿量程力，N

F0——加載力，N

送料車停止在軌道上裝料，加載力是軌道、送料車和飼料三者重力的合力。對于設(shè)計的稱量平臺，激勵電壓、靈敏度等已知，可以通過加載標(biāo)準(zhǔn)砝碼由式(6)標(biāo)定加載力和輸出電壓U0的關(guān)系(標(biāo)定試驗見4.1節(jié))，輸出電壓經(jīng)調(diào)節(jié)電路放大后由單片機(jī)采集，即可計算實際加載力。稱量時，先通過程序去除軌道和送料車空質(zhì)量(即去皮質(zhì)量)，然后計算出料質(zhì)量。

2.4 平移軌道機(jī)構(gòu)與舍內(nèi)軌道

在雙列圈欄的食槽上方分別設(shè)置雙列高架軌道，架設(shè)高度1.8 m，采用8號槽鋼，軌距500 mm，軌道支撐立柱固定在欄間柵欄上。為了使稱量平臺旁邊的單列軌道和舍內(nèi)雙列送料軌道對接，設(shè)計了如圖5所示的平移軌道機(jī)構(gòu)，軌道長度1.5 m，平移軌道由曳引電動機(jī)驅(qū)動，可載運送料車在兩列圈欄的送料軌道之間平移。

圖5 平移軌道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of translational orbit 1.單列軌道 2.曳引電動機(jī)與曳引輪 3.曳引繩 4.雙列軌道5.平移軌道 6.槽輪軌道 7.槽輪

2.5 接料倉

圖6 接料倉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of receiving feed bin 1.推桿電動機(jī) 2.蝶閥 3.柔性連接套 4.食槽進(jìn)料口 5.送料軌道 6.橡膠防濺套 7.接料倉

接料倉結(jié)構(gòu)如圖6所示，其作用是暫時儲存送料車送來的飼料，待所有圈欄送料結(jié)束后統(tǒng)一打開蝶閥向下方食槽內(nèi)落料，確保喂料時間一致，防止豬群應(yīng)激反應(yīng)。送料車卸料口和接料倉上開口之間、接料倉和食槽之間都由軟質(zhì)的柔性橡膠套連接，有效限制了落料過程中粉塵的擴(kuò)散。

2.6 送料車運行參數(shù)設(shè)計

2.6.1總送料時間T

送料車單次裝料、卸料和巡航所耗時間Ti(s)的計算公式為

Ti=t0+t1+t2+t3+t4

(7)

式中t0、t1、t2、t3、t4分別為軌道平移時間、裝料時間、巡航時間、卸料時間和延時時間。其中，卸料時間和延時時間通過試驗確定，巡航時間由送料車巡航速度確定。

設(shè)豬舍送料位數(shù)量為n個，其中有np個料位位于第2列，需要經(jīng)過平移軌道，裝料處與第1個送料位的距離為l0，相鄰送料位間的距離為l，每次裝料量為m，裝料系統(tǒng)裝料速度為um(試驗測定um=1.1 kg/s)，送料車巡航速度為V，送料車在裝料位和卸料位處工作前后停止延時各5 s(共計20 s)，試驗測定卸料時間約為10 s，軌道平移時間27 s(含料車停止啟動時間)，根據(jù)式(7)可計算各次單獨送料所耗時間。

單列情況下，第1個送料位耗時為

第2個送料位耗時為

第n個送料位耗時為

將n個送料位單獨送料所耗時間和2np次軌道平移的時間相加得到送料總時間為

(8)

2.6.2送料車巡航速度V

先根據(jù)生產(chǎn)實際情況初步確定總送料時間T，然后根據(jù)式(8)確定送料車運行速度V。文中，l0=5 m，l=3 m，送料位n=30，第2列料位np=15，每個送料位送料80 kg，設(shè)定總送料時間為2.5～3.5 h，則根據(jù)式(8)計算出送料車巡航速度V為0.334～0.569 m/s。

2.6.3送料車減速器選型及電動機(jī)功率

(1)減速器選型

送料車車輪驅(qū)動軸與電動機(jī)之間設(shè)有減速器，擬采用單相4級異步電動機(jī)，轉(zhuǎn)速1 400 r/min。減速器減速比i為

(9)

式中nc——電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min

d——車輪直徑，取0.25 m

將已知數(shù)值代入式(9)計算出減速比i為1/54～1/32。選擇減速比為1/50的NMRV50型蝸輪蝸桿減速機(jī)，效率40%，具有良好的自鎖性能。

綜上計算出送料車巡航速度為0.367 m/s。代入式(8)計算出送料時間為3.28 h，符合設(shè)計要求。

(2)電動機(jī)功率

電動機(jī)功率根據(jù)其所受阻力計算。送料車在水平軌道勻速行駛，車速較低，空氣阻力可以忽略，所需功耗P(kW)為[20]

(10)

式中η——機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)總效率，蝸輪蝸桿減速器效率0.4，電氣系統(tǒng)效率0.95，則總效率為0.38

mmax——最大整車質(zhì)量，200 kg

g——重力加速度，9.8 m/s2

f——滾動阻力系數(shù)，取0.1

按式(10)計算得送料車正常行駛所需功耗為0.24 kW。

綜上，送料車選擇功率370 W單相4級異步電動機(jī)，配合速比為1/50的NMRV50型減速器，輸出扭矩為47.12 N·m。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制送料車裝料、裝料量計量、自動巡航和卸料，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運行。

3.1 硬件設(shè)計

控制電路硬件可分為主控制箱電路、裝料系統(tǒng)電路、送料車控制系統(tǒng)電路3部分，由上位機(jī)或主控箱按鍵控制?？刂齐娐分邪穗娫础纹瑱C(jī)控制單元、通信模塊、電動機(jī)驅(qū)動模塊、稱量信號處理電路等。主控單元和送料車控制單元采用Arduino 系列單片機(jī)，兩單片機(jī)通過WiFi無線模塊建立通信聯(lián)系，系統(tǒng)控制電路圖和硬件配置分別如圖7和表1所示。

3.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括上位機(jī)控制界面設(shè)計和下位機(jī)編程設(shè)計。下位機(jī)包括主控單片機(jī)和控制送料車單片機(jī)，完成實際設(shè)備的監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)軟件設(shè)計采用Arduino編程語言，控制流程圖如圖8所示。

上位機(jī)控制界面使用LabVIEW軟件設(shè)計，如圖9所示，其主要功能是監(jiān)控下位機(jī)，通過RS232串口向下位機(jī)發(fā)送相關(guān)控制指令。上位機(jī)控制界面由6個功能區(qū)塊組成:

(1)手動/自動切換區(qū)：在上位機(jī)控制模式下，切換手動/自動控制模式，包括系統(tǒng)急停按鈕也在此區(qū)。

圖7 控制系統(tǒng)電路圖Fig.7 Control system circuit diagram

(2)送料車控制區(qū)：在手動控制模式下，可以操作此區(qū)按鈕來控制送料車的前進(jìn)、后退以及卸料蝶閥的開閉。

(3)平移軌道控制區(qū)：用戶可在此查看平移軌道位置，在手動控制模式下，通過此區(qū)控制平移軌道與送料軌道的對接。

(4)送料量設(shè)定區(qū)：用戶可以通過旋鈕設(shè)定送料量。在儲料箱內(nèi)料量不足時，報警燈報警提醒加料。

(5)系統(tǒng)信息顯示區(qū)：用戶可在此查看WiFi的連接情況、儲料箱飼料是否充足、送料是否結(jié)束、送料車是否在停泊位，從而根據(jù)這些信息來進(jìn)行系統(tǒng)的操作。

(6)送料圈欄選擇區(qū)：可全選或單獨選擇某一個或多個按鈕作為送料車送料的目標(biāo)圈欄位。

表1 控制系統(tǒng)硬件配置Tab.1 Control system hardware

圖8 控制系統(tǒng)流程圖Fig.8 Flow chart of control system

圖9 上位機(jī)控制界面Fig.9 Interface of control software

4 試驗與結(jié)果分析

4.1 稱量平臺標(biāo)定試驗

試驗設(shè)備：10～80 kg砝碼和本文設(shè)計的稱量平臺系統(tǒng)。

試驗方法：采用不帶車的砝碼加載標(biāo)定。標(biāo)定時，每隔5 kg采樣一次，同一組重復(fù)進(jìn)行6次，取平均值作為本組實測值。

根據(jù)式(6)對稱量平臺進(jìn)行標(biāo)定。試驗數(shù)據(jù)(環(huán)境溫度為8℃)如表2所示。由表2可知，不帶車標(biāo)定時，在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在1%以內(nèi)，系統(tǒng)測量精度較好，數(shù)據(jù)可靠。

4.2 驗證試驗

為驗證在線監(jiān)測系統(tǒng)的性能及可靠性，開展了飼料裝載試驗，如圖10所示。試驗飼料為育肥用粉狀飼料，含水率11.62%，休止角37.763°。試驗時(環(huán)境溫度4℃)，先將飼料倒入儲料箱中，并將送料車停止在儲料箱下方，然后控制系統(tǒng)按設(shè)定值向送料車排料，系統(tǒng)自動記錄測量值，同時將落下的料全部收集后進(jìn)行人工稱量，每組設(shè)定值重復(fù)6次試驗，結(jié)果如表3所示。

表2 加載標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.2 Load calibration data

圖10 驗證試驗現(xiàn)場Fig.10 Test site

4.3 結(jié)果與討論

系統(tǒng)測量值相對標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值為1.22%，實際落料量相對標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值為1.52%，兩者之差小于1%，系統(tǒng)測量值的最大相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.5%，精度滿足計量要求。如表3所示系統(tǒng)測量結(jié)果與實際測量結(jié)果十分接近，準(zhǔn)確度較高，可滿足實時監(jiān)測功能需求和精度要求。表3中有些實際測量值較系統(tǒng)測量結(jié)果偏大，原因是試驗時存在風(fēng)的干擾，在落料電動機(jī)停止旋轉(zhuǎn)后風(fēng)將儲料箱出料口處的部分殘余粉料吹落到送料車中。

表3 系統(tǒng)測量值與實際值統(tǒng)計Tab.3 Summary of system measurement and actual values

5 結(jié)論

(1)豬舍軌道式自動送料系統(tǒng)能夠通過WiFi無線控制系統(tǒng)實現(xiàn)送料車裝料、稱量、巡航、定位卸料和統(tǒng)一向食槽投料的全過程自動控制，滿足舍內(nèi)飼料機(jī)械化、自動化的精確供料要求。

(2)采用高架軌道平移方案解決了一套設(shè)備為多列圈欄送料的問題，同時，高架軌道充分利用圈欄上方空間，不妨礙舍內(nèi)其它正常作業(yè)，對豬群的干擾小，因此，該方案適用于單列、雙列或多列圈欄豬舍舍內(nèi)自動化送料設(shè)備使用。

(3)送料車裝載飼料稱量試驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)測量值與實際落料量相對標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值之差小于1%，系統(tǒng)測量值的最大相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于2.5%，表明稱量平臺精度滿足精確飼喂計量要求，可作為飼料在線監(jiān)測裝置使用。