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(nóng)機農(nóng)經(jīng)發(fā)展中心，山東諸城，262200； 2. 山東省農(nóng)業(yè)機械技術推廣站，濟南市，250100；3. 山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院，濟南市，250100； 4. 山東省農(nóng)業(yè)科學院(壽光)農(nóng)牧廢棄物資源化利用產(chǎn)業(yè)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(tài)飼料指飼料與水的混合物或常規(guī)飼料與食品工業(yè)液體副產(chǎn)品的混合物，一般液態(tài)料含干物質(zhì)20%～30%[1]。液態(tài)飼料來源廣，喂豬成本低[2-3]。液態(tài)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(tài)飼喂可以提高育肥豬的日增重和飼料轉(zhuǎn)化率，液態(tài)飼喂育肥豬的平均飼料轉(zhuǎn)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(tài)飼喂產(chǎn)生粉塵少、豬只呼吸系統(tǒng)發(fā)病率低[11]。通過在液態(tài)飼料中添加有益微生物進行發(fā)酵可降解飼料中的抗營養(yǎng)因子，改善飼料營養(yǎng)組分，維持豬只腸道菌群微生態(tài)平衡，促進消化道健康，減少疾病的發(fā)生和抗生素的使用，保障了食品安全[12-13]。液態(tài)飼料喂豬在歐洲養(yǎng)豬發(fā)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(tài)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(tài)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(qū)也已大面積應用液態(tài)飼喂[15]。

目前歐洲發(fā)達國家的生豬液態(tài)飼喂系統(tǒng)主要采用管道輸送的方式，該系統(tǒng)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(tài)飼喂技術在我國的普及和推廣。針對這一現(xiàn)狀，國內(nèi)多家畜牧裝備生產(chǎn)企業(yè)設計研發(fā)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(xiàn)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(yǎng)設備來提高養(yǎng)豬效益。基于此，本文設計了一款用于生豬液態(tài)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(tǒng)、料倉及投料系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等進行設計，并開展裝料、定點停車、投料的試驗。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

設計的喂料車主要有行走系統(tǒng)、投料系統(tǒng)及控制系統(tǒng)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(jù)設定的飼喂參數(shù)(飼喂曲線、當餐比例)、目標豬舍的豬只數(shù)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(wǎng)絡向攪拌站PLC發(fā)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(fā)出停止加料指令，加料閥門關閉。喂料車將液態(tài)飼料運送到相應豬舍，并按設定量將液態(tài)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(zhí)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(xù)投料作業(yè)，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(zhí)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(guī)格設計

對生豬液態(tài)飼料電動喂料車的參數(shù)及用戶調(diào)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(nèi)。由于沒有掉頭及轉(zhuǎn)彎的空間，喂料車在豬舍內(nèi)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(diào)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(huán)境要求高、在室外以及地面有沙粒等環(huán)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(tǒng)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(qū)動輪。六輪單軌車優(yōu)點是穩(wěn)定性好，但其轉(zhuǎn)彎半徑較大，通常在轉(zhuǎn)向處配置轉(zhuǎn)向臺，這樣一來不僅增加了成本，還降低了系統(tǒng)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(zhuǎn)向臺或轉(zhuǎn)轍機，提高了系統(tǒng)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(jù)。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?？紤]到豬舍環(huán)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(zhuǎn)彎減速、目標站點的識別任務，為控制系統(tǒng)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(fā)出位置信息。從加料點出發(fā)，隨著磁控開關動作次數(shù)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(nèi)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(tǒng)設計

行走系統(tǒng)包括驅(qū)動橋總成、行走電機、機架、驅(qū)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(nèi)軌道為直軌，豬舍外軌道由彎軌與直軌組成。

2.2.1 驅(qū)動橋選擇

目前市面上電動車驅(qū)動橋規(guī)格品種較多，可根據(jù)載重量及最大輸入扭矩進行選擇。本喂料車選擇了一款驅(qū)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(shù)計算

1) 行走電機選型。永磁直流電機有良好的調(diào)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(jié)構(gòu)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(tài)性能的精密速度和位置傳動系統(tǒng)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(yōu)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(zhì)量也會增加，同時電機不能經(jīng)常保持在高效區(qū)工作，降低了能量利用率[21]。

根據(jù)汽車理論，喂料車必須滿足驅(qū)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(zhì)量，kg；

f——滾動阻力因數(shù)；

Cd——空氣阻力因數(shù)；

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(shù)如表1所示。

表1 喂料車參數(shù)表Tab. 1 Parameter table of feeding vehicle

將表1數(shù)據(jù)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(shù)一般為2～3，根據(jù)這一原則，行走電機最大功率定為3.3 kW。

3) 行走驅(qū)動電機最高轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速的確定。行走電機的最高轉(zhuǎn)速nmax可根據(jù)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(zhuǎn)速為2 600 r/min。

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

(4)

可求得驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速nN=1 500 r/min。

4) 行走驅(qū)動電機最大轉(zhuǎn)矩和額定轉(zhuǎn)矩的確定。行走電機的最大轉(zhuǎn)矩是一個重要參數(shù)，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(zhuǎn)矩Tmax≥29.5 N·m。

行走電機的額定轉(zhuǎn)矩TN可根據(jù)額定功率和額定轉(zhuǎn)速計算

(6)

計算得額定轉(zhuǎn)矩TN=9.55 N·m。

綜上計算與分析得到的驅(qū)動電機參數(shù)匹配結(jié)果如表2所示。

表2 行走電機參數(shù)表Tab. 2 Parameter table of travel motor

2.2.3 行走電機驅(qū)動模塊選擇

行走電機采用TB6612FNG驅(qū)動模塊，TB6612FNG是一款直流電機驅(qū)動器件，它具有大電流MOSFET-H橋結(jié)構(gòu)，雙通道電路輸出，可同時驅(qū)動2個電機，并且比傳統(tǒng)的L298N效率上提高很多，體積更小。其驅(qū)動控制邏輯如下：芯片VM直接接電池電源，VCC內(nèi)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(zhuǎn)，PWA接單片機PWM輸出口控制電機轉(zhuǎn)速，原理圖如圖5所示。

圖5 TB6612FNG驅(qū)動模塊原理圖

2.3 料倉及投料系統(tǒng)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(tài)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(jié)構(gòu)圖

2.3.2 投料系統(tǒng)

投料系統(tǒng)由送料泵、電動三通閥及管路等組成。投料作業(yè)時，液態(tài)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(jù)PLC指令將液態(tài)飼料輸送到左投料口或右投料口。不投料時液態(tài)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(chǎn)生分層，如圖7所示。

圖7 投料系統(tǒng)工作原理圖

生豬液態(tài)飼料由常規(guī)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(tài)飼料比較粘稠，往往含有顆粒及纖維物質(zhì)。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(zhì)及固體顆粒介質(zhì)液體的螺桿泵。螺桿泵是一種內(nèi)嚙合轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)子直徑D、定子導程T都是螺桿泵的結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)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(nèi)泄漏量有關，也即由定子和轉(zhuǎn)子的配合間隙(過盈)、輸送介質(zhì)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(zhuǎn)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(tài)料(粘度一定)，則容積效率不變，投料量只與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)成正比，因此螺桿泵具有一定計量功能，可以通過控制其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)的方法精準控制喂料量。

2.4 控制系統(tǒng)設計

喂料機控制系統(tǒng)主要硬件有稱重系統(tǒng)、磁控開關、PLC控制器等。

2.4.1 控制系統(tǒng)流程框圖

喂料車主控制系統(tǒng)流程如圖8所示。

圖8 喂料機控制系統(tǒng)流程

為了加快喂料進度，同時避免喂料車行進過程不出現(xiàn)翻車或撒料，在喂料車驅(qū)動過程中進行區(qū)段調(diào)速控制。

其控制流程圖9所示。

圖9 區(qū)段調(diào)速控制流程

2.4.2 PLC選擇

按照喂料車控制系統(tǒng)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(jīng)過研究喂料車作業(yè)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(shù)為24點，輸出點數(shù)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(shù)Tab. 3 Input points of PLC

表4 PLC輸出點數(shù)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(zhì)量比配制的液態(tài)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(fā)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(fā)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(jié)果如表5所示。

表5 喂料車裝料量試驗數(shù)據(jù)Tab. 5 Test data of charging amount of feeding truck

裝料試驗數(shù)據(jù)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(tài)。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(zhuǎn)，電機產(chǎn)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(diào)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(jié)果如表6所示。

表6 喂料車投料量試驗數(shù)據(jù)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(jié)論

1) 設計了適合我國中小規(guī)模豬場使用的液態(tài)飼料喂料車，該喂料車采用磁釘、磁控開關實現(xiàn)了自動認址，通過WiFi與攪拌站之間組網(wǎng)運行，實現(xiàn)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(guī)模豬場液態(tài)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(jié)果表明，該喂料車通過提前減速，可以實現(xiàn)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(tài)飼料精準飼喂要求。