自動(dòng)犢牛飼喂器設(shè)計(jì)研究

葉巖 張麗 鄧紅

摘 要：闡述自動(dòng)犢牛飼喂器設(shè)計(jì)的基本原理，并分析自動(dòng)犢牛飼喂器的技術(shù)，最后總結(jié)設(shè)計(jì)自動(dòng)犢牛飼喂器的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；自動(dòng)犢牛飼喂器；發(fā)展方向；犢牛飼喂

中圖分類號(hào)：S823文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.09.003

0 引言

犢牛自動(dòng)飼喂機(jī)是在自動(dòng)化控制下，通過奶嘴，對(duì)帶有識(shí)別信號(hào)的犢牛進(jìn)行自動(dòng)飼喂代乳或鮮乳的設(shè)備，其隨規(guī)模化、集約化和現(xiàn)代化養(yǎng)牛業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，對(duì)于加速牛群增殖、降低牧場(chǎng)成本和提高經(jīng)濟(jì)效益可起到重要的作用，也是人工控制條件下犢牛健康飼養(yǎng)和福利飼養(yǎng)的一次技術(shù)革新。

傳統(tǒng)犢牛飼喂模式的弊端是以單欄飼養(yǎng)為核心的傳統(tǒng)犢牛飼養(yǎng)模式，具有諸多弊端。第一，消耗大量人工，飼喂量的控制，奶桶和奶車等清潔都需要人工完成。第二，奶溫難以控制，長(zhǎng)時(shí)間飲用溫差大的奶水易引發(fā)犢牛疾病。第三，缺乏犢牛數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)，不能逐頭把控，無法了解每頭犢牛飼養(yǎng)量和實(shí)時(shí)的健康數(shù)據(jù)。

隨著牧場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，犢牛飼養(yǎng)員的人數(shù)會(huì)增加，他們的責(zé)任心和技術(shù)水平參差不齊，加之繁重的工作，往往出現(xiàn)喂奶量不準(zhǔn)，冬季的奶溫?zé)o法控制等，造成犢牛饑飽不均和營(yíng)養(yǎng)性腹瀉等問題，這會(huì)影響犢牛的生長(zhǎng)和發(fā)育。

全自動(dòng)犢牛飼喂系統(tǒng)是犢牛飼喂的革命性改變，通過智能化的飼喂系統(tǒng)可以節(jié)省人力成本，以及保證犢牛飼喂標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化。針對(duì)國(guó)內(nèi)飼養(yǎng)的問題，設(shè)計(jì)全自動(dòng)犢牛飼喂機(jī)。犢牛自動(dòng)飼喂機(jī)既可以通過奶嘴飼喂代乳粉，隨時(shí)攪拌隨時(shí)喝，也可以飼喂鮮奶，隨時(shí)加溫隨時(shí)喝，溫度適宜、恒定保溫。根據(jù)不同年齡階段和每頭犢牛的具體情況，按營(yíng)養(yǎng)需要，可以在電腦中輸入飼喂定量，其能控制犢牛自動(dòng)飼喂機(jī)進(jìn)行精細(xì)和準(zhǔn)確的飼喂，滿足每頭犢牛的營(yíng)養(yǎng)需要，促進(jìn)瘤胃發(fā)育，真正做到了定時(shí)，定質(zhì)，定溫，定量的“四定”精準(zhǔn)飼喂。另外，犢牛自動(dòng)飼喂機(jī)還能及時(shí)報(bào)警，標(biāo)定哺乳量異常的犢牛，便于飼養(yǎng)員盡早發(fā)現(xiàn)問題犢牛，及時(shí)處理和治療。

首先，對(duì)犢牛飼喂控制技術(shù)及設(shè)備的原理進(jìn)行綜合分析，確定了犢牛飼喂控制系統(tǒng)的基本需求。按照整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析研究，確定了犢牛飼喂控制系統(tǒng)的整體方案，并從機(jī)械和軟件控制兩個(gè)方面分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次，對(duì)犢牛飼喂控制系統(tǒng)的識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，用來讀取犢牛的耳標(biāo)信息，識(shí)別進(jìn)食犢牛的身份；數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集犢牛的電子耳標(biāo)號(hào)、體重、牛奶的溫度及液位等信息；控制模塊對(duì)電磁閥、加熱器等機(jī)械裝置的控制，實(shí)現(xiàn)犢牛吃奶過程的自動(dòng)化管理。最后，對(duì)犢牛飼喂控制系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)軟件進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集和處理功能。增加系統(tǒng)程序的可讀性，便于改進(jìn)和擴(kuò)充，具有良好的實(shí)用性。

1 犢牛飼喂系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 犢牛飼喂系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理（如圖1、2所示）

（1）自動(dòng)犢牛飼喂機(jī)首先通過犢牛戴的耳標(biāo)區(qū)分不同日齡的犢牛，并把此信息輸入計(jì)算機(jī)。

（2）飼喂機(jī)將料斗中代乳粉按計(jì)算機(jī)編程好的，不同日齡對(duì)應(yīng)的飼喂量，定量輸送到攪拌容器中。

（3）飼喂機(jī)再將熱水器中熱水按計(jì)算機(jī)編程好的溫度，不同乳粉對(duì)應(yīng)的溫度，定量輸送到攪拌容器中，將熱水和代乳粉在攪拌容器中攪拌、混合均勻。

（4）飼喂機(jī)再通過泵，定量輸送到飼喂站的奶嘴，犢牛由此自由采食。

（5）清洗系統(tǒng)是確保自動(dòng)犢牛飼喂機(jī)的衛(wèi)生條件良好，避免損害犢牛的健康。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

犢牛飼喂機(jī)包括代乳粉料斗、圍欄、換熱器、攪拌器、機(jī)架等。

（1）換熱器設(shè)計(jì)。飼喂機(jī)熱水器中熱水按計(jì)算機(jī)編程好的溫度，不同乳粉對(duì)應(yīng)的溫度，控制熱交換器中水的溫度39 ℃，使之符合犢牛飼喂要求。如果溫度過低會(huì)導(dǎo)致代乳粉凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，這樣的牛奶進(jìn)入腸道后會(huì)引起犢牛腹瀉，也就是說，牛奶溫度不足會(huì)引起犢牛腹瀉；如果溫度過高會(huì)導(dǎo)致犢牛胃黏膜受到損傷。另外每次犢牛飲奶量過大也會(huì)導(dǎo)致腹瀉。如圖3。

（2）攪拌器設(shè)計(jì)。綜合飼喂站可以操控3或4個(gè)奶嘴線。犢牛一天飼喂4～8次，每次0.5～2.0 L，經(jīng)設(shè)計(jì)和計(jì)算后，設(shè)計(jì)的攪拌器容積為0.5 L。如圖4。

（3）圍欄設(shè)計(jì)。犢牛自動(dòng)飼喂機(jī)的人工奶嘴為可隱藏式設(shè)計(jì)，以免受到外界污染。同時(shí)，其還擁有自動(dòng)酸堿清洗消毒系統(tǒng)，清洗吸管，每飼喂一頭犢牛就自動(dòng)對(duì)奶嘴內(nèi)外清洗一次，以避免犢牛間的交叉污染。依據(jù)犢牛身體尺寸，安全舒適，牛舍防塵，防蠅等衛(wèi)生要求設(shè)計(jì)。如圖5。

（4）代乳粉料斗。在傳統(tǒng)飼喂中，犢牛一天分2～3次飼喂限量的代乳粉，當(dāng)犢牛每日按低于1.5磅（0.68 kg）的固體限喂奶量時(shí)，計(jì)算代乳粉料斗為0.54 m3。如圖6。

1.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)整機(jī)集成要求，按電器控制方案將飼喂機(jī)分成以下主要部分：①代乳粉給料裝置；②乳品攪拌裝置；③熱交換裝置；④奶、水供入裝置；⑤清洗裝置；⑥定量輸送飼喂裝置。以松下FP0RC32T為控制核心，傳感器等模擬量用8路A/D轉(zhuǎn)換器采集，配合空開、繼電器、接觸器等外圍部件構(gòu)成主機(jī)對(duì)整機(jī)進(jìn)行控制。通過對(duì)犢牛飼喂管理系統(tǒng)的控制，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)問題的犢牛數(shù)據(jù)，并據(jù)此及時(shí)采取相應(yīng)的措施。如圖7。

（1）代乳粉給料裝置設(shè)計(jì)。由代乳粉料斗、物料推送電機(jī)組成。實(shí)現(xiàn)干粉物料定量給送功能。工作時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)將粉料經(jīng)代乳粉出料口緩慢推出落入下方攪拌器內(nèi)。攪拌器下稱重傳感器對(duì)給入量進(jìn)行測(cè)量。工作流程如下：如圖8。

（2）乳品攪拌裝置設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同犢牛情況配置代乳品，對(duì)代乳粉稱重，配入溫水進(jìn)行攪拌對(duì)奶品進(jìn)行稱量盛放等功能。由攪拌杯、攪拌電機(jī)、入水感知電極、水位電極、溫度傳感器、稱重傳感器等部件構(gòu)成。如圖9。

（3）熱交換裝置設(shè)計(jì)。通過內(nèi)部加熱管對(duì)內(nèi)部冷水加熱，犢牛飲用奶經(jīng)不銹鋼盤管熱交換器進(jìn)行加熱。主要由水箱、加熱管、不銹鋼盤管熱交換器、溫度傳感器、限溫器、混水泵、入水口流量傳感器組成。工作流程如下：如圖10。

（4）奶、水供入裝置設(shè)計(jì)。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、管路等構(gòu)成。功能是對(duì)其他裝置定量提供水、奶以及排放攪拌器內(nèi)的溶液。

（5）清洗裝置設(shè)計(jì)。由清洗液盛放瓶、蠕動(dòng)泵、水位浮子以及管路組成。作用是按需要對(duì)攪拌器定量提供清洗液。

（6）定量輸送飼喂裝置設(shè)計(jì)。當(dāng)犢牛進(jìn)入牛奶飼喂站后，電子識(shí)別系統(tǒng)可以對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，根據(jù)犢牛的飼喂計(jì)劃決定是否允許該犢牛飲用牛奶并確定飲用量。飼喂站可以為每頭犢牛設(shè)置訪問量。犢牛站可以為每頭犢牛設(shè)置每次訪問時(shí)的最小和最大飼喂份量。如果允許犢牛飲奶，則犢牛飼喂站將立即為該犢牛準(zhǔn)備一份具有預(yù)定溫度的新鮮牛奶。此設(shè)計(jì)系統(tǒng)由蠕動(dòng)泵、喂入口膜片式壓力傳感器、管路等組成，用于對(duì)犢牛進(jìn)行定量飼喂。其中蠕動(dòng)泵可精確控制轉(zhuǎn)動(dòng)量，從而達(dá)到定量飼喂的目的。膜片式壓力傳感器能檢測(cè)管道內(nèi)壓力變化從而判斷犢牛是否允吸奶嘴。工作流程如下：如圖11。

2 犢牛飼喂器的特點(diǎn)

從自身機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上的自動(dòng)飼喂機(jī)有如下特點(diǎn)：

（1） 標(biāo)配攪拌罐加熱裝置。攪拌罐連同飼喂用的牛奶都通過一個(gè)水浴加熱器保持在適宜的溫度，代乳粉在此溫度下也很容易溶解。

（2） 標(biāo)配不銹鋼材質(zhì)。飼喂機(jī)中的所有金屬件都由不銹鋼材料制成。這樣，設(shè)備清洗更加簡(jiǎn)便，不受糞污的腐蝕，使用壽命也更長(zhǎng)。

（3） 對(duì)剩余奶量的精確稱量。犢牛飼喂機(jī)都可以稱量犢牛未喝完剩奶的準(zhǔn)確質(zhì)量，讓農(nóng)場(chǎng)主立刻可以知道一只犢牛到底有多少奶沒有喝完。而其它類型的飼喂器系統(tǒng)只能測(cè)出牛奶容器是空的還是滿的。

（4） 先進(jìn)的自動(dòng)清洗功能。飼喂機(jī)都配有一個(gè)交替采用酸性和堿性洗滌劑的自動(dòng)攪拌罐清洗裝置。一個(gè)不銹鋼牛奶換熱器參與整個(gè)喂奶過程，該裝置帶有一個(gè)全自動(dòng)清洗系統(tǒng)，而該系統(tǒng)則標(biāo)配內(nèi)置洗滌劑（酸/堿）。

（5） 電腦監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。每頭犢牛都有其獨(dú)特的吸吮速度，本犢牛飼喂機(jī)可以記錄并儲(chǔ)存每只犢牛的這種特點(diǎn)。當(dāng)一只犢牛的飲奶速度偏離其正常值一定量時(shí)，機(jī)器就會(huì)發(fā)出警報(bào)，通知牧場(chǎng)主檢查該犢牛的狀況。

綜上所述，我國(guó)整體上自動(dòng)化犢牛養(yǎng)殖水平還比較低，而目前主要市場(chǎng)份額仍然被國(guó)外產(chǎn)品所占據(jù)，傳統(tǒng)的犢牛飼養(yǎng)方式在日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)和需求下漸漸失去競(jìng)爭(zhēng)力，其發(fā)展趨勢(shì)必將是現(xiàn)代化的規(guī)模飼養(yǎng)，而在現(xiàn)代化的養(yǎng)殖過程中，自動(dòng)化犢牛飼養(yǎng)管理相當(dāng)重要。以計(jì)算機(jī)控制的犢牛自動(dòng)飼喂系統(tǒng)可為犢牛提供全天候照顧，合理的飼喂，恒溫恒速的奶量，高效的采食量，個(gè)性化精細(xì)飼喂是現(xiàn)代化犢牛飼養(yǎng)管理的發(fā)展方向。因此大力發(fā)展智能化、自動(dòng)化的犢牛飼養(yǎng)設(shè)備，市場(chǎng)需求量大，發(fā)展前景廣闊。

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