基于SolidWorks大型羊場羊糞清理機改進設計

雷福祥　許曉東　丁 羽　艾 鑫　王易強　周 嶺

(塔里木大學機電學院， 新疆 阿拉爾 843300)

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基于SolidWorks大型羊場羊糞清理機改進設計

雷福祥許曉東丁 羽艾 鑫王易強周 嶺*

(塔里木大學機電學院， 新疆 阿拉爾 843300)

養羊業是新疆兵團畜牧業的主體，其生產水平的高低影響著兵團畜牧業的整體水平，目前兵團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軟件設計羊場糞便清理機三維模型，對自走式和手推式方案做了改進，為羊糞清理機的仿真優化及實體驗證提供理論依據。

大型羊場； 羊糞清理機； 三維建模； SolidWorks

1　前言

養羊業是兵團畜牧業的主體，其生產水平的高低影響著兵團畜牧業的整體水平。羊場畜牧機械在羊場的發展中起到重要的作用，而羊糞清理機械在其中非常關鍵[1]。我們通過實地考察新疆兵團圖木舒克市疆南牧業公司后，發現大型羊場今后都向大型化、機械化發展，羊圈全部采用雙層結構，即上層為木質柵格，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，浪費大量人力物力[2]。

目前國內對于清糞機還處于起步階段，大部分羊場圈舍還是采用鋪草方式，這種飼養方式，一方面圈舍衛生環境差[3]。另一方面清理機械結構較為笨重，大多采用刮板式，清理效果不理想。自走式羊糞清理機由于結構復雜，成本太高不適合大面積推廣。手推式羊糞清理機結構簡單，依靠人力推動作業，動力不足，工作效率低。本文主要結合前兩種驅動方式的優缺點，利用solidworks三維實體軟件對羊糞清理機進行了改進設計，毛刷的動力由內燃機提供，動力可隨時切斷，行走采用人力推動，清理機體積具有體積小、適用場地范圍廣、成本低、工作效率高等優點。

2　整機三維實體建模及主要技術指標

2.1動力系統

動力系統采用小型汽油機，功率4.4 kw，工作轉速在2 200 r/min。動力通過皮帶傳動傳到蝸輪蝸桿減速器，再經過皮帶傳動傳到毛刷裝置，整個動力傳遞過程中，傳動平穩，工作可靠，結構緊湊，如圖1所示。

圖1　動力傳輸過程

2.2整機清掃過程及主要技術指標

羊糞清掃機基本工作過程：將清除機運送到工作場地，將發動機啟動，推動整機前行，開始工作。清掃機工作原理是將發動機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刀片裝置。

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

圖2　結構簡圖

3　羊糞清理機零部件各參數設計及整體建模

3.1羊糞清理機設計參數

手推式羊糞清理機設計參數：

傳動比i=12，行駛速度0.8 m/s，動力輸入軸轉速2200 r/min，功率4.4 kw，扭矩19.1 N·m。毛刷轉速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傳動系統設計

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

圖3　傳動系統三維模型　　　　　　　　　　　　　　圖4　蝸輪蝸桿減速器三維建模

動力傳輸過程平穩可靠，經過蝸輪蝸桿一級變速，扭矩損失較小。整車傳動系統成本較低，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、結構較為復雜、運行穩定性較差。所以本文采用圓弧板及傾斜板組合設計方式收集羊糞。

圖5　圓弧板設計　　　　　　　　　　　　　　　　圖6傾斜板設計

1)圓弧板設計計算

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)

設經過旋轉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為0.3，圓弧板由前段圓弧和后段直線導軌組成，設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θ=1/2π時值F合最大。

為了在直線段導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，設直線段與水平方向夾角為α，則

2) 傾斜板設計

為了使羊糞在傾斜板上順利滑到收集箱中，傾斜板的角度要經過計算，取傾斜板與羊糞的摩擦系數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滾刷及旋轉刀片機構設計

3.4.1材料參數

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。旋轉刀片材料采用普通結構鋼，具有防腐、耐磨優點。

3.4.2滾刷機構結構設計

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

(5)

有v=3.2m/s，取轉速v=4.0 m/s，假設作用時間t=0.1 s，有：

(6)

羊糞顆粒產生的力矩為：

M=F×L=1.68×1=1.68 N ·m

(7)

刷子參與旋轉部分產生的轉矩有：

將刷子簡化為一個直徑為150 mm軸

刷子質量：

(8)

(9)

3.4.3旋轉刀片

旋轉刀片使用的是優質鋼材，作用是將大塊的羊糞切碎，有利于滾刷清掃。機器在運行狀態時應避免大幅轉彎操作，避免刀片碰觸墻壁，損害刀片。

3.4.4滾刷及旋轉刀片機構三維建模

圖7　刷子結構圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　旋轉刀片結構圖

圖9　滾刷與旋轉刀片連接圖

3.5整機建模

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

圖10　自走式羊糞清理機整機模型　　　　　　　　　　　圖11　手推式羊糞清理機整機模型

圖12　手推式動力羊糞清理機整機模型

4　結論

4.1本文針對自走式羊糞清理機和手推式羊糞清理機方案存在的問題，利用SolidWorks三維實體軟件對大型羊場羊糞清理機械進行改進設計，提出了手推式動力羊糞清理機的設計方案。

4.2手推式動力羊糞清理機設計是利用圓弧板與傾斜板的組合，內燃機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，實現羊糞清理，對圓弧板與傾斜版角度進行計算，并對關鍵部件進行數學建模，為清理機的結構優化和樣機開發提供理論論據。

4.3手推式動力羊糞清理機具有傳動方式簡單、清理效率高、可實現過載保護等特點，適用于大型規模化的養殖場，具有良好發展和應用前景，可對兵團大型養羊業發展起到積極推動作用。

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

[2]莫啟懷，何超明，張海斌．環保型雞舍糞便清理機[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[N]．中國畜牧獸醫報，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

塔里木大學校長基金(TDZKSS201411，2012GA891025)。

雷福祥(1983-) ,男， 實驗師，研究方向為CAD/CAM及先進制造技術。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