豬舍軌道式自動送料系統設計與試驗

龐昌樂 程 進 張東旭 陳 剛

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.中國農業大學水利與土木工程學院， 北京 100083)

0 引言

國內很多規模化養豬場育肥豬舍采用雙列圈欄飼養形式，飼養密度大，日常喂料是一項重復和繁重的勞動，近年來，隨著人工成本和飼料成本的不斷上升，迫切需要機械化和自動化飼養設備來提高養豬效益。自動輸料系統能減少人員工作量，實現精確供料和節省飼料成本，提高飼喂效率，是規模化養豬場的重要配套設施[1]。目前國內外養豬舍內的干飼料自動送料系統普遍采用絞龍輸送和塞盤輸送兩種管道輸料方式。飼料在管道內被絞龍或塞盤推向出料口后落入食槽，這種輸料方式結構簡單、輸料速度較快，但管道易磨損，影響系統使用壽命，且容易產生管道堵塞、飼料粉末殘留等問題，需定期清理[2]。為了改進管道式供料的不足，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，結構復雜，且料箱的出料口不夠大，易引起箱內飼料結拱。

精確飼喂的實現主要有稱量式和容積式兩種計量方式[4-6]。稱量式計量主要應用于母豬的飼喂[7]，在保育、育肥方面應用很少。目前精確飼喂系統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，對料位、摩擦、擠壓等與飼料密度有關的因素十分敏感。且容積式計量在雙列圈欄、管道式連續輸送系統中應用時每個食槽上方都要單獨設置一套計量裝置，通用性較差。

針對上述問題，本文設計一種應用于保育、育肥豬舍的高架軌道式飼料自動輸送系統，該系統可實現送料車裝料量精確計量、自動巡航卸料的自動化作業。配合料庫自動裝料系統和自動化飼喂食槽，可組成適用于規模化養豬場的自動飼喂系統。

1 自動送料系統組成與工作原理

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

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

稱量平臺位于裝料系統出料口正下方，上面設有軌道。送料車裝料作業時，電控系統控制送料車行駛到稱量平臺上停止，將稱量平臺歸零后，控制裝料系統卸料機構向送料車排料，直至排料量達到設定值時停止；送料車啟動前往目標圈欄過程中，平移軌道載著送料車自動連接到目標圈欄的軌道線上，送料車繼續前行直到碰到目的地行程開關時停止，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裝料，重復上述作業過程。當舍內設定的圈欄都巡航一遍后，圈欄落料系統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 3.儲料箱監控攝像頭 4.儲料箱 5.下料絞龍 6.出料口 7.計算機 8.控制箱 9.路由器 10.稱量平臺 11.送料車 12.行程開關 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 自動送料系統設計

2.1 裝料系統

裝料系統由圖1中1～6所組成，負責存貯舍外供應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，由放置儲料箱的空間大小確定

n——舍內送料位個數

Vc——送料車料倉容積，m3

儲料箱底部設有并列雙螺旋機構向送料車排料。

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，尤其是豬舍潮濕環境容易吸潮而具有較強的團聚性，加上車體振動壓實而影響卸料，因此，送料車設計時應滿足以下要求：送料車行走平穩，不能脫軌；卸料時，箱內料倉不發生結拱，一次性落完料，料倉內干凈無殘留，防止粉塵飛揚。實現上述要求的送料車結構設計如圖2所示。主要由車架、料倉、防塵蓋、卸料蝶閥、電動機、集電器和控制箱等組成。車架根據軌道尺寸，設計為1 320 mm×400 mm×400 mm的長方體結構，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雜結構。

圖2 送料車結構示意圖Fig.2 Structure diagram of feeding vehicle 1.導向輪 2.從動輪 3.防塵蓋 4.防塵蓋導軌 5.料倉 6.集電器 7.驅動輪 8.防塵蓋驅動裝置 9.車架 10.推桿電動機 11.蝶閥開啟杠桿 12.蝶閥 13.電動機 14.控制箱

2.2.1料倉設計

料倉設計重點考慮卸料時粉體飼料的流動型態和不出現結拱。不出現結拱的理想流動型態是整體流[12]，正確選用壁面材料和設計料倉的幾何結構，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鍵。

粉體飼料在料倉內流動時受壁面摩擦力阻礙，摩擦力與壁面摩擦角有關，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，其壁面摩擦角均優于碳鋼、塑料等其它材料[13]。

料倉幾何結構設計主要是料倉底部出口形狀和尺寸設計。當飼料在倉底出口處發生結拱時，飼料對底部側壁的壓力可分為下滑力與正壓力兩個分力，正壓力S的反力就是引起結拱的支座反力[14]。

S=Qcosθ

(2)

式中Q——飼料對料倉底部傾斜側壁的壓力

θ——料倉底部側壁傾角

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，側壁傾角大于飼料休止角30°。

綜上分析，本文設計的送料車料倉壁面材料采用304不銹鋼，厚度0.8 mm，將出料口設計為矩形，尺寸為340 mm×700 mm，側壁設計為豎直壁結構，即θ=90°，料倉高度為550 mm。根據式(2)可得飼料對側壁的正壓力為零，卸料時料倉內飼料呈整體流動，不會出現結拱現象。

2.2.2蝶閥推桿電動機選型

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，還與飼料自身內部摩擦等因素有關，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，使用數顯拉力計實測蝶閥的開啟力矩為29.56 N·m。考慮到安裝空間問題，電動推桿選擇150 mm行程，根據蝶閥開啟角度86°計算出開啟連桿長度a=110 mm，根據式(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，作用到蝶閥驅動軸上的轉矩為40.22 N·m，滿足開啟轉矩要求。

2.3 稱量平臺

稱量平臺結構設計如圖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，后接信號調節放大電路[18]。稱量平臺最大滿量程為200 kg。為避免傳感器過載損壞，設計滿量程為180 kg。

圖4 稱量平臺結構示意圖Fig.4 Structure diagram of weighing platform 1.支架 2.軌道 3.連接套 4.稱量傳感器

根據惠斯通電橋原理，稱量平臺輸出電壓U0與加載力F0的關系式為[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。對于設計的稱量平臺，激勵電壓、靈敏度等已知，可以通過加載標準砝碼由式(6)標定加載力和輸出電壓U0的關系(標定試驗見4.1節)，輸出電壓經調節電路放大后由單片機采集，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量(即去皮質量)，然后計算出料質量。

2.4 平移軌道機構與舍內軌道

在雙列圈欄的食槽上方分別設置雙列高架軌道，架設高度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雙列送料軌道對接，設計了如圖5所示的平移軌道機構，軌道長度1.5 m，平移軌道由曳引電動機驅動，可載運送料車在兩列圈欄的送料軌道之間平移。

圖5 平移軌道結構示意圖Fig.5 Structure diagram of translational orbit 1.單列軌道 2.曳引電動機與曳引輪 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 接料倉結構示意圖Fig.6 Structure diagram of receiving feed bin 1.推桿電動機 2.蝶閥 3.柔性連接套 4.食槽進料口 5.送料軌道 6.橡膠防濺套 7.接料倉

接料倉結構如圖6所示，其作用是暫時儲存送料車送來的飼料，待所有圈欄送料結束后統一打開蝶閥向下方食槽內落料，確保喂料時間一致，防止豬群應激反應。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的柔性橡膠套連接，有效限制了落料過程中粉塵的擴散。

2.6 送料車運行參數設計

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。

設豬舍送料位數量為n個，其中有np個料位位于第2列，需要經過平移軌道，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

先根據生產實際情況初步確定總送料時間T，然后根據式(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，設定總送料時間為2.5～3.5 h，則根據式(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功率

(1)減速器選型

送料車車輪驅動軸與電動機之間設有減速器，擬采用單相4級異步電動機，轉速1 400 r/min。減速器減速比i為

(9)

式中nc——電動機輸出轉速，r/min

d——車輪直徑，取0.25 m

將已知數值代入式(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，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，符合設計要求。

(2)電動機功率

電動機功率根據其所受阻力計算。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——機械系統和電氣系統總效率，蝸輪蝸桿減速器效率0.4，電氣系統效率0.95，則總效率為0.38

mmax——最大整車質量，200 kg

g——重力加速度，9.8 m/s2

f——滾動阻力系數，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，配合速比為1/50的NMRV50型減速器，輸出扭矩為47.12 N·m。

3 控制系統設計

控制系統主要負責控制送料車裝料、裝料量計量、自動巡航和卸料，協調整個系統的運行。

3.1 硬件設計

控制電路硬件可分為主控制箱電路、裝料系統電路、送料車控制系統電路3部分，由上位機或主控箱按鍵控制。控制電路中包含了電源、單片機控制單元、通信模塊、電動機驅動模塊、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，兩單片機通過WiFi無線模塊建立通信聯系，系統控制電路圖和硬件配置分別如圖7和表1所示。

3.2 軟件設計

系統軟件設計包括上位機控制界面設計和下位機編程設計。下位機包括主控單片機和控制送料車單片機，完成實際設備的監控。控制系統軟件設計采用Arduino編程語言，控制流程圖如圖8所示。

上位機控制界面使用LabVIEW軟件設計，如圖9所示，其主要功能是監控下位機，通過RS232串口向下位機發送相關控制指令。上位機控制界面由6個功能區塊組成:

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

圖7 控制系統電路圖Fig.7 Control system circuit diagram

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

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

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

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

(6)送料圈欄選擇區：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圈欄位。

表1 控制系統硬件配置Tab.1 Control system hardware

圖8 控制系統流程圖Fig.8 Flow chart of control system

圖9 上位機控制界面Fig.9 Interface of control software

4 試驗與結果分析

4.1 稱量平臺標定試驗

試驗設備：10～80 kg砝碼和本文設計的稱量平臺系統。

試驗方法：采用不帶車的砝碼加載標定。標定時，每隔5 kg采樣一次，同一組重復進行6次，取平均值作為本組實測值。

根據式(6)對稱量平臺進行標定。試驗數據(環境溫度為8℃)如表2所示。由表2可知，不帶車標定時，在線監測數據的相對標準偏差在1%以內，系統測量精度較好，數據可靠。

4.2 驗證試驗

為驗證在線監測系統的性能及可靠性，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，然后控制系統按設定值向送料車排料，系統自動記錄測量值，同時將落下的料全部收集后進行人工稱量，每組設定值重復6次試驗，結果如表3所示。

表2 加載標定數據Tab.2 Load calibration data

圖10 驗證試驗現場Fig.10 Test site

4.3 結果與討論

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

表3 系統測量值與實際值統計Tab.3 Summary of system measurement and actual values

5 結論

(1)豬舍軌道式自動送料系統能夠通過WiFi無線控制系統實現送料車裝料、稱量、巡航、定位卸料和統一向食槽投料的全過程自動控制，滿足舍內飼料機械化、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，不妨礙舍內其它正常作業，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自動化送料設備使用。

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