豬場水泡糞糞溝清洗機設計與試驗

張志勇，樊士冉，劉 聰，杜曉冬，燕 凱

(新希望六和股份有限公司，山東 青島266000)

0 引言

近年來，中國的養豬業一直朝著現代化、產業化和規模化方向發展。生產規模從過去的小規模和分散性轉變為現在的大規模和集約化[1]。我國規模化養豬場主要采用干清糞、水沖糞或水泡糞工藝清理豬舍糞污[2-4]。其中，水泡糞工藝具有節省人力、管理方便和受季節影響小等優點，得到廣泛應用[3-4]。

水泡糞模式是在豬舍內的糞溝中注入一定量的水，糞尿、沖洗和飼養管理用水一并排放至縫隙地板下的糞溝中，儲存一定時間后，打開漏糞口的漏糞提塞，將糞溝中糞水排出[5]。大多數糞污可以經漏糞口進入排污管道，但是糞溝內仍不可避免有大量殘留。非洲豬瘟病毒可以在豬的排泄物(如糞便、尿液)中保持相當長時間的活性，是傳播非洲豬瘟的重要渠道[6-7]。在當前非洲豬瘟的嚴峻形式下，糞溝的清洗是切斷非洲豬瘟傳播的重要途徑之一。

目前，水泡糞糞溝的清洗通常由人工手持高壓水槍進入糞溝內進行。糞溝作業空間有限，且糞污厭氧發酵產生大量的有害氣體，如CH4(甲烷)、H2S(硫化氫)等[8-9]。清潔過程本身會導致工作環境惡化，被沖洗的污垢、微生物和水等不經意間會被操作者吸入[10]。糞溝的人工清洗作業對于操作人員的生命安全及身體健康造成巨大危害。目前行業內對于水泡糞糞溝清洗的設備研究較少，亟待開發一款設備，實現水泡糞糞溝的自動化清洗。

通過前期對規模化豬場水泡糞工藝實地調研及相應的基礎性試驗，提出采用糞溝清洗機對糞溝進行清洗作業，采用高壓水的沖刷作用實現清洗效果，代替豬場工作人員進入糞溝進行作業，降低勞動強度，避免作業風險。最后對糞溝清洗機進行設計與試驗，對清洗的效果進行評估。

1 整機設計

1.1清洗對象

水泡糞糞溝長度在15.0 m左右，寬度為2.2 m(施工誤差±0.1 m)，糞溝深度0.6 m。在儲存結束后將漏糞口的漏糞提塞拔掉，糞污經漏糞口進入排污管道。通常情況下，拔塞后糞溝地面殘余約2～10 cm的糞污，呈膠狀，且越靠近拔塞口的位置，糞污聚集越多；糞溝側面殘余的糞污較少，相對比較容易清洗干凈。

1.2總體方案

高壓水由集中式清洗系統中的高壓水泵提供，豬舍內布置有高壓水接口，額定流量42 L/min，額定壓力18 MPa。豬舍內布置有220 V交流電。水泡糞糞溝清洗機總體方案如圖1所示。

1.電纜卷管器 2.水泡糞糞溝 3.糞溝清洗機本體 4.漏糞口 5.水管卷管器圖1 水泡糞糞溝清洗機總體方案Fig.1 Deep-pit manure ditch cleaning machine general design

糞溝清洗機在清洗作業中拖動高壓水管與電纜運動，高壓水與電力分別通過水管卷管器與電纜卷管器提供給清洗機本體。水管卷管器實現了豬舍高壓出水口與糞溝清洗機的水路連接；電纜卷管器實現了墻體電源插座與糞溝清洗機的電路連接。卷管器作用是當清洗機前進時，卷管器處于低阻尼狀態，便于水管與電纜拉出，當清洗機后退時，卷管器將水管與電纜分別自動收回。糞溝清洗機帶有主噴頭、后噴頭模組實現糞溝底部的清洗；側噴頭模組實現糞溝側墻的清洗。使用過程中的清洗用水及清除的殘余糞污最終均由漏糞口排出。糞溝清洗機主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

1.3糞溝清洗機本體設計

糞溝清洗機本體由控制系統、車體框架、行走驅動系統和高壓水系統等部分組成，如圖2所示。

1.車體框架 2.引導機構 3.電控箱 4.側噴頭模組 5.后噴頭模組 6.行程開關A 7.行走驅動機構 8.分水塊 9.電磁閥組10.從動輪 11.行程開關B 12.行程開關C 13.主噴頭系統 14.行程開關D圖2 糞溝清洗機本體組成Fig.2 Manure ditch cleaning machine composition

1.3.1控制系統

以PLC為主控制器，型號為三菱FX3U-32MT/ES-A。采用行程開關作為位置感應傳感器。PLC核心控制板實現各功能邏輯控制與手動/自動的切換，遙控模組實現遙控器對糞溝清洗機的遠程控制。PLC輸入輸出點的地址分配如表2所示。

表2 PLC輸入輸出點地址分配

1.3.2車體框架

車體框架為糞溝清洗機的基礎部分，起到搭載使用終端(電箱、噴頭、擺桿等)、連接外部水電、電路中轉等功能。車體框架整體采用304不銹鋼，保證使用過程中的強度與防腐蝕性能。

1.3.3行走驅動系統

行走驅動系統包括減速電機帶動的兩個主驅動輪、兩個支撐行走的從動輪，以及保證清洗機直線行走的引導機構。

主動輪為33.3 cm(10寸)實心橡膠輪，減速電機提供動力，由鏈輪鏈條進行傳動。糞溝清洗機行走過程中需要克服的力包括水管卷管器與電纜卷管器的拖拽力、車體行走過程中的摩擦力和高壓水射流的反作用力等。水管卷管器與電纜卷管器的拖拽力可通過實際測量得出。高壓水射流的反作用力由公式計算得出。根據驅動的要求，減速電機功率選擇200 W；根據糞溝清洗效率的要求，糞溝清洗機行走速度設計為1.5 m/min。

從動輪選用20 cm(6寸)萬向腳輪，起到支撐及微調方向的作用。

考慮到糞溝施工質量的問題，避免由于糞溝寬度的不一致導致糞溝清洗機跑偏或者卡死的情況，設計一套自適應引導機構，引導機構的導向輪由彈簧壓緊在糞溝側墻之上，由彈簧的變形量抵消糞溝施工寬度方向的誤差，保證糞溝清洗機可沿糞溝直線運動且不被卡死。

1.3.4高壓水系統

高壓水由清洗泵房的集中式清洗系統提供，在豬舍內預留高壓水的快速接頭。采用高壓水管卷管器，一端接高壓水的快速接頭；另一端接糞溝清洗機本體。糞溝清洗機帶動水管運動，防水電磁閥對前后兩組噴頭進行開關控制。糞溝清洗機高壓水流向如圖3所示。

圖3 糞溝清洗機高壓水流向Fig.3 Manure ditch cleaning machine high-pressure water flow

糞溝清洗機后噴頭模組用于清洗糞溝清洗機存放區域糞溝底部的區域。采用110°扇形噴頭，底部布置7個噴頭，實現糞溝底部位置的全覆蓋。糞溝清洗機側噴頭模組用于清洗糞溝的側面區域，采用110°扇形噴頭，兩側各布置2個噴頭，實現糞溝側面區域的全覆蓋。

主噴頭通過擺桿馬達帶動擺桿實現左右擺動，行程開關B、D確定擺動的幅度，實現糞溝底部范圍的全覆蓋。

為提高清洗效率，糞溝清洗機可不停車連續清洗。需特別注意擺桿擺動的速度與糞溝清洗機行進速度的匹配，避免由于行走速度相對擺桿速度太快導致的清洗盲區。現驅動輪的行走速度為v=1.5 m/min，主噴頭采用旋轉噴頭，根據安裝的位置測得噴水最小有效覆蓋寬度為W=250 mm。則假設擺桿擺動一個周期時間為T，則T應滿足

計算得T≤10 s。本設備擺桿設計的擺動周期為6 s，可以保證良好的清洗效果。

1.3.5自動程序/手動控制簡介

在自動模式下，清洗過程如圖4所示。在設備自動模式開啟之前，設備存放于糞溝中靠近漏糞口的位置。開啟設備電源，上水上電。此時，后噴頭模組與側噴頭模組打開，糞溝清洗機后退行走，進行糞溝側面及糞溝底部的部分清洗。由于側面相對底部的糞污較少，此步驟可將側面清洗干凈，同時對底部進行簡單的清洗。直到碰到行程開關A，糞溝清洗機運動換向，開始前進運動。前進運動行程約2 m，前進的過程中清洗漏糞口最遠端底部約2 m的區域范圍，此部位主噴頭無法清洗。2 m前進完成后進行后退動作，至碰到行程開關A。后噴頭與側噴頭關閉。主噴頭打開，搭載主噴頭的擺桿開始擺動。糞溝清洗機換向前進，前進的過程中，擺桿一直擺動由主噴頭進行清洗工作。采用旋轉噴頭作為主噴頭，清洗能力強，可有效清除糞溝底部糞污。工作過程持續到碰到行程開關C，糞溝清洗機停止行走，主噴頭關閉，整個自動清洗流程結束。

圖4 糞溝清洗機自動程序流程Fig.4 Manure ditch cleaning machine automatic program

糞溝清洗機可以在自動模式和手動模式下自由切換。手動模式可以單獨控制清洗機的前進、后退、不同噴頭類型的開啟和關閉等。對于糞溝內特別頑固的糞污，可以采用手動模式進行重點清洗。

2 性能試驗

糞溝清洗機試驗于2020年3月在山東省萊陽市萊陽新好牧業有限公司的產仔舍進行。單條糞溝長度15.0 m，寬度2.2 m，深度0.6 m。仔豬在產房內出生21 d后進行斷奶，將斷奶仔豬與母豬趕出產房后進行豬舍及水泡糞糞溝的清洗。取其中的3條糞溝進行試驗，經過21 d使用，水泡糞糞污的高度為20～30 cm。清洗之前先將漏糞口的漏糞提塞取出，大部分糞污經漏糞口流入排污管道。剩余約2～10 cm的糞污殘余，此部分糞污需要由糞溝清洗機進行清洗。

清洗作業開始之前，連接糞溝清洗機的水電系統，采用如圖4所示的自動程序進行糞溝的清洗，不進行額外的手動控制等操作。糞溝清洗機現場作業情況如圖5所示。

圖5 糞溝清洗機作業現場Fig.5 Manure ditch cleaning machine in field operation

在糞溝清洗機作業過程中，記錄清洗作業所需的耗水量、清洗時間等關鍵數據，并對清洗效果進行評價。試驗過程中的主要參數如表3所示。

表3 清洗試驗關鍵數據

根據試驗可得，糞溝清洗機單條糞溝清洗的耗水量為870 L，清洗時間22 min。清洗效率高，用水量少。

重點對清潔率進行評估。清潔率的計算方式借鑒農業機械推廣鑒定大綱DG/T 055—2019《清糞機》進行，如式(1)和式(2)所示[11]。

(1)

式中F——清潔率， %

Qi——清洗前糞溝中糞污質量，kg

Qn——清洗后糞溝中糞污質量，kg

其中

(2)

式中ρ——水泡糞糞污密度，kg/m3

L——水泡糞糞溝長度，m

W——糞溝寬度，m

hi——不同測量點糞溝中殘留糞污深度，m

在本次試驗中，清洗作業之前測量糞溝長度方向前中后3個位置殘余的糞污深度hi，計算對應的一條糞溝清洗前的糞污質量Qi。清洗作業完成后馬上對糞溝內殘余糞污進行收集并稱量，記錄清洗后糞溝中糞污質量Qn。根據以上數據計算清潔率F。

糞溝清洗清潔率試驗結果如表4所示，糞溝清洗機對糞溝的清潔率可達99%以上，起到較好的清洗效果。清洗完成后的糞污殘余集中在糞溝清洗機的存放區域，隨著清洗作業的進行，部分糞污會飛濺并殘留在車體之上，需要后續將車體進行人工清洗干凈。

表4 糞溝清洗清潔率

3 結束語

針對目前水泡糞糞溝清洗的難題，設計了一款糞溝清洗機。可以實現糞溝的自動清洗，大大提高清洗效率，節省人力，避免清洗人員進入糞溝的狹窄空間作業造成的健康安全風險。根據現場試驗情況，清洗一條15 m的糞溝，清洗時間22 min，清潔率>99%，取得了較好的清洗效果，對于豬場水泡糞糞溝的清洗有重要的推廣價值。