階梯式雞蛋降落裝置設計

張 婷， 張 蕊， 劉紹沖， 王程駿， 魏晨旭， 籍 鴿， 高 桐， 呂豐訸

（魯東大學交通學院，山東 煙臺 264025）

0 引言

目前我國的機械化養(yǎng)雞業(yè)正處于初級階段，國內(nèi)蛋雞養(yǎng)殖多采取階梯式蛋雞籠模式。階梯式蛋雞籠養(yǎng)雞數(shù)目多，產(chǎn)蛋量也多，然而國內(nèi)極少有雞蛋收集自動化裝置，96.2%養(yǎng)殖場收蛋全靠人工實現(xiàn)，人工收集雞蛋費時費力且易造成雞蛋破碎，還可能帶入病菌，存在一定安全隱患。市面現(xiàn)有的收蛋機器主要針對大型養(yǎng)殖戶，存在雞蛋破損率高、使用時需要更換雞籠等不足，長期以來使養(yǎng)殖戶產(chǎn)生收支不平穩(wěn)問題，因此市場占有率較小。近年我國雞蛋年產(chǎn)量約3 039 萬t，占全球年產(chǎn)量38.48%，并以每年2%的復合增長率增長，雞蛋產(chǎn)量大導致雞蛋收集急需自動化產(chǎn)品的出現(xiàn)[1]。為克服人工收蛋弊端和現(xiàn)有技術(shù)的不足，本研究設計一種配合收蛋器用的階梯式雞蛋降落裝置，實現(xiàn)階梯式雞籠雞蛋的運輸、轉(zhuǎn)移、收集全自動化。該裝置可普遍滿足大、中、小養(yǎng)殖戶的需求，能夠減輕收蛋作業(yè)的勞動強度，有效降低雞蛋破損率，節(jié)省蛋雞養(yǎng)殖的人工成本，具有較好的經(jīng)濟效益，符合農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展理念[2]。

1 裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

配合收蛋器用的雞蛋降落裝置包括階梯式降落裝置、集蛋盒和小車。其中，階梯式降落裝置包括裝置支架、外殼和集蛋盒軌道。其特征是支架垂直設置在小車上部，裝置外殼上端與支架頂端呈30°角焊接固定，裝置外殼為空心長方體設計，豎直方向一側(cè)開有3 個輸入門，內(nèi)部有斜坡滑道，底端朝向支架一側(cè)開有輸出門，輸出門外側(cè)下部設有集蛋盒軌道與集蛋盒連接，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 配合收蛋器用雞蛋降落裝置整體結(jié)構(gòu)Fig. 1 Overall structure of egg landing device used with egg collector

1.2 工作原理

階梯式雞蛋降落裝置可以實現(xiàn)多層式雞籠雞蛋的運輸和轉(zhuǎn)移全自動化，如圖2 所示。該裝置配合收蛋器用，收蛋器與養(yǎng)殖場的養(yǎng)殖雞籠連接。當雞下蛋后，雞蛋從雞籠缺口處滾動到輸送雞蛋的滑道，至輸入門自動滑入階梯式降落裝置，依次通過由柔性材料制作的緩沖擋板，一級級滑落至最底層，最后通過有一定坡度的管道滑至集蛋盒處。雞蛋滑至此處已具備足夠沖量頂開集蛋盒的單向推擋門，由此進入集蛋盒內(nèi)。多個雞蛋重復，完成從雞籠到集蛋盒的運輸。

圖2 工作原理Fig. 2 Working principle

2 關(guān)鍵部件設計

階梯式降落裝置由裝置支架、外殼和集蛋盒軌道構(gòu)成，其中裝置外殼為技術(shù)核心，可以實現(xiàn)雞蛋從雞籠經(jīng)過階梯式降落無損轉(zhuǎn)移至集蛋盒。

2.1 輸入輸出門設計

裝置外殼在豎直方向一側(cè)開有3 個輸入門，均為直徑8 cm 的圓形孔，能夠收集3 層雞籠中的雞蛋，自上至下分別為第1 輸入門、第2 輸入門和第3 輸入門，如圖3 所示。3 個輸入門內(nèi)側(cè)上方均設有輸入門擋板，輸入門擋板為弧形板，只能向裝置外殼內(nèi)部彎折，其內(nèi)部有鐵絲加固，在輸入門處形成單向通路，既能對自上部落下的雞蛋起到緩沖減振的作用，抵擋落下的沖力，又能保證上層落下的雞蛋不從下層輸入門誤滑出。3 個輸入門開口內(nèi)側(cè)下方設有引導板，既避免雞蛋進入時滑動停滯，也避免因雞蛋滑動時沖力過大導致速度過快，產(chǎn)生因碰撞造成的雞蛋破損。

圖3 輸入門局部結(jié)構(gòu)Fig. 3 Local structure of input gate

裝置外殼在底端朝向支架一側(cè)開有1 個輸出門，為直徑8 cm 的圓形孔，能保證雞蛋順利離開階梯式降落裝置，其直徑大小的設計又能防止2 個雞蛋同時離開，避免因碰撞造成雞蛋破損。裝置外殼內(nèi)部下側(cè)靠近輸出門位置設有弧形彎角，為弧形板，其一側(cè)固定于裝置外殼內(nèi)部下側(cè)第3 輸入門處，另一側(cè)固定在靠近輸出門位置。便于引導雞蛋通過輸出門進入集蛋盒軌道，有效防止因雞蛋卡頓造成的碰撞破碎，如圖4 所示。

圖4 輸出門局部結(jié)構(gòu)Fig. 4 Local structure of output gate

2.2 斜坡滑道傾斜角度計算

裝置外殼內(nèi)部與輸入門相對的另一側(cè)，自第1 輸入門的投影位置下方6.25 cm 處開始，自上至下等間隔12.5 cm，設置4 個相同的斜坡滑道，可起到緩沖效果，保證雞蛋在落下時不受磕碰造成破損。

雞蛋在斜面下落時的受力分析如圖5 所示，其中，P為雞蛋重力，F(xiàn)x為雞蛋重力沿斜面方向分力，PN為雞蛋所受約束力，fS為靜摩擦因數(shù)， θ為摩擦角，v為雞蛋下滑速度，F(xiàn)smax為雞蛋所受摩擦力。

圖5 雞蛋在斜面上的受力分析Fig. 5 Force analysis of egg on slope

雞蛋將要下落時，根據(jù)受力分析可得

此時， θ稱為摩擦角，經(jīng)實際測量得θ= 13°，當滑道角度?< 13°時，會發(fā)生自鎖現(xiàn)象，雞蛋無法落下。

為保證雞蛋能夠在階梯式降落裝置中順利下滑且下落速度不宜過快，斜坡滑道的傾斜角度? 為13°～16°，優(yōu)選使用15°，這樣既能避免雞蛋滑動停滯，也能避免因雞蛋滑動時沖力過大導致速度過快，產(chǎn)生因碰撞造成的雞蛋破損。

3 蛋殼及蛋體的有限元模擬

雞蛋的組成為蛋殼和蛋體內(nèi)容物兩部分，其中蛋體內(nèi)容物包括氣室、蛋清、蛋黃，雞蛋外形頭大的一面為大端面，頭小的一面為小端面，假設雞蛋的幾何外形由下列橢圓曲線所構(gòu)成[3]。

為探究雞蛋不同部位受力載荷大小，防止雞蛋殼破損，驗證裝置結(jié)構(gòu)設計的合理性，對雞蛋蛋殼及蛋體進行有限元分析。

3.1 雞蛋蛋殼受載特性有限元分析

使用有限元軟件進行模擬分析，選取模擬的雞蛋尺寸為長軸長55.28 mm、短軸長45.32 mm、蛋形角 λ為10° ，蛋売屬性設置為彈性模量E=30 GPa，泊松比μ=0.3。分別從端面和側(cè)面兩個方向施加15 N 集中載荷，觀察蛋殼形變情況。發(fā)現(xiàn)在相同外載加壓下，最大應力和形變點出現(xiàn)在加載端面，最小應力和形變點出現(xiàn)在加載點側(cè)面，得出端面的抗載性高于側(cè)面，進一步探究大端面和小端面這兩個部位哪個抗載性更好[4]。

對雞蛋的大端面和小端面不斷施加載荷得到蛋殼所承受的最大載荷，如表1 所示，發(fā)現(xiàn)蛋殼小端面承受的最大載荷略高于大端面的最大載荷，因此雞蛋小端承受載荷能力較強，大端承受載荷能力較弱，而且大端承受載荷能力略強于中部[5]。

表1 不同部位受壓時最大載荷Tab. 1 Biggest load along different directions單位：N

已有研究表明，越厚的蛋殼能承受的應力越大[4]。通過實際測量得到不同部位蛋殼厚度，如表2 所示，小端的厚度明顯高于其他兩個部位，大端面的厚度次之，中部的厚度最薄，進一步定性的驗證了雞蛋端面（小端面強于大端面）抗壓能力大于側(cè)面這一結(jié)論[6]。雞蛋殼最薄即雞蛋最脆弱部位在側(cè)面中間部位，雞蛋殼最厚即雞蛋最堅硬部位在小頭端面部位，經(jīng)數(shù)次階梯式雞蛋降落試驗觀察可知，雞蛋碰撞時接觸部位為小頭端面處，該部位厚度最大，故雞蛋不易發(fā)生破損。

表2 不同部位蛋殼厚度Tab. 2 Thickness from different parts of eggshell單位：mm

3.2 雞蛋蛋體流-固耦合有限元分析

選取分析的雞蛋尺寸為長軸長58 mm、短軸長46 mm、蛋殼厚度0.38 mm，蛋殼屬性參數(shù)為彈性模量E=30 GPa ，泊松比 μ=0.307，材料密度ρ=2 400 kg/m3，氣室高度h=4 mm。蛋體的有限元模型由蛋殼有限元網(wǎng)格、氣室和蛋液的聲學有限元網(wǎng)格等部分構(gòu)成，如圖6所示[7]。其中蛋殼有限元單元為二維殼單元，氣室有限元單元和蛋液有限元單元均為六面體單元。將整個雞蛋蛋體作為流?固耦合模型分析對象，蛋體一階模態(tài)頻率及振型如圖7 所示，其中z軸為蛋體長軸D，x、y軸為蛋體短軸2R，一階振型結(jié)果表現(xiàn)為蛋體縱軸鈍端與尖端振動量最小，兩端向赤道方向振動量逐漸增大，在蛋體赤道位置附近振動量達到最大，且最大振動量位于赤道中心軸方向的0°、90°、180°和270°位置處[7]。蛋體短軸（赤道）方向振動量最大，縱軸鈍端與尖端的振動量最小，測試結(jié)果與蛋殼受載有限元分析結(jié)果基本吻合。

圖6 蛋殼及單體內(nèi)容物有限元網(wǎng)格Fig. 6 PE mesh of eggshell and its content

圖7 蛋體一階模態(tài)振型Fig. 7 Isometric view and top view of mode shape of 1st mode

為保證雞蛋能夠成功通過緩沖通道并且不會受沖擊而導致破損，對雞蛋碰撞進行分析。由圖5 可知，雞蛋在斜面上做純滾動，為平面運動，所以根據(jù)平面運動方程得

由以上有限元分析可知，雞蛋最脆弱部位（赤道部位），查閱資料可知其可承受大概30 N 的力量，所以會穩(wěn)定下落，并且速度與效率可觀的條件下，裝置不會使雞蛋破損。

4 緩沖材料選擇

雞蛋殼為典型的彈性薄殼結(jié)構(gòu)且表面較為光滑，在整個裝置運動過程中其所受摩擦較小，下滑速度快，易發(fā)生碰撞導致破碎，因此需要一種造價低廉、緩沖減振效果好的材料作為裝置內(nèi)襯包裝[8]。現(xiàn)有聚乙烯泡沫、聚苯乙烯泡沫、AB 型瓦楞紙板3 種緩沖材料作為選擇，選定雞蛋的小頭端作為跌落的沖擊部位，在相同跌落高度下，雞蛋跌落在這3 種緩沖材料上的最大沖擊力和碰撞時間關(guān)系如表3 所示[9]。

表3 不同緩沖材料性質(zhì)下最大沖擊力和碰撞時間關(guān)系Tab. 3 Maximum impact force and collision time relationship under different buffer material properties

已有研究表明，緩沖材料的彈性模量對雞蛋與該材料碰撞時受到的沖擊力峰值有很大影響，彈性模量越大，緩沖性能越差，雞蛋與之碰撞受到的沖擊力峰值越大[9]。通過對表中3 種緩沖材料的比較分析得知，雞蛋跌落在AB 型瓦楞紙板上受到的最大沖擊力明顯大于其他兩種材料，說明其緩沖性最差。雞蛋跌落在聚乙烯泡沫上碰撞時間最長，說明其加速度峰值最小。由此綜合比較得出，雞蛋在聚乙烯泡沫上進行跌落時產(chǎn)生破損的幾率低于其他兩種材料，所以緩沖材料優(yōu)選聚乙烯泡沫。

對聚乙烯材料的性能進行分析可知，聚乙烯具有化學性能穩(wěn)定、不易受腐蝕、機械性能好、耐摩擦、加工性能好、易于成型、價格較便宜的優(yōu)點，是理想的緩沖材料[10]。所以利用聚乙烯泡沫制成緩沖襯墊作為包裝內(nèi)襯材料，鋪設在裝置外殼、引導板、斜坡滑道和集蛋盒軌道上，在斜坡滑道和裝置外殼側(cè)邊結(jié)合處留有弧形彎角，既對雞蛋起到緩沖減振作用，又不影響原有構(gòu)件的使用效果。

5 蛋雞養(yǎng)殖場試驗與結(jié)果分析

為驗證階梯式雞蛋降落裝置的可行性，選擇1 個長59 m 的蛋雞養(yǎng)殖場（中型雞舍）進行實地試驗，養(yǎng)殖場有4 大組（1 組2 坡）雞籠，共養(yǎng)有約14 886 只雞，雞籠積存雞蛋數(shù)目約為15 000 個/d。分別采用3 種方式對雞蛋進行收取作業(yè)：人工拾取、傳送帶式收蛋機、階梯式雞蛋降落裝置（配合收蛋器）。人工拾取需2 名工人，每人工作5 h；2 臺傳送帶式收蛋機將15 000 個雞蛋完全收集需工作3.2 h；2 臺階梯式雞蛋降落裝置可以2.4 h 連續(xù)運轉(zhuǎn)，直至完成全部雞蛋的收取。經(jīng)過上千余次的雞蛋收取試驗，且對每一次試驗進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計取平均值后，以1 名工人、1 臺傳送帶式收蛋機、1臺階梯式雞蛋降落裝置（配合收蛋器）的工作量進行對比分析，如表4 所示。

表4 不同方式下雞蛋收取比較Tab. 4 Comparison of egg collection in different ways

采用階梯式降落裝置收集的效率約為人工的2.08 倍，傳送帶式收蛋機的1.33 倍，如果多臺設備同時運行，效率則會成倍增長，能極大提升收蛋效率。另外，該配合收蛋器使用的階梯式雞蛋降落裝置可達到零破蛋率的效率，與人工收集相比，其受環(huán)境影響小；與傳送帶式收蛋機相比，收集過程高效平穩(wěn)，足以滿足養(yǎng)雞場的需求。

6 結(jié)論

（1）如今國內(nèi)擁有養(yǎng)殖場多達60 余萬家，其中96.2%的養(yǎng)殖場中雞蛋的收取仍是以人工為主，人工收蛋不僅工作環(huán)境臟亂差、有害健康，而且費時費力、效率低下、雞蛋破損率高。使用本裝置單機收集雞蛋效率約為人工2.08 倍，設備成本較低，根據(jù)場地需要本裝置可多臺同時使用，效率顯著提高；能減輕收蛋作業(yè)的勞動強度，有效降低雞蛋破損率。

（2）目前市面上可購買到的適用于多層式雞籠的自動收蛋裝置必須配套特制的雞籠，給養(yǎng)殖戶帶來非必要支出，大大增加養(yǎng)殖成本。本階梯式雞蛋降落裝置，可直接應用養(yǎng)殖戶現(xiàn)有雞籠，無需對雞籠改裝，便可實現(xiàn)雞蛋無破損的降落與轉(zhuǎn)移，其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、占地面積小的優(yōu)勢解決了多層雞籠自動收蛋的技術(shù)難題。