奶牛電動提升保定架設計及優化*

王辛政，孫杰，員榮基，范國強，董和銀，吳愛兵

(1.山東農業大學機械與電子工程學院,山東泰安,271018;2.山東省農業裝備智能化工程實驗室,山東泰安,271018;3.泰安意美特機械有限公司,山東新泰,271215; 4.泰安市畜牧智能裝備產業技術研究院,山東新泰,271215; 5.農業農村部南京農業機械化研究所,南京市,210014)

0 引言

我國畜牧業不斷發展,奶牛產業日益壯大,正在向規模化、現代化、集約化和標準化的養殖方式轉變[1-2]。在養殖過程中引入相應的機械設備輔助,能有效地提高經濟效益,促進奶牛產業的持續快速發展。但是目前奶牛保定架普遍存在設備沉重、操作復雜、維修不便的情況,一定程度上影響奶牛行業的發展。

人工授精、胚胎移植和牛蹄治療等是奶牛生長過程中必不可少的步驟[3-6]。在歐洲和澳洲的一些國家,采用先進的電液控制技術,以確保工作人員的安全,對奶牛進行必要的保定和一系列操作。針對不同生長階段的奶牛,機械化作業提供了提升、綁定和防踢等功能,這些是保定架所必備的條件[7-8]。

目前,保定架主要分為手動式、液壓半自動式、液壓翻轉式三大類,手動式結構簡單易操作,但效率較低操作人員易有受傷風險,液壓半自動式和液壓翻轉式能有效減少動物受傷風險和操作員的疲勞,提高效率,但存在結構復雜,不易維修的問題。

愛爾蘭HAPPY FARM LTD[9]為公牛和長角奶牛設計了手動綁定架,通過鏈條控制前門來固定牛的頭部,防止其后縮,具備獨特的壓牛設計、修腳設備以及可調節的雙腹部和腹股溝支撐帶(適用于有孕母牛)。丹麥800-1保定架采用液壓半自動控制,可以將牛受傷的風險最小化,它的設計噪音最小化,并且可調節工作高度,此外,它還提供了照明設施,以確保修蹄師和奶牛都能享受到最舒適的修蹄體驗。澳大利亞SILENCER系列采用液壓翻轉式設計,能顯著提高加工效率并降低勞動力成本,最重要的是,它能減少動物和工作人員的傷害,同時減輕操作員的疲勞。該系列產品還擁有特殊的降噪系統(NRS),為動物提供更安靜和壓力更小的環境。

近年來,我國在奶牛保定技術的推廣上取得了巨大的進步,但保定架的產品相對較為單一,無法使工作人員得到安全的保障。國內大型牧場多使用翻轉式綁定架裝置,成本較高,所需操作過程較為煩瑣。中小型牧場缺乏相關保定設備,只能采用四柱欄保定法等簡易裝置對奶牛進行保定,但對頸部和頭部進行操作時無法有效固定,且傳統保定方法易引起奶牛的應激反應,會帶來很大的安全隱患。綁定和提升是關鍵作業部分,關系著保定架中最關鍵的綁定部分,但有關的研究比較缺乏。如何提高綁定效率,成為國產保定架亟待解決的問題。

針對上述問題,本研究在奶牛保定架的研發過程中,重點對提升機構、綁定裝置以及防踢裝置進行詳細計算和結構設計,并根據設計參數制作樣機。

1 奶牛電動提升保定架結構與工作原理

1.1 保定架結構

電動提升保定架(圖1)由整機框架、頸夾、綁定裝置、電動提升機構和防踢裝置組成,旨在穩定地保定奶牛,以促進修蹄、胚胎移植和人工授精等操作的順利進行。同時,通過保定操作可有效防止奶牛在操作過程中對操作人員造成傷害,減少潛在損失的產生。奶牛電動提升保定架裝置及功能需求如表1所示。

表1 奶牛電動提升保定架主要裝置及功能

圖1 整機結構

1.2 工作原理

首先將奶牛引進保定架,通過人工操作,使前端夾住奶牛頭部,防止其亂動,然后將兩條皮帶分別放置在奶牛髖結節和肩胛骨的后側,通過手動控制電動提升機將奶牛升起至防踢后側門處,最后再將奶牛蹄綁定至保定架固定處。保定架兩側和后方分別設有防踢板和防踢架,工作人員的安全性大大提高。

整機采用矩形管、圓管及角鋼組裝焊接,同時帶有滾輪,質量相對較小便于運輸。奶牛電動提升保定架性能參數如表2所示。

表2 奶牛電動提升保定架性能參數

2 關鍵部件設計

2.1 整機框架

奶牛平均體高145 cm,體長190 cm[10],考慮到有極個別體型過大以及工作需要的情況,選擇樣機尺寸(長×寬×高)為2 250 mm×1 000 mm×2 100 mm。

整體框架主要用于支撐電動提升機、安裝防護板等一系列設備,同時起到牛的保定作用。對于選材和設備的焊接要求較高,因此在設計時考慮到框架的結構強度和靈活性需求,采用了具有良好塑性的Q235B矩形方管、圓管和角鋼進行組裝焊接。此外,框架還配備有滾輪,重量相對較輕,便于運輸。

在進行整機材料的選擇時,其溫度參數范圍選擇-30～40 ℃,能夠保證保定架在各種氣候條件下都能正常運行。

2.2 頸夾

頸夾由頸夾開關、左旋轉門架、右旋轉門架、左活動門架、右活動門架組成,如圖2所示。

圖2 頸夾尺寸簡圖

起始狀態時,奶牛頭部進入活動門架夾縫,人工轉動左右旋轉門與奶牛整體處于垂直狀態,同時驅趕奶牛前進使牛肩抵住旋轉門架,拉動頸夾開關進行鎖定。活動門與奶牛頸部縫隙較小,頭部活動范圍有限,工作人員可進入安全操作區實現對牛頸部注射、打耳標等操作。

頸夾開口的高度和寬度能夠影響奶牛在保定過程中的舒適程度,是非常重要的一個參數。考慮到提升要求,頸夾彎曲開口垂直大小設為1 280 mm,頸夾采用直徑為35 mm的熱鍍鋅圓管,避免在養殖場惡劣的環境中短時間生銹腐蝕,頸夾間的尺寸根據奶牛牛頸的寬度設計為250 mm,在固定牛頸的同時減少頸夾對其造成的傷害,如圖2所示。

考慮到奶牛流通及保定效率問題,在牛頸夾的基礎上設計了一種手動頸夾開關,如圖3所示。此裝置能滿足牧場奶牛流動性較大的需求,僅需轉動防滑手柄即可將完成操作的奶牛引導出保定架,進行下一頭奶牛的準備工作。

2.3 提升機構

提升機構采用電動機為動力源,該機構主要由定滑輪、減速機、電動提升機、尼龍繩、腹帶和卷筒組成,如圖4所示。

當奶牛進入保定架后,需要操作人員將兩條腹帶分別從奶牛腹部前端和末端下方各穿插到另一端,再由腹帶末端卡扣與尼龍繩末端進行鎖定,至此提升準備工作完成。處于工作狀態時,由電源控制電動機提供動力,電動提升機連接減速機,控制卷筒,收縮尼龍繩,通過定滑輪提高腹帶高度達到提升整體奶牛的功能。當奶牛被提升至適當高度時電機進行鎖定。

為提高電機的使用效率和承載能力,選擇功率1.1 kW的雙直電容單相交流電機。由于保定架處于露天的工作情況,電機防護等級選用IP54型。成年奶牛體重一般為630～810 kg,電動提升機拉動四條同等材質線繩,通過定滑輪拽動腹帶使奶牛緩慢上升。為保證奶牛在提升過程中速度不宜過快,特選用提升速度v為0.1 m/s。再考慮到有腹帶等設備自重、體重浮動和妊娠期等因素影響,選擇承載質量m為1 300 kg,需電機提供最小1.3 kN的拉力F才可拉動其緩慢上升。

電機功率

P=Fv=mgv=1 300 W

(1)

根據以往試驗可知,一般電機的平均效率η為87%,則額定功率

(2)

P額=UI額

(3)

由此可得I額=6.7 A。

受到保定架空間條件限制,初步設計卷筒直徑d=90 mm,可得卷筒轉速

(4)

選擇減速機傳動比i=70∶1,則電機轉速為1 470 r/min。考慮到卷筒等摩擦影響,所以挑選額定功率1.5 kW,轉速1 400 r/min的電動機以及減速比i=70的減速機。

提升裝置中的尼龍繩在使用一段時間后,會由于定滑輪和卷筒的卷繞產生磨損,而且由于工作環境惡劣的問題,會加快尼龍繩的磨損程度,導致承受面積下降,隨之最大使用應力也會減小,當最大使用應力小于允許使用應力時,就不能保證尼龍繩的安全性,繼續使用就有可能釀成事故,必須進行報廢處理。根據尼龍繩的報廢標準第四條:吊繩表面出現斷絲,磨損面達到3%,應降級20%使用,磨損面達到6%,應予以報廢。

根據此標準,當磨損面達到3%時,尼龍繩的繩中破斷力

F1=1.1d12

(5)

式中:F1——尼龍繩破斷拉力,N;

d1——尼龍繩直徑,mm。

考慮到牛自重和運動因素的影響,尼龍繩破斷拉力選擇為500 kg,則d1=21.3 mm。

此時,尼龍繩最小直徑

(6)

當不降級使用時,破斷拉力

(7)

此時直徑d3=23.83 mm。

尼龍繩最小直徑不得小于23.83 mm,因此選擇直徑為25 mm的尼龍繩作為提升機構使用。

2.4 綁定裝置

綁定裝置是奶牛的治療和檢測過程中不可忽略的一環,也是工作人員安全的保證之一。考慮到傳統的綁定方式對牛蹄有一定的磨損且易掙脫,因此在保定架前端增加了牛蹄卡板,以達到固定牛蹄的目的,如圖5所示。

在進行提升之前,使用套繩將奶牛的四肢牛蹄上端腕部進行緊固。在提升完成后,緩慢地轉動手動搖輪,使牛蹄彎曲并進行翻轉,使其與地面平行。然后,通過拽動套繩,將奶牛的左前肢卡入牛蹄卡板間,使牛蹄處于簡單易操作的狀態。為確保操作人員的安全,在手動搖輪上設有鎖定裝置,以防止繩子脫離輪子的情況發生。

后綁定裝置分為固定裝置和卡扣兩大部分,如圖6所示。固定裝置由套繩和手動搖輪組成,固定牛蹄所需力較小,套繩選用規格20 mm的尼龍繩。

圖6 綁定裝置簡圖

奶牛后蹄間距大致為400～500 mm,卡口中間距設為600 mm。對綁定裝置進行受力分析,如圖7所示。

圖7 綁定裝置受力分析簡圖

由圖7可得

Fay=sinαFa

(8)

Fby=sinβFb

(9)

式中:Fa、Fb——手動搖輪產生的拉力,N。

根據牛頓第一定律可得

-M+Faya+Fbyb-F3c=0

(10)

Fay+Fby-F3=0

(11)

式中:M——手動搖輪需要產生的力矩,N·m;

a——手動搖輪與左卡扣水平中心距,m;

b——手動搖輪與右卡扣水平中心距,m;

c——手動搖輪與后蹄質心水平距離,m;

F3——套繩所受牛蹄總拉力,N。

參考大多數奶牛兩后腿距離,同時與保定架結構相結合得到α=60°,β=25°,在保定狀態下奶牛腿部用力最大不會超過600 N,為防止突發狀況取F3=800 N。

由于保定架結構限制,手動搖輪手柄最長為0.35 m,當其工作時所需要的力

(12)

式中:F′——工作時手動搖輪手柄所需力,N;

x——手柄長度,m。

運行時需要后牛蹄的同步提升綁定,因此手搖輪內部設有兩個半徑不同的轉盤,從而控制提升速度,提升時尼龍繩收縮簡圖如圖8所示。

圖8 尼龍繩收縮簡圖

由圖8可知

(13)

(14)

已知單位時間內轉盤轉動路程與兩繩運動距離比例相反,可得兩轉盤半徑大小比例

(15)

根據需求情況可設置兩轉盤直徑分別為100 mm和200 mm。

在進行卡扣裝置的設計時,需要對牛蹄大小進行統計,確定綁定裝置設置多大的開口。據統計,牛蹄平均大小為75 mm,在考慮到有極個別牛蹄生病腫大的情況所以設置開口為100 mm[11-13]。

2.5 防踢裝置

防踢裝置由防踢架和防踢板組成。防踢架是根據牛的生理學構造,在牛的腿部關節后方設置一擋管,從而大幅度減少其腿部前后活動范圍[14-15],如圖9所示。防踢架由防踢管支撐架、防踢管、卡盤刀、卡盤組成。待提升過程完成后,防踢架可根據牛臀部位置進行調整,使防踢管貼緊牛腿部位,縮小牛活動空間,最后轉動卡盤刀,對防踢架位置進行鎖定。

圖9 防踢架簡圖

由于該裝置的特殊構造,在提升后奶牛所能造成的沖擊力遠小于未受限制時的力,因此防踢管選擇較為經濟的薄壁不銹鋼管。

奶牛站立時坐骨端距大腿后側的水平距離在60～130 mm,防踢管之間的水平距離設為150 mm,如圖10所示,能有效保證奶牛在提升后腿后部不受壓迫,同時保護操作人員安全。對于寬度設計參考奶牛體寬550～630 mm,設置其寬度為650 mm。

圖10 防踢架作業圖

防踢板設置在保定架的兩側后端,并且上面安裝了固定栓,可以與底盤進行固定,以承受牛蹄擺動所帶來的力量。由于有防踢板的存在,牛蹄在正常情況下與防踢板之間的間距較小,因此無法做出大幅度的動作。

3 試驗結果與分析

為驗證設計的可行性,在天津草子里鄉試驗基地測試了樣機的性能參數,試驗目標為懷孕且需進行修蹄的奶牛。將試制的樣機放置在平整的混凝土地面上,確保在修蹄過程中能夠平穩運行,不發生側翻。因試驗條件苛刻,懷孕且需要進行修蹄的奶牛較少,試驗采取三頭懷孕奶牛與一頭成年公牛作為試驗對象,取測量數據最大值進行分析,主要測試指標:最大提升量、電機功率、提升高度和保護效果。

試驗過程中,奶牛較為安靜,各個部件工作穩定,能有效地完成奶牛的保定作業,同時保護工作人員。試驗結果如表3所示。

表3 試驗結果

該試驗表明該機能有效對936 kg的奶牛進行提升并進行保定,在保定過程中防踢裝置能抵擋住奶牛牛蹄的反抗活動,保護工作人員正常修蹄、人工授精等一系列操作,滿足設計要求。

4 結論

1) 為解決國內奶牛保定架水平較低的問題,設計了一種電動提升式奶牛保定架,同時使用手動搖輪進行綁定。

2) 首先,根據相關資料確定了整機的結構框架。其次,進行頸夾的結構設計,以確保奶牛能夠安全而舒適地固定在保定架上。接著,進行了提升機構的理論計算,確定了所需的電動機額定功率為1.5 kW,轉速為1 400 r/min,并選擇了傳動比i為70的減速機。針對綁定裝置的要求,進行了分析,確定了手動搖輪手柄的長度為350 mm,兩個輪盤的直徑分別為100 mm和200 mm,卡扣開口為100 mm。最后,對防踢裝置進行了選材和構造的確定,以確保其能夠有效地防止奶牛踢腿。

3) 試驗發現,該保定架能將重量為936 kg的奶牛提升25 cm,有效防止奶牛在保定過程中對工作人員造成傷害,滿足現有牧場需求。