基于降低破蛋率的蛋雞籠養(yǎng)設(shè)備設(shè)計與試驗分析

彭 正,張立勇,姜春霞

(安徽科技學(xué)院 機械工程學(xué)院,安徽 滁州 239000)

21 世紀(jì)以來,國內(nèi)的蛋雞養(yǎng)殖行業(yè)得到了快速發(fā)展[1]。當(dāng)前我國蛋雞產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級進入關(guān)鍵時期,隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展和對生態(tài)環(huán)保重視程度的提高,蛋雞生產(chǎn)的組織形式也發(fā)生了很大變化[2]。2020年以來,受新冠肺炎疫情和雞蛋供給過剩雙重影響,蛋雞養(yǎng)殖效益較差,雞蛋價格持續(xù)走低、蛋雞養(yǎng)殖戶補欄量急劇下降,同時受制于飼料成本不斷增加,蛋雞產(chǎn)業(yè)“瀕臨虧損”的困境。為了控制成本,不少科研人員在蛋雞籠優(yōu)化方面做了大量的探索研究工作。黃麗等[3]設(shè)計了一款高效自動式的喂料系統(tǒng)。王鶴迪[4]設(shè)計了一種蛋雞籠網(wǎng)清掃裝置,創(chuàng)建了球形刷模型并進行了有限元分析和單因素試驗,分析出蛋雞籠網(wǎng)清掃裝置的最佳工作參數(shù)。但上述研究未考慮降低破蛋率的問題。

蛋雞籠養(yǎng)的破蛋率是設(shè)備的關(guān)鍵指標(biāo),關(guān)乎到客戶是否選擇該蛋雞籠設(shè)備,也是在籠養(yǎng)設(shè)備市場競爭中能夠獨立潮頭的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[5]。在蛋雞籠養(yǎng)設(shè)備開發(fā)過程中,籠具的底網(wǎng)、擋蛋線、水平收蛋臺等結(jié)構(gòu)的研發(fā)是降低破蛋率的重要環(huán)節(jié)[6]。本文以降低破蛋率為出發(fā)點,設(shè)計了一種新型降低破蛋率的蛋雞籠養(yǎng)設(shè)備。

1 蛋雞籠養(yǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)

蛋雞籠養(yǎng)設(shè)備主要由集蛋器、機頭、行車喂料、籠體、機尾組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,籠體是蛋雞的生活空間,由籠網(wǎng)、籠架、料槽等零部件拼接而成,是清糞帶、電梯集蛋帶、行車喂料、飲水線的支撐載體,籠架立柱下方均裝有可調(diào)節(jié)地腳,以保證設(shè)備整體高度一致,保障設(shè)備整體的可靠性和穩(wěn)定性。集蛋系統(tǒng)對應(yīng)收集各層籠內(nèi)滾到集蛋帶上的雞蛋,將其運輸?shù)诫娞菁芭_上,然后可進行人工收蛋或中央集蛋系統(tǒng)收蛋。

圖1 蛋雞籠養(yǎng)設(shè)備結(jié)構(gòu)

2 基于降低破蛋率的分析與設(shè)計

2.1 底網(wǎng)角度的確定

蛋雞籠網(wǎng)是層疊式蛋雞籠養(yǎng)設(shè)備的重要組成部分,蛋雞籠網(wǎng)如圖2所示。其中,底網(wǎng)外形尺寸直接影響籠網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、雞蛋破蛋率及清潔度等。由于雞籠底網(wǎng)是承載雞蛋的直接載體,底網(wǎng)的強度是否合適直接影響到蛋雞生活適宜性,同時對雞蛋是否順利地滾落也有一定的影響。底網(wǎng)坡度過小,雞蛋會滯留在底網(wǎng)中,易被雞掌踩踏造成破損;底網(wǎng)坡度過大,則雞蛋滾落到蛋帶上,并與蛋帶上其他雞蛋相碰造成破損。

圖2 蛋雞籠的籠網(wǎng)三維透視圖

經(jīng)查閱國家相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和市場資料得知,一般蛋雞籠底網(wǎng)角度在7°～10°間為宜[7-8],在此角度范圍內(nèi),雞蛋可滾出底網(wǎng)又與蛋帶上的雞蛋恰好不發(fā)生碰裝。采用增加減速條、調(diào)整集蛋時間等改進措施,改變雞舍蛋線相應(yīng)位置的構(gòu)造可降低破損率[9]。但不同角度、不同籠深處落下的雞蛋的勢能也不相同,其滾到蛋帶上的最大沖擊速度也不一樣。為了驗證哪種底網(wǎng)角度對籠深635 mm的蛋雞籠最為適宜,進行了雞蛋自由落體碰撞試驗和滾落驗證。

首先,根據(jù)兩枚雞蛋碰撞破損時的速度,進行雞蛋自由落體碰撞試驗。張婷[10]設(shè)計了一種階梯式雞蛋降落裝置,通過理論計算和有限元動態(tài)模擬,分析了裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,可對雞蛋提供較好的保護。試驗樣品是從某蛋雞養(yǎng)殖場選取50枚雞蛋,將雞蛋隨機分為 10 組,逐漸增大兩枚自由落體碰撞雞蛋的相對高度,統(tǒng)計蛋殼破損情況。蛋殼破損與自由落體高度關(guān)系曲線如圖3所示。當(dāng)自由落體高度h≥ 60 mm 時,雞蛋開始出現(xiàn)破損。為保證雞蛋不破損,自由落體高度可取h= 60 mm,此時,計算得出碰撞速度V0= 1.09 m/s。將雞蛋沿著底網(wǎng)網(wǎng)格進行滾落測試,記錄雞蛋在不同角度(7°～9°)時滾落至籠邊所需用的時間和對應(yīng)的速度,得到與雞蛋碰撞試驗中碰撞破損速度V0接近的速度。最后,再進行大量的雞蛋滾落碰撞試驗,得出最小破蛋率的最佳滾蛋角度為7°,如圖4所示。

圖3 自由落體碰撞試驗破蛋數(shù)量統(tǒng)計

圖4 底網(wǎng)滾蛋角度模擬測試

2.2 底網(wǎng)的負(fù)載分析

蛋雞籠網(wǎng)負(fù)載分析主要以單個蛋雞籠為研究對象[11],如圖5所示,外形尺寸參數(shù)初始值及材料如表1所示。

表1 蛋雞籠底網(wǎng)主要參數(shù)

圖5 單個蛋雞籠底網(wǎng)

首先,利用SolidWorkS Simulation軟件進行靜態(tài)力學(xué)分析,將蛋雞籠底網(wǎng)模型進行簡化,與相鄰隔網(wǎng)固定的底網(wǎng)3個邊設(shè)置為固定邊,賦予底網(wǎng)Q195材質(zhì),在蛋雞生活區(qū)域635 mm×603 mm范圍內(nèi)垂直于底網(wǎng)均勻負(fù)載25 kg(負(fù)載按1.4倍的系數(shù)進行,JB/T7729-2007《蛋雞雞籠和籠架》標(biāo)準(zhǔn)[8]中規(guī)定為1.3倍的系數(shù)),在軟件系統(tǒng)中設(shè)置夾具、施加力、約束、網(wǎng)格等,籠底網(wǎng)整體最大的仿真位移變形量為26.6 mm,有限元模型如圖6所示。

其次,通過實際負(fù)載測試底網(wǎng)的變形量,同時對底網(wǎng)靜力學(xué)仿真最大位移變形量進行驗證。通過在底網(wǎng)均勻負(fù)載25 kg(負(fù)載按1.4倍的系數(shù)進行),在籠體長度方向上連續(xù)取多組相鄰籠格,向每個籠格中均勻添加25 kg(均分為9份)配重,如圖7所示。取多點測量各根橫絲距離糞帶托架最底端的距離,每周記錄1次,底網(wǎng)負(fù)載7周試驗的變形量曲線如圖8所示。經(jīng)過負(fù)載驗證,在負(fù)載7周后的底網(wǎng)最大變形量為15 mm(在底網(wǎng)的中心位置),且該變形量可在負(fù)載撤走回彈;同步地,課題組也進行了底網(wǎng)負(fù)重時的雞蛋滾落碰撞測試。通過測試可知底網(wǎng)強度可滿足正常使用。通過負(fù)載試驗數(shù)據(jù)可以看出,實際變形量要明顯小于SolidWorkS Simulation靜力學(xué)仿真分析最大位移變形量,主要原因是在靜力分析中底網(wǎng)被簡化分割為單個簡單的模型,仿真結(jié)果變形量較大。后續(xù)再進行網(wǎng)片類靜力學(xué)仿真時,需進行必要的模擬負(fù)載測試。

圖8 底網(wǎng)負(fù)載7周試驗的變形量曲線

2.3 擋蛋線設(shè)計及氣缸選型

將擋蛋線置于籠架與蛋帶之間,用于攔截剛滾落下來的雞蛋,能有效降低破蛋率。每天定時提起4～5次擋蛋線釋放雞蛋,避免與原蛋帶上靜止的雞蛋直接沖擊,進一步降低雞蛋的破蛋率。擋蛋線的配置還可以讓鮮蛋蛋殼的濕氣在底網(wǎng)上蒸發(fā),減少蛋殼表面的灰塵和雞毛,效果如圖9所示。

圖9 擋蛋線擋住雞蛋和釋放雞蛋的場景

擋蛋線采用Φ1.5 mm的304不銹鋼鋼絲繩,彈性好,耐腐蝕。擋蛋線置于料槽托架預(yù)留的導(dǎo)向槽內(nèi),擺簧一端套在鋼絲繩上并用端子限位固定,另一端固定在料槽托架上,每節(jié)長籠架(1 206 mm)均配置一組擺簧,保證雞蛋擋在鋼絲繩上時鋼絲變形量一致。擋蛋線裝置的工作原理:采用氣缸推桿作用提升或降低擋蛋線,氣缸充氣提升擋蛋線鋼絲繩,擋蛋線處于導(dǎo)向槽最高位置,釋放雞蛋;氣缸放氣降低擋蛋線,擋蛋線處于導(dǎo)向槽最低位置,擋住雞蛋,擋蛋線在導(dǎo)向槽最低和最高位置示意圖如圖10所示。

圖10 擋蛋線在導(dǎo)向槽最低和最高位置示意

4層層疊式蛋雞籠,共配置8條擋蛋線,圖11所示為1個往復(fù)型雙作用氣缸即可實現(xiàn)4層8條擋蛋線同時動作,氣缸動作的受力簡化效果如圖12所示。

圖11 擋蛋線氣缸漲緊實景

圖12 擋蛋線氣缸受力簡化效果

蛋雞籠長度為100 m,擋蛋線上鋪滿雞蛋時張緊每條擋蛋線需要拉緊力f=20 N,氣缸動作最小壓力P=0.15 MPa。氣缸拉緊8根擋蛋線時,其軸向負(fù)載力F= 8f=160 N。氣缸每次動作時間約為1 s即可完成200 mm的行程,按照氣缸性能選型表得知選型氣缸負(fù)載率η=0.5。則氣缸的理論輸出力F0=F/η。可由氣缸的理論力公式計算出F0,即

(1)

式中:D為氣缸的直徑;d為活塞桿直徑,估算時令d= 0.3D。

(2)

將f=20 N,p=0.15 MPa,η=0.5帶入式(2),得D=54.7 mm。經(jīng)查往復(fù)型氣缸選型手冊,氣缸直徑選型D0=63 mm,活塞桿直徑d=20 mm。根據(jù)擋蛋線提升拉緊的運動行程確定氣缸的行程L=250 mm。

2.4 考慮蛋雞啄癖習(xí)性降低破蛋率的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

蛋雞啄癖一直是困擾蛋雞集約化養(yǎng)殖的一道難題[12],它是雞因代謝機能紊亂、味覺異常及飼養(yǎng)管理不當(dāng)?shù)纫鸬囊环N非常復(fù)雜的常見疾病,是單向或相互啄食個別部位或異物的一種惡癖[13]。為減少滾落在蛋帶上的雞蛋被雞只啄碰而產(chǎn)生雞蛋破損,籠架在設(shè)計時配置有擋板,如圖13所示。該結(jié)構(gòu)下沿距離底網(wǎng)的間隙為55 mm,能滿足不同日齡的蛋雞產(chǎn)蛋滾落至蛋帶上,同時有效防止雞只頭部探出擋板啄碰到雞蛋,降低破蛋率。該擋板由PVC擠塑成型,成本低、韌性好,耐腐蝕。除了具有降低破蛋率的作用外,還能有效的解決雞糞腐蝕的問題,同時也防止雞糞掉落至下層料槽污染飼料。

圖13 籠內(nèi)擋糞板與底網(wǎng)相對位置

2.5 分層分區(qū)域收蛋,降低破蛋率

在籠具的收蛋端設(shè)計了水平收蛋臺,集蛋電梯分區(qū)域分層收蛋,降低破蛋率。將不同層的雞蛋在水平收蛋臺上進行了區(qū)域分離,調(diào)整雞蛋的大小頭,使雞蛋的大小頭方向一致,然后分區(qū)域傳輸?shù)郊半娞萆?避免了雞蛋的直接碰撞,降低破蛋率。同時,水平收蛋臺設(shè)計有等距的圓桿,能夠有效地篩選出軟蛋、雞毛等雜物,進一步保證了蛋品的清潔,效果如圖14所示。

圖14 分區(qū)域水平收蛋臺

3 工程驗證

為驗證該蛋雞籠養(yǎng)設(shè)備在上述關(guān)鍵技術(shù)點降低破蛋率是否可行以及統(tǒng)計設(shè)備整體破蛋率,課題組通過山東章丘某養(yǎng)殖場驗證蛋雞籠的實際應(yīng)用效果。統(tǒng)計出蛋雞舍正常產(chǎn)蛋時破蛋率,如表2所示,其破蛋率為1.75‰,雞只平均產(chǎn)蛋率為92.4%,蛋雞籠具破蛋率在2‰以內(nèi),比行業(yè)內(nèi)蛋雞籠的破蛋率(2‰～3‰)略低,具有一定的市場競爭力。籠具的底網(wǎng)、擋蛋線、水平收蛋臺等設(shè)施能很好地降低破蛋率,沒有產(chǎn)生明顯的雞蛋破損。

表2 8月1～10日章丘某蛋雞籠項目正常產(chǎn)蛋時破蛋率統(tǒng)計表

4 結(jié)語

相對傳統(tǒng)的設(shè)計手段,在蛋雞籠養(yǎng)設(shè)備開發(fā)過程中,課題組充分利用計算機力學(xué)仿真分析與應(yīng)用場景模擬試驗相結(jié)合的形式,提高了產(chǎn)品開發(fā)效率和準(zhǔn)確度。通過對蛋雞籠的底網(wǎng)、擋蛋線、水平收蛋臺等結(jié)構(gòu)的優(yōu)化降低破蛋率,使蛋雞籠養(yǎng)設(shè)備的破蛋率控制在0.2%以內(nèi),具有一定的市場競爭力。