9NTB型雙向擺動旋轉式牛體刷研制

摘要：針對國內奶牛養(yǎng)殖過程中，奶牛牛體表面經(jīng)常粘結泥土、糞便等污物，易滋生寄生蟲，導致奶牛發(fā)炎患病，影響產(chǎn)奶量這一問題，總結國內外牛體刷的研究現(xiàn)狀，設計一種9NTB型雙向擺動旋轉式牛體刷。該裝置由安裝座、轉動鉸接Ⅰ、L形支架、減速電機、轉動鉸接Ⅱ和滾刷組成。通過對奶牛的身高體型進行分析，確定L型支架參數(shù)：長0.9 m、寬0.6 m，安裝座離地高度為2.22 m。通過對刷毛變形受力和對泥塊的剪切力等計算分析，選取尼龍為刷毛材料，并確定刷毛的長度為135 mm，滾刷外徑為440 mm、高度為600 mm，確定滾刷的工作轉速為24 r/min。對奶牛受到的摩擦力進行校核，得到最大消耗功率為169.45 W，并選擇相應的減速電機。試驗表明：該牛體刷能夠在兩個平面內擺動，可以滿足奶牛刷毛的需求，能有效清潔牛體的頭部、背部和側面，清潔度評分由3.4分降到1.6分，作業(yè)效果良好。

關鍵詞：旋轉式牛體刷；奶牛；雙向擺動；畜禽養(yǎng)殖

中圖分類號：S817.5

文獻標識碼：A

Development of 9NTB type two-way oscillating rotary cattle body brush

Abstract：

In view of the fact that in the process of domestic dairy farming， the surface of the cow body is often bonded with dirt， feces and other dirt， which is easy to breed parasites， resulting in inflammation and disease of dairy cows， and affecting milk production， a 9NTB type two-way swing rotary cow body brush is designed by summarizing the research status of cow body brushes at home and abroad. The device is composed of a mounting base， a rotating articulation Ⅰ， an L-shaped support， a decelerating motor， a rotating articulation Ⅱ and a rolling brush. Based on the analysis of the height and body shape of dairy cows， the parameters of L-shaped support were determined as follows： length 0.9 m， width 0.6 m， and the height of the mounting base was 2.22 m from the ground. Through the calculation and analysis of the deformation force of the bristles and the shear force of the mud， nylon was selected as the bristle material， and the length of the bristles was determined to be 135 mm， the outer diameter of the rolling brush was 440 mm， the height was 600 mm， and the working speed of the rolling brush was determined to be 24 r/min. The friction force of the cow was checked， the maximum power consumption was 169.45 W， and the corresponding gear motor was selected. The experiment shows that the brush can swing in two planes， can meet the needs of the brush， and can effectively clean the head， back and side of the cow body. The cleanliness score is reduced from 3.4 to 1.6， and the operation effect is good.

Keywords：

rotating cattle body brush; cows; bidirectional swing; livestock and poultry breeding

0 引言

2000年以來，奶牛養(yǎng)殖業(yè)在我國開始迅速發(fā)展，奶牛養(yǎng)殖規(guī)模、牛奶產(chǎn)量持續(xù)增長，但由于人民群眾生活水平的不斷提高，對優(yōu)質牛奶，乳產(chǎn)品的需求也越來越高［1］。顧憲紅等［2］研究發(fā)現(xiàn)，奶牛的產(chǎn)奶量不僅受到遺傳因素的影響，還與環(huán)境因素有關。改善奶牛的環(huán)境條件，給奶牛設置福利設施，可以有效提高牛奶的質量與產(chǎn)量。常見的奶牛福利設施有防滑道、橡膠過道、蹄浴池、臥床和牛體刷等裝置［35］。

由于牛體表面經(jīng)常附著一些糞便、尿液、泥土、褪掉的舊毛等污物，容易滋生寄生蟲，所以牛經(jīng)常瘙癢，需要抓撓來減輕瘙癢。為了減輕瘙癢，牛通常會靠近樹樁或墻壁進行抓撓，這是一種自然行為［6］。這樣雖然可以暫時緩解瘙癢，但尖銳的凸起物會劃破牛的皮膚，導致滋生更多的病菌及寄生蟲，從而導致發(fā)炎和患病。而且樹樁和墻壁的形狀單一，部分牛體表面無法得到有效的抓撓。為解決奶牛抓撓問題，養(yǎng)殖場主普遍安裝牛體刷來幫助奶牛。采用牛體刷可以清潔牛體表面的污物和寄生蟲，減少牛的瘙癢，從而減輕牛的焦躁，使牛一直處于“安詳”的狀態(tài)；牛體刷的清潔功能還可以減少奶牛乳房炎等疾病的發(fā)病率，讓奶牛更加健康；牛體刷還可以促進牛體血液循環(huán)與新陳代謝，從而使奶牛的產(chǎn)奶量更高，品質更好［711］。

由于牛體刷的成果多為企業(yè)研究，國內外對牛體刷設計的公開研究較少，各種牛體刷的結構特點沒有進行詳細的闡述，有關刷毛設計和牛體受力的研究比較缺乏。如何確定刷毛的尺寸、滾刷形狀，使牛體受力更為合理，成為牛體刷設計亟待解決的問題。

因此，本文首先對國內外各種牛體刷進行歸類，總結各自的優(yōu)缺點，據(jù)奶牛體形，設計一種雙向擺動旋轉式的牛體刷，并進行試驗，為牛體刷的研制與開發(fā)提供參考。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

目前，國內外的公司生產(chǎn)制造的牛體刷，主要分為6種，如表1所示。由表1可知，雙向擺動旋轉式牛體刷具有雙向擺動和適應性強的優(yōu)點，因此本文設計了一種9NTB型圓柱形雙向擺動旋轉式牛體刷，主要由安裝座、轉動鉸接Ⅰ、L型支架、減速電機、轉動鉸接Ⅱ和滾刷組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

安裝座豎直安裝在墻壁或柱子上，L形支架與安裝座通過轉動鉸接Ⅰ連接在一起，L型支架可以繞著水平軸線轉動。L型支架的下端通過轉動鉸接Ⅱ連接著電機和減速機，減速機的輸出軸連接著滾刷。在重力的作用下，圓柱形滾刷垂直向下。當牛靠近滾刷，在牛的推動下，滾刷可以繞著轉動鉸接Ⅱ的軸線左右擺動，滾刷、電機、減速機和L形支架可以繞著轉動鉸接Ⅰ的軸線前后擺動。雙向擺動，使得滾刷可以接觸到牛的頭部、頸部、側面和背部，清理面積大，適應性強。

電機設有重力感應裝置，滾刷垂直地面時為待機狀態(tài)，當牛推動滾刷后，滾刷帶動電機傾斜，重力感應裝置接收到信號，發(fā)出指令到電機控制線路，電機開始工作，帶動滾刷旋轉。當牛離開后，滾刷在重力作用下垂直地面，停止擺動5 s后，重力感應裝置發(fā)信號，電機停止旋轉，回到待機狀態(tài)。

牛體刷結構靈巧，可以方便安裝在墻或柱子上，安裝拆卸方便簡單，整機主要技術參數(shù)如表2所示。

2 關鍵部件設計

2.1 支架及擺動機構設計

支架設計為L形，水平部分的一端焊接銷軸，通過軸承與安裝座的座孔連接。豎直部分的底端連接軸承座，與電機和減速機上的銷軸鉸接在一起。支架安裝后的尺寸如圖2所示。

為了牛使用方便，有足夠的使用空間，并且防止?jié)L刷被牛推動觸碰墻壁造成損傷，架體長度L1應同時滿足式（1）、式（2）。

L1gt;h1（1）

L1gt;r+b（2）

式中：

h1——滾刷底部到擺動中心O點的距離，m；

r——滾刷半徑，m；

b——奶牛寬度，m。

牛體刷安裝高度H應適應牛體高度，安裝時應使?jié)L刷橫置時刷到牛的背部和頭部，豎直時能刷到扭曲軀干的側面。

H=L2+L3+h1+h3"（3）

式中：

H——安裝座離地高度，m；

L2——支架水平方向高度，m；

L3——支架垂直方向伸出長度，m；

h1——滾刷底端到擺動中心的高度，m；

h3——滾刷垂直時離地高度，m。

為了防止牛將滾刷頂置水平或超過90度，導致刷毛與架體發(fā)生摩擦碰撞，支架垂直方向伸出長度L3需滿足式（4）。

L3gt;h2（4）

式中：

h2——牛清理背部或頭部時，滾刷到擺動軸線的最大垂直距離，m。

中國飼養(yǎng)的奶牛以中國黑白花奶牛為主，其母牛體高平均在1.35 m，公牛體高1.40 m，牛體寬度0.6 m，滾刷高度要適應牛深，整體為0.6 m。所以，安裝時使?jié)L刷離地高度h3為0.8 m，經(jīng)計算，L1應大于0.88 m，L3應大于0.22 m，為了防止有些牛體型較大，使?jié)L刷擺動高度較大，因此L3應再大一些，最終L1設計為0.9 m，L2為0.16 m，L3為0.48 m，h1為0.78 m，所以H為2.22 m，滾刷從垂直向內擺動的角度Δ=0°～110°。

2.2 滾刷機構

2.2.1 工作轉速

在保證牛體刷正常工作效率的前提下，要盡量降低滾刷的轉速，防止對或其他物體造成傷害，同時也可以降低電機的實際工作效率，節(jié)省電能，降低成本。根據(jù)Brushtec公司的研究可知，轉速在18～25 r/min，可以有效刺激牛體血液循環(huán)，又不會傷害到牛體，因此轉速選為24 r/min。

2.2.2 滾刷設計

1）" 刷毛材料選擇。制作滾刷的材料有PP、PE、PBT、尼龍等，其中PP在低溫下會變脆，不耐磨且易老化，PE耐熱老化性差、對環(huán)境應力敏感，PBT尺寸穩(wěn)定性差，易發(fā)生翹曲，價格高，而尼龍機械強度高，使用溫度在-40℃～105℃之間，摩擦系數(shù)小，有很好的耐磨性，因此，最終選取尼龍作為刷毛的材料［1214］。刷毛彈性模量E為1×1011Pa。

2）" 滾刷參數(shù)設計。牛體上容易附著泥土、尿、糞便等污物，由于牛提與地面的擠壓，這些污物會變成一塊塊的土塊粘結在牛身上，要達到清潔效果，刷毛變形后的力應能去掉這些土塊。由于土塊的特殊性質，土的破壞通常為剪切破壞。其方程式［15］如式（5）所示。

式中：

F——刷毛對土塊的力，N；

A——受力面積，m2；

tf——土塊的抗剪強度。

土塊抗剪強度主要與內聚力跟內摩擦角有關，其關系如式（6）所示。

tf=ct+σtanβ（6）

式中：

ct——土塊的內聚力，Pa；

σ——土塊法向應力，Pa；

β——土塊摩擦角，（°）。

土質不同，其內聚力與摩擦角也都不同，牛體上的土塊內聚力為30 kPa，摩擦角最大值為20°。經(jīng)計算，當剪切掉1 cm2的土塊需要的力為3 N。

滾刷工作過程中，依靠刷毛彎曲變形產(chǎn)生的力，來刺激牛體表面血液循環(huán)，清潔牛體表面。因此研究刷毛的變形對研究滾刷刺激牛體血液循環(huán)以及清潔性能非常重要［1617］。單根刷毛在工作過程中可以看作在一個平面內彎曲，如圖3所示。

滾刷刷毛工作過程中，刷毛變形彎曲量較大，可以視為細直桿的平面大撓度問題，其彎曲變形微分方程為

式中：

M——刷毛變形彎矩，N·m；

EI——刷毛抗彎剛度，N·m2；

dθ/ds——刷毛變形時沿弧長方向的曲率半徑，m。

刷毛工作時，受力集中在刷毛末端，可以認為集中力Fm是刷毛與牛體之間摩擦力與刷毛變形產(chǎn)生的力的合力。根據(jù)大撓度理論［18］可得式（8）、式（9）。

式中：

x——刷毛變形長度，mm；

l——刷毛長度，mm；

Φ——刷毛頂端切線與垂直方向的夾角；

θ——刷毛切線與垂直方向的夾角。

滾刷去除泥土時要保持一定的撓度，控制刷毛端部最大變形量小于13 mm，初選刷毛長度為135 mm，則掉1 cm2土塊需要的刷毛總直徑為8.5 mm，則在圓柱表面1 cm2內分布刷毛8根。因此可以使刷毛成簇扎入滾筒中，來刷掉土塊。因此，刷毛在滾筒內成簇捆扎，一簇8根，扎入9 mm×9 mm的孔中，在同一圓周上，兩孔中心距為17 mm，一圈31簇，因此滾刷內徑為170 mm。滾刷高度要適應牛深，所以滾刷刷毛高度為550 mm，相鄰兩圈中心距為17 mm，插空排列，共32圈，如圖4所示。最終滾刷內徑為170 mm，外徑為440 mm，高度為600 mm，刷毛的排列長度為550 mm，總質量為10 kg。

3）" 摩擦力計算校核。當滾刷水平時，滾刷對牛背部的最大壓力受力分析如圖5所示，當滾刷重力與奶牛給滾刷的支持力相等時，奶牛受到的摩擦力最大。

以轉動鉸接Ⅱ中心M點為力矩中心，由力矩平衡∑M=0可得

F1c=Gd（10）

式中：

F1——牛給滾刷的力，N；

c——牛對滾刷作用點到M點距離，m；

G——滾刷重力，N；

d——滾刷質心到M點距離，m。

牛受滾刷摩擦力如圖6所示。

f=μF1（11）

式中：

f——滾刷對牛的摩擦力，N；

μ——滾刷與牛體的摩擦系數(shù)。

經(jīng)分析，牛對滾刷的作用點越靠近滾刷上部，受力越大，經(jīng)計算，壓力最大為267 N，摩擦力為53.3 N，這個壓力與摩擦力較小，不會傷害到牛。而且牛使用牛體刷時，擺動角度一般不會超過45°，受到的力不超過71 N。

2.3 驅動電機選擇

滾刷消耗的功率［19］

P=P1+P2+P3（12）

式中：

P1——滾刷與牛體摩擦消耗的功率，kW；

P2——刷毛形變消耗功率，kW；

P3——滾刷克服空氣阻力消耗功率，kW。

式中：

FN——刷毛對牛體的作用力，N；

η——傳動效率；

v——滾刷轉速，m/s。

滾刷變形后對牛體的作用力

N=zFN（14）

式中：

z——接觸牛體的刷毛數(shù)量。

刷毛工作時，由于接觸位置不同，變形程度不同，因此受力不同，所以摩擦消耗的功率也不同，按最大受力計算P1為136.5 W，但是實際要小于最大值。

刷毛與牛體接觸會發(fā)生形變，所消耗的功率

式中：

n——滾刷轉速；

d1——刷毛直徑，0.003 m；

Rm——滾刷半徑，m。

計算得P2為31.58 W。滾刷轉動時克服空氣阻力消耗的功率為P3=0.01P1=1.37 W。

所有刷毛按變形最大時消耗的總功率P為169.45 W，最終選擇一種功率為200 W，電壓220 V的單相電機。考慮到牛體刷不僅僅在牛舍中工作，還要在露天環(huán)境下工作，防護等級選為IP44。該電機參數(shù)如表3所示。

3 試驗與分析

試驗在黑龍江省北安市長水河農(nóng)場的兩個牛舍進行試驗，一個牛舍安裝牛體刷，如圖7所示，另一個不安裝。試驗對象為兩個牛舍的奶牛，以奶牛的刷毛次數(shù)與清潔度為評價指標。奶牛清潔度評分標準：沒有污垢（0% dirt）為1分，少量污垢（0%～10% dirt）為2分，中等污垢（10%～30% dirt）為3分，大量污垢（gt;30% dirt）為4分。

試驗開始前分別對兩個牛舍的牛進行編號，并對每只牛的清潔度評分。統(tǒng)計9：00～17：00的每只牛抓撓的次數(shù)及時間，試驗結束后對奶牛的清潔度評分。

試驗過程中，牛體刷工作正常，各部件未出現(xiàn)故障。對試驗結果分析發(fā)現(xiàn)，安裝牛體刷的牛舍中，90%以上的牛使用牛體刷，有12%的牛一天內使用牛體刷次數(shù)達到3次，刷毛次數(shù)頻繁，是沒有安裝牛體刷的5倍多。牛使用牛體刷之前的清潔度平均為3.4分，使用后平均為1.6分，這說明牛體刷能有效解決奶牛的梳毛需求，且清潔效果良好，能達到預期要求。

4 結論

1）" 針對國內奶牛養(yǎng)殖過程中，牛體表面污物多，奶牛需要抓撓等問題，本文總結國內外牛體刷的研究現(xiàn)狀，設計一種能夠雙向擺動的牛體刷。根據(jù)奶牛的體形，通過計算確定了牛體刷的結構尺寸；對滾刷機構進行設計，選取尼龍為刷毛材料，確定工作轉速為24 r/min，由計算確定了滾刷刷毛及整體的形狀尺寸，并根據(jù)消耗功率選取了功率為200 W，減速比為60的減速電機。

2）" 安裝牛體刷的奶牛刷毛次數(shù)頻繁，是未安裝牛體刷的5倍多，表明奶牛對梳毛有很大的需求，而牛體刷可以滿足奶牛刷毛撓癢的需要，且不會對奶牛造成傷害。奶牛使用牛體刷后，平均清潔度評分由3.4分降到1.6分，可知該牛體刷可以有效清除牛體表面的污物，作業(yè)效果良好。

參 考 文 獻

［1］ 李春平， 朱新培， 孫開蘭， 等. 奶牛養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對策研究［J］. 中國乳業(yè)， 2022（2）： 22-25.

Li Chunping， Zhu Xinpei， Sun Kailan， et al. Study on the development status and countermeasures of dairy farming industry ［J］. China Dairy， 2022（2）： 22-25.

［2］ 顧憲紅， 陳健， 何祥波， 等. 京郊奶牛場奶牛福利與養(yǎng)殖狀況調研報告——奶牛福利設施、飲水和健康狀況［J］. 中國奶牛， 2017（4）： 9-12.

Gu Xianhong， Chen Jian， He Xiangbo， et al. Study report on dairy welfare and health feeding in Beijing： Investigation on welfare facilities， drinking and health condition ［J］. China Dairy Cattle， 2017（4）： 9-12.

［3］ 陳曉陽， 顧憲紅， 孫福昱. 中國西南地區(qū)牛場奶牛福利狀況調研報告［J］. 中國奶牛， 2021（7）： 16-19.

Chen Xiaoyang， Gu Xianhong， Sun Fuyu. Investigation report on welfare of dairy farms in Southwest China ［J］. China Dairy Cattle， 2021（7）： 16-19.

［4］ 韋人， 仇天財， 楊莉萍， 等. 北方規(guī)模奶牛場如何提高奶牛福利待遇［J］. 河南畜牧獸醫(yī)（綜合版）， 2018（2）： 14-15.

［5］ 李晨陽， 顧憲紅， 陳曉陽， 等. 關于中國東北地區(qū)奶牛場運動場、臥床及牛蹄福利設施的調研報告［J］. 中國奶牛， 2022（11）： 1-4.

Li Chenyang， Gu Xianhong， Chen Xiaoyang， et al. Investigation report on playground， bed and welfare facilities of dairy farm in Northeast China ［J］. China Dairy Cattle， 2022（11）： 1-4.

［6］ Schukken Y H， Young G D. 利拉伐旋轉式牛體刷對產(chǎn)奶量和乳房炎影響的田間試驗［J］. 中國奶牛， 2012（20）： 45-50.

［7］ 趙育國， 史彬林， 閆素梅， 等. 牛體刷拭對肉牛增重性能及營養(yǎng)物質表觀消化率的影響［J］. 黑龍江畜牧獸醫(yī)， 2011（12）： 67-68.

［8］ 趙育國. 福利化管理措施對肉牛生產(chǎn)性能和免疫功能的影響［D］. 呼和浩特： 內蒙古農(nóng)業(yè)大學， 2011.

Zhao Yuguo. Effects of welfare management measures on performance and immunity in beef cattle ［D］. Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University， 2011.

［9］ DeVries T J， Vankova M， Veira D M， et al. Usage of mechanical brushes by lactating dairy cows ［J］. Journal of Dairy Science， 2007， 90（5）： 2241-2245.

［10］ Meneses X C A， Park R M， Ridge E E， et al. Hourly activity patterns and behaviour-based management of feedlot steers with and without a cattle brush ［J］. Applied Animal Behaviour Science， 2021， 236： 105241.

［11］ Park R M， Schubach K M， Cooke R F， et al. Impact of a cattle brush on feedlot steer behavior， productivity and stress physiology ［J］. Applied Animal Behaviour Science， 2020， 228： 104995.

［12］ 穆磊金， 胡文軍， 陶俊林. 尼龍的壓縮力學性能及本構模型研究［J］. 中國測試， 2017， 43（11）： 129-133.

Mu Leijin， Hu Wenjun， Tao Junlin. Research on compression mechanical properties and constitutive model of nylon ［J］. China Measurement amp; Test， 2017， 43（11）： 129-133.

［13］ 冉紅孟， 廖秋慧， 陶振剛， 等. PP/碳纖維復合材料力學性能的研究［J］. 工程塑料應用， 2015， 43（2）： 47-50.

Ran Hongmeng， Liao Qiuhui， Tao Zhengang， et al. Research on mechanical properties of carbon fiber reinforced PP composites ［J］. Engineering Plastics Application， 2015， 43（2）： 47-50.

［14］ 韓建男， 孫江宏， 杜宏辰. 清掃車滾刷運動仿真分析及刷毛材質影響［J］. 中國科技論文， 2019， 14（4）： 367-372.

Han Jiannan， Sun Jianghong， Du Hongchen. Simulation analysis of sweeper roller brush movement and the effect of brush bristles material ［J］. China Sciencepaper， 2019， 14（4）： 367-372.

［15］ 藺海榮， 馮維明， 虞松. 材料力學［M］. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2001.

［16］ 朱衛(wèi)， 葉敏， 蘇銀松， 等. 基于EDEM的高速垃圾清掃滾刷性能研究［J］. 機電信息， 2021（24）： 64-65， 68.

［17］ 李凱， 劉麗霞. 清掃車滾刷刷絲清掃性能影響因素分析［J］. 機電技術， 2020（5）： 77-79.

［18］ 宋啟根， 徐正廷， 鄧其萱. 桿件的大撓度彎曲問題［A］. 中國力學學會結構工程專業(yè)委員會， 中國力學學會《工程力學》編委會， 云南工業(yè)大學， 清華大學土木工程系. 第八屆全國結構工程學術會議論文集（第Ⅰ卷）［C］. 1999： 7.

［19］ 馬文星， 鄧洪超. 筑路與養(yǎng)護路機械：原理、結構與設計［M］. 北京： 化學工業(yè)出版社， 2005.