基于水射流技術的禽舍沖洗設備研究

摘 要：全球禽類養殖業迅速發展，傳統禽舍清潔方法存在效率低、耗時長等問題，制約了行業的可持續發展。為解決這一問題，研究了一種基于水射流技術的禽舍沖洗設備，利用高壓水射流和智能化控制系統，能夠快速高效地清除禽舍內的糞便和污染物，同時最大限度地減少水資源消耗和環境影響。研究從機械結構設計、水力學性能優化到智能控制系統開發等多個方面進行了系統性研究，以期為禽舍清潔設備研發提供參考。

關鍵詞：水射流技術；養殖業；禽舍清潔

中圖分類號：S831.4+5 文獻標識碼：A 文章編號：1673-1085（2024）10-0053-06

近年來，我國畜禽規模化養殖迅速發展，養殖規模位居全球前列。然而，與發達國家相比，我國在養殖機械化水平上仍存在較大差距[1]。特別是在畜禽養殖環境的防疫消毒環節，其執行效果直接影響畜禽健康和產品質量，對養殖業可持續發展至關重要[2-3]。如何在保證消毒效果的同時實現機械化高效作業、降低環境污染，是當前亟待解決的問題[4-5]。

基于此，本文研究了一種基于水射流技術的禽舍沖洗設備。通過研究其在禽舍沖洗中的應用，不僅能提高沖洗效率、降低勞動強度，還有助于減少化學消毒劑的使用，從而減少環境污染。此外，該技術的應用還能有效提升畜禽產品的衛生質量，滿足市場對高品質產品的需求[6-8]。

1 研究原理與技術路線

1.1 高壓水射流技術原理

高壓水射流技術作為一種高效的清潔和加工技術，源于其能夠通過極高壓力水流對目標表面施加力量而顯著提升其清潔效果和工藝加工能力。其原理基于利用特制泵系統將水增增壓至數十兆帕，并通過精確設計的噴嘴將水流高速釋放，產生的高速水流不僅具有顯著的沖擊力，能有效去除表面污垢和附著物，還能透過流體動力學原理實現對表面的深層清潔和精細加工。該技術的應用范圍涵蓋了工業清洗、建筑維護、材料加工以及環境清潔等多個領域，其環保性和高效性使其成為現代工業和農業生產中不可或缺的重要工具之一。

高壓水射流技術在禽舍衛生管理中展現了顯著的優勢。相對于傳統的普通水槍，高壓水射流技術產生的高速水流能夠深入到禽舍表面的微觀結構中，全面清除附著的污垢、沉積物及微生物，顯著減少了病原微生物的存在，亦有效消除了異味，顯著提升了禽舍的清潔度。除此之外，高壓水射流技術在節約水資源方面具有明顯優勢，不僅操作快捷，而且可通過減少化學消毒劑的使用來降低環境污染風險。因此，高壓水射流技術不僅提升了禽舍清潔效率，而且更符合現代養殖業對于環境友好和資源節約的要求。

1.2 設備研究技術路線

基于水射流技術的禽舍清洗設備的核心技術特征包括自主軌跡運行和多角度噴射能力。設備通過預設的軌跡系統化地移動，確保全面覆蓋禽舍內部表面，同時具備多個噴頭以多方位噴射高壓水流的能力。這種技術設計優化了清洗效率和徹底性，能有效清除有機廢物和病原體，減少了化學清潔劑的使用量，降低環境污染風險。

此外，設備配備先進的自動化控制系統，能夠精確調節水流壓力和噴射角度，以適應不同禽舍結構和清潔需求。不僅提高了操作的精準度和穩定性，還減少了人工干預，從而提升了操作效率和資源利用效率。沖洗設備結構如圖1所示。

沖洗設備的設計與技術構成了一個復雜而精密的系統，涵蓋了控制、運動、噴射、加藥、傳感器、能源和供水及保障等多個關鍵部分。每個部分都經過精心設計，以確保設備在各種環境條件下能夠高效運行，并實現對目標表面的精確處理和清洗。

2 設備系統組成

2.1 控制系統

在沖洗設備中，控制系統由STM32單片機作為主控模塊驅動。允許設備快速響應各種環境條件和操作需求，同時保證了設備運行的穩定性和可靠性。

單片機配套的外設包括傳感器、執行器、通訊模塊、存儲設備及各類接口電路等，這些外設能夠實時采集環境參數和物理量數據，通過數字或模擬信號接口傳輸至單片機進行進一步處理和分析。執行器則通過單片機指令控制外部設備的操作，如電機驅動和閥門控制。通訊模塊外設使單片機能夠與其他設備或系統進行信息交換和數據傳輸。

2.2 驅動系統

沖洗設備的運動機構由多個關鍵部件組成，包括電機、驅動器、機架和輪胎。電機通過驅動器由控制系統精確控制，提供設備所需的動力和速度調節能力。機架則作為整個設備的骨架，支持和連接各個運動部件，使得設備能夠在不同地形上穩定移動。輪胎則提供了設備的移動能力，其設計考慮了在不同地形和工作條件下的耐用性和操作性。

運行機構采用高效的四輪機構，通過電動機提供穩定動力。車輪與電動機的優化組合對稱分布在底盤兩側，并通過剛性連接確保了整體結構的穩定性。在底盤上方的中央位置，設計有一個專門的支撐柱，用于支撐噴射結構，這不僅保障了噴射方向的精準性，還增強了操作時的穩定性。支撐柱后方配備了集成的控制中樞、驅動電路、穩壓電路以及蓄電池，形成了設備的核心控制系統和能源供應模塊。此外，為了優化能源使用，底盤支撐柱兩側還各安裝了一塊太陽能電池板，旨在日間為設備提供輔助能源，降低對傳統能源的依賴，提升能源利用效率，并彰顯了綠色環保的設計理念。

2.3 水射流系統

水射流系統是沖洗設備的關鍵部分，負責通過噴嘴將清洗劑精確地釋放到目標表面。噴嘴的轉向由轉向機構控制，這使得設備能夠靈活地調整噴射方向和角度。增壓泵提供噴射所需的水壓力，確保了噴嘴在不同工作條件下的穩定性和效率。

在本研究設計的禽舍沖洗設備中，噴射角度的調控是通過支撐柱上方的機構實現的，該機構具備水平面內旋轉和俯仰角調整的兩個自由度。這種設計允許操作者根據實際需要靈活地調節噴射方向，以確保清洗效果的最優化。水源通過設備上方的水管輸送至噴射結構，該水管與桁架上的滑塊進行了剛性連接。這種剛性連接方式不僅確保了水管在噴射過程中的穩定性，還有助于減少因長時間使用而可能出現的磨損，從而延長了設備的使用壽命并保持了噴射效率。

2.4 導航與定位系統

在本研究中，使用了一種基于超寬帶（UWB）技術的定位系統。該系統由三個關鍵組件構成：即定位標簽、定位基站以及數據處理中心。每個定位基站均裝備有高精度的UWB模塊，能夠發送和接收納秒級的脈沖信號，從而實現精確的距離測量和位置跟蹤。

在試驗設置中，三個定位基站分別布置在任意三角形的三個端點，如圖2所示。利用這三個基站作為參考點，我們可以建立一組方程來代表標簽與各基站之間的距離。通過求解這組方程的交點，能夠準確地確定標簽的位置。

數據傳輸方面，基站收集到的數據通過有線或無線方式傳輸至數據中心。在那里，專門的定位系統應用軟件負責對接收到的數據進行解析和計算，以實時地計算出標簽的位置信息。這種架構不僅確保了數據傳輸的高效性，還保證了位置數據的實時更新和準確性，為后續的數據分析和應用提供了可靠的基礎。

本研究設計的UWB定位系統展示了其在室內環境中提供高精度、高可靠性定位服務的潛力。

3 試驗驗證方案

3.1 試驗方法

本研究旨在通過試驗驗證基于水射流技術的禽舍沖洗設備在實際養殖環境中的應用效果和效率。試驗設計側重于模擬真實禽舍條件下的沖洗作業，以獲取設備操作性、沖洗效果和水資源利用效率等方面的數據。

為了全面評估設備的沖洗效果，試驗還包括對沖洗前后禽舍地面微生物殘留量的檢測，這是評估設備消毒效果的關鍵指標。通過比較前后的數據，能夠直觀地了解設備在實際使用中的消毒能力。

試驗過程中，所有數據通過高精度傳感器和自動記錄裝置收集，確保數據準確性和客觀性。同時，采用高速攝像機記錄沖洗過程中水流的分布和變化，為分析水流對沖洗效果的影響提供了直觀的視覺資料。

3.2 試驗條件

試驗條件的設定考慮了多個影響沖洗效果的變量，包括水壓、噴嘴類型、沖洗角度及距離等。水壓范圍設定在5～20 bar之間，以涵蓋不同規模養殖場可所需水壓條件。噴嘴類型選擇了市場上常見的扁平扇形噴嘴和高壓旋轉噴嘴，以評估它們對沖洗效果的影響。

沖洗角度和距離的確定依據禽舍內污染分布和結構布局進行優化。試驗設置了多個固定的角度和距離，模擬實際操作條件，旨在確定最佳操作參數以提高效率并減少水資源浪費。

3.3 沖洗效果的評估標準

在探討基于水射流技術的禽舍沖洗設備設計與性能評估時，沖洗效果的評估標準至關重要。這不僅反映了設備在實際工作中的效能，還直接關系到畜禽養殖環境中疾病控制和預防消毒的成效。因此，本研究旨在通過精確而系統的方法評估所設計設備的沖洗效果，確保其能夠滿足現代畜禽養殖業對防疫消毒的嚴格要求，同時兼顧環保和效率的雙重需求。

（1）沖洗效果的評估首先依賴于定量分析方法的應用。①通過測量沖洗前后禽舍內細菌數量的變化，直觀評估沖洗操作的消毒效果；②沖洗液的均勻分布也是關鍵指標之一，直接影響消毒劑的覆蓋范圍和作用效果。采用高速攝像技術捕捉沖洗過程中水流的分布情況，并結合圖像處理軟件進行定量分析，能夠有效評估沖洗液的覆蓋均勻性；③沖洗后禽舍內殘留污物的檢測同樣至關重要。利用光譜分析技術對沖洗后的禽舍地面樣本進行檢測，能夠精確評估沖洗設備去除有機和無機物的能力。這不僅涉及沖洗液的選擇，還包括優化沖洗壓力、噴嘴設計等參數。

（2）評估沖洗效果還需考慮設備的運行成本和操作便利性。比較不同沖洗策略下的能耗和時間消耗，可以為養殖戶提供經濟高效的沖洗方案。此外，用戶體驗是設備實用性的關鍵。設計合理的用戶界面和簡化的操作流程，能夠顯著提升設備的普及率和使用頻率。

最終，綜合考慮以上指標，構建全面的評價體系對于指導設備的優化設計至關重要。這不僅需要跨學科的知識融合，如流體力學、微生物學和環境科學，還需要通過實地測試和持續反饋信息，結合最新科研成果進行迭代更新，確保基于水射流技術的禽舍沖洗設備在實際應用中表現出最佳性能。

4 結論與展望

在畜禽養殖領域，防疫消毒設備的研究與應用是確保動物健康和提高生產效率的關鍵環節。本研究專注于基于水射流技術的禽舍沖洗設備的設計與性能評估，旨在探索更為高效、環保的清潔方法以應對當前我國在這一領域所面臨的挑戰。通過深入分析現有的機械化水平，并結合國內外的先進技術，本研究成功設計了一款新型禽舍沖洗設備，其核心在于利用水射流技術實現對禽舍的深度清潔和消毒。

該設備的設計理念源于對傳統清潔方法的局限性的認識，如化學消毒可能帶來的環境污染和生物安全風險、物理消毒方法在操作復雜性和成本效益方面的不足。相比之下，水射流技術提供了一種物理清潔的同時，也具備一定的殺菌能力，且不產生二次污染。

在技術特點上，該設備采用了高壓水流生成系統，能夠調節水流的壓力和速度，以適應不同清潔需求。此外，集成的智能控制系統允許用戶根據具體情況編程清潔模式，從而提高清潔效率和效果。

在性能評估方面，通過對禽舍內不同區域的清潔效果進行對比測試，結果表明，與傳統清潔方法相比，采用水射流技術的禽舍沖洗設備在去除糞便和有機物殘留方面表現更為優異。同時，該技術在減少水資源消耗和提高作業效率方面也顯示出明顯優勢。然而，研究也發現，設備在處理某些特定類型的污垢時存在局限，提示了未來改進的方向。

綜上所述，基于水射流技術的禽舍沖洗設備在提高畜禽養殖環境衛生水平、降低勞動強度和提升生產效率方面展現出巨大潛力。盡管面臨一些技術和應用挑戰，但通過持續的研究和技術創新，有望進一步優化設備性能，滿足更廣泛的養殖場景需求。展望未來，隨著智能化養殖的不斷推進，集成更多智能元素的清潔設備將更好地服務于綠色、高效的現代畜禽養殖業。

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Research on Poultry House Washing Equipment based on Water Jet Technology

Abstract： The rapid development of the global poultry farming industry and the problems of low efficiency and time-consuming traditional poultry house cleaning methods have restricted the sustainable development of the industry. To solve this problem， a poultry house flushing equipment based on water jet technology was studied. Using high-pressure water jets and an intelligent control system， it can quickly and efficienQWC4NOguiWXHQst4FXGbOGOcJM/HUvaJTcmjeb9wWYQ=tly remove manure and pollutants from poultry houses， while minimizing water consumption and environmental impact. The study conducted a systematic research from the mechanical structure design， optimization of hydraulics performance to the development of intelligent control system and other aspects， in order to provide a reference for poultry house cleaning equipment.

Keywords： Water jet technology; Farming; Poultry house cleaning