羊圈帶式飼喂輸送系統設計研究

摘要 為解決傳統羊圈飼喂方式效率低、勞動強度大及飼料浪費等問題，設計了一種基于PLC控制的帶式飼喂輸送系統。該系統將帶式輸送機作為核心結構，結合鋼絲繩和皮帶牽引等組件，實現羊圈內飼料的自動化傳送與定量投放。研究內容包括系統結構、主要參數、關鍵部件選型和工作原理，并對系統進行了實際應用驗證。結果表明，改造后的飼喂系統顯著提升了效率，降低了人工成本和飼料浪費，具備較高的經濟效益與推廣價值。

關鍵詞 輸送帶；飼喂；改造設計；PLC控制

中圖分類號 TU 264+.4 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2025）05-0177-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.05.037

Design and Research of Sheep Pen Belt Feeding Conveyor System

WANG Rong-hua1， ZHANG Yan-bin2， YANG Kai2

（1.Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics， Hohhot， Inner Mongolia 010000;2. Vocational and Technical College of Inner Mongolia Agricultural University， Baotou， Inner Mongolia 014100）

Abstract To address issues of low efficiency， high labor intensity， and feed wastage in traditional sheep pen feeding methods， this paper designs a PLC-controlled belt feeding conveyor system. The system integrates a belt conveyor as the core structure， with steel ropes and belt traction components， enabling automated feed transport and precise delivery within the sheep pen. The study covers the system’s structural design， key parameters， component selection， and operating principles， followed by practical application testing. Results indicate that the upgraded feeding system significantly enhances efficiency， reduces labor costs and feed wastage， and offers considerable economic benefits and potential for widespread adoption.

Key words Conveyor belt;Feeding;Renovation design;PLC control

目前，我國許多羊場仍采用傳統的人工飼喂方式，存在飼料浪費嚴重，勞動強度大，管理不規范等問題。隨著畜牧業的快速發展，羊圈飼喂系統自動化成為提高養殖效率及降低勞動成本的重要手段［1-2］。因此，實現羊圈飼喂系統的自動化顯得尤為迫切和必要。為解決這一問題，筆者針對傳統羊圈建筑結構，在盡量減少成本的原則下，設計由PLC控制的輸送帶系統改造飼喂條件［3-4］。

1 系統結構及主要參數

1.1 輸送方案確定

舍飼圈養羊飼喂需要做到定量、定質、搭配合理，定量即在一定時間內飼喂相對穩定的飼料量，滿足羊只足夠的營養需要即可，避免造成不必要的損失浪費；定質即給羊喂的飼料要新鮮、清潔，保證質量、營養成分要達到要求，確保不喂腐爛、霉變的飼料和飼草；搭配合理即按羊的采食性、消化特點和飼料的品種、特性等選用多種多樣的原料，以加強營養互補，防止偏食和營養缺失［5-6］。通常情況下，舍飼羊的圈舍與活動場相連，白天飼喂完在活動場自由活動，晚上可回到圈舍休息。傳統飼喂方式由人工或者撒料車將飼料拋灑在羊舍圍欄外的飼槽。飼槽常用磚石或水泥筑成，固定在圍欄外下方，與舍欄等長，飼槽上寬下窄，寬30～40 cm，羊圈中間留有過道供飼喂人和撒料車通過［7］。根據羊圈結構，在羊圈中間利用過道的空間設置飼喂系統較合理，且可以節約成本。圖1a為改造前的羊舍。

帶式輸送機具有結構簡單、使用方便、操作安全、維修容易、節省人力等特點。結構簡單，僅需膠帶、托輥（板）、滾筒、驅動裝置等幾大部件；使用方便，可以在各種場所安裝、使用；操作安全，維修容易，需要經常維修的僅是托輥，膠帶使用壽命長，損耗很小；節省人力，由于操作簡單，維修容易，需要的管理人員少［8］。同時，帶式輸送機還易于實行集中遙控，自動保護，適合作為羊舍飼喂系統的主體結構［9］。考慮到環形輸送機的相對密閉性特點，飼料碎末泄漏到上、下皮帶中間不易清理，易造成飼料腐爛、霉變，筆者結合輸送機與卷揚機的結構特點改造羊圈內飼喂輸送帶。圖1b為根據羊舍空間結構改造飼喂系統后的羊舍。

1.2 系統結構設計

飼喂輸送系統主要由控制部分、羊圈內傳送部分、羊圈外輔助部分組成，其中控制部分主要由皮帶牽引電動機、喂料牽引電動機、電磁離合器、電氣控制柜等組成；傳送部分主要由傳送帶、皮帶滾筒、鋼絲繩、鋼絲繩滾筒、不銹鋼導槽、托輥等部分組成；輔助部分主要由攪拌機、皮帶提升機、轉運輸送皮帶機、廢料回收車等部分組成，如圖2 所示，為了說明飼喂輸送系統結構，圖2中1號與2號羊舍中間的輸送帶展開，2號與3號羊舍中間的輸送帶收回［10］。筆者主要對控制及羊圈內傳送部分進行結構設計，對主要參數、工作部件、工作性能和工作原理進行分析。羊圈外輔助部分可利用羊場已有的機器或者選配標準設備組成。

1.3 主要技術參數

配套動力：交流電動機；飼喂速度：0.80～1.06 m/s；飼喂輸送帶長度：18 m；輸料能力：250 kg/min;功率：3 kW。

2 羊圈內飼喂輸送系統設計

2.1 羊圈內飼喂輸送系統工作原理

送料時，飼料可以由攪拌機、皮帶提升機、轉運輸送皮帶機等輔助設備輸送至飼喂輸送帶的入料端，也可將攪拌好的飼料由料車直接勻速撒在飼喂輸送帶的入料端。牽引鋼絲繩的一端固定在鋼絲繩滾筒上，另外一端固定在飼喂輸送帶邊緣，喂料牽引電動機啟動，動力通過電磁離合器輸送至鋼絲繩滾筒，牽引鋼絲繩隨著鋼絲繩滾筒的轉動纏繞在滾筒上，將飼喂輸送帶沿著不銹鋼導槽鋪開，將輸送帶上的飼料輸送至羊舍。喂料牽引電動機運行時，皮帶牽引電動機的電磁離合器置于離合位置，以減小工作阻力［11-13］。

回收殘余飼料時，皮帶牽引電動機啟動，動力通過電磁離合器輸送至皮帶滾筒，輸送帶隨著皮帶滾筒的轉動纏繞在滾筒上，廢料回收車放置在入料端皮帶滾筒的下方，殘余飼料自動掉落到回收車中。皮帶牽引電動機運行時，喂料牽引電動機的電磁離合器置于離合位置，以減小工作阻力［14］。羊圈內飼喂輸送系統的工作原理如圖 3 所示。

2.2 主要部件的選型及計算

2.2.1 電動機及減速機選型。

由于羊舍供電不受限制，動力輸出選擇三相異步電動機。2臺電動機均采用了羊場已有的 YE3-100L2-4異步電動機，標定功率為3 kW，標定轉速為1 420 r/min，工作電壓為380 V，不僅功率大，還可有效節約成本。

減速機連接電動機和滾筒，是輸送機的重要部件之一，應滿足輸送機功率、速比、轉矩等要求。由于電動機輸出的轉速很高，但輸送帶的設計速度要求在1 m/s左右，故選取傳動較大的 XWD4 型擺線針輪式減速機。該減速機減速比大，體積小，使用壽命長，結構緊湊，噪聲低，傳動效率高，故筆者采用擺線針輪減速機更為合理［15］。XWD4 型擺線針輪式減速機的單級減速比包括11、17、23、29、35、43、59、71、87，具體減速比選擇需要結合滾筒直徑計算確定。

2.2.2 滾筒直徑計算。

生產中，如果使飼喂輸送帶一直勻速運行，需要使牽引鋼絲繩均勻地纏繞在滾筒上，且保持鋼絲繩纏繞滾筒的直徑不改變，這就需要設計較復雜的導向及牽引機構。考慮到飼喂輸送帶實際使用過程中速度在一定范圍內變化并不影響飼喂效果，故而簡化滾筒設計，以減少改造及后續維修成本，皮帶滾筒、鋼絲繩滾筒均選擇普通尼龍滾筒，牽引鋼絲繩選用直徑3 mm半鋼芯，最大承重764.2 kg鋼絲繩，皮帶及鋼絲繩滾筒寬度根據羊舍內結構確定為700 mm，滾筒直徑需要通過計算獲得［14］。

2臺電動機的輸出轉速相同n1=1 420 r/min，喂料時皮帶的理想速度為1 m/s，即60 m/min，如果減速機傳動比選擇i=29，則計算過程如下：

鋼絲繩滾筒轉速：n2=n1/i=1 420/29≈48.97 r/min

鋼絲繩滾筒半徑：r=v_輸送帶/（2πn₂）=60/（2×3.14×48.97）≈0.20 m

鋼絲繩滾筒直徑：d=2r= 400 mm

回收殘余飼料時對皮帶的速度沒有嚴格要求，因此選擇相同減速機傳動比，皮帶滾筒直徑與鋼絲繩滾筒直徑同為400 mm。

2.2.3 飼喂輸送帶選型。

帶式輸送機中，輸送帶既是承載構件，又是牽引構件，不僅要有承載能力，還要有足夠的強度。該設計中，由于輸送的物料是草料，就允許張力、最高耐溫等參數而言，普通國產PVC、PU輸送帶都可以滿足工作需要。考慮到PU材質的耐磨性、耐油性、耐水性、耐腐蝕性、耐切割性更好的特點，且常用于食品加工業，其用于飼料輸送更加環保，選擇價格相對較高的PU材質。輸送帶的尺寸根據羊舍的建筑面積養殖數量確定為長18.00 m，寬0.65 m。

通過一年實踐證明，輸送帶能夠滿足日常飼喂負荷支撐，有足夠的抗張強度，耐撕裂性和耐老化、風化性能好，非工作面的覆蓋膠耐磨，承載面的覆蓋膠能承受羊的啃咬。一年使用期間未出現破損，有效節約了使用成本［16］。

2.2.4 托輥與不銹鋼導槽選型及設計。

托輥起著支撐輸送帶和減小輸送帶與不銹鋼導槽摩擦力的作用。該研究針對輸送帶的跑偏問題，采取2節式“V”形托輥，托輥滿足了使用可靠、功率消耗低的要求。如圖4所示，托輥軸安裝在不銹鋼導槽兩側，托輥下方的位置開槽，使從皮帶與不銹鋼導槽縫隙漏下的飼料碎末直接從開槽位置漏下，減少托輥維修率，便于設備維護［17］。

不銹鋼導槽選用冷彎等邊角鋼和冷彎等邊槽鋼焊合而成，具有支撐輸送帶的作用，不銹鋼導槽的尺寸根據皮帶尺寸及羊舍的建筑結構確定為長19.0 m，寬0.7 m。如圖4所示，在不銹鋼導槽內每隔0.25 m安裝1個托輥，托輥軸安裝在不銹鋼導槽兩側，托輥下方的位置開槽。不銹鋼導槽可以直接放置在磚砌的底座上，在開槽位置預留清理飼料碎末的空隙［18］。不銹鋼導槽兩側根據養殖的羊的身高等體征確定角鋼高度，預留羊頸夾的安裝位置。

3 電氣控制設計

3.1 控制方案設計

該系統采用PLC控制，通過PLC的輸出控制2臺電動機工作，還可以通過網關與互聯網進行通信，利用電腦、手機遠程定時、定量控制和監控。通過傳感器采集飼料重量等參數，與羊舍內的溫度、濕度、水循環、空氣質量等恒溫供水與環境控制參數共同構建智能控制系統［19］，如圖5所示。

3.2 電控柜設計

電控柜從功能上除滿足對系統的控制外，還須集成電源系統、信號通信、電氣保護、運行狀態顯示、遠程就地控制、故障報警等功能，電控柜內包含 PLC主機與模擬量及通信擴展模塊、斷路器、電源模塊、接觸器、繼電器、接地排、溫控器、急停以及各種按鈕開關等電氣元件。根據現場實際的輸入輸出點的數量，選用西門子S7-1200系列PLC，所選 PLC 集成了14個輸入點和10個輸出點，足夠現場設備使用。電氣控制柜安裝在室外，選用 2 mm 厚不銹鋼材質，IP65 防護等級。

4 結論

（1）PLC控制的帶式飼喂輸送系統在傳統羊圈中實現了自動化飼喂，相比人工方式顯著提高了效率，降低了勞動強度，同時有效節約了飼料成本。

（2）系統設計結構簡單，安裝和維護成本較低，關鍵部件選用耐用材料，保證了系統長期穩定運行，為規模化養殖場的自動化改造提供了便捷的解決方案。

（3）系統設計具有較強的擴展性，PLC控制模塊支持未來的智能化升級，能夠進一步集成溫濕度、空氣質量等參數監控功能，為現代化養殖提供技術支持，具備廣泛的推廣應用價值。

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基金項目 2022年內蒙古自治區高等學校科學研究項目“北方高寒地區規模化肉羊舍飼養殖設備及控制系統的研究與應用”（NJZZ22420）；2023年呼和浩特市科技計劃項目“智慧羊舍集成技術研發與示范項目”（2023-農-12）；2023年內蒙古農業大學職業技術學院綠色低碳智慧鄉村建設科技創新項目（TDE202307）。

作者簡介 王榮華（1981—），女，山西霍州人，副教授，碩士，從事農業工程及機電一體化技術研究。

*通信作者，副教授，博士，碩士生導師，從事農業建筑與環境研究。

收稿日期 2024-10-27；修回日期 2024-12-02