周昆樂(lè)，邊峰，陳福元，鄧事特，耿瑋

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510630；3.廣東廣興牧業(yè)機(jī)械設(shè)備有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引言

我國(guó)是世界第一養(yǎng)豬大國(guó)，具有悠久的養(yǎng)豬歷史和豐富的品種資源，為世界養(yǎng)豬業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)[1-2]。隨著生豬養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展以及科技含量的不斷提升，生豬養(yǎng)殖生產(chǎn)水平明顯提高，目前已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，因此，加強(qiáng)豬場(chǎng)養(yǎng)殖建設(shè)對(duì)生豬養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展有著至關(guān)重要的意義[3-5]。而在豬場(chǎng)養(yǎng)殖中，仔豬的存活率又直接關(guān)系到豬場(chǎng)最終的經(jīng)濟(jì)效益[6-8]。初生仔豬的死亡率最高時(shí)段是出生后1 周內(nèi)，仔豬死亡的主要原因有：①初乳攝入不足導(dǎo)致仔豬免疫力較弱，感染病毒死亡；②環(huán)境控制不好，溫度太低導(dǎo)致仔豬凍僵、凍死；③母豬擠壓、踩踏導(dǎo)致仔豬死亡。其中，母豬擠壓、踩踏是造成仔豬死亡的主要原因之一[9]。造成仔豬被踩壓的主要原因有：①母豬產(chǎn)仔后身體虛弱或體形較大、行動(dòng)不便；②部分頭胎母豬產(chǎn)仔時(shí)起臥不安，使仔豬遭到踩踏；③母豬產(chǎn)仔時(shí)產(chǎn)圈未設(shè)護(hù)仔欄，加上母豬母性不好，進(jìn)而造成仔豬死亡；④新生仔豬因寒冷變得行動(dòng)遲緩，且因怕冷而向母豬腹下鉆被壓死。因此，豬場(chǎng)需要對(duì)產(chǎn)后母豬進(jìn)行限位，以降低因仔豬被擠壓、踩踏致死所帶來(lái)的損失，本文針對(duì)2 種防壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，使用更符合豬場(chǎng)實(shí)際需求的結(jié)構(gòu)，提高豬場(chǎng)收益。

1 防壓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

豬場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用表明，在傳統(tǒng)無(wú)防壓設(shè)計(jì)的分娩欄的母豬位兩側(cè)和后方增加防壓的耙齒、護(hù)欄等部件，可以有效降低母豬側(cè)臥和后退時(shí)壓傷或壓死仔豬的現(xiàn)象。因此，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用且適用于多種現(xiàn)有分娩欄的防壓結(jié)構(gòu)部件能滿足豬場(chǎng)養(yǎng)殖所需。使用含防壓結(jié)構(gòu)部件的分娩欄可減少因母豬擠壓、踩踏造成仔豬的死亡，提升豬場(chǎng)收益。以下是近幾年豬場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用的2款分娩欄防壓結(jié)構(gòu)。

1.1 欄柵式防壓結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)主要采用了直徑為26 mm 鍍鋅管和扁鋼加工，由3 段彎管組成，兩側(cè)彎管靠近漏縫板，對(duì)母豬后蹄的行動(dòng)范圍進(jìn)一步限制，保證仔豬移動(dòng)時(shí)的安全，彎管中間留有避空部分可有效防止刮傷母豬陰部造成感染。此結(jié)構(gòu)通過(guò)將防壓片直接掛在分娩欄上的簡(jiǎn)便安裝，與分娩欄后門分離開(kāi)，后欄與防壓結(jié)構(gòu)間留有200 mm 的間隙以便仔豬通過(guò)。欄柵式防壓結(jié)構(gòu)安裝示意圖及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖1 所示。

圖1 欄柵式防壓結(jié)構(gòu)安裝示意圖及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

1.2 封板式防壓結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)主要采用了直徑為26 mm 鍍鋅管和12 mm實(shí)心PVC 板加工，通過(guò)將掛耳插入掛耳座，并關(guān)閉碰鎖以完成安裝。該結(jié)構(gòu)在作為分娩欄后門的同時(shí)，通過(guò)彎管對(duì)母豬起到了限制活動(dòng)的作用。彎管與后門的實(shí)心PVC 板間留有200 mm 間隙，仔豬則可以從下方空間通過(guò)，避免在移動(dòng)到保溫區(qū)時(shí)，被母豬壓傷。封板式防壓結(jié)構(gòu)安裝示意圖及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖2 所示。

圖2 封板式防壓結(jié)構(gòu)安裝示意圖及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖

1.3 結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

欄柵式防壓結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于安裝簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，耐用性強(qiáng)。向下增長(zhǎng)彎管進(jìn)一步對(duì)母豬限位的同時(shí)，提升了欄片整體使用壽命。

封板式防壓結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于加工相對(duì)簡(jiǎn)單，整體成本相對(duì)低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但存在長(zhǎng)時(shí)間受到母豬撞擊時(shí)，掛耳可能脫焊導(dǎo)致整個(gè)后門都需要維修的問(wèn)題，同時(shí)，由于用于阻擋母豬的彎管高度位于整個(gè)欄片的中央，母豬陰部可能會(huì)因剮蹭而受到感染。單獨(dú)一根彎管也不能很好地對(duì)母豬后蹄進(jìn)行限制，仍存在仔豬被踩踏的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，對(duì)封板式防壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，將防壓結(jié)構(gòu)與后門分離開(kāi)，減少后門損壞的可能性。即使防壓結(jié)構(gòu)損壞也可以方便更換、維修。相對(duì)而言，欄柵式防壓結(jié)構(gòu)的限制能力也更強(qiáng)，進(jìn)一步降低仔豬被踩踏的風(fēng)險(xiǎn)。

2 仿真試驗(yàn)

2.1 有限元分析簡(jiǎn)介

有限元分析的原理是利用數(shù)學(xué)近似法對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，把幾何和載荷工況運(yùn)用簡(jiǎn)單且相互關(guān)聯(lián)的單元用有限數(shù)量的未知量去逼近真實(shí)系統(tǒng)。有限元分析是用簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題并求解，把求解域分解為許多單元并對(duì)每個(gè)單元假定一個(gè)合理的近似解，再推導(dǎo)這個(gè)求解域的滿足條件從而得到問(wèn)題的解。此方法作為方便性和實(shí)用性兼具的研究手段，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，被運(yùn)用于越來(lái)越多的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[10-11]。

2.2 仿真試驗(yàn)參數(shù)

仿真試驗(yàn)主要參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真試驗(yàn)主要參數(shù)

2.3 有限元網(wǎng)格劃分模型

如圖3 所示，模型采用了inventor 軟件對(duì)欄柵式防壓結(jié)構(gòu)按2.2 所述參數(shù)進(jìn)行了實(shí)體模型的建立。并將其作為有限元網(wǎng)格劃分對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體網(wǎng)格設(shè)置參數(shù)如下：劃分網(wǎng)格的最小元素大小設(shè)置為0.2，最大轉(zhuǎn)角設(shè)置為60°。網(wǎng)格劃分完成后，整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為26 403個(gè)，元素總數(shù)為12 762 個(gè)。

圖3 欄柵式防壓結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分模型

如圖4 所示，采用同樣設(shè)置對(duì)封板式防壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分，網(wǎng)格劃分完成后，整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為41 119個(gè)，元素總數(shù)為20 501 個(gè)。

圖4 封板式防壓結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分模型

2.4 應(yīng)力分析

使用inventor 軟件對(duì)防壓結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊時(shí)的情況進(jìn)行模擬，載入圖3 和圖4 所示的模型，將所有零部件的材料定義為鋼。選擇的分析類型為靜力分析，接下來(lái)就需要對(duì)模型進(jìn)行施加約束及施加載荷。在平常使用中，防壓結(jié)構(gòu)會(huì)受到平行于分娩欄方向的力，所以分別對(duì)欄柵式防壓結(jié)構(gòu)的豎管和封板式欄柵結(jié)構(gòu)的橫管施加相應(yīng)載荷，如圖5 所示。并依據(jù)實(shí)際的安裝方式，在欄柵式防壓結(jié)構(gòu)的安裝座的4處弧形折邊處和封板式防壓結(jié)構(gòu)的掛耳處設(shè)置了固定約束，至此前處理過(guò)程完成?？梢赃M(jìn)行求解計(jì)算，并查看分析結(jié)果，其內(nèi)容包括基本解（節(jié)點(diǎn)位移）與導(dǎo)出解（節(jié)點(diǎn)與單元的應(yīng)力、節(jié)點(diǎn)與單元的應(yīng)變單元力、單元力、節(jié)點(diǎn)反力等），依此可以生成應(yīng)力云圖和變形圖。

圖5 施加載荷示意圖

經(jīng)過(guò)仿真分析，根據(jù)圖6 可知，封板式防壓結(jié)構(gòu)受到撞擊時(shí)，應(yīng)力最大值均發(fā)生在鉸鏈連接處，最大變形均發(fā)生在彎管中央處。欄柵式防壓結(jié)構(gòu)受到撞擊時(shí)，應(yīng)力最大值均發(fā)生在安裝座與彎管的焊接處，最大變形均發(fā)生在彎管的下方。

圖6 最大形變示意圖

根據(jù)圖7 中數(shù)據(jù)可得知，在受到同樣大小力度的正面撞擊時(shí)，欄柵式防壓結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力顯著低于封板式防壓結(jié)構(gòu)。因此，在長(zhǎng)久的使用中，欄柵式防壓結(jié)構(gòu)因母豬撞擊而造成損壞的可能性更低。

圖7 不同載荷下應(yīng)力最大值數(shù)據(jù)

根據(jù)圖8 中數(shù)據(jù)可得知，在受到同樣大小力度的正面撞擊時(shí)，2 種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大形變量數(shù)值接近，無(wú)明顯區(qū)別。2 種防壓結(jié)構(gòu)均符合豬場(chǎng)實(shí)際使用中的要求，不會(huì)產(chǎn)生不可逆的塑性形變。

圖8 不同載荷下形變量最大值數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

上述2 款適用于豬場(chǎng)分娩欄的防壓結(jié)構(gòu)，均能滿足豬場(chǎng)實(shí)際使用的需求，且均有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝方便，制造成本較低的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)了仿真模擬試驗(yàn)測(cè)試分析，得出了欄柵式防壓結(jié)構(gòu)更耐用的結(jié)論，采用該防壓結(jié)構(gòu)對(duì)母豬進(jìn)行限位，將大幅減少母豬后退時(shí)踩傷仔豬的情況，減少仔豬死亡的機(jī)率，為豬場(chǎng)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)效益。