王辛政，孫杰，員榮基，范國(guó)強(qiáng)，董和銀，吳愛兵

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,山東泰安,271018;2.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室,山東泰安,271018;3.泰安意美特機(jī)械有限公司,山東新泰,271215; 4.泰安市畜牧智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,山東新泰,271215; 5.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京市,210014)

0 引言

我國(guó)畜牧業(yè)不斷發(fā)展,奶牛產(chǎn)業(yè)日益壯大,正在向規(guī)模化、現(xiàn)代化、集約化和標(biāo)準(zhǔn)化的養(yǎng)殖方式轉(zhuǎn)變[1-2]。在養(yǎng)殖過(guò)程中引入相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備輔助,能有效地提高經(jīng)濟(jì)效益,促進(jìn)奶牛產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展。但是目前奶牛保定架普遍存在設(shè)備沉重、操作復(fù)雜、維修不便的情況,一定程度上影響奶牛行業(yè)的發(fā)展。

人工授精、胚胎移植和牛蹄治療等是奶牛生長(zhǎng)過(guò)程中必不可少的步驟[3-6]。在歐洲和澳洲的一些國(guó)家,采用先進(jìn)的電液控制技術(shù),以確保工作人員的安全,對(duì)奶牛進(jìn)行必要的保定和一系列操作。針對(duì)不同生長(zhǎng)階段的奶牛,機(jī)械化作業(yè)提供了提升、綁定和防踢等功能,這些是保定架所必備的條件[7-8]。

目前,保定架主要分為手動(dòng)式、液壓半自動(dòng)式、液壓翻轉(zhuǎn)式三大類,手動(dòng)式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作,但效率較低操作人員易有受傷風(fēng)險(xiǎn),液壓半自動(dòng)式和液壓翻轉(zhuǎn)式能有效減少動(dòng)物受傷風(fēng)險(xiǎn)和操作員的疲勞,提高效率,但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不易維修的問題。

愛爾蘭HAPPY FARM LTD[9]為公牛和長(zhǎng)角奶牛設(shè)計(jì)了手動(dòng)綁定架,通過(guò)鏈條控制前門來(lái)固定牛的頭部,防止其后縮,具備獨(dú)特的壓牛設(shè)計(jì)、修腳設(shè)備以及可調(diào)節(jié)的雙腹部和腹股溝支撐帶(適用于有孕母牛)。丹麥800-1保定架采用液壓半自動(dòng)控制,可以將牛受傷的風(fēng)險(xiǎn)最小化,它的設(shè)計(jì)噪音最小化,并且可調(diào)節(jié)工作高度,此外,它還提供了照明設(shè)施,以確保修蹄師和奶牛都能享受到最舒適的修蹄體驗(yàn)。澳大利亞SILENCER系列采用液壓翻轉(zhuǎn)式設(shè)計(jì),能顯著提高加工效率并降低勞動(dòng)力成本,最重要的是,它能減少動(dòng)物和工作人員的傷害,同時(shí)減輕操作員的疲勞。該系列產(chǎn)品還擁有特殊的降噪系統(tǒng)(NRS),為動(dòng)物提供更安靜和壓力更小的環(huán)境。

近年來(lái),我國(guó)在奶牛保定技術(shù)的推廣上取得了巨大的進(jìn)步,但保定架的產(chǎn)品相對(duì)較為單一,無(wú)法使工作人員得到安全的保障。國(guó)內(nèi)大型牧場(chǎng)多使用翻轉(zhuǎn)式綁定架裝置,成本較高,所需操作過(guò)程較為煩瑣。中小型牧場(chǎng)缺乏相關(guān)保定設(shè)備,只能采用四柱欄保定法等簡(jiǎn)易裝置對(duì)奶牛進(jìn)行保定,但對(duì)頸部和頭部進(jìn)行操作時(shí)無(wú)法有效固定,且傳統(tǒng)保定方法易引起奶牛的應(yīng)激反應(yīng),會(huì)帶來(lái)很大的安全隱患。綁定和提升是關(guān)鍵作業(yè)部分,關(guān)系著保定架中最關(guān)鍵的綁定部分,但有關(guān)的研究比較缺乏。如何提高綁定效率,成為國(guó)產(chǎn)保定架亟待解決的問題。

針對(duì)上述問題,本研究在奶牛保定架的研發(fā)過(guò)程中,重點(diǎn)對(duì)提升機(jī)構(gòu)、綁定裝置以及防踢裝置進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)制作樣機(jī)。

1 奶牛電動(dòng)提升保定架結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 保定架結(jié)構(gòu)

電動(dòng)提升保定架(圖1)由整機(jī)框架、頸夾、綁定裝置、電動(dòng)提升機(jī)構(gòu)和防踢裝置組成,旨在穩(wěn)定地保定奶牛,以促進(jìn)修蹄、胚胎移植和人工授精等操作的順利進(jìn)行。同時(shí),通過(guò)保定操作可有效防止奶牛在操作過(guò)程中對(duì)操作人員造成傷害,減少潛在損失的產(chǎn)生。奶牛電動(dòng)提升保定架裝置及功能需求如表1所示。

表1 奶牛電動(dòng)提升保定架主要裝置及功能

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

首先將奶牛引進(jìn)保定架,通過(guò)人工操作,使前端夾住奶牛頭部,防止其亂動(dòng),然后將兩條皮帶分別放置在奶牛髖結(jié)節(jié)和肩胛骨的后側(cè),通過(guò)手動(dòng)控制電動(dòng)提升機(jī)將奶牛升起至防踢后側(cè)門處,最后再將奶牛蹄綁定至保定架固定處。保定架兩側(cè)和后方分別設(shè)有防踢板和防踢架,工作人員的安全性大大提高。

整機(jī)采用矩形管、圓管及角鋼組裝焊接,同時(shí)帶有滾輪,質(zhì)量相對(duì)較小便于運(yùn)輸。奶牛電動(dòng)提升保定架性能參數(shù)如表2所示。

表2 奶牛電動(dòng)提升保定架性能參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 整機(jī)框架

奶牛平均體高145 cm,體長(zhǎng)190 cm[10],考慮到有極個(gè)別體型過(guò)大以及工作需要的情況,選擇樣機(jī)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為2 250 mm×1 000 mm×2 100 mm。

整體框架主要用于支撐電動(dòng)提升機(jī)、安裝防護(hù)板等一系列設(shè)備,同時(shí)起到牛的保定作用。對(duì)于選材和設(shè)備的焊接要求較高,因此在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到框架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和靈活性需求,采用了具有良好塑性的Q235B矩形方管、圓管和角鋼進(jìn)行組裝焊接。此外,框架還配備有滾輪,重量相對(duì)較輕,便于運(yùn)輸。

在進(jìn)行整機(jī)材料的選擇時(shí),其溫度參數(shù)范圍選擇-30～40 ℃,能夠保證保定架在各種氣候條件下都能正常運(yùn)行。

2.2 頸夾

頸夾由頸夾開關(guān)、左旋轉(zhuǎn)門架、右旋轉(zhuǎn)門架、左活動(dòng)門架、右活動(dòng)門架組成,如圖2所示。

圖2 頸夾尺寸簡(jiǎn)圖

起始狀態(tài)時(shí),奶牛頭部進(jìn)入活動(dòng)門架夾縫,人工轉(zhuǎn)動(dòng)左右旋轉(zhuǎn)門與奶牛整體處于垂直狀態(tài),同時(shí)驅(qū)趕奶牛前進(jìn)使牛肩抵住旋轉(zhuǎn)門架,拉動(dòng)頸夾開關(guān)進(jìn)行鎖定?；顒?dòng)門與奶牛頸部縫隙較小,頭部活動(dòng)范圍有限,工作人員可進(jìn)入安全操作區(qū)實(shí)現(xiàn)對(duì)牛頸部注射、打耳標(biāo)等操作。

頸夾開口的高度和寬度能夠影響奶牛在保定過(guò)程中的舒適程度,是非常重要的一個(gè)參數(shù)?？紤]到提升要求,頸夾彎曲開口垂直大小設(shè)為1 280 mm,頸夾采用直徑為35 mm的熱鍍鋅圓管,避免在養(yǎng)殖場(chǎng)惡劣的環(huán)境中短時(shí)間生銹腐蝕,頸夾間的尺寸根據(jù)奶牛牛頸的寬度設(shè)計(jì)為250 mm,在固定牛頸的同時(shí)減少頸夾對(duì)其造成的傷害,如圖2所示。

考慮到奶牛流通及保定效率問題,在牛頸夾的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種手動(dòng)頸夾開關(guān),如圖3所示。此裝置能滿足牧場(chǎng)奶牛流動(dòng)性較大的需求,僅需轉(zhuǎn)動(dòng)防滑手柄即可將完成操作的奶牛引導(dǎo)出保定架,進(jìn)行下一頭奶牛的準(zhǔn)備工作。

2.3 提升機(jī)構(gòu)

提升機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源,該機(jī)構(gòu)主要由定滑輪、減速機(jī)、電動(dòng)提升機(jī)、尼龍繩、腹帶和卷筒組成,如圖4所示。

當(dāng)奶牛進(jìn)入保定架后,需要操作人員將兩條腹帶分別從奶牛腹部前端和末端下方各穿插到另一端,再由腹帶末端卡扣與尼龍繩末端進(jìn)行鎖定,至此提升準(zhǔn)備工作完成。處于工作狀態(tài)時(shí),由電源控制電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力,電動(dòng)提升機(jī)連接減速機(jī),控制卷筒,收縮尼龍繩,通過(guò)定滑輪提高腹帶高度達(dá)到提升整體奶牛的功能。當(dāng)奶牛被提升至適當(dāng)高度時(shí)電機(jī)進(jìn)行鎖定。

為提高電機(jī)的使用效率和承載能力,選擇功率1.1 kW的雙直電容單相交流電機(jī)。由于保定架處于露天的工作情況,電機(jī)防護(hù)等級(jí)選用IP54型。成年奶牛體重一般為630～810 kg,電動(dòng)提升機(jī)拉動(dòng)四條同等材質(zhì)線繩,通過(guò)定滑輪拽動(dòng)腹帶使奶牛緩慢上升。為保證奶牛在提升過(guò)程中速度不宜過(guò)快,特選用提升速度v為0.1 m/s。再考慮到有腹帶等設(shè)備自重、體重浮動(dòng)和妊娠期等因素影響,選擇承載質(zhì)量m為1 300 kg,需電機(jī)提供最小1.3 kN的拉力F才可拉動(dòng)其緩慢上升。

電機(jī)功率

P=Fv=mgv=1 300 W

(1)

根據(jù)以往試驗(yàn)可知,一般電機(jī)的平均效率η為87%,則額定功率

(2)

P額=UI額

(3)

由此可得I額=6.7 A。

受到保定架空間條件限制,初步設(shè)計(jì)卷筒直徑d=90 mm,可得卷筒轉(zhuǎn)速

(4)

選擇減速機(jī)傳動(dòng)比i=70∶1,則電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 470 r/min?？紤]到卷筒等摩擦影響,所以挑選額定功率1.5 kW,轉(zhuǎn)速1 400 r/min的電動(dòng)機(jī)以及減速比i=70的減速機(jī)。

提升裝置中的尼龍繩在使用一段時(shí)間后,會(huì)由于定滑輪和卷筒的卷繞產(chǎn)生磨損,而且由于工作環(huán)境惡劣的問題,會(huì)加快尼龍繩的磨損程度,導(dǎo)致承受面積下降,隨之最大使用應(yīng)力也會(huì)減小,當(dāng)最大使用應(yīng)力小于允許使用應(yīng)力時(shí),就不能保證尼龍繩的安全性,繼續(xù)使用就有可能釀成事故,必須進(jìn)行報(bào)廢處理。根據(jù)尼龍繩的報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)第四條:吊繩表面出現(xiàn)斷絲,磨損面達(dá)到3%,應(yīng)降級(jí)20%使用,磨損面達(dá)到6%,應(yīng)予以報(bào)廢。

根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)磨損面達(dá)到3%時(shí),尼龍繩的繩中破斷力

F1=1.1d12

(5)

式中:F1——尼龍繩破斷拉力,N;

d1——尼龍繩直徑,mm。

考慮到牛自重和運(yùn)動(dòng)因素的影響,尼龍繩破斷拉力選擇為500 kg,則d1=21.3 mm。

此時(shí),尼龍繩最小直徑

(6)

當(dāng)不降級(jí)使用時(shí),破斷拉力

(7)

此時(shí)直徑d3=23.83 mm。

尼龍繩最小直徑不得小于23.83 mm,因此選擇直徑為25 mm的尼龍繩作為提升機(jī)構(gòu)使用。

2.4 綁定裝置

綁定裝置是奶牛的治療和檢測(cè)過(guò)程中不可忽略的一環(huán),也是工作人員安全的保證之一?？紤]到傳統(tǒng)的綁定方式對(duì)牛蹄有一定的磨損且易掙脫,因此在保定架前端增加了牛蹄卡板,以達(dá)到固定牛蹄的目的,如圖5所示。

在進(jìn)行提升之前,使用套繩將奶牛的四肢牛蹄上端腕部進(jìn)行緊固。在提升完成后,緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)手動(dòng)搖輪,使牛蹄彎曲并進(jìn)行翻轉(zhuǎn),使其與地面平行。然后,通過(guò)拽動(dòng)套繩,將奶牛的左前肢卡入牛蹄卡板間,使牛蹄處于簡(jiǎn)單易操作的狀態(tài)。為確保操作人員的安全,在手動(dòng)搖輪上設(shè)有鎖定裝置,以防止繩子脫離輪子的情況發(fā)生。

后綁定裝置分為固定裝置和卡扣兩大部分,如圖6所示。固定裝置由套繩和手動(dòng)搖輪組成,固定牛蹄所需力較小,套繩選用規(guī)格20 mm的尼龍繩。

圖6 綁定裝置簡(jiǎn)圖

奶牛后蹄間距大致為400～500 mm,卡口中間距設(shè)為600 mm。對(duì)綁定裝置進(jìn)行受力分析,如圖7所示。

圖7 綁定裝置受力分析簡(jiǎn)圖

由圖7可得

Fay=sinαFa

(8)

Fby=sinβFb

(9)

式中:Fa、Fb——手動(dòng)搖輪產(chǎn)生的拉力,N。

根據(jù)牛頓第一定律可得

-M+Faya+Fbyb-F3c=0

(10)

Fay+Fby-F3=0

(11)

式中:M——手動(dòng)搖輪需要產(chǎn)生的力矩,N·m;

a——手動(dòng)搖輪與左卡扣水平中心距,m;

b——手動(dòng)搖輪與右卡扣水平中心距,m;

c——手動(dòng)搖輪與后蹄質(zhì)心水平距離,m;

F3——套繩所受牛蹄總拉力,N。

參考大多數(shù)奶牛兩后腿距離,同時(shí)與保定架結(jié)構(gòu)相結(jié)合得到α=60°,β=25°,在保定狀態(tài)下奶牛腿部用力最大不會(huì)超過(guò)600 N,為防止突發(fā)狀況取F3=800 N。

由于保定架結(jié)構(gòu)限制,手動(dòng)搖輪手柄最長(zhǎng)為0.35 m,當(dāng)其工作時(shí)所需要的力

(12)

式中:F′——工作時(shí)手動(dòng)搖輪手柄所需力,N;

x——手柄長(zhǎng)度,m。

運(yùn)行時(shí)需要后牛蹄的同步提升綁定,因此手搖輪內(nèi)部設(shè)有兩個(gè)半徑不同的轉(zhuǎn)盤,從而控制提升速度,提升時(shí)尼龍繩收縮簡(jiǎn)圖如圖8所示。

圖8 尼龍繩收縮簡(jiǎn)圖

由圖8可知

(13)

(14)

已知單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)路程與兩繩運(yùn)動(dòng)距離比例相反,可得兩轉(zhuǎn)盤半徑大小比例

(15)

根據(jù)需求情況可設(shè)置兩轉(zhuǎn)盤直徑分別為100 mm和200 mm。

在進(jìn)行卡扣裝置的設(shè)計(jì)時(shí),需要對(duì)牛蹄大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì),確定綁定裝置設(shè)置多大的開口。據(jù)統(tǒng)計(jì),牛蹄平均大小為75 mm,在考慮到有極個(gè)別牛蹄生病腫大的情況所以設(shè)置開口為100 mm[11-13]。

2.5 防踢裝置

防踢裝置由防踢架和防踢板組成。防踢架是根據(jù)牛的生理學(xué)構(gòu)造,在牛的腿部關(guān)節(jié)后方設(shè)置一擋管,從而大幅度減少其腿部前后活動(dòng)范圍[14-15],如圖9所示。防踢架由防踢管支撐架、防踢管、卡盤刀、卡盤組成。待提升過(guò)程完成后,防踢架可根據(jù)牛臀部位置進(jìn)行調(diào)整,使防踢管貼緊牛腿部位,縮小?；顒?dòng)空間,最后轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤刀,對(duì)防踢架位置進(jìn)行鎖定。

圖9 防踢架簡(jiǎn)圖

由于該裝置的特殊構(gòu)造,在提升后奶牛所能造成的沖擊力遠(yuǎn)小于未受限制時(shí)的力,因此防踢管選擇較為經(jīng)濟(jì)的薄壁不銹鋼管。

奶牛站立時(shí)坐骨端距大腿后側(cè)的水平距離在60～130 mm,防踢管之間的水平距離設(shè)為150 mm,如圖10所示,能有效保證奶牛在提升后腿后部不受壓迫,同時(shí)保護(hù)操作人員安全。對(duì)于寬度設(shè)計(jì)參考奶牛體寬550～630 mm,設(shè)置其寬度為650 mm。

圖10 防踢架作業(yè)圖

防踢板設(shè)置在保定架的兩側(cè)后端,并且上面安裝了固定栓,可以與底盤進(jìn)行固定,以承受牛蹄擺動(dòng)所帶來(lái)的力量。由于有防踢板的存在,牛蹄在正常情況下與防踢板之間的間距較小,因此無(wú)法做出大幅度的動(dòng)作。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性,在天津草子里鄉(xiāng)試驗(yàn)基地測(cè)試了樣機(jī)的性能參數(shù),試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為懷孕且需進(jìn)行修蹄的奶牛。將試制的樣機(jī)放置在平整的混凝土地面上,確保在修蹄過(guò)程中能夠平穩(wěn)運(yùn)行,不發(fā)生側(cè)翻。因試驗(yàn)條件苛刻,懷孕且需要進(jìn)行修蹄的奶牛較少,試驗(yàn)采取三頭懷孕奶牛與一頭成年公牛作為試驗(yàn)對(duì)象,取測(cè)量數(shù)據(jù)最大值進(jìn)行分析,主要測(cè)試指標(biāo):最大提升量、電機(jī)功率、提升高度和保護(hù)效果。

試驗(yàn)過(guò)程中,奶牛較為安靜,各個(gè)部件工作穩(wěn)定,能有效地完成奶牛的保定作業(yè),同時(shí)保護(hù)工作人員。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)表明該機(jī)能有效對(duì)936 kg的奶牛進(jìn)行提升并進(jìn)行保定,在保定過(guò)程中防踢裝置能抵擋住奶牛牛蹄的反抗活動(dòng),保護(hù)工作人員正常修蹄、人工授精等一系列操作,滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

1) 為解決國(guó)內(nèi)奶牛保定架水平較低的問題,設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)提升式奶牛保定架,同時(shí)使用手動(dòng)搖輪進(jìn)行綁定。

2) 首先,根據(jù)相關(guān)資料確定了整機(jī)的結(jié)構(gòu)框架。其次,進(jìn)行頸夾的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),以確保奶牛能夠安全而舒適地固定在保定架上。接著,進(jìn)行了提升機(jī)構(gòu)的理論計(jì)算,確定了所需的電動(dòng)機(jī)額定功率為1.5 kW,轉(zhuǎn)速為1 400 r/min,并選擇了傳動(dòng)比i為70的減速機(jī)。針對(duì)綁定裝置的要求,進(jìn)行了分析,確定了手動(dòng)搖輪手柄的長(zhǎng)度為350 mm,兩個(gè)輪盤的直徑分別為100 mm和200 mm,卡扣開口為100 mm。最后,對(duì)防踢裝置進(jìn)行了選材和構(gòu)造的確定,以確保其能夠有效地防止奶牛踢腿。

3) 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),該保定架能將重量為936 kg的奶牛提升25 cm,有效防止奶牛在保定過(guò)程中對(duì)工作人員造成傷害,滿足現(xiàn)有牧場(chǎng)需求。