奶牛电动提升保定架设计及优化*

王辛政，孙杰，员荣基，范国强，董和银，吴爱兵

(1.山东农业大学机械与电子工程学院,山东泰安,271018;2.山东省农业装备智能化工程实验室,山东泰安,271018;3.泰安意美特机械有限公司,山东新泰,271215; 4.泰安市畜牧智能装备产业技术研究院,山东新泰,271215; 5.农业农村部南京农业机械化研究所,南京市,210014)

0 引言

我国畜牧业不断发展,奶牛产业日益壮大,正在向规模化、现代化、集约化和标准化的养殖方式转变[1-2]。在养殖过程中引入相应的机械设备辅助,能有效地提高经济效益,促进奶牛产业的持续快速发展。但是目前奶牛保定架普遍存在设备沉重、操作复杂、维修不便的情况,一定程度上影响奶牛行业的发展。

人工授精、胚胎移植和牛蹄治疗等是奶牛生长过程中必不可少的步骤[3-6]。在欧洲和澳洲的一些国家,采用先进的电液控制技术,以确保工作人员的安全,对奶牛进行必要的保定和一系列操作。针对不同生长阶段的奶牛,机械化作业提供了提升、绑定和防踢等功能,这些是保定架所必备的条件[7-8]。

目前,保定架主要分为手动式、液压半自动式、液压翻转式三大类,手动式结构简单易操作,但效率较低操作人员易有受伤风险,液压半自动式和液压翻转式能有效减少动物受伤风险和操作员的疲劳,提高效率,但存在结构复杂,不易维修的问题。

爱尔兰HAPPY FARM LTD[9]为公牛和长角奶牛设计了手动绑定架,通过链条控制前门来固定牛的头部,防止其后缩,具备独特的压牛设计、修脚设备以及可调节的双腹部和腹股沟支撑带(适用于有孕母牛)。丹麦800-1保定架采用液压半自动控制,可以将牛受伤的风险最小化,它的设计噪音最小化,并且可调节工作高度,此外,它还提供了照明设施,以确保修蹄师和奶牛都能享受到最舒适的修蹄体验。澳大利亚SILENCER系列采用液压翻转式设计,能显著提高加工效率并降低劳动力成本,最重要的是,它能减少动物和工作人员的伤害,同时减轻操作员的疲劳。该系列产品还拥有特殊的降噪系统(NRS),为动物提供更安静和压力更小的环境。

近年来,我国在奶牛保定技术的推广上取得了巨大的进步,但保定架的产品相对较为单一,无法使工作人员得到安全的保障。国内大型牧场多使用翻转式绑定架装置,成本较高,所需操作过程较为烦琐。中小型牧场缺乏相关保定设备,只能采用四柱栏保定法等简易装置对奶牛进行保定,但对颈部和头部进行操作时无法有效固定,且传统保定方法易引起奶牛的应激反应,会带来很大的安全隐患。绑定和提升是关键作业部分,关系着保定架中最关键的绑定部分,但有关的研究比较缺乏。如何提高绑定效率,成为国产保定架亟待解决的问题。

针对上述问题,本研究在奶牛保定架的研发过程中,重点对提升机构、绑定装置以及防踢装置进行详细计算和结构设计,并根据设计参数制作样机。

1 奶牛电动提升保定架结构与工作原理

1.1 保定架结构

电动提升保定架(图1)由整机框架、颈夹、绑定装置、电动提升机构和防踢装置组成,旨在稳定地保定奶牛,以促进修蹄、胚胎移植和人工授精等操作的顺利进行。同时,通过保定操作可有效防止奶牛在操作过程中对操作人员造成伤害,减少潜在损失的产生。奶牛电动提升保定架装置及功能需求如表1所示。

表1 奶牛电动提升保定架主要装置及功能

图1 整机结构

1.2 工作原理

首先将奶牛引进保定架,通过人工操作,使前端夹住奶牛头部,防止其乱动,然后将两条皮带分别放置在奶牛髋结节和肩胛骨的后侧,通过手动控制电动提升机将奶牛升起至防踢后侧门处,最后再将奶牛蹄绑定至保定架固定处。保定架两侧和后方分别设有防踢板和防踢架,工作人员的安全性大大提高。

整机采用矩形管、圆管及角钢组装焊接,同时带有滚轮,质量相对较小便于运输。奶牛电动提升保定架性能参数如表2所示。

表2 奶牛电动提升保定架性能参数

2 关键部件设计

2.1 整机框架

奶牛平均体高145 cm,体长190 cm[10],考虑到有极个别体型过大以及工作需要的情况,选择样机尺寸(长×宽×高)为2 250 mm×1 000 mm×2 100 mm。

整体框架主要用于支撑电动提升机、安装防护板等一系列设备,同时起到牛的保定作用。对于选材和设备的焊接要求较高,因此在设计时考虑到框架的结构强度和灵活性需求,采用了具有良好塑性的Q235B矩形方管、圆管和角钢进行组装焊接。此外,框架还配备有滚轮,重量相对较轻,便于运输。

在进行整机材料的选择时,其温度参数范围选择-30～40 ℃,能够保证保定架在各种气候条件下都能正常运行。

2.2 颈夹

颈夹由颈夹开关、左旋转门架、右旋转门架、左活动门架、右活动门架组成,如图2所示。

图2 颈夹尺寸简图

起始状态时,奶牛头部进入活动门架夹缝,人工转动左右旋转门与奶牛整体处于垂直状态,同时驱赶奶牛前进使牛肩抵住旋转门架,拉动颈夹开关进行锁定。活动门与奶牛颈部缝隙较小,头部活动范围有限,工作人员可进入安全操作区实现对牛颈部注射、打耳标等操作。

颈夹开口的高度和宽度能够影响奶牛在保定过程中的舒适程度,是非常重要的一个参数。考虑到提升要求,颈夹弯曲开口垂直大小设为1 280 mm,颈夹采用直径为35 mm的热镀锌圆管,避免在养殖场恶劣的环境中短时间生锈腐蚀,颈夹间的尺寸根据奶牛牛颈的宽度设计为250 mm,在固定牛颈的同时减少颈夹对其造成的伤害,如图2所示。

考虑到奶牛流通及保定效率问题,在牛颈夹的基础上设计了一种手动颈夹开关,如图3所示。此装置能满足牧场奶牛流动性较大的需求,仅需转动防滑手柄即可将完成操作的奶牛引导出保定架,进行下一头奶牛的准备工作。

2.3 提升机构

提升机构采用电动机为动力源,该机构主要由定滑轮、减速机、电动提升机、尼龙绳、腹带和卷筒组成,如图4所示。

当奶牛进入保定架后,需要操作人员将两条腹带分别从奶牛腹部前端和末端下方各穿插到另一端,再由腹带末端卡扣与尼龙绳末端进行锁定,至此提升准备工作完成。处于工作状态时,由电源控制电动机提供动力,电动提升机连接减速机,控制卷筒,收缩尼龙绳,通过定滑轮提高腹带高度达到提升整体奶牛的功能。当奶牛被提升至适当高度时电机进行锁定。

为提高电机的使用效率和承载能力,选择功率1.1 kW的双直电容单相交流电机。由于保定架处于露天的工作情况,电机防护等级选用IP54型。成年奶牛体重一般为630～810 kg,电动提升机拉动四条同等材质线绳,通过定滑轮拽动腹带使奶牛缓慢上升。为保证奶牛在提升过程中速度不宜过快,特选用提升速度v为0.1 m/s。再考虑到有腹带等设备自重、体重浮动和妊娠期等因素影响,选择承载质量m为1 300 kg,需电机提供最小1.3 kN的拉力F才可拉动其缓慢上升。

电机功率

P=Fv=mgv=1 300 W

(1)

根据以往试验可知,一般电机的平均效率η为87%,则额定功率

(2)

P额=UI额

(3)

由此可得I额=6.7 A。

受到保定架空间条件限制,初步设计卷筒直径d=90 mm,可得卷筒转速

(4)

选择减速机传动比i=70∶1,则电机转速为1 470 r/min。考虑到卷筒等摩擦影响,所以挑选额定功率1.5 kW,转速1 400 r/min的电动机以及减速比i=70的减速机。

提升装置中的尼龙绳在使用一段时间后,会由于定滑轮和卷筒的卷绕产生磨损,而且由于工作环境恶劣的问题,会加快尼龙绳的磨损程度,导致承受面积下降,随之最大使用应力也会减小,当最大使用应力小于允许使用应力时,就不能保证尼龙绳的安全性,继续使用就有可能酿成事故,必须进行报废处理。根据尼龙绳的报废标准第四条:吊绳表面出现断丝,磨损面达到3%,应降级20%使用,磨损面达到6%,应予以报废。

根据此标准,当磨损面达到3%时,尼龙绳的绳中破断力

F1=1.1d12

(5)

式中:F1——尼龙绳破断拉力,N;

d1——尼龙绳直径,mm。

考虑到牛自重和运动因素的影响,尼龙绳破断拉力选择为500 kg,则d1=21.3 mm。

此时,尼龙绳最小直径

(6)

当不降级使用时,破断拉力

(7)

此时直径d3=23.83 mm。

尼龙绳最小直径不得小于23.83 mm,因此选择直径为25 mm的尼龙绳作为提升机构使用。

2.4 绑定装置

绑定装置是奶牛的治疗和检测过程中不可忽略的一环,也是工作人员安全的保证之一。考虑到传统的绑定方式对牛蹄有一定的磨损且易挣脱,因此在保定架前端增加了牛蹄卡板,以达到固定牛蹄的目的,如图5所示。

在进行提升之前,使用套绳将奶牛的四肢牛蹄上端腕部进行紧固。在提升完成后,缓慢地转动手动摇轮,使牛蹄弯曲并进行翻转,使其与地面平行。然后,通过拽动套绳,将奶牛的左前肢卡入牛蹄卡板间,使牛蹄处于简单易操作的状态。为确保操作人员的安全,在手动摇轮上设有锁定装置,以防止绳子脱离轮子的情况发生。

后绑定装置分为固定装置和卡扣两大部分,如图6所示。固定装置由套绳和手动摇轮组成,固定牛蹄所需力较小,套绳选用规格20 mm的尼龙绳。

图6 绑定装置简图

奶牛后蹄间距大致为400～500 mm,卡口中间距设为600 mm。对绑定装置进行受力分析,如图7所示。

图7 绑定装置受力分析简图

由图7可得

Fay=sinαFa

(8)

Fby=sinβFb

(9)

式中:Fa、Fb——手动摇轮产生的拉力,N。

根据牛顿第一定律可得

-M+Faya+Fbyb-F3c=0

(10)

Fay+Fby-F3=0

(11)

式中:M——手动摇轮需要产生的力矩,N·m;

a——手动摇轮与左卡扣水平中心距,m;

b——手动摇轮与右卡扣水平中心距,m;

c——手动摇轮与后蹄质心水平距离,m;

F3——套绳所受牛蹄总拉力,N。

参考大多数奶牛两后腿距离,同时与保定架结构相结合得到α=60°,β=25°,在保定状态下奶牛腿部用力最大不会超过600 N,为防止突发状况取F3=800 N。

由于保定架结构限制,手动摇轮手柄最长为0.35 m,当其工作时所需要的力

(12)

式中:F′——工作时手动摇轮手柄所需力,N;

x——手柄长度,m。

运行时需要后牛蹄的同步提升绑定,因此手摇轮内部设有两个半径不同的转盘,从而控制提升速度,提升时尼龙绳收缩简图如图8所示。

图8 尼龙绳收缩简图

由图8可知

(13)

(14)

已知单位时间内转盘转动路程与两绳运动距离比例相反,可得两转盘半径大小比例

(15)

根据需求情况可设置两转盘直径分别为100 mm和200 mm。

在进行卡扣装置的设计时,需要对牛蹄大小进行统计,确定绑定装置设置多大的开口。据统计,牛蹄平均大小为75 mm,在考虑到有极个别牛蹄生病肿大的情况所以设置开口为100 mm[11-13]。

2.5 防踢装置

防踢装置由防踢架和防踢板组成。防踢架是根据牛的生理学构造,在牛的腿部关节后方设置一挡管,从而大幅度减少其腿部前后活动范围[14-15],如图9所示。防踢架由防踢管支撑架、防踢管、卡盘刀、卡盘组成。待提升过程完成后,防踢架可根据牛臀部位置进行调整,使防踢管贴紧牛腿部位,缩小牛活动空间,最后转动卡盘刀,对防踢架位置进行锁定。

图9 防踢架简图

由于该装置的特殊构造,在提升后奶牛所能造成的冲击力远小于未受限制时的力,因此防踢管选择较为经济的薄壁不锈钢管。

奶牛站立时坐骨端距大腿后侧的水平距离在60～130 mm,防踢管之间的水平距离设为150 mm,如图10所示,能有效保证奶牛在提升后腿后部不受压迫,同时保护操作人员安全。对于宽度设计参考奶牛体宽550～630 mm,设置其宽度为650 mm。

图10 防踢架作业图

防踢板设置在保定架的两侧后端,并且上面安装了固定栓,可以与底盘进行固定,以承受牛蹄摆动所带来的力量。由于有防踢板的存在,牛蹄在正常情况下与防踢板之间的间距较小,因此无法做出大幅度的动作。

3 试验结果与分析

为验证设计的可行性,在天津草子里乡试验基地测试了样机的性能参数,试验目标为怀孕且需进行修蹄的奶牛。将试制的样机放置在平整的混凝土地面上,确保在修蹄过程中能够平稳运行,不发生侧翻。因试验条件苛刻,怀孕且需要进行修蹄的奶牛较少,试验采取三头怀孕奶牛与一头成年公牛作为试验对象,取测量数据最大值进行分析,主要测试指标:最大提升量、电机功率、提升高度和保护效果。

试验过程中,奶牛较为安静,各个部件工作稳定,能有效地完成奶牛的保定作业,同时保护工作人员。试验结果如表3所示。

表3 试验结果

该试验表明该机能有效对936 kg的奶牛进行提升并进行保定,在保定过程中防踢装置能抵挡住奶牛牛蹄的反抗活动,保护工作人员正常修蹄、人工授精等一系列操作,满足设计要求。

4 结论

1) 为解决国内奶牛保定架水平较低的问题,设计了一种电动提升式奶牛保定架,同时使用手动摇轮进行绑定。

2) 首先,根据相关资料确定了整机的结构框架。其次,进行颈夹的结构设计,以确保奶牛能够安全而舒适地固定在保定架上。接着,进行了提升机构的理论计算,确定了所需的电动机额定功率为1.5 kW,转速为1 400 r/min,并选择了传动比i为70的减速机。针对绑定装置的要求,进行了分析,确定了手动摇轮手柄的长度为350 mm,两个轮盘的直径分别为100 mm和200 mm,卡扣开口为100 mm。最后,对防踢装置进行了选材和构造的确定,以确保其能够有效地防止奶牛踢腿。

3) 试验发现,该保定架能将重量为936 kg的奶牛提升25 cm,有效防止奶牛在保定过程中对工作人员造成伤害,满足现有牧场需求。