家畜刮板式清粪装置专利技术综述

文│吴配全 彭小珍 郭帅 徐茗娟 张伟（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心机械发明审查部）

家畜刮板式清粪装置专利技术综述

文│吴配全 彭小珍 郭帅 徐茗娟 张伟（国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心机械发明审查部）

我国是农业大国，畜牧业在农业中占有举足轻重的作用，近年来我国畜牧业发展迅猛，但规模扩张带来的粪尿量也大大增加，而家畜养殖业产生的粪尿等排泄物的量较家禽养殖业又多得多，传统的人工清粪已经不能满足现代集约化养殖的需要，因此，近年来我国机械清粪装置的发展也相当快，而机械清粪中主要的清粪方式便是刮板式清粪装置，该清粪方式在家畜养殖中被广泛地应用。

一、起源和基本概念

“家畜刮板式清粪装置”主要指用于在猪、牛、羊等传统的大型家畜棚舍中清除粪尿等排泄物的、带有刮粪板的机械清粪装置。

根据清粪刮板工作的环境，将检索到的专利文献分为三个主要的类别进行研究：“与地板配合使用的家畜刮板式清粪装置”、“与粪沟配合使用的家畜刮板式清粪装置”以及“与传送带配合使用的家畜刮板式清粪装置”。其中，“与地板配合使用的家畜刮板式清粪装置”指采用刮板在畜舍的地面上直接进行刮粪操作的机械清粪装置，此处的地板可以是划分区域的浅隔间；“与粪沟配合使用的家畜刮板式清粪装置”指采用刮板在畜舍一隅设置的较深的粪沟中进行刮粪操作的机械清粪装置；“与传送带配合使用的家畜刮板式清粪装置”指将刮板设置在粪便传送带上部、下部或一端以进行刮粪操作的机械清粪装置。

二、发展状况

1.申请量分析。采用与家畜刮板式清粪装置相关的关键词配合相关专利分类号（主要分类号为A01K1/01）在中国专利文献摘要数据库（CNABS）和德温特世界专利数据库（DWPI）中进行检索，检索对象限定在全球公开日或公告日在1969—2014年之间（文中所有数据统计截至日期为2014年1月13日）的发明和实用新型专利申请，并对检索结果进行统计分析。

◎图1 各类别家畜刮板式清粪装置申请量随年份变化趋势图

图1显示了各类别的家畜刮板式清粪装置申请量随年份变化的情况。从总的申请量趋势来看，家畜刮板式清粪装置专利的申请总量以及其下各类别清粪装置的申请量总体均呈上升趋势。

其中，“与地板配合使用的家畜刮板式清粪装置”的申请量最大，其次是“与粪沟配合使用的家畜刮板式清粪装置”，而“与传送带配合使用的家畜刮板式清粪装置”的申请量则很少且一直较为平缓，前两者的申请量则出现过明显的波动，且变化趋势较为一致。究其原因，主要是家畜养殖业养殖的主要对象是猪、牛、羊等大型动物，且主要的养殖方式是平养，因此，直接在畜舍的地板上设置刮板来清粪是最方便也是最适用的方式；设置集粪沟，将粪尿集中冲洗或清扫到粪沟中后再采用刮板来高效快速地将其清除也是一种常见的方式；由于在平养的畜舍中设置传送带有诸多不便，因此，与传送带配合的刮板清粪工艺在大型动物的养殖中较为少见，其主要应用于笼养动物的粪便清除中。

图2显示了主要国家/地区家畜刮板式清粪装置的申请量随年份变化的趋势，其中，苏联/俄罗斯在1972—1991年间的申请量较大，而除去苏联/俄罗斯之外的欧洲其他主要国家（包括奥地利、瑞士、德国、西班牙、法国、英国、荷兰和瑞典）的申请量则一直较为平缓，但从1994年之后也有了较为明显的增长，中国则从2006开始申请量有了一个爆炸式的增长，美国和日本在该领域的申请量较少，特别是日本的申请量在主要的国家/地区中是最少的，美国的申请量从2004年开始也有了小幅度的增长。

◎图2 主要国家/地区申请量随年份变化趋势图

结合图1和图2可以看出，1969—1974年是家畜刮板式清粪装置的技术起步初期，该时段的相关专利申请量较少且平缓稳定，1974年后申请量呈现出骤增的趋势，其中有两个峰点，第一个峰点出现在1980年附近，该时段家畜刮板式清粪装置专利申请主要以苏联申请为主，而随着苏联的解体（1991年），该领域的专利申请总量也有了一个大幅的回落。第二个峰点出现在2012年附近，主要是由于中国畜牧业的快速发展导致的，从图2中可看出，中国的家畜刮板式清粪装置从2006年左右开始迎来了一个快速发展的时期，该时期中国的家畜刮板式清粪装置的专利申请量在该领域的总申请量中占了相当大的比例。

从图3可以直观地看出，欧洲在家畜刮板式清粪装置领域的专利申请量很大，但随着我国家畜养殖业的快速发展，我国在该领域的申请量已经占到了一个举足轻重的地位。

与图1相比，图4更直观地显示了三种类别的家畜刮板式清粪装置的申请量情况。“与地板配合使用的家畜刮板式清粪装置”的申请量占到了总申请量的64%，是该领域技术改进的主体，“与粪沟配合的家畜刮板式清粪装置”的申请量虽然较前者少，但也相当可观，而“与传送带配合使用的家畜刮板式清粪装置”由于应用较少，因此，只占到申请总量的5%。

◎图3 主要国家/地区申请量的占比图

◎图4 各类型家畜刮板式清粪装置申请量的占比图

2.技术功效分析。技术功效分析是展示相关技术和其所取得的功效以及二者之间关系的有效方式，如图5所示，纵坐标为技术分支，代表相应的技术领域或手段，横坐标为技术功效，代表相应的技术需求，横坐标和纵坐标的交点气泡大小表示相应技术分支在该技术功效区域的焦点专利的申请量。

与其他功能机械装置一样，家畜刮板式清粪装置的主要技术需求同样体现在提高装置的工作效率（提高清粪效率）、运作效果（提高清洁效果）、自动化程度、稳定性和牢固性、简化结构以及降低成本等，但由于家畜刮板式清粪装置是在畜舍内工作，因此，该技术领域会涉及一个较为独特的技术功效——避免刮板运作过程中对动物造成的伤害（提高装置对动物的安全性）。此外，将刮粪板设计为适应多种不同的工作场所（扩宽装置的使用范围）也是本领域的一个技术需求。

从图5可看出，提高清粪装置的工作效率是三种刮板式清粪装置的主要改进点，而简化装置结构、降低成本、增加装置的稳定性和牢固性以及提高清洁效果则是主要但却较为次之的技术追求。值得注意的是，在提高刮板式清粪装置对动物的安全性方面，主要涉及的技术分支是“与地板配合使用的家畜刮板式清粪装置”，究其原因，是因为刮板直接在家畜活动的地板上运行最容易对家畜的蹄部造成伤害，因此，该技术分支下涉及这方面的改进才比较多，而“与传送带配合使用的刮板式清粪装置”的刮板一般都只设置在粪便传送带的一端，基本不设置在家畜活动的区域范围内，因此，该技术分支下基本不涉及对动物安全性方面的改进，此外，该类刮板一般都是一个简单的板状或片状刮粪板，因此也不存在简化刮粪板的需要。

3.技术演进路线及重点、热点专利技术分析。下面将结合各技术分支的特点采用该分支下具有代表性的重点和热点专利来分析该领域技术发展的脉络和特点。

（1）与地板配合使用的家畜刮板式清粪装置。从图1、图4或图5都可以直观地看出，与地板配合使用的家畜刮板式清粪装置是家畜养殖领域使用最多的一种刮板清粪装置，这主要与家畜大多采用平养的方式有关。最早在地板上使用的刮板式清粪装置是直接采用链条或牵引绳带动直立刮板来回运动以进行清粪，这种刮板清粪装置的主要缺陷在于其容易刮伤动物的蹄部，严重时可导致动物的腿部卡在地板与刮板间，因此，该技术问题也成了后续 “与地板配合使用的刮板式清粪装置”类专利申请所主要解决的一个技术问题。

比较典型的早期专利申请，如于1975年申请的美国专利US4011618A就采用将刮板制作成三菱柱状，以使刮板移动过程中若遇到动物蹄部时能将其抬升以驱使动物移动蹄部或直接走开，然而这种简单从刮板性状上改进的清粪装置只能在很小程度上减少对动物的伤害和惊吓，其刮板末端部分仍可能对动物蹄脚的前端造成伤害，且工作效率低下；于1979年申请的苏联专利SU904613A1给整个刮板式清粪装置设置了一个梭形框架，并将刮板设置在框架内以避免刮板直接与动物腿部碰撞，此外，该刮板式清粪装置还可以反向运动，因此，提高了清粪的工作效率；于1985年申请的苏联专利SU1281220A1继续在前者的基础上进行改进，在清粪装置的框架内侧设置了向内微微翘起的铰接片，以更好地清除过道上滞留的粪便，从而提高了清粪效率和清洁效果；于1996年申请的英国专利GB2313034A提出了在分栏饲养的家畜刮板式清粪系统中设置速度调节器以更好地调节刮粪板运行的速度，从而使清粪过道上的家畜有足够的时间避开刮粪板；于2007年申请的中国专利CN201078941Y则将刮粪板设置为可拆卸的方式，方便组装和拆卸，从而扩宽了装置的使用范围，其主刮板和侧刮板都采用橡胶板，可以降低噪音并避免伤害动物，此外，为了保证刮粪装置对家畜的安全性，该专利还设置了档牛尾板并减少了主连接杆的高度，以使家畜能轻松迈过刮粪装置，起到充分保护动物的作用；于2011年申请的中国专利CN202085568U则在刮粪装置上设置了位移传感器和无线信号发射器，当刮粪装置检测到前方有动物时能自动停止以更好地保护家畜的安全，这种设置传感器的方式能最大限度地减少对动物的伤害，但其清粪效率也会因此受到影响，之后的专利申请有兼顾减少对动物伤害并致力于提高清粪效率的，如于2013年申请的中国专利CN203378383U就采用将刮粪板设置为步进移动的方式以减少对家畜的伤害，并同时将以往由钢索驱动刮粪板的方式采用导轨驱动，从而同时避免了钢索勒伤动物，此外，该专利申请还将刮板设置为侧翼在回程时自动收拢的方式，以使刮粪板能沿原刮粪通道原路安全返回，在保护家畜的同时也提高了清粪效率。

◎图5 家畜刮板式清粪装置的技术功效气泡图

在改进传统的“与地板配合使用的家畜刮板式清粪装置”的同时，该领域也出现了一些较为热点的专利，比如于2008年申请的荷兰专利NL2002197C以及于2012年申请的中国专利CN202941245U都公开了一种带有刮板的智能清粪机器人，该类机器人自动化程度高，一般与漏粪地板配合使用，清粪的路线可以人工设定，其对动物友好，也能方便地清除畜舍内任何角落的粪便，但该类刮板式清粪机器人成本高、不能很好地适应不同的地板类型，且在大型牛场等粪污量较大的家畜养殖场所内，其清粪效率大大受限，不能满足实际的清粪需要。因此，该类热点专利虽然很早就有提出，但其推广应用范围大大受限，不过其不失为未来家畜刮板式清粪领域的一种发展方向，能研发出一种适用范围广、清粪效率高的智能机器人清粪系统必然会大大降低清粪的劳动强度，有利于提高家畜养殖业的智能化与集约化程度。

（2）与粪沟配合使用的家畜刮板式清粪装置。采用刮板在集粪沟中刮粪以清除粪便是一种较为传统的清粪方式，而“与粪沟配合使用的家畜刮板式清粪装置”的专利申请出现得也较早。

比较典型的有于1969年申请的德国专利DE1943845B2，其采用两块直立且活动设置的刮板在粪沟中移动刮粪；于1982年申请的苏联专利SU1152552A1将粪沟中的刮板的角度设置为可调节的方式，以使刮板在刮完粪返回的过程中刮板可自动翘起以提高清粪效率；于2002年申请的俄罗斯专利RU2224423C2在前者的基础上进行改进，将刮粪装置设置在漏粪地板下，且同时设置前后刮板，刮板的角度可调节，且该专利还为刮粪装置设置了反向机构，从而能调整刮板角度实现双向清粪，大大提高了清粪的效率；于2008年申请的法国专利FR2939007A1在以往装置的基础上加设了刮板辅助装置，以使刮板在粪沟中运动遇到障碍物使能抬起以避免刮板的损伤，从而延长了装置的使用寿命、降低维护成本并扩宽了装置的使用范围；于2011年申请的中国专利CN102487834B公开了一种具备仿型塑料板、可适应不同形状粪沟的刮粪装置，该专利申请还在装置上设置了安全离合器，起到过载保护的作用，从而延长装置的使用寿命、扩宽了装置使用范围并提高了清粪效率。

从上述专利公开的内容和改进点可以看出，“与粪沟配合使用的刮板式清粪装置”的主要改进点在于提高装置对不同形状粪沟的适应性（即扩宽装置的使用范围）、提高效率并增加装置的稳定性和牢固性，究其原因，主要是由于该类刮粪装置大部分是设置在漏粪地板下的粪沟中，其检修与维护不易，因此，需要保证装置的牢固耐用，以降低维护成本。由于直接将粪沟露天设置在畜舍一侧的情况较少且家畜也极少会在较深的粪沟中活动，因此，对家畜保护的改进的需求就大大小于“与地板配合使用的家畜刮板式清粪装置”。

（3）与传送带配合使用的家畜刮板式清粪装置。“与传送带配合使用的刮板式清粪装置”在家畜养殖领域的应用较少，相关的专利申请数量也较少且出现较上述两种刮板式清粪装置晚。

比较典型的专利申请有于1979年申请的苏联专利SU697109 A1，其采用传送带输送清理聚集在一起的家畜粪便，并在传送带的一端设置刮板以将带上的粪便刮下以便集中处理或运走；于1990年申请的苏联专利SU1774845A3采用直接在畜舍地板上设置传送带、在传送带一端设置刮板的形式，并在传送带上设置清洗和烘干装置以提高了装置和畜舍的清洁度并降低湿度；于2000年申请的俄罗斯专利RU2184445C2直接将家畜地板紧挨着饲喂栏的那部分设置为可移动的传送带，这样家畜采食时排出的粪便可以直接通过传送带运输并在传送带一端通过刮板清除；于2001年申请的澳大利亚专利AU2002302662A1采用将传送带设置在畜舍漏粪地板下方，为传送带设置清洁装置并在舍外设置刮板以提高清粪的效率和清洁效果；于2011年申请的中国专利CN202232468U公开了一种安装有斜刮板的带式清粪系统，通过在带式清粪系统的内部安装斜刮板可以清除带式清粪的盲区，此外该清粪系统还将清粪斜刮板与三脚架采用螺栓连接，便于将刮板单独拆下进行清洗。

与传送带配合使用的家畜刮板式清粪装置主要是清除与尿液分离后的粪便，其大部分时间与漏粪地板配合使用，在家畜领域使用较少，主要改进点集中在传送带的设置方式与传送带的清洁方式上，由于其只需要简单的刮板便能满足需要，因此，涉及刮板的改进较少。

三、发展方向及专利申请趋势的初步预测

通过申请量的分析可以看出，近年来我国在家畜刮板式清粪装置领域迎来了一个较快的发展时期，国内未来的一段时间内该方面的专利申请量会较大，随着畜牧业集约化与自动化的进程，我国在这方面的需求还会继续增长，但由于起步晚，因此，相关的专利申请的改进点将会呈现出散乱且参差不齐的局面。未来世界范围内涉及家畜刮板式清粪装置的专利还是会主要集中在“与地板/粪沟配合使用的家畜刮板式清粪装置”领域，减少刮粪装置对动物的伤害、提高装置的清粪效率和清洁效果、降低生产和维护成本依旧会是本领域的主要改进方向。

此外，智能清粪机械人的出现将给本领域带来新的发展思路，虽然这些热点专利并不能很快且大量地投入使用，但其本身包含的自动化程度高、清粪灵活等优点技术都将对本领域以后的发展改进起到重要的启示和借鉴作用。