一种手推式养殖场粪便捡拾复式作业机

方婷+金浩+安敏慧+田子翔+周平

摘要：针对家庭养殖场粪便捡拾存在的粪尿混合污染、人工劳动强度大、地面洁净度低等问题，利用三维数字化设计与虚拟化仿真技术，设计出一种手推式粪便捡拾复式作业机，实现粪便捡拾、固液分离与地面清扫一体化作业。粪便捡拾部分采用铲式轴叶轮和排式毛刷通过弧形挡板配合工作；固液分离分为初步分离和精细分离，其中初步分离由带有密集小凸片筛网式传送带实现，精细分离在螺旋挤压机中进行，并在作业机底部分别设有液体和固体收集箱，减少因多次操作而造成的人工劳动强度大的问题；地面清扫由柔性精扫毛刷进行，提高清洁度。通过传感器、单片机（包括STM32F4、MAX813看门狗芯片）调节铲式轴叶轮与传送滚轮的速度，实现液体收集自动报警功能。通过CAN总线以及PLC进行技术集成。仿真结果表明，该设计方案能有效进行粪便的捡拾，对流态粪便捡拾程度理论上可达95%，有效降低后期粪便处理难度。分离后的粪便肥效高可用作农作物肥料，为家庭养殖场粪便收集提供一种可靠方案。

关键词：粪便干清机械；粪便捡拾；固液分离；地面清扫

中图分类号：S221 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）21-4141-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.21.036

A Duplex Hand Operation Machine for Picking Excrement in Farm

FANG Ting，JIN Hao，AN Min-hui，TIAN Zi-xiang，ZHOU Ping

（College of Engineering， Anhui Agricultural University， Hefei 230036， China）

Abstract： The family farms are picking up feces pollution， labor intensity， low ground cleanliness. Using 3D digital design and virtual simulation technology， designed a hand operated fecal pickup compound machine to achieve fecal pick， solid-liquid separation and cleaning of the ground integrated operation. Dung pick up part adopts shovel type impeller and shaft row type brush by arcbaffle with work. The solid-liquid separation is divided into preliminary separation and fine separation， the preliminary separation by a dense small lug mesh belt conveyor to achieve， fine separation is carried out in a screw press， and the bottom machine are respectively provided with solid and liquid collecting box， reduce labor intensity caused by repeated operation of large. The cleaning of the ground by flexible fine sweep brush to improve cleanliness. Through the sensors and SCM regulates the speed of the shovel type shaft impeller and the conveying roller， and realize the automatic alarm function of liquid collection. Technology integration was developed by CAN and PLC. The simulation results show that the design can effectively collect feces. Theoretically， the degree of fecal collection is up to 95% which can effectively reduce the difficulty of fecal treatment in the late stage. The isolated manure has high fertilizer efficiency and be used as crop fertilizer and provides a reliable scheme for collecting manure in a domestic farm.

Key words： excrement clearing machine；fecal pickup；solid-liquid separation；gground cleaning

家庭養殖是中国畜禽养殖的生产主体，据统计，中国生猪年出栏500头以下的家庭养殖量占生猪饲养总量的61.5%。畜禽标准化家庭养殖快速发展的同时也带来了一系列问题，最突出的就是生态环境问题，畜禽粪便不仅会造成严重的环境污染，威胁人类的健康安全，而且严重制约了畜牧业的持续稳定发展，已成为畜牧业可持续发展的瓶颈。而解决环境问题的首要任务是完成粪便的清理。endprint

当前清粪方式主要分为水冲粪和干清粪。根据国家环保总局《畜禽养殖业污染防治技术规范》（HT/T81-2001）规定，采用水冲粪、水泡粪湿法清粪工艺的养殖场，要逐步改为干法清粪工艺。干清粪分为机械清粪和人工清粪两种。目前，绝大部分养殖场干清粪都是人工清粪。漏粪地板下面是有一定坡度的水泥地面，大部分粪便都滞留在水泥斜面上，尿液沿着水泥斜面流入粪沟，然后人工定时用铲子将粪便铲到清粪车上，运至集粪池；机械清粪主要采用刮板式清粪机械，在修建粪池的时候，粪沟的底部成“V”字形，两斜面坡度均为8°～10°，刮粪车也设计成“V”字形。粪沟底部修建成“V”字形后，埋设“Ω”形导尿管，导尿管开口朝上，主要是便于猪产生尿液顺着池底坡度流进导尿管。在猪舍粪沟纵向长度上也有0.3°～0.5°的坡度，进入导尿管的尿液又沿着导尿管流向末端的集尿池。针对家庭型养殖场规模小的特点，现有的清粪方式主要存在3个方面不足：①粪尿混合污染，后期处理难；②人工清粪过于原始，劳动强度大；③刮板式清粪适用范围小，洁净度低。

针对以上存在的粪尿混合污染、人工劳动强度大、地面洁净度低问题，为适应家庭养殖场设计出一种结构简单、轻便的手推式粪便复式作业机，以期为解决以上问题提供便利。

1 系统设计

1.1 结构设计

该系统主要包括捡拾单元、传送单元、固液分离单元。利用铲式轴叶轮与旋转毛刷通过弧形挡板配合作业完成粪便捡拾，结合传送单元及固液分离单元实现初步与精细分离。采用柔性精扫毛刷进行精扫，提高清洁度。通过关键问题的研究和关键构件的仿真，设计一种手推式粪便复式作业机，有效提高家庭养殖场干清自动化强度，促进畜禽环境友好化。系统结构如图1所示。其中，车空载时为100 kg，满载时为150 kg。该装置为差速转弯，故选用2台120 W电机。

1.2 功能设计

捡拾由旋转毛刷、铲式轴叶轮、双面弧形挡板、传送滚轮以及柔性精扫毛刷组成。铲式轴叶轮包含轴，轴上设有一定夹角的楔形拨片和硬质排式毛刷，楔形拨片在前，硬质排式毛刷在后，楔形拨片距离地面2 mm，硬质排式毛刷比楔形拨片长8 mm，能与地面紧密接触。双面弧形挡板的前弧面与铲式轴叶轮拨片的转动轨迹相合，后弧面与传送滚轮拨片的转动轨迹相合，且后弧面延长端与传送带表面相切。传送滚轮包含轴，轴上设有轴向的曲面拨片。

分离由筛网式传送系统和螺旋式分离系统组成。粪便在传送带上传送的同时，粪渣与尿液污水进行初步分离，传送带上设有密集小凸片以增大摩擦，防止粪便从传送带上滚落。初步分离后的液体落入液体收集箱，固体经过引向板落入螺旋挤压机进料口，并在螺旋挤压机实现精细分离。精细分离后的液体经过网筛，进入液体收集箱，固体通过出料口进入固体收集箱。地面清扫时，由两个转向相反的柔性精扫毛刷工作。图2为手推式粪便复式作业机功能设计。

2 关键构件的数字化设计

关键构件包括铲式轴叶轮、传送滚轮、筛网式传送带。其中以铲式轴叶轮为例（图3），在进行铲式轴叶轮的设计时，需通过仿真试验确定硬质排式毛刷与楔形拨片的夹角，确保效果达到最佳。硬质排式毛刷与楔形拨片的夹角决定粪便捡拾的残留程度，对捡拾效率有直接影响，合理的角度可以有效地提高捡拾效率。所谓捡拾效率就是捡拾后得到的粪便质量与捡拾前粪便质量的比值。比值越大说明捡拾效果越好。表1是仿真过程中，得到的不同夹角值对应的捡拾效率。试验设计为每一夹角角度对应做10 组重复，取其平均值。

由表1数据可以得出，角度的设置与后期捡拾的效果存在一定的联系。当角度为5 °时捡拾效果最好，在设计过程中楔形拨片与硬质排式毛刷的夹角应取1°至10°之间，以确保较好的捡拾效果。

3 系统集成

手推式养殖场粪便捡拾复式作业机从PG电机获得动力后，一部分供给驱动轮前进，另一部分动力带动捡拾单元、传送单元和固液分离单元。当车体要转弯或换向时，人工推杆即可。基于对系统的可靠性和灵活性要求，通过CAN总线进行数据传送以及S7-300型PLC进行控制系统仿真进行技术集成。

3.1 捡拾

智能调速：铲式轴叶轮、旋转毛刷与传送滚轮均由PG电机控制转动，铲式轴叶轮上装有传感装置，压力传感器感知楔形拨片上的阻力并将感应值输入到单片机STM32F4中，与单片机中设定的初始范围相比较，若感应值不在初始范围内，可利用单片机控制双向可控硅的导通时间来调节PG电机的输入电压，用以调节PG电机的转速，使转速增大，同时将反馈调节的速度信号通过轴上的速度传感器循环传输给单片机，再次与设定范围比较，实现对PG电机的闭环调速控制，将电机转速进行平稳的调节，能减少过程中产生的噪声；若感应值在初始范围内，则保持稳定运行，从而实现速度的自适应（图4）。

3.2 自动报警

图5为报警系统的简单结构。压力传感器以及与之相接的基本电路都铺设于液体收集箱内部靠近箱底的位置，然后外接电源与信号接收系统，由处理器分析信号的变化控制系统报警并且使蜂鸣器发出响声。

当手推式养殖场粪便捡拾复式作业机开始工作时，传感器受到较小压力而处于导电链数目少的状态，此时电阻较大。当箱体内部液体逐渐增多时，传感器受到液体的重力压迫而处于多导电链状态，电阻较小，从而导致电压在测量电路中分配变化，当达到一定值时，数据采集系统接收到电阻减小而发出的电信号，发出指令报警切断动力输出（图6）。

4 仿真设计

4.1 基于ADAMS平台的仿真分析

ADAMS是以计算多体动力学为基础，包含多个专业模块的虚拟样机开发系统软件，通过对虚拟样机的仿真试验分析，可以有效实现结构改进、缩短开发周期。本研究基于CATIA软件建立模型（图7），将铲式轴叶轮和传送滚轮作为主要研究对象导入ADAMS/View（图8），进行材料属性定义。图9为在ADAMS中定義各部分运动副和驱动副后的模型。通过仿真分析发现，该设计方案能有效进行粪便的捡拾，对流态粪便捡拾程度理论上可达95%，对于粪便的捡拾率高，运行可靠。endprint

4.2 基于ANSYS平台的静力分析

建立基于ANSYS平台进行关键部件——铲式轴叶轮的静力学分析，图10是有限元分析流程，主要目的是考察铲式轴叶轮在工作时产生的应变与应力。将弹性模量设置为2.06×1011 Pa，泊松比定为0.3。通过分析与计算选择在叶片上施加625 Pa的压力载荷，图11为网格划分。

通过求解计算，利用ANSYS软件生成的结果文件（对于静力分析，就是Jobname.RST）进行后处理。由图12、图13可知，最大应力应变值都在允许的范围之内。可有效说明铲式轴叶轮设计合理，满足功能需要。

5 结论

主要对一种手推式养殖场粪便捡拾复式作业机进行设计，包括楔形拨片与硬质排式毛刷夹角的确定，将二者通过最佳夹角进行连接，实现二次捡拾，有效提高了捡拾效率。手推式养殖场粪便捡拾复式作业机的设计成功，满足了粪便捡拾、固液分离、清扫地面等功能，并通过信息感知及控制技术，通过压力等传感器进行数据收集、微处理器实现信息综合，实现智能化调速以及液体收集箱自动报警等功能。基于CATIA平台整机建模，ADAMS和ANSYS平台对关键部件进行运动和静力分析，表明设计合理，为家庭型养殖场粪便收集提供了一种可靠方案。

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