犊牛饲喂装置的设计及参数计算

王 玄，李源源，侯云涛

（黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081）

传统的奶牛养殖场饲喂犊牛时，需要大量人工，成本高，效率低，不利于奶牛养殖场大规模发展。为解决此问题，模拟奶牛乳头喂养的自然状态，设计一种全自动犊牛精准饲喂装置。此装置具有犊牛识别、恒定水温、自动搅拌、代乳粉设定量排放、牛奶输送、机器消毒等功能，并准确记录犊牛的平均饮奶量、时间、次数。犊牛饲喂装置接近奶牛乳头喂养的自然状态，提高犊牛的存活率和健康水平，同时节省大量劳动力，有利于我国奶牛养殖向规模化与标准化方向发展。

1 饮奶站整体结构设计

奶、水供入装置主要由多组电磁阀、减压阀、流量传感器、牛奶输送与配料用不锈钢泵、管路等组成，详见图1。其主要功能是为其他装置定量提供水、奶，以及排放搅拌器内的溶液。

图1 奶、水供入装置结构简图Figure 1 Structural diagram of milk and water feeding device

2 饮奶站动力元件的选用

为满足犊牛饮奶需要加热的要求，且避免能源浪费，设计选择额定功率5 kW的加热器，其电源电压为 380 V，频率 50 Hz。

从电动机的特性来看，由调节频率来调节电动机转速，可以达到改变自动饲喂机速度的目的。因此采用变频器置实现电动机的供电及调速要求。选用上海电气设备厂生产的KSF-3A／230V新型变频设备。工作电源主要技术参数如下：输入电压为380 V，输入电流为5 A，配用电机规格的额定电压为380 V，额定功率为 0.3 kW。

3 饲喂控制传动型式硬件设计

就齿轮传动和带传动2种形式而言，机械传动尤其是齿轮传动工作可靠，传动效率高，且便于选购和加工。为此，犊牛饮奶站传动选用自行设计的主传动系统。

4 饲喂控制软件设计

系统通过读卡器识别进入饲喂站的犊牛电子耳标，根据动物编号查询饲喂数据库的饲喂标准和设定饲喂量，启动饲喂机加入代乳粉、水并搅拌均匀后，蠕动泵开始输送牛奶，完毕后对管路进行消毒、清洗。系统程序如图3所示。

5 饲喂装置主要参数的选定及计算

5.1 代乳粉料斗容量的确定

在传统饲喂中，犊牛每天饲喂2～3次限量代乳粉。当犊牛每日按低于 1.5 磅（0.68 kg）的固体限喂奶时，代乳粉料斗约为34 kg（装至顶面时）。一个综合饲喂站可以操控3～4个奶嘴线。犊牛一天饲喂4～8次，每次 0.5～2.0 L， 则每条线可以饲喂 20～30 头犊牛或10～15头仔牛肉犊牛。

图2 饲喂控制系统的工作流程Figure 2 Feeding control system working process

5.2 代乳粉料斗质量计算

代乳粉料斗质量计算公式为：

式中：h1，h2是圆台高度，h1＝0.25 m，h2＝0.25 m；R为料斗上口半径，R＝0.25 m，r为料斗下口半径，r＝0.06 m；ρ为代乳粉密度，设定 ρ＝450 kg／m3。

经计算得M＝0.077 0346ρ＝34.65（kg）。

5.3 饲喂速度的确定

根据犊牛日龄确定饲喂装置的奶嘴流量，具体如表1所示。

表1 计划饲喂速度Table 1 Plan feeding speed

5.4 热计算

换热采用管壳式换热器，其适于大温差的流体，且管的内表面易于清洗。铜管内的牛奶从进口t1′＝4℃加热到出口的t1″＝37℃。牛奶95%以上为水分，水的密度为 ρ＝998 kg／m3，比热容cp1＝4 187 J／（kg·℃），牛奶输泵流量Qmax＝10 L／min，所以质量流量m1＝0.16 kg／s。

同时，管外热水由温度t2′＝70 ℃下降到t2″＝43.6℃，故换热器采用直径9.52 mm、壁厚0.8 mm的铜管，管内侧放热系数a1＝405 W／（m2·℃），管外侧放热系数a2＝348 9 W／（m2·℃）。

5.4.1 管内流体升温需要的热流量管内流体升到37℃需要的热流量为：

式中：m1为冷流体质量流量，kg／s。

由Q＝m2·cp1·（t2″-t2′），得t2″＝43.6 ℃。

5.4.2 传热温差Δt按叉流方式求传热温差Δt， 把传热温差Δt和传热系数K代入换热面积公式得：

因此传热温差为31.1℃。

5.4.3 传热系数 K铜管采用直径 9.52 mm、 壁厚 0.8 mm铜管。因为铜管导热热阻很小，故热阻可略。铜管传热热阻R1为：

式中：d2为圆管的内径；d1为圆管的外径；L为圆管的长度；a1为管内侧放热系数，W／（m2·℃）；a2为管外侧放热系数，W／（m2·℃）。

5.4.4 所需换热面积把传热温差Δt和传热系数K代入换热面积公式得：

式中：Q为热量／W；K为传热系数，W／（m2·℃）；F为换热面积，m2；Δt为平均温差，℃。

5.5 搅拌轴的设计与计算

搅拌电机的主要功能是为旋转工作部件和代乳粉、热水混合提供动力。为满足输出轴转数要求，n1＝1 540 rpm；n2＝1 000 rpm，Ne＝0.30 kw，ne＝1 500 rpm，传动比i1＝ne／n1＝2.78，i2＝ne／n2＝1.5， 选用 J02-11-4 电动机。

5.5.1 搅拌轴计算按扭矩强度计算，取；按扭转钢度计算，取取d＝1.2 cm。

5.5.2 搅拌轴的校核齿轮的圆周为kg；齿轮的经向力为：pr＝pt×tgα＝20×0.364＝0.73（kg）；水平面的水剪切力为：T1＝1.3 kg，T2＝1.1 kg；垂直面的反力为：R1＝0.3 kg；R2＝0.5 kg； 最大弯距为：Mw1＝10.2 kg·cm，MW2＝9.1 kg·cm； 组合弯距（kg·cm）。

5.5.3 校核强度 （弯扭组合）搅拌轴许应用力σ1的计算过程为：

式中：D＝4.2，d＝3.6，b＝0.7，Z＝8。计算得出W＝2.4，σ1＝M／W＝13.68／2.4＝5.7。

查钢材许用应力表可知，搅拌轴材料的许用应力［σ］＝12 kg／cm2＞σ1，说明轴的疲劳强度足够。

5.4.4 危险断面校核 退刀槽处有圆角应力集中，取Kj＝2.3，Kt＝2.7，Mwa＝0，Mna＝0.5 Mn，则：

d＝说明断面安全。

5.6 轴承的选择

根据轴承所受负荷的大小、方向和转速，输入轴与输出轴的轴承选用单列向心球轴承。

5.6.1 输入轴的轴承轴承受径向负荷为R＝13.3 kg，外圈转速为n＝1 500 rpm，内圈不转，工作过程中受轻微冲击力和短时间的超负荷，工作温度不超过100℃，要求寿命5 000 h。

轴的直径d＝1.2 cm，则轴承工作能力系数c为：c＝（R·Kx+m·A）·Kf·Kw（nh）0.3＝20189。式中：Kx＝1.1，m＝1.5，A＝0，Kf＝1.2，Kw＝1，（nh）0.3＝115。

根据轴承d＝3.5 cm，c＝20 189 的要求， 选用 103或203单列向心球轴承。较分析，确定采用203轴承。此计算中忽略轴向力，但实际工作中轴向力是存在的。

5.6.2 输出轴的轴承轴承受径向负荷R＝15.9 kg，外圈转速n＝1 000 rpm，内圈不转，工作过程中受轻微冲击。力和短时间的超负荷，工作温度不超过100℃，要求寿命5 000 h。

轴的直径d＝1.5 cm，因此选择203单列向心球轴承。

6 结论

通过犊牛饲喂装置零部件的设计、选型，以及相关参数的计算、优化，确定犊牛饲喂装置的机械结构，为犊牛饲喂装置的后续研究打下坚实的理论基础。犊牛饲喂装置的饲喂方式近似奶牛乳头喂养，不仅饲喂效率高，而且能大幅增加犊牛的存活机率、降低犊牛的患病可能，节省人工支出，对我国奶牛养殖的规模化与智能化发展具有重要意义。