母猪分娩栏的防压结构分析与优化

周昆乐，边峰，陈福元，邓事特，耿玮

（1.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630；2.农业农村部华南现代农业智能装备重点实验室，广东 广州 510630；3.广东广兴牧业机械设备有限公司，广东 广州 510520）

0 引言

我国是世界第一养猪大国，具有悠久的养猪历史和丰富的品种资源，为世界养猪业的发展做出了重要贡献[1-2]。随着生猪养殖业的迅速发展以及科技含量的不断提升，生猪养殖生产水平明显提高，目前已成为我国农业的支柱产业之一，因此，加强猪场养殖建设对生猪养殖业的发展有着至关重要的意义[3-5]。而在猪场养殖中，仔猪的存活率又直接关系到猪场最终的经济效益[6-8]。初生仔猪的死亡率最高时段是出生后1 周内，仔猪死亡的主要原因有：①初乳摄入不足导致仔猪免疫力较弱，感染病毒死亡；②环境控制不好，温度太低导致仔猪冻僵、冻死；③母猪挤压、踩踏导致仔猪死亡。其中，母猪挤压、踩踏是造成仔猪死亡的主要原因之一[9]。造成仔猪被踩压的主要原因有：①母猪产仔后身体虚弱或体形较大、行动不便；②部分头胎母猪产仔时起卧不安，使仔猪遭到踩踏；③母猪产仔时产圈未设护仔栏，加上母猪母性不好，进而造成仔猪死亡；④新生仔猪因寒冷变得行动迟缓，且因怕冷而向母猪腹下钻被压死。因此，猪场需要对产后母猪进行限位，以降低因仔猪被挤压、踩踏致死所带来的损失，本文针对2 种防压结构进行了对比分析，使用更符合猪场实际需求的结构，提高猪场收益。

1 防压结构设计

猪场实际应用表明，在传统无防压设计的分娩栏的母猪位两侧和后方增加防压的耙齿、护栏等部件，可以有效降低母猪侧卧和后退时压伤或压死仔猪的现象。因此，结构简单、稳定可靠、经济实用且适用于多种现有分娩栏的防压结构部件能满足猪场养殖所需。使用含防压结构部件的分娩栏可减少因母猪挤压、踩踏造成仔猪的死亡，提升猪场收益。以下是近几年猪场实际应用的2款分娩栏防压结构。

1.1 栏栅式防压结构

该结构主要采用了直径为26 mm 镀锌管和扁钢加工，由3 段弯管组成，两侧弯管靠近漏缝板，对母猪后蹄的行动范围进一步限制，保证仔猪移动时的安全，弯管中间留有避空部分可有效防止刮伤母猪阴部造成感染。此结构通过将防压片直接挂在分娩栏上的简便安装，与分娩栏后门分离开，后栏与防压结构间留有200 mm 的间隙以便仔猪通过。栏栅式防压结构安装示意图及现场实物图如图1 所示。

图1 栏栅式防压结构安装示意图及现场实物图

1.2 封板式防压结构

该结构主要采用了直径为26 mm 镀锌管和12 mm实心PVC 板加工，通过将挂耳插入挂耳座，并关闭碰锁以完成安装。该结构在作为分娩栏后门的同时，通过弯管对母猪起到了限制活动的作用。弯管与后门的实心PVC 板间留有200 mm 间隙，仔猪则可以从下方空间通过，避免在移动到保温区时，被母猪压伤。封板式防压结构安装示意图及现场实物图如图2 所示。

图2 封板式防压结构安装示意图及现场实物图

1.3 结构对比分析

栏栅式防压结构优势在于安装简单，结构稳定，耐用性强。向下增长弯管进一步对母猪限位的同时，提升了栏片整体使用寿命。

封板式防压结构优势在于加工相对简单，整体成本相对低，结构简单。但存在长时间受到母猪撞击时，挂耳可能脱焊导致整个后门都需要维修的问题，同时，由于用于阻挡母猪的弯管高度位于整个栏片的中央，母猪阴部可能会因剐蹭而受到感染。单独一根弯管也不能很好地对母猪后蹄进行限制，仍存在仔猪被踩踏的风险。

因此，对封板式防压结构进行了修改，将防压结构与后门分离开，减少后门损坏的可能性。即使防压结构损坏也可以方便更换、维修。相对而言，栏栅式防压结构的限制能力也更强，进一步降低仔猪被踩踏的风险。

2 仿真试验

2.1 有限元分析简介

有限元分析的原理是利用数学近似法对真实的物理系统进行模拟，把几何和载荷工况运用简单且相互关联的单元用有限数量的未知量去逼近真实系统。有限元分析是用简单的问题代替复杂问题并求解，把求解域分解为许多单元并对每个单元假定一个合理的近似解，再推导这个求解域的满足条件从而得到问题的解。此方法作为方便性和实用性兼具的研究手段，随着计算机技术的快速发展，被运用于越来越多的科学技术领域[10-11]。

2.2 仿真试验参数

仿真试验主要参数如表1 所示。

表1 仿真试验主要参数

2.3 有限元网格划分模型

如图3 所示，模型采用了inventor 软件对栏栅式防压结构按2.2 所述参数进行了实体模型的建立。并将其作为有限元网格划分对象进行网格划分，具体网格设置参数如下：划分网格的最小元素大小设置为0.2，最大转角设置为60°。网格划分完成后，整个模型节点总数为26 403个，元素总数为12 762 个。

图3 栏栅式防压结构的网格划分模型

如图4 所示，采用同样设置对封板式防压结构进行结构划分，网格划分完成后，整个模型节点总数为41 119个，元素总数为20 501 个。

图4 封板式防压结构的网格划分模型

2.4 应力分析

使用inventor 软件对防压结构受到冲击时的情况进行模拟，载入图3 和图4 所示的模型，将所有零部件的材料定义为钢。选择的分析类型为静力分析，接下来就需要对模型进行施加约束及施加载荷。在平常使用中，防压结构会受到平行于分娩栏方向的力，所以分别对栏栅式防压结构的竖管和封板式栏栅结构的横管施加相应载荷，如图5 所示。并依据实际的安装方式，在栏栅式防压结构的安装座的4处弧形折边处和封板式防压结构的挂耳处设置了固定约束，至此前处理过程完成。可以进行求解计算，并查看分析结果，其内容包括基本解（节点位移）与导出解（节点与单元的应力、节点与单元的应变单元力、单元力、节点反力等），依此可以生成应力云图和变形图。

图5 施加载荷示意图

经过仿真分析，根据图6 可知，封板式防压结构受到撞击时，应力最大值均发生在铰链连接处，最大变形均发生在弯管中央处。栏栅式防压结构受到撞击时，应力最大值均发生在安装座与弯管的焊接处，最大变形均发生在弯管的下方。

图6 最大形变示意图

根据图7 中数据可得知，在受到同样大小力度的正面撞击时，栏栅式防压结构产生的应力显著低于封板式防压结构。因此，在长久的使用中，栏栅式防压结构因母猪撞击而造成损坏的可能性更低。

图7 不同载荷下应力最大值数据

根据图8 中数据可得知，在受到同样大小力度的正面撞击时，2 种结构产生的最大形变量数值接近，无明显区别。2 种防压结构均符合猪场实际使用中的要求，不会产生不可逆的塑性形变。

图8 不同载荷下形变量最大值数据

3 结语

上述2 款适用于猪场分娩栏的防压结构，均能满足猪场实际使用的需求，且均有结构相对简单，安装方便，制造成本较低的优点。经过了仿真模拟试验测试分析，得出了栏栅式防压结构更耐用的结论，采用该防压结构对母猪进行限位，将大幅减少母猪后退时踩伤仔猪的情况，减少仔猪死亡的机率，为猪场带来较大的经济效益。