基于降低破蛋率的蛋鸡笼养设备设计与试验分析

彭 正,张立勇,姜春霞

(安徽科技学院 机械工程学院,安徽 滁州 239000)

21 世纪以来,国内的蛋鸡养殖行业得到了快速发展[1]。当前我国蛋鸡产业转型升级进入关键时期,随着社会经济的不断发展和对生态环保重视程度的提高,蛋鸡生产的组织形式也发生了很大变化[2]。2020年以来,受新冠肺炎疫情和鸡蛋供给过剩双重影响,蛋鸡养殖效益较差,鸡蛋价格持续走低、蛋鸡养殖户补栏量急剧下降,同时受制于饲料成本不断增加,蛋鸡产业“濒临亏损”的困境。为了控制成本,不少科研人员在蛋鸡笼优化方面做了大量的探索研究工作。黄丽等[3]设计了一款高效自动式的喂料系统。王鹤迪[4]设计了一种蛋鸡笼网清扫装置,创建了球形刷模型并进行了有限元分析和单因素试验,分析出蛋鸡笼网清扫装置的最佳工作参数。但上述研究未考虑降低破蛋率的问题。

蛋鸡笼养的破蛋率是设备的关键指标,关乎到客户是否选择该蛋鸡笼设备,也是在笼养设备市场竞争中能够独立潮头的关键技术指标[5]。在蛋鸡笼养设备开发过程中,笼具的底网、挡蛋线、水平收蛋台等结构的研发是降低破蛋率的重要环节[6]。本文以降低破蛋率为出发点,设计了一种新型降低破蛋率的蛋鸡笼养设备。

1 蛋鸡笼养设备结构

蛋鸡笼养设备主要由集蛋器、机头、行车喂料、笼体、机尾组成,结构如图1所示。其中,笼体是蛋鸡的生活空间,由笼网、笼架、料槽等零部件拼接而成,是清粪带、电梯集蛋带、行车喂料、饮水线的支撑载体,笼架立柱下方均装有可调节地脚,以保证设备整体高度一致,保障设备整体的可靠性和稳定性。集蛋系统对应收集各层笼内滚到集蛋带上的鸡蛋,将其运输到电梯集蛋台上,然后可进行人工收蛋或中央集蛋系统收蛋。

图1 蛋鸡笼养设备结构

2 基于降低破蛋率的分析与设计

2.1 底网角度的确定

蛋鸡笼网是层叠式蛋鸡笼养设备的重要组成部分,蛋鸡笼网如图2所示。其中,底网外形尺寸直接影响笼网结构稳定性、鸡蛋破蛋率及清洁度等。由于鸡笼底网是承载鸡蛋的直接载体,底网的强度是否合适直接影响到蛋鸡生活适宜性,同时对鸡蛋是否顺利地滚落也有一定的影响。底网坡度过小,鸡蛋会滞留在底网中,易被鸡掌踩踏造成破损;底网坡度过大,则鸡蛋滚落到蛋带上,并与蛋带上其他鸡蛋相碰造成破损。

图2 蛋鸡笼的笼网三维透视图

经查阅国家相关行业标准和市场资料得知,一般蛋鸡笼底网角度在7°～10°间为宜[7-8],在此角度范围内,鸡蛋可滚出底网又与蛋带上的鸡蛋恰好不发生碰装。采用增加减速条、调整集蛋时间等改进措施,改变鸡舍蛋线相应位置的构造可降低破损率[9]。但不同角度、不同笼深处落下的鸡蛋的势能也不相同,其滚到蛋带上的最大冲击速度也不一样。为了验证哪种底网角度对笼深635 mm的蛋鸡笼最为适宜,进行了鸡蛋自由落体碰撞试验和滚落验证。

首先,根据两枚鸡蛋碰撞破损时的速度,进行鸡蛋自由落体碰撞试验。张婷[10]设计了一种阶梯式鸡蛋降落装置,通过理论计算和有限元动态模拟,分析了装置结构设计的合理性,可对鸡蛋提供较好的保护。试验样品是从某蛋鸡养殖场选取50枚鸡蛋,将鸡蛋随机分为 10 组,逐渐增大两枚自由落体碰撞鸡蛋的相对高度,统计蛋壳破损情况。蛋壳破损与自由落体高度关系曲线如图3所示。当自由落体高度h≥ 60 mm 时,鸡蛋开始出现破损。为保证鸡蛋不破损,自由落体高度可取h= 60 mm,此时,计算得出碰撞速度V0= 1.09 m/s。将鸡蛋沿着底网网格进行滚落测试,记录鸡蛋在不同角度(7°～9°)时滚落至笼边所需用的时间和对应的速度,得到与鸡蛋碰撞试验中碰撞破损速度V0接近的速度。最后,再进行大量的鸡蛋滚落碰撞试验,得出最小破蛋率的最佳滚蛋角度为7°,如图4所示。

图3 自由落体碰撞试验破蛋数量统计

图4 底网滚蛋角度模拟测试

2.2 底网的负载分析

蛋鸡笼网负载分析主要以单个蛋鸡笼为研究对象[11],如图5所示,外形尺寸参数初始值及材料如表1所示。

表1 蛋鸡笼底网主要参数

图5 单个蛋鸡笼底网

首先,利用SolidWorkS Simulation软件进行静态力学分析,将蛋鸡笼底网模型进行简化,与相邻隔网固定的底网3个边设置为固定边,赋予底网Q195材质,在蛋鸡生活区域635 mm×603 mm范围内垂直于底网均匀负载25 kg(负载按1.4倍的系数进行,JB/T7729-2007《蛋鸡鸡笼和笼架》标准[8]中规定为1.3倍的系数),在软件系统中设置夹具、施加力、约束、网格等,笼底网整体最大的仿真位移变形量为26.6 mm,有限元模型如图6所示。

其次,通过实际负载测试底网的变形量,同时对底网静力学仿真最大位移变形量进行验证。通过在底网均匀负载25 kg(负载按1.4倍的系数进行),在笼体长度方向上连续取多组相邻笼格,向每个笼格中均匀添加25 kg(均分为9份)配重,如图7所示。取多点测量各根横丝距离粪带托架最底端的距离,每周记录1次,底网负载7周试验的变形量曲线如图8所示。经过负载验证,在负载7周后的底网最大变形量为15 mm(在底网的中心位置),且该变形量可在负载撤走回弹;同步地,课题组也进行了底网负重时的鸡蛋滚落碰撞测试。通过测试可知底网强度可满足正常使用。通过负载试验数据可以看出,实际变形量要明显小于SolidWorkS Simulation静力学仿真分析最大位移变形量,主要原因是在静力分析中底网被简化分割为单个简单的模型,仿真结果变形量较大。后续再进行网片类静力学仿真时,需进行必要的模拟负载测试。

图8 底网负载7周试验的变形量曲线

2.3 挡蛋线设计及气缸选型

将挡蛋线置于笼架与蛋带之间,用于拦截刚滚落下来的鸡蛋,能有效降低破蛋率。每天定时提起4～5次挡蛋线释放鸡蛋,避免与原蛋带上静止的鸡蛋直接冲击,进一步降低鸡蛋的破蛋率。挡蛋线的配置还可以让鲜蛋蛋壳的湿气在底网上蒸发,减少蛋壳表面的灰尘和鸡毛,效果如图9所示。

图9 挡蛋线挡住鸡蛋和释放鸡蛋的场景

挡蛋线采用Φ1.5 mm的304不锈钢钢丝绳,弹性好,耐腐蚀。挡蛋线置于料槽托架预留的导向槽内,摆簧一端套在钢丝绳上并用端子限位固定,另一端固定在料槽托架上,每节长笼架(1 206 mm)均配置一组摆簧,保证鸡蛋挡在钢丝绳上时钢丝变形量一致。挡蛋线装置的工作原理:采用气缸推杆作用提升或降低挡蛋线,气缸充气提升挡蛋线钢丝绳,挡蛋线处于导向槽最高位置,释放鸡蛋;气缸放气降低挡蛋线,挡蛋线处于导向槽最低位置,挡住鸡蛋,挡蛋线在导向槽最低和最高位置示意图如图10所示。

图10 挡蛋线在导向槽最低和最高位置示意

4层层叠式蛋鸡笼,共配置8条挡蛋线,图11所示为1个往复型双作用气缸即可实现4层8条挡蛋线同时动作,气缸动作的受力简化效果如图12所示。

图11 挡蛋线气缸涨紧实景

图12 挡蛋线气缸受力简化效果

蛋鸡笼长度为100 m,挡蛋线上铺满鸡蛋时张紧每条挡蛋线需要拉紧力f=20 N,气缸动作最小压力P=0.15 MPa。气缸拉紧8根挡蛋线时,其轴向负载力F= 8f=160 N。气缸每次动作时间约为1 s即可完成200 mm的行程,按照气缸性能选型表得知选型气缸负载率η=0.5。则气缸的理论输出力F0=F/η。可由气缸的理论力公式计算出F0,即

(1)

式中:D为气缸的直径;d为活塞杆直径,估算时令d= 0.3D。

(2)

将f=20 N,p=0.15 MPa,η=0.5带入式(2),得D=54.7 mm。经查往复型气缸选型手册,气缸直径选型D0=63 mm,活塞杆直径d=20 mm。根据挡蛋线提升拉紧的运动行程确定气缸的行程L=250 mm。

2.4 考虑蛋鸡啄癖习性降低破蛋率的结构优化

蛋鸡啄癖一直是困扰蛋鸡集约化养殖的一道难题[12],它是鸡因代谢机能紊乱、味觉异常及饲养管理不当等引起的一种非常复杂的常见疾病,是单向或相互啄食个别部位或异物的一种恶癖[13]。为减少滚落在蛋带上的鸡蛋被鸡只啄碰而产生鸡蛋破损,笼架在设计时配置有挡板,如图13所示。该结构下沿距离底网的间隙为55 mm,能满足不同日龄的蛋鸡产蛋滚落至蛋带上,同时有效防止鸡只头部探出挡板啄碰到鸡蛋,降低破蛋率。该挡板由PVC挤塑成型,成本低、韧性好,耐腐蚀。除了具有降低破蛋率的作用外,还能有效的解决鸡粪腐蚀的问题,同时也防止鸡粪掉落至下层料槽污染饲料。

图13 笼内挡粪板与底网相对位置

2.5 分层分区域收蛋,降低破蛋率

在笼具的收蛋端设计了水平收蛋台,集蛋电梯分区域分层收蛋,降低破蛋率。将不同层的鸡蛋在水平收蛋台上进行了区域分离,调整鸡蛋的大小头,使鸡蛋的大小头方向一致,然后分区域传输到集蛋电梯上,避免了鸡蛋的直接碰撞,降低破蛋率。同时,水平收蛋台设计有等距的圆杆,能够有效地筛选出软蛋、鸡毛等杂物,进一步保证了蛋品的清洁,效果如图14所示。

图14 分区域水平收蛋台

3 工程验证

为验证该蛋鸡笼养设备在上述关键技术点降低破蛋率是否可行以及统计设备整体破蛋率,课题组通过山东章丘某养殖场验证蛋鸡笼的实际应用效果。统计出蛋鸡舍正常产蛋时破蛋率,如表2所示,其破蛋率为1.75‰,鸡只平均产蛋率为92.4%,蛋鸡笼具破蛋率在2‰以内,比行业内蛋鸡笼的破蛋率(2‰～3‰)略低,具有一定的市场竞争力。笼具的底网、挡蛋线、水平收蛋台等设施能很好地降低破蛋率,没有产生明显的鸡蛋破损。

表2 8月1～10日章丘某蛋鸡笼项目正常产蛋时破蛋率统计表

4 结语

相对传统的设计手段,在蛋鸡笼养设备开发过程中,课题组充分利用计算机力学仿真分析与应用场景模拟试验相结合的形式,提高了产品开发效率和准确度。通过对蛋鸡笼的底网、挡蛋线、水平收蛋台等结构的优化降低破蛋率,使蛋鸡笼养设备的破蛋率控制在0.2%以内,具有一定的市场竞争力。