基于降低破蛋率的蛋雞籠養設備設計與試驗分析

彭 正,張立勇,姜春霞

(安徽科技學院 機械工程學院,安徽 滁州 239000)

21 世紀以來,國內的蛋雞養殖行業得到了快速發展[1]。當前我國蛋雞產業轉型升級進入關鍵時期,隨著社會經濟的不斷發展和對生態環保重視程度的提高,蛋雞生產的組織形式也發生了很大變化[2]。2020年以來,受新冠肺炎疫情和雞蛋供給過剩雙重影響,蛋雞養殖效益較差,雞蛋價格持續走低、蛋雞養殖戶補欄量急劇下降,同時受制于飼料成本不斷增加,蛋雞產業“瀕臨虧損”的困境。為了控制成本,不少科研人員在蛋雞籠優化方面做了大量的探索研究工作。黃麗等[3]設計了一款高效自動式的喂料系統。王鶴迪[4]設計了一種蛋雞籠網清掃裝置,創建了球形刷模型并進行了有限元分析和單因素試驗,分析出蛋雞籠網清掃裝置的最佳工作參數。但上述研究未考慮降低破蛋率的問題。

蛋雞籠養的破蛋率是設備的關鍵指標,關乎到客戶是否選擇該蛋雞籠設備,也是在籠養設備市場競爭中能夠獨立潮頭的關鍵技術指標[5]。在蛋雞籠養設備開發過程中,籠具的底網、擋蛋線、水平收蛋臺等結構的研發是降低破蛋率的重要環節[6]。本文以降低破蛋率為出發點,設計了一種新型降低破蛋率的蛋雞籠養設備。

1 蛋雞籠養設備結構

蛋雞籠養設備主要由集蛋器、機頭、行車喂料、籠體、機尾組成,結構如圖1所示。其中,籠體是蛋雞的生活空間,由籠網、籠架、料槽等零部件拼接而成,是清糞帶、電梯集蛋帶、行車喂料、飲水線的支撐載體,籠架立柱下方均裝有可調節地腳,以保證設備整體高度一致,保障設備整體的可靠性和穩定性。集蛋系統對應收集各層籠內滾到集蛋帶上的雞蛋,將其運輸到電梯集蛋臺上,然后可進行人工收蛋或中央集蛋系統收蛋。

圖1 蛋雞籠養設備結構

2 基于降低破蛋率的分析與設計

2.1 底網角度的確定

蛋雞籠網是層疊式蛋雞籠養設備的重要組成部分,蛋雞籠網如圖2所示。其中,底網外形尺寸直接影響籠網結構穩定性、雞蛋破蛋率及清潔度等。由于雞籠底網是承載雞蛋的直接載體,底網的強度是否合適直接影響到蛋雞生活適宜性,同時對雞蛋是否順利地滾落也有一定的影響。底網坡度過小,雞蛋會滯留在底網中,易被雞掌踩踏造成破損;底網坡度過大,則雞蛋滾落到蛋帶上,并與蛋帶上其他雞蛋相碰造成破損。

圖2 蛋雞籠的籠網三維透視圖

經查閱國家相關行業標準和市場資料得知,一般蛋雞籠底網角度在7°～10°間為宜[7-8],在此角度范圍內,雞蛋可滾出底網又與蛋帶上的雞蛋恰好不發生碰裝。采用增加減速條、調整集蛋時間等改進措施,改變雞舍蛋線相應位置的構造可降低破損率[9]。但不同角度、不同籠深處落下的雞蛋的勢能也不相同,其滾到蛋帶上的最大沖擊速度也不一樣。為了驗證哪種底網角度對籠深635 mm的蛋雞籠最為適宜,進行了雞蛋自由落體碰撞試驗和滾落驗證。

首先,根據兩枚雞蛋碰撞破損時的速度,進行雞蛋自由落體碰撞試驗。張婷[10]設計了一種階梯式雞蛋降落裝置,通過理論計算和有限元動態模擬,分析了裝置結構設計的合理性,可對雞蛋提供較好的保護。試驗樣品是從某蛋雞養殖場選取50枚雞蛋,將雞蛋隨機分為 10 組,逐漸增大兩枚自由落體碰撞雞蛋的相對高度,統計蛋殼破損情況。蛋殼破損與自由落體高度關系曲線如圖3所示。當自由落體高度h≥ 60 mm 時,雞蛋開始出現破損。為保證雞蛋不破損,自由落體高度可取h= 60 mm,此時,計算得出碰撞速度V0= 1.09 m/s。將雞蛋沿著底網網格進行滾落測試,記錄雞蛋在不同角度(7°～9°)時滾落至籠邊所需用的時間和對應的速度,得到與雞蛋碰撞試驗中碰撞破損速度V0接近的速度。最后,再進行大量的雞蛋滾落碰撞試驗,得出最小破蛋率的最佳滾蛋角度為7°,如圖4所示。

圖3 自由落體碰撞試驗破蛋數量統計

圖4 底網滾蛋角度模擬測試

2.2 底網的負載分析

蛋雞籠網負載分析主要以單個蛋雞籠為研究對象[11],如圖5所示,外形尺寸參數初始值及材料如表1所示。

表1 蛋雞籠底網主要參數

圖5 單個蛋雞籠底網

首先,利用SolidWorkS Simulation軟件進行靜態力學分析,將蛋雞籠底網模型進行簡化,與相鄰隔網固定的底網3個邊設置為固定邊,賦予底網Q195材質,在蛋雞生活區域635 mm×603 mm范圍內垂直于底網均勻負載25 kg(負載按1.4倍的系數進行,JB/T7729-2007《蛋雞雞籠和籠架》標準[8]中規定為1.3倍的系數),在軟件系統中設置夾具、施加力、約束、網格等,籠底網整體最大的仿真位移變形量為26.6 mm,有限元模型如圖6所示。

其次,通過實際負載測試底網的變形量,同時對底網靜力學仿真最大位移變形量進行驗證。通過在底網均勻負載25 kg(負載按1.4倍的系數進行),在籠體長度方向上連續取多組相鄰籠格,向每個籠格中均勻添加25 kg(均分為9份)配重,如圖7所示。取多點測量各根橫絲距離糞帶托架最底端的距離,每周記錄1次,底網負載7周試驗的變形量曲線如圖8所示。經過負載驗證,在負載7周后的底網最大變形量為15 mm(在底網的中心位置),且該變形量可在負載撤走回彈;同步地,課題組也進行了底網負重時的雞蛋滾落碰撞測試。通過測試可知底網強度可滿足正常使用。通過負載試驗數據可以看出,實際變形量要明顯小于SolidWorkS Simulation靜力學仿真分析最大位移變形量,主要原因是在靜力分析中底網被簡化分割為單個簡單的模型,仿真結果變形量較大。后續再進行網片類靜力學仿真時,需進行必要的模擬負載測試。

圖8 底網負載7周試驗的變形量曲線

2.3 擋蛋線設計及氣缸選型

將擋蛋線置于籠架與蛋帶之間,用于攔截剛滾落下來的雞蛋,能有效降低破蛋率。每天定時提起4～5次擋蛋線釋放雞蛋,避免與原蛋帶上靜止的雞蛋直接沖擊,進一步降低雞蛋的破蛋率。擋蛋線的配置還可以讓鮮蛋蛋殼的濕氣在底網上蒸發,減少蛋殼表面的灰塵和雞毛,效果如圖9所示。

圖9 擋蛋線擋住雞蛋和釋放雞蛋的場景

擋蛋線采用Φ1.5 mm的304不銹鋼鋼絲繩,彈性好,耐腐蝕。擋蛋線置于料槽托架預留的導向槽內,擺簧一端套在鋼絲繩上并用端子限位固定,另一端固定在料槽托架上,每節長籠架(1 206 mm)均配置一組擺簧,保證雞蛋擋在鋼絲繩上時鋼絲變形量一致。擋蛋線裝置的工作原理:采用氣缸推桿作用提升或降低擋蛋線,氣缸充氣提升擋蛋線鋼絲繩,擋蛋線處于導向槽最高位置,釋放雞蛋;氣缸放氣降低擋蛋線,擋蛋線處于導向槽最低位置,擋住雞蛋,擋蛋線在導向槽最低和最高位置示意圖如圖10所示。

圖10 擋蛋線在導向槽最低和最高位置示意

4層層疊式蛋雞籠,共配置8條擋蛋線,圖11所示為1個往復型雙作用氣缸即可實現4層8條擋蛋線同時動作,氣缸動作的受力簡化效果如圖12所示。

圖11 擋蛋線氣缸漲緊實景

圖12 擋蛋線氣缸受力簡化效果

蛋雞籠長度為100 m,擋蛋線上鋪滿雞蛋時張緊每條擋蛋線需要拉緊力f=20 N,氣缸動作最小壓力P=0.15 MPa。氣缸拉緊8根擋蛋線時,其軸向負載力F= 8f=160 N。氣缸每次動作時間約為1 s即可完成200 mm的行程,按照氣缸性能選型表得知選型氣缸負載率η=0.5。則氣缸的理論輸出力F0=F/η?？捎蓺飧椎睦碚摿接嬎愠鯢0,即

(1)

式中:D為氣缸的直徑;d為活塞桿直徑,估算時令d= 0.3D。

(2)

將f=20 N,p=0.15 MPa,η=0.5帶入式(2),得D=54.7 mm。經查往復型氣缸選型手冊,氣缸直徑選型D0=63 mm,活塞桿直徑d=20 mm。根據擋蛋線提升拉緊的運動行程確定氣缸的行程L=250 mm。

2.4 考慮蛋雞啄癖習性降低破蛋率的結構優化

蛋雞啄癖一直是困擾蛋雞集約化養殖的一道難題[12],它是雞因代謝機能紊亂、味覺異常及飼養管理不當等引起的一種非常復雜的常見疾病,是單向或相互啄食個別部位或異物的一種惡癖[13]。為減少滾落在蛋帶上的雞蛋被雞只啄碰而產生雞蛋破損,籠架在設計時配置有擋板,如圖13所示。該結構下沿距離底網的間隙為55 mm,能滿足不同日齡的蛋雞產蛋滾落至蛋帶上,同時有效防止雞只頭部探出擋板啄碰到雞蛋,降低破蛋率。該擋板由PVC擠塑成型,成本低、韌性好,耐腐蝕。除了具有降低破蛋率的作用外,還能有效的解決雞糞腐蝕的問題,同時也防止雞糞掉落至下層料槽污染飼料。

圖13 籠內擋糞板與底網相對位置

2.5 分層分區域收蛋,降低破蛋率

在籠具的收蛋端設計了水平收蛋臺,集蛋電梯分區域分層收蛋,降低破蛋率。將不同層的雞蛋在水平收蛋臺上進行了區域分離,調整雞蛋的大小頭,使雞蛋的大小頭方向一致,然后分區域傳輸到集蛋電梯上,避免了雞蛋的直接碰撞,降低破蛋率。同時,水平收蛋臺設計有等距的圓桿,能夠有效地篩選出軟蛋、雞毛等雜物,進一步保證了蛋品的清潔,效果如圖14所示。

圖14 分區域水平收蛋臺

3 工程驗證

為驗證該蛋雞籠養設備在上述關鍵技術點降低破蛋率是否可行以及統計設備整體破蛋率,課題組通過山東章丘某養殖場驗證蛋雞籠的實際應用效果。統計出蛋雞舍正常產蛋時破蛋率,如表2所示,其破蛋率為1.75‰,雞只平均產蛋率為92.4%,蛋雞籠具破蛋率在2‰以內,比行業內蛋雞籠的破蛋率(2‰～3‰)略低,具有一定的市場競爭力?；\具的底網、擋蛋線、水平收蛋臺等設施能很好地降低破蛋率,沒有產生明顯的雞蛋破損。

表2 8月1～10日章丘某蛋雞籠項目正常產蛋時破蛋率統計表

4 結語

相對傳統的設計手段,在蛋雞籠養設備開發過程中,課題組充分利用計算機力學仿真分析與應用場景模擬試驗相結合的形式,提高了產品開發效率和準確度。通過對蛋雞籠的底網、擋蛋線、水平收蛋臺等結構的優化降低破蛋率,使蛋雞籠養設備的破蛋率控制在0.2%以內,具有一定的市場競爭力。