基于SolidWorks大型羊場(chǎng)羊糞清理機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

雷福祥　許曉東　丁 羽　艾 鑫　王易強(qiáng)　周 嶺

(塔里木大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

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基于SolidWorks大型羊場(chǎng)羊糞清理機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)

雷福祥許曉東丁 羽艾 鑫王易強(qiáng)周 嶺*

(塔里木大學(xué)機(jī)電學(xué)院， 新疆 阿拉爾 843300)

養(yǎng)羊業(yè)是新疆兵團(tuán)畜牧業(yè)的主體，其生產(chǎn)水平的高低影響著兵團(tuán)畜牧業(yè)的整體水平，目前兵團(tuán)羊場(chǎng)常使用的清糞方式主要是人工清理。本文針對(duì)羊場(chǎng)人工糞便清理中存在的問(wèn)題，利用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)羊場(chǎng)糞便清理機(jī)三維模型，對(duì)自走式和手推式方案做了改進(jìn)，為羊糞清理機(jī)的仿真優(yōu)化及實(shí)體驗(yàn)證提供理論依據(jù)。

大型羊場(chǎng)； 羊糞清理機(jī)； 三維建模； SolidWorks

1　前言

養(yǎng)羊業(yè)是兵團(tuán)畜牧業(yè)的主體，其生產(chǎn)水平的高低影響著兵團(tuán)畜牧業(yè)的整體水平。羊場(chǎng)畜牧機(jī)械在羊場(chǎng)的發(fā)展中起到重要的作用，而羊糞清理機(jī)械在其中非常關(guān)鍵[1]。我們通過(guò)實(shí)地考察新疆兵團(tuán)圖木舒克市疆南牧業(yè)公司后，發(fā)現(xiàn)大型羊場(chǎng)今后都向大型化、機(jī)械化發(fā)展，羊圈全部采用雙層結(jié)構(gòu)，即上層為木質(zhì)柵格，地面為水泥地面，而羊糞通過(guò)柵格落到地面。每天都需要人工清理，浪費(fèi)大量人力物力[2]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于清糞機(jī)還處于起步階段，大部分羊場(chǎng)圈舍還是采用鋪草方式，這種飼養(yǎng)方式，一方面圈舍衛(wèi)生環(huán)境差[3]。另一方面清理機(jī)械結(jié)構(gòu)較為笨重，大多采用刮板式，清理效果不理想。自走式羊糞清理機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本太高不適合大面積推廣。手推式羊糞清理機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，依靠人力推動(dòng)作業(yè)，動(dòng)力不足，工作效率低。本文主要結(jié)合前兩種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，利用solidworks三維實(shí)體軟件對(duì)羊糞清理機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，毛刷的動(dòng)力由內(nèi)燃機(jī)提供，動(dòng)力可隨時(shí)切斷，行走采用人力推動(dòng)，清理機(jī)體積具有體積小、適用場(chǎng)地范圍廣、成本低、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)。

2　整機(jī)三維實(shí)體建模及主要技術(shù)指標(biāo)

2.1動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)采用小型汽油機(jī)，功率4.4 kw，工作轉(zhuǎn)速在2 200 r/min。動(dòng)力通過(guò)皮帶傳動(dòng)傳到蝸輪蝸桿減速器，再經(jīng)過(guò)皮帶傳動(dòng)傳到毛刷裝置，整個(gè)動(dòng)力傳遞過(guò)程中，傳動(dòng)平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，如圖1所示。

圖1　動(dòng)力傳輸過(guò)程

2.2整機(jī)清掃過(guò)程及主要技術(shù)指標(biāo)

羊糞清掃機(jī)基本工作過(guò)程：將清除機(jī)運(yùn)送到工作場(chǎng)地，將發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，推動(dòng)整機(jī)前行，開(kāi)始工作。清掃機(jī)工作原理是將發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)皮帶傳遞到蝸輪蝸桿減速器中，蝸輪作為輸出軸繼續(xù)將動(dòng)力通過(guò)皮帶傳遞到毛刷裝置，而毛刷軸通過(guò)皮帶將動(dòng)力傳遞到旋轉(zhuǎn)刀片裝置。

工作過(guò)程中，人推動(dòng)清掃車(chē)前進(jìn)，車(chē)體前部分鏟子將羊糞收集起，毛刷和旋轉(zhuǎn)刀片同時(shí)工作，旋轉(zhuǎn)刀片將較厚的羊糞切碎，毛刷將羊糞掃起，拋到兩側(cè)的傾斜板，羊糞通過(guò)自身重力落入到兩側(cè)收集箱內(nèi)。

圖2　結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3　羊糞清理機(jī)零部件各參數(shù)設(shè)計(jì)及整體建模

3.1羊糞清理機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

手推式羊糞清理機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)：

傳動(dòng)比i=12，行駛速度0.8 m/s，動(dòng)力輸入軸轉(zhuǎn)速2200 r/min，功率4.4 kw，扭矩19.1 N·m。毛刷轉(zhuǎn)速183 r/min。車(chē)體尺寸長(zhǎng)1.1 m，寬0.8 m，高0.7 m。整車(chē)重量約50 kg。

3.2傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

手推式動(dòng)力羊糞清理機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用蝸輪蝸桿與帶傳動(dòng)相結(jié)合方式，動(dòng)力由小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)傳入。圖3,圖4為傳動(dòng)三維模型。

圖3　傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型　　　　　　　　　　　　　　圖4　蝸輪蝸桿減速器三維建模

動(dòng)力傳輸過(guò)程平穩(wěn)可靠，經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿一級(jí)變速，扭矩?fù)p失較小。整車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)成本較低，維修方便，能快速完成清掃工作。

3.3圓弧板及傾斜板設(shè)計(jì)

考慮到羊糞收集過(guò)程中，如果采用帶傳動(dòng)方式，需要多級(jí)變速、結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、運(yùn)行穩(wěn)定性較差。所以本文采用圓弧板及傾斜板組合設(shè)計(jì)方式收集羊糞。

圖5　圓弧板設(shè)計(jì)　　　　　　　　　　　　　　　　圖6傾斜板設(shè)計(jì)

1)圓弧板設(shè)計(jì)計(jì)算

圓弧板的圖形有圓弧與直線組成，可以有效的將羊糞拋到上傾斜板上[4]。

由滾刷軸所受的扭矩，T=17.68 N·m,滾刷作用在羊糞上的作用力：

F1=T×r=2.65 N

(1)

設(shè)經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)刀片切割過(guò)的羊糞重量為0.03 kg，即G=0.3 N。

圓弧板與羊糞間的摩擦系數(shù)為0.3，圓弧板由前段圓弧和后段直線導(dǎo)軌組成，設(shè)圓弧所對(duì)的圓心角為θ，即在θ時(shí)合速度取得最大值：

F2=μmgcosθ+mgsinθ

(2)

F合=F1-F2

(3)

當(dāng)θ=1/2π時(shí)值F合最大。

為了在直線段導(dǎo)軌上不熟摩擦力的影響，讓拋出的羊糞在圓弧端的速度與直線段相切，設(shè)直線段與水平方向夾角為α，則

2) 傾斜板設(shè)計(jì)

為了使羊糞在傾斜板上順利滑到收集箱中，傾斜板的角度要經(jīng)過(guò)計(jì)算，取傾斜板與羊糞的摩擦系數(shù)0.35，則:

tan(1/2π-1/2φ)π=0.35

(4)

φ=141.4°所以保證羊糞順利下滑，兩塊傾斜板夾角φ≤141.4°。

3.4滾刷及旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.4.1材料參數(shù)

滾刷材料采用尼龍610，具有刷絲抗磨損性能較好，具有耐高溫、耐酸堿等特性，彈性較好。旋轉(zhuǎn)刀片材料采用普通結(jié)構(gòu)鋼，具有防腐、耐磨優(yōu)點(diǎn)。

3.4.2滾刷機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾刷長(zhǎng)度L=600 mm，在刷子撥動(dòng)瞬間，羊糞在長(zhǎng)度L=400 mm的范圍內(nèi)有m=4.2 kg與滾刷產(chǎn)生碰撞，有:

(5)

有v=3.2m/s，取轉(zhuǎn)速v=4.0 m/s，假設(shè)作用時(shí)間t=0.1 s，有：

(6)

羊糞顆粒產(chǎn)生的力矩為：

M=F×L=1.68×1=1.68 N ·m

(7)

刷子參與旋轉(zhuǎn)部分產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩有：

將刷子簡(jiǎn)化為一個(gè)直徑為150 mm軸

刷子質(zhì)量：

(8)

(9)

3.4.3旋轉(zhuǎn)刀片

旋轉(zhuǎn)刀片使用的是優(yōu)質(zhì)鋼材，作用是將大塊的羊糞切碎，有利于滾刷清掃。機(jī)器在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)應(yīng)避免大幅轉(zhuǎn)彎操作，避免刀片碰觸墻壁，損害刀片。

3.4.4滾刷及旋轉(zhuǎn)刀片機(jī)構(gòu)三維建模

圖7　刷子結(jié)構(gòu)圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖8　旋轉(zhuǎn)刀片結(jié)構(gòu)圖

圖9　滾刷與旋轉(zhuǎn)刀片連接圖

3.5整機(jī)建模

整機(jī)建模過(guò)程需現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，確定整車(chē)尺寸及重量，通過(guò)傳動(dòng)比計(jì)算確定蝸輪蝸桿參數(shù)、帶輪參數(shù)、傾斜板角度等，合理對(duì)各部件進(jìn)行空間裝配，建模如圖12。

圖10　自走式羊糞清理機(jī)整機(jī)模型　　　　　　　　　　　圖11　手推式羊糞清理機(jī)整機(jī)模型

圖12　手推式動(dòng)力羊糞清理機(jī)整機(jī)模型

4　結(jié)論

4.1本文針對(duì)自走式羊糞清理機(jī)和手推式羊糞清理機(jī)方案存在的問(wèn)題，利用SolidWorks三維實(shí)體軟件對(duì)大型羊場(chǎng)羊糞清理機(jī)械進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出了手推式動(dòng)力羊糞清理機(jī)的設(shè)計(jì)方案。

4.2手推式動(dòng)力羊糞清理機(jī)設(shè)計(jì)是利用圓弧板與傾斜板的組合，內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力通過(guò)渦輪蝸桿減速器及帶傳動(dòng)傳遞到刷子及動(dòng)刀片，羊糞在毛刷作用下上拋至組合板落到收集箱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)羊糞清理，對(duì)圓弧板與傾斜版角度進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，為清理機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和樣機(jī)開(kāi)發(fā)提供理論論據(jù)。

4.3手推式動(dòng)力羊糞清理機(jī)具有傳動(dòng)方式簡(jiǎn)單、清理效率高、可實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)等特點(diǎn)，適用于大型規(guī)模化的養(yǎng)殖場(chǎng)，具有良好發(fā)展和應(yīng)用前景，可對(duì)兵團(tuán)大型養(yǎng)羊業(yè)發(fā)展起到積極推動(dòng)作用。

[1]楊文光．變廢為寶改善環(huán)境——FQC系列畜禽廢棄物處理裝置介紹[J]．中國(guó)牧業(yè)通訊，1998：43-47．

[2]莫啟懷，何超明，張海斌．環(huán)保型雞舍糞便清理機(jī)[P]．廣東：CN201905127U，2011-07-27．

[3]曹軍青．寵物糞便清理裝置[P]．山東：CN201722650U，2011-01-26．

[4]劉敏，邱建興．9FL移動(dòng)式畜禽糞便處理機(jī)[N]．中國(guó)畜牧獸醫(yī)報(bào)，2013-08-18008．

[5]林代炎，郭艷，吳錦瑞，于文．畜禽糞便排污裝置[P]．福建：CN101144480，2008-03-19．

Large Sheep Field Sheep Manure Cleaning Machine Improved Design Based on SolidWorks

Lei FuxiangXu XiaodongDing YuAi XinWang YiqiangZhou Ling*

(College of Mechanic and Electrical Engineering, Tarim University, Alar, Xinjiang 843300)

Sheep industry is the main body of the livestock industry in Xinjiang, production and construction corps, its level of production affects the overall level of corps of animal husbandry.At present, the cleaning manure by manpower is commonly used in the Corps of sheep farms. For the problem of manual waste cleaning, sheep farm manure cleaning machine 3D model was designed by using SolidWorks software, and the scheme of Self propelled and hand push type was improved. The result provides a theoretical basis for the simulation optimizion and entity verification of the cleaning machine for sheep manure.

large sheep farm； dung cleaning machine； 3d modeling； SolidWorks

2015-04-06

塔里木大學(xué)校長(zhǎng)基金(TDZKSS201411，2012GA891025)。

雷福祥(1983-) ,男， 實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)镃AD/CAM及先進(jìn)制造技術(shù)。E-mail：leifuxiang1127@163.com

*為通訊作者E-mail：Zhoul-007@136.com

1009-0568(2016)01-0077-06

S220

ADOI：10.3969/j.issn.1009-0568.2016.01.014