基于水射流技術(shù)的禽舍沖洗設(shè)備研究

摘 要：全球禽類養(yǎng)殖業(yè)迅速發(fā)展，傳統(tǒng)禽舍清潔方法存在效率低、耗時(shí)長等問題，制約了行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為解決這一問題，研究了一種基于水射流技術(shù)的禽舍沖洗設(shè)備，利用高壓水射流和智能化控制系統(tǒng)，能夠快速高效地清除禽舍內(nèi)的糞便和污染物，同時(shí)最大限度地減少水資源消耗和環(huán)境影響。研究從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水力學(xué)性能優(yōu)化到智能控制系統(tǒng)開發(fā)等多個(gè)方面進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，以期為禽舍清潔設(shè)備研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：水射流技術(shù)；養(yǎng)殖業(yè)；禽舍清潔

中圖分類號(hào)：S831.4+5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-1085（2024）10-0053-06

近年來，我國畜禽規(guī)?；B(yǎng)殖迅速發(fā)展，養(yǎng)殖規(guī)模位居全球前列。然而，與發(fā)達(dá)國家相比，我國在養(yǎng)殖機(jī)械化水平上仍存在較大差距[1]。特別是在畜禽養(yǎng)殖環(huán)境的防疫消毒環(huán)節(jié)，其執(zhí)行效果直接影響畜禽健康和產(chǎn)品質(zhì)量，對養(yǎng)殖業(yè)可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要[2-3]。如何在保證消毒效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化高效作業(yè)、降低環(huán)境污染，是當(dāng)前亟待解決的問題[4-5]。

基于此，本文研究了一種基于水射流技術(shù)的禽舍沖洗設(shè)備。通過研究其在禽舍沖洗中的應(yīng)用，不僅能提高沖洗效率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度，還有助于減少化學(xué)消毒劑的使用，從而減少環(huán)境污染。此外，該技術(shù)的應(yīng)用還能有效提升畜禽產(chǎn)品的衛(wèi)生質(zhì)量，滿足市場對高品質(zhì)產(chǎn)品的需求[6-8]。

1 研究原理與技術(shù)路線

1.1 高壓水射流技術(shù)原理

高壓水射流技術(shù)作為一種高效的清潔和加工技術(shù)，源于其能夠通過極高壓力水流對目標(biāo)表面施加力量而顯著提升其清潔效果和工藝加工能力。其原理基于利用特制泵系統(tǒng)將水增增壓至數(shù)十兆帕，并通過精確設(shè)計(jì)的噴嘴將水流高速釋放，產(chǎn)生的高速水流不僅具有顯著的沖擊力，能有效去除表面污垢和附著物，還能透過流體動(dòng)力學(xué)原理實(shí)現(xiàn)對表面的深層清潔和精細(xì)加工。該技術(shù)的應(yīng)用范圍涵蓋了工業(yè)清洗、建筑維護(hù)、材料加工以及環(huán)境清潔等多個(gè)領(lǐng)域，其環(huán)保性和高效性使其成為現(xiàn)代工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要工具之一。

高壓水射流技術(shù)在禽舍衛(wèi)生管理中展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢。相對于傳統(tǒng)的普通水槍，高壓水射流技術(shù)產(chǎn)生的高速水流能夠深入到禽舍表面的微觀結(jié)構(gòu)中，全面清除附著的污垢、沉積物及微生物，顯著減少了病原微生物的存在，亦有效消除了異味，顯著提升了禽舍的清潔度。除此之外，高壓水射流技術(shù)在節(jié)約水資源方面具有明顯優(yōu)勢，不僅操作快捷，而且可通過減少化學(xué)消毒劑的使用來降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。因此，高壓水射流技術(shù)不僅提升了禽舍清潔效率，而且更符合現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)對于環(huán)境友好和資源節(jié)約的要求。

1.2 設(shè)備研究技術(shù)路線

基于水射流技術(shù)的禽舍清洗設(shè)備的核心技術(shù)特征包括自主軌跡運(yùn)行和多角度噴射能力。設(shè)備通過預(yù)設(shè)的軌跡系統(tǒng)化地移動(dòng)，確保全面覆蓋禽舍內(nèi)部表面，同時(shí)具備多個(gè)噴頭以多方位噴射高壓水流的能力。這種技術(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化了清洗效率和徹底性，能有效清除有機(jī)廢物和病原體，減少了化學(xué)清潔劑的使用量，降低環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。

此外，設(shè)備配備先進(jìn)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，能夠精確調(diào)節(jié)水流壓力和噴射角度，以適應(yīng)不同禽舍結(jié)構(gòu)和清潔需求。不僅提高了操作的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，還減少了人工干預(yù)，從而提升了操作效率和資源利用效率。沖洗設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

沖洗設(shè)備的設(shè)計(jì)與技術(shù)構(gòu)成了一個(gè)復(fù)雜而精密的系統(tǒng)，涵蓋了控制、運(yùn)動(dòng)、噴射、加藥、傳感器、能源和供水及保障等多個(gè)關(guān)鍵部分。每個(gè)部分都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以確保設(shè)備在各種環(huán)境條件下能夠高效運(yùn)行，并實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)表面的精確處理和清洗。

2 設(shè)備系統(tǒng)組成

2.1 控制系統(tǒng)

在沖洗設(shè)備中，控制系統(tǒng)由STM32單片機(jī)作為主控模塊驅(qū)動(dòng)。允許設(shè)備快速響應(yīng)各種環(huán)境條件和操作需求，同時(shí)保證了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

單片機(jī)配套的外設(shè)包括傳感器、執(zhí)行器、通訊模塊、存儲(chǔ)設(shè)備及各類接口電路等，這些外設(shè)能夠?qū)崟r(shí)采集環(huán)境參數(shù)和物理量數(shù)據(jù)，通過數(shù)字或模擬信號(hào)接口傳輸至單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。執(zhí)行器則通過單片機(jī)指令控制外部設(shè)備的操作，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)和閥門控制。通訊模塊外設(shè)使單片機(jī)能夠與其他設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行信息交換和數(shù)據(jù)傳輸。

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

沖洗設(shè)備的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由多個(gè)關(guān)鍵部件組成，包括電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、機(jī)架和輪胎。電機(jī)通過驅(qū)動(dòng)器由控制系統(tǒng)精確控制，提供設(shè)備所需的動(dòng)力和速度調(diào)節(jié)能力。機(jī)架則作為整個(gè)設(shè)備的骨架，支持和連接各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，使得設(shè)備能夠在不同地形上穩(wěn)定移動(dòng)。輪胎則提供了設(shè)備的移動(dòng)能力，其設(shè)計(jì)考慮了在不同地形和工作條件下的耐用性和操作性。

運(yùn)行機(jī)構(gòu)采用高效的四輪機(jī)構(gòu)，通過電動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定動(dòng)力。車輪與電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化組合對稱分布在底盤兩側(cè)，并通過剛性連接確保了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在底盤上方的中央位置，設(shè)計(jì)有一個(gè)專門的支撐柱，用于支撐噴射結(jié)構(gòu)，這不僅保障了噴射方向的精準(zhǔn)性，還增強(qiáng)了操作時(shí)的穩(wěn)定性。支撐柱后方配備了集成的控制中樞、驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)壓電路以及蓄電池，形成了設(shè)備的核心控制系統(tǒng)和能源供應(yīng)模塊。此外，為了優(yōu)化能源使用，底盤支撐柱兩側(cè)還各安裝了一塊太陽能電池板，旨在日間為設(shè)備提供輔助能源，降低對傳統(tǒng)能源的依賴，提升能源利用效率，并彰顯了綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。

2.3 水射流系統(tǒng)

水射流系統(tǒng)是沖洗設(shè)備的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)通過噴嘴將清洗劑精確地釋放到目標(biāo)表面。噴嘴的轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)控制，這使得設(shè)備能夠靈活地調(diào)整噴射方向和角度。增壓泵提供噴射所需的水壓力，確保了噴嘴在不同工作條件下的穩(wěn)定性和效率。

在本研究設(shè)計(jì)的禽舍沖洗設(shè)備中，噴射角度的調(diào)控是通過支撐柱上方的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，該機(jī)構(gòu)具備水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)和俯仰角調(diào)整的兩個(gè)自由度。這種設(shè)計(jì)允許操作者根據(jù)實(shí)際需要靈活地調(diào)節(jié)噴射方向，以確保清洗效果的最優(yōu)化。水源通過設(shè)備上方的水管輸送至噴射結(jié)構(gòu)，該水管與桁架上的滑塊進(jìn)行了剛性連接。這種剛性連接方式不僅確保了水管在噴射過程中的穩(wěn)定性，還有助于減少因長時(shí)間使用而可能出現(xiàn)的磨損，從而延長了設(shè)備的使用壽命并保持了噴射效率。

2.4 導(dǎo)航與定位系統(tǒng)

在本研究中，使用了一種基于超寬帶（UWB）技術(shù)的定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三個(gè)關(guān)鍵組件構(gòu)成：即定位標(biāo)簽、定位基站以及數(shù)據(jù)處理中心。每個(gè)定位基站均裝備有高精度的UWB模塊，能夠發(fā)送和接收納秒級的脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)精確的距離測量和位置跟蹤。

在試驗(yàn)設(shè)置中，三個(gè)定位基站分別布置在任意三角形的三個(gè)端點(diǎn)，如圖2所示。利用這三個(gè)基站作為參考點(diǎn)，我們可以建立一組方程來代表標(biāo)簽與各基站之間的距離。通過求解這組方程的交點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地確定標(biāo)簽的位置。

數(shù)據(jù)傳輸方面，基站收集到的數(shù)據(jù)通過有線或無線方式傳輸至數(shù)據(jù)中心。在那里，專門的定位系統(tǒng)應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和計(jì)算，以實(shí)時(shí)地計(jì)算出標(biāo)簽的位置信息。這種架構(gòu)不僅確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝裕€保證了位置數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和準(zhǔn)確性，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用提供了可靠的基礎(chǔ)。

本研究設(shè)計(jì)的UWB定位系統(tǒng)展示了其在室內(nèi)環(huán)境中提供高精度、高可靠性定位服務(wù)的潛力。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證方案

3.1 試驗(yàn)方法

本研究旨在通過試驗(yàn)驗(yàn)證基于水射流技術(shù)的禽舍沖洗設(shè)備在實(shí)際養(yǎng)殖環(huán)境中的應(yīng)用效果和效率。試驗(yàn)設(shè)計(jì)側(cè)重于模擬真實(shí)禽舍條件下的沖洗作業(yè)，以獲取設(shè)備操作性、沖洗效果和水資源利用效率等方面的數(shù)據(jù)。

為了全面評估設(shè)備的沖洗效果，試驗(yàn)還包括對沖洗前后禽舍地面微生物殘留量的檢測，這是評估設(shè)備消毒效果的關(guān)鍵指標(biāo)。通過比較前后的數(shù)據(jù)，能夠直觀地了解設(shè)備在實(shí)際使用中的消毒能力。

試驗(yàn)過程中，所有數(shù)據(jù)通過高精度傳感器和自動(dòng)記錄裝置收集，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和客觀性。同時(shí)，采用高速攝像機(jī)記錄沖洗過程中水流的分布和變化，為分析水流對沖洗效果的影響提供了直觀的視覺資料。

3.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件的設(shè)定考慮了多個(gè)影響沖洗效果的變量，包括水壓、噴嘴類型、沖洗角度及距離等。水壓范圍設(shè)定在5～20 bar之間，以涵蓋不同規(guī)模養(yǎng)殖場可所需水壓條件。噴嘴類型選擇了市場上常見的扁平扇形噴嘴和高壓旋轉(zhuǎn)噴嘴，以評估它們對沖洗效果的影響。

沖洗角度和距離的確定依據(jù)禽舍內(nèi)污染分布和結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)設(shè)置了多個(gè)固定的角度和距離，模擬實(shí)際操作條件，旨在確定最佳操作參數(shù)以提高效率并減少水資源浪費(fèi)。

3.3 沖洗效果的評估標(biāo)準(zhǔn)

在探討基于水射流技術(shù)的禽舍沖洗設(shè)備設(shè)計(jì)與性能評估時(shí)，沖洗效果的評估標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要。這不僅反映了設(shè)備在實(shí)際工作中的效能，還直接關(guān)系到畜禽養(yǎng)殖環(huán)境中疾病控制和預(yù)防消毒的成效。因此，本研究旨在通過精確而系統(tǒng)的方法評估所設(shè)計(jì)設(shè)備的沖洗效果，確保其能夠滿足現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖業(yè)對防疫消毒的嚴(yán)格要求，同時(shí)兼顧環(huán)保和效率的雙重需求。

（1）沖洗效果的評估首先依賴于定量分析方法的應(yīng)用。①通過測量沖洗前后禽舍內(nèi)細(xì)菌數(shù)量的變化，直觀評估沖洗操作的消毒效果；②沖洗液的均勻分布也是關(guān)鍵指標(biāo)之一，直接影響消毒劑的覆蓋范圍和作用效果。采用高速攝像技術(shù)捕捉?jīng)_洗過程中水流的分布情況，并結(jié)合圖像處理軟件進(jìn)行定量分析，能夠有效評估沖洗液的覆蓋均勻性；③沖洗后禽舍內(nèi)殘留污物的檢測同樣至關(guān)重要。利用光譜分析技術(shù)對沖洗后的禽舍地面樣本進(jìn)行檢測，能夠精確評估沖洗設(shè)備去除有機(jī)和無機(jī)物的能力。這不僅涉及沖洗液的選擇，還包括優(yōu)化沖洗壓力、噴嘴設(shè)計(jì)等參數(shù)。

（2）評估沖洗效果還需考慮設(shè)備的運(yùn)行成本和操作便利性。比較不同沖洗策略下的能耗和時(shí)間消耗，可以為養(yǎng)殖戶提供經(jīng)濟(jì)高效的沖洗方案。此外，用戶體驗(yàn)是設(shè)備實(shí)用性的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)合理的用戶界面和簡化的操作流程，能夠顯著提升設(shè)備的普及率和使用頻率。

最終，綜合考慮以上指標(biāo)，構(gòu)建全面的評價(jià)體系對于指導(dǎo)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。這不僅需要跨學(xué)科的知識(shí)融合，如流體力學(xué)、微生物學(xué)和環(huán)境科學(xué)，還需要通過實(shí)地測試和持續(xù)反饋信息，結(jié)合最新科研成果進(jìn)行迭代更新，確保基于水射流技術(shù)的禽舍沖洗設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出最佳性能。

4 結(jié)論與展望

在畜禽養(yǎng)殖領(lǐng)域，防疫消毒設(shè)備的研究與應(yīng)用是確保動(dòng)物健康和提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究專注于基于水射流技術(shù)的禽舍沖洗設(shè)備的設(shè)計(jì)與性能評估，旨在探索更為高效、環(huán)保的清潔方法以應(yīng)對當(dāng)前我國在這一領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)。通過深入分析現(xiàn)有的機(jī)械化水平，并結(jié)合國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，本研究成功設(shè)計(jì)了一款新型禽舍沖洗設(shè)備，其核心在于利用水射流技術(shù)實(shí)現(xiàn)對禽舍的深度清潔和消毒。

該設(shè)備的設(shè)計(jì)理念源于對傳統(tǒng)清潔方法的局限性的認(rèn)識(shí)，如化學(xué)消毒可能帶來的環(huán)境污染和生物安全風(fēng)險(xiǎn)、物理消毒方法在操作復(fù)雜性和成本效益方面的不足。相比之下，水射流技術(shù)提供了一種物理清潔的同時(shí)，也具備一定的殺菌能力，且不產(chǎn)生二次污染。

在技術(shù)特點(diǎn)上，該設(shè)備采用了高壓水流生成系統(tǒng)，能夠調(diào)節(jié)水流的壓力和速度，以適應(yīng)不同清潔需求。此外，集成的智能控制系統(tǒng)允許用戶根據(jù)具體情況編程清潔模式，從而提高清潔效率和效果。

在性能評估方面，通過對禽舍內(nèi)不同區(qū)域的清潔效果進(jìn)行對比測試，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)清潔方法相比，采用水射流技術(shù)的禽舍沖洗設(shè)備在去除糞便和有機(jī)物殘留方面表現(xiàn)更為優(yōu)異。同時(shí)，該技術(shù)在減少水資源消耗和提高作業(yè)效率方面也顯示出明顯優(yōu)勢。然而，研究也發(fā)現(xiàn)，設(shè)備在處理某些特定類型的污垢時(shí)存在局限，提示了未來改進(jìn)的方向。

綜上所述，基于水射流技術(shù)的禽舍沖洗設(shè)備在提高畜禽養(yǎng)殖環(huán)境衛(wèi)生水平、降低勞動(dòng)強(qiáng)度和提升生產(chǎn)效率方面展現(xiàn)出巨大潛力。盡管面臨一些技術(shù)和應(yīng)用挑戰(zhàn)，但通過持續(xù)的研究和技術(shù)創(chuàng)新，有望進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備性能，滿足更廣泛的養(yǎng)殖場景需求。展望未來，隨著智能化養(yǎng)殖的不斷推進(jìn)，集成更多智能元素的清潔設(shè)備將更好地服務(wù)于綠色、高效的現(xiàn)代畜禽養(yǎng)殖業(yè)。

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Research on Poultry House Washing Equipment based on Water Jet Technology

Abstract： The rapid development of the global poultry farming industry and the problems of low efficiency and time-consuming traditional poultry house cleaning methods have restricted the sustainable development of the industry. To solve this problem， a poultry house flushing equipment based on water jet technology was studied. Using high-pressure water jets and an intelligent control system， it can quickly and efficienQWC4NOguiWXHQst4FXGbOGOcJM/HUvaJTcmjeb9wWYQ=tly remove manure and pollutants from poultry houses， while minimizing water consumption and environmental impact. The study conducted a systematic research from the mechanical structure design， optimization of hydraulics performance to the development of intelligent control system and other aspects， in order to provide a reference for poultry house cleaning equipment.

Keywords： Water jet technology; Farming; Poultry house cleaning