张志勇，樊士冉，刘 聪，杜晓冬，燕 凯

(新希望六和股份有限公司，山东 青岛266000)

0 引言

近年来，中国的养猪业一直朝着现代化、产业化和规模化方向发展。生产规模从过去的小规模和分散性转变为现在的大规模和集约化[1]。我国规模化养猪场主要采用干清粪、水冲粪或水泡粪工艺清理猪舍粪污[2-4]。其中，水泡粪工艺具有节省人力、管理方便和受季节影响小等优点，得到广泛应用[3-4]。

水泡粪模式是在猪舍内的粪沟中注入一定量的水，粪尿、冲洗和饲养管理用水一并排放至缝隙地板下的粪沟中，储存一定时间后，打开漏粪口的漏粪提塞，将粪沟中粪水排出[5]。大多数粪污可以经漏粪口进入排污管道，但是粪沟内仍不可避免有大量残留。非洲猪瘟病毒可以在猪的排泄物(如粪便、尿液)中保持相当长时间的活性，是传播非洲猪瘟的重要渠道[6-7]。在当前非洲猪瘟的严峻形式下，粪沟的清洗是切断非洲猪瘟传播的重要途径之一。

目前，水泡粪粪沟的清洗通常由人工手持高压水枪进入粪沟内进行。粪沟作业空间有限，且粪污厌氧发酵产生大量的有害气体，如CH4(甲烷)、H2S(硫化氢)等[8-9]。清洁过程本身会导致工作环境恶化，被冲洗的污垢、微生物和水等不经意间会被操作者吸入[10]。粪沟的人工清洗作业对于操作人员的生命安全及身体健康造成巨大危害。目前行业内对于水泡粪粪沟清洗的设备研究较少，亟待开发一款设备，实现水泡粪粪沟的自动化清洗。

通过前期对规模化猪场水泡粪工艺实地调研及相应的基础性试验，提出采用粪沟清洗机对粪沟进行清洗作业，采用高压水的冲刷作用实现清洗效果，代替猪场工作人员进入粪沟进行作业，降低劳动强度，避免作业风险。最后对粪沟清洗机进行设计与试验，对清洗的效果进行评估。

1 整机设计

1.1清洗对象

水泡粪粪沟长度在15.0 m左右，宽度为2.2 m(施工误差±0.1 m)，粪沟深度0.6 m。在储存结束后将漏粪口的漏粪提塞拔掉，粪污经漏粪口进入排污管道。通常情况下，拔塞后粪沟地面残余约2～10 cm的粪污，呈胶状，且越靠近拔塞口的位置，粪污聚集越多；粪沟侧面残余的粪污较少，相对比较容易清洗干净。

1.2总体方案

高压水由集中式清洗系统中的高压水泵提供，猪舍内布置有高压水接口，额定流量42 L/min，额定压力18 MPa。猪舍内布置有220 V交流电。水泡粪粪沟清洗机总体方案如图1所示。

1.电缆卷管器 2.水泡粪粪沟 3.粪沟清洗机本体 4.漏粪口 5.水管卷管器图1 水泡粪粪沟清洗机总体方案Fig.1 Deep-pit manure ditch cleaning machine general design

粪沟清洗机在清洗作业中拖动高压水管与电缆运动，高压水与电力分别通过水管卷管器与电缆卷管器提供给清洗机本体。水管卷管器实现了猪舍高压出水口与粪沟清洗机的水路连接；电缆卷管器实现了墙体电源插座与粪沟清洗机的电路连接。卷管器作用是当清洗机前进时，卷管器处于低阻尼状态，便于水管与电缆拉出，当清洗机后退时，卷管器将水管与电缆分别自动收回。粪沟清洗机带有主喷头、后喷头模组实现粪沟底部的清洗；侧喷头模组实现粪沟侧墙的清洗。使用过程中的清洗用水及清除的残余粪污最终均由漏粪口排出。粪沟清洗机主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

1.3粪沟清洗机本体设计

粪沟清洗机本体由控制系统、车体框架、行走驱动系统和高压水系统等部分组成，如图2所示。

1.车体框架 2.引导机构 3.电控箱 4.侧喷头模组 5.后喷头模组 6.行程开关A 7.行走驱动机构 8.分水块 9.电磁阀组10.从动轮 11.行程开关B 12.行程开关C 13.主喷头系统 14.行程开关D图2 粪沟清洗机本体组成Fig.2 Manure ditch cleaning machine composition

1.3.1控制系统

以PLC为主控制器，型号为三菱FX3U-32MT/ES-A。采用行程开关作为位置感应传感器。PLC核心控制板实现各功能逻辑控制与手动/自动的切换，遥控模组实现遥控器对粪沟清洗机的远程控制。PLC输入输出点的地址分配如表2所示。

表2 PLC输入输出点地址分配

1.3.2车体框架

车体框架为粪沟清洗机的基础部分，起到搭载使用终端(电箱、喷头、摆杆等)、连接外部水电、电路中转等功能。车体框架整体采用304不锈钢，保证使用过程中的强度与防腐蚀性能。

1.3.3行走驱动系统

行走驱动系统包括减速电机带动的两个主驱动轮、两个支撑行走的从动轮，以及保证清洗机直线行走的引导机构。

主动轮为33.3 cm(10寸)实心橡胶轮，减速电机提供动力，由链轮链条进行传动。粪沟清洗机行走过程中需要克服的力包括水管卷管器与电缆卷管器的拖拽力、车体行走过程中的摩擦力和高压水射流的反作用力等。水管卷管器与电缆卷管器的拖拽力可通过实际测量得出。高压水射流的反作用力由公式计算得出。根据驱动的要求，减速电机功率选择200 W；根据粪沟清洗效率的要求，粪沟清洗机行走速度设计为1.5 m/min。

从动轮选用20 cm(6寸)万向脚轮，起到支撑及微调方向的作用。

考虑到粪沟施工质量的问题，避免由于粪沟宽度的不一致导致粪沟清洗机跑偏或者卡死的情况，设计一套自适应引导机构，引导机构的导向轮由弹簧压紧在粪沟侧墙之上，由弹簧的变形量抵消粪沟施工宽度方向的误差，保证粪沟清洗机可沿粪沟直线运动且不被卡死。

1.3.4高压水系统

高压水由清洗泵房的集中式清洗系统提供，在猪舍内预留高压水的快速接头。采用高压水管卷管器，一端接高压水的快速接头；另一端接粪沟清洗机本体。粪沟清洗机带动水管运动，防水电磁阀对前后两组喷头进行开关控制。粪沟清洗机高压水流向如图3所示。

图3 粪沟清洗机高压水流向Fig.3 Manure ditch cleaning machine high-pressure water flow

粪沟清洗机后喷头模组用于清洗粪沟清洗机存放区域粪沟底部的区域。采用110°扇形喷头，底部布置7个喷头，实现粪沟底部位置的全覆盖。粪沟清洗机侧喷头模组用于清洗粪沟的侧面区域，采用110°扇形喷头，两侧各布置2个喷头，实现粪沟侧面区域的全覆盖。

主喷头通过摆杆马达带动摆杆实现左右摆动，行程开关B、D确定摆动的幅度，实现粪沟底部范围的全覆盖。

为提高清洗效率，粪沟清洗机可不停车连续清洗。需特别注意摆杆摆动的速度与粪沟清洗机行进速度的匹配，避免由于行走速度相对摆杆速度太快导致的清洗盲区。现驱动轮的行走速度为v=1.5 m/min，主喷头采用旋转喷头，根据安装的位置测得喷水最小有效覆盖宽度为W=250 mm。则假设摆杆摆动一个周期时间为T，则T应满足

计算得T≤10 s。本设备摆杆设计的摆动周期为6 s，可以保证良好的清洗效果。

1.3.5自动程序/手动控制简介

在自动模式下，清洗过程如图4所示。在设备自动模式开启之前，设备存放于粪沟中靠近漏粪口的位置。开启设备电源，上水上电。此时，后喷头模组与侧喷头模组打开，粪沟清洗机后退行走，进行粪沟侧面及粪沟底部的部分清洗。由于侧面相对底部的粪污较少，此步骤可将侧面清洗干净，同时对底部进行简单的清洗。直到碰到行程开关A，粪沟清洗机运动换向，开始前进运动。前进运动行程约2 m，前进的过程中清洗漏粪口最远端底部约2 m的区域范围，此部位主喷头无法清洗。2 m前进完成后进行后退动作，至碰到行程开关A。后喷头与侧喷头关闭。主喷头打开，搭载主喷头的摆杆开始摆动。粪沟清洗机换向前进，前进的过程中，摆杆一直摆动由主喷头进行清洗工作。采用旋转喷头作为主喷头，清洗能力强，可有效清除粪沟底部粪污。工作过程持续到碰到行程开关C，粪沟清洗机停止行走，主喷头关闭，整个自动清洗流程结束。

图4 粪沟清洗机自动程序流程Fig.4 Manure ditch cleaning machine automatic program

粪沟清洗机可以在自动模式和手动模式下自由切换。手动模式可以单独控制清洗机的前进、后退、不同喷头类型的开启和关闭等。对于粪沟内特别顽固的粪污，可以采用手动模式进行重点清洗。

2 性能试验

粪沟清洗机试验于2020年3月在山东省莱阳市莱阳新好牧业有限公司的产仔舍进行。单条粪沟长度15.0 m，宽度2.2 m，深度0.6 m。仔猪在产房内出生21 d后进行断奶，将断奶仔猪与母猪赶出产房后进行猪舍及水泡粪粪沟的清洗。取其中的3条粪沟进行试验，经过21 d使用，水泡粪粪污的高度为20～30 cm。清洗之前先将漏粪口的漏粪提塞取出，大部分粪污经漏粪口流入排污管道。剩余约2～10 cm的粪污残余，此部分粪污需要由粪沟清洗机进行清洗。

清洗作业开始之前，连接粪沟清洗机的水电系统，采用如图4所示的自动程序进行粪沟的清洗，不进行额外的手动控制等操作。粪沟清洗机现场作业情况如图5所示。

图5 粪沟清洗机作业现场Fig.5 Manure ditch cleaning machine in field operation

在粪沟清洗机作业过程中，记录清洗作业所需的耗水量、清洗时间等关键数据，并对清洗效果进行评价。试验过程中的主要参数如表3所示。

表3 清洗试验关键数据

根据试验可得，粪沟清洗机单条粪沟清洗的耗水量为870 L，清洗时间22 min。清洗效率高，用水量少。

重点对清洁率进行评估。清洁率的计算方式借鉴农业机械推广鉴定大纲DG/T 055—2019《清粪机》进行，如式(1)和式(2)所示[11]。

(1)

式中F——清洁率， %

Qi——清洗前粪沟中粪污质量，kg

Qn——清洗后粪沟中粪污质量，kg

其中

(2)

式中ρ——水泡粪粪污密度，kg/m3

L——水泡粪粪沟长度，m

W——粪沟宽度，m

hi——不同测量点粪沟中残留粪污深度，m

在本次试验中，清洗作业之前测量粪沟长度方向前中后3个位置残余的粪污深度hi，计算对应的一条粪沟清洗前的粪污质量Qi。清洗作业完成后马上对粪沟内残余粪污进行收集并称量，记录清洗后粪沟中粪污质量Qn。根据以上数据计算清洁率F。

粪沟清洗清洁率试验结果如表4所示，粪沟清洗机对粪沟的清洁率可达99%以上，起到较好的清洗效果。清洗完成后的粪污残余集中在粪沟清洗机的存放区域，随着清洗作业的进行，部分粪污会飞溅并残留在车体之上，需要后续将车体进行人工清洗干净。

表4 粪沟清洗清洁率

3 结束语

针对目前水泡粪粪沟清洗的难题，设计了一款粪沟清洗机。可以实现粪沟的自动清洗，大大提高清洗效率，节省人力，避免清洗人员进入粪沟的狭窄空间作业造成的健康安全风险。根据现场试验情况，清洗一条15 m的粪沟，清洗时间22 min，清洁率>99%，取得了较好的清洗效果，对于猪场水泡粪粪沟的清洗有重要的推广价值。