基于振动筛分技术的养殖场防疫检测设备研究

Design and experiment of the equipment for epidemic prevention and testing in farms based on vibration screening technology

摘要

目的 为解决养殖场防疫检测中传统人工取样效率低、样本杂质高、人员接触风险大的问题，提升样本采集效率与质量。 方法 将振动筛分技术引入防疫检测设备设计，明确其应用原理，完成设备模块化整体结构及核心组件创新，并配套自动化与安全防护设计，开展实地测试与案例分析。 结果 与传统人工取样相比，该设备单批次100份样本取样时间从120 min缩短至45 min，样本杂质含量下降至3%~5%，实现人员与粪便零接触，检测合格率达98%；在存栏5 000只肉羊养殖场应用中，成功排查隐性肠道病原菌感染区，减少经济损失约50万元。 结论 该设备能解决人工取样弊端，后续优化后有望扩大应用，助力畜牧业防疫体系建设。

Abstract

Objectives The efficiency and quality of collecting sample was improved to solve the problems of low efficiency of collecting sample, high impurity of sample, and high risk of personnel exposure in traditional and manual sampling during epidemic prevention and testing in farms. Methods The vibration screening technology was introduce into the design of equipment for epidemic prevention and testing. The principle of its application was clarified. The overall structure of modulate and core components of the equipment was innovated with designing automation and safety protection. The on-site testing and case analysis were conducted. Results Compared with traditional manual sampling,the time of sampling for a single batch of 100 samples using this equipment was reduced from 120 min to 45 min, reducing the impurity of the samples to 3% to 5%, achieving zero exposure between personnel and feces, with a detection pass rate of 98%. The area infected with latent intestinal pathogen was successfully identified in the farm of 5 000 mutton sheep in stock, reducing economic losses by about 500 000 yuan. Conclusions The equipment designed can solve the drawbacks of manual sampling. Its application will be expanded after optimization to assist the construction of epidemic prevention system for animal husbandry.

Graphical abstract

关键词

振动筛分技术 / 养殖场 / 防疫检测设备 / 样本采集 / 隐性肠道感染

Key words

vibration screening technology / farms / equipment for epidemic prevention and testing / sample collection / latent intestinal infection

随着我国畜牧业规模化发展加快，养殖场存栏量增加，疫病传播风险升高，不仅导致畜禽死亡和养殖经济损失，还可能威胁公共卫生安全，因此，高效精准防疫检测至关重要。

粪便样本采集作为防疫检测工作的基础环节，其效率与质量直接影响后续检测结果的可靠性。然而，传统人工取样模式存在效率低下、样本易混入杂质、操作人员与污染物直接接触风险过高等突出痛点，难以适配规模化养殖场的防疫检测需求^[1-3]。振动筛分技术凭借分离效率高、易于实现自动化控制等核心优势^[4]，将该技术引入防疫检测设备研发，有望从根源上破解传统人工取样的诸多难题。基于此，本研究将振动筛分技术引入防疫检测设备的创新设计，并在实际应用中开展对比试验，旨在有效提升粪便样本取样的效率与质量，同时降低人员接触风险。

1 材料与方法

1.1 振动筛分技术在防疫检测设备中的应用原理

振动筛分技术^[5]核心是借振动源周期性振动，使物料在筛分面产生抛掷或滑动运动，依颗粒粒度、密度、形状差异分离组分。在养殖场粪便样本采集中，可分离粪便里的病原菌载体（小粒度、密度均匀的粪便颗粒）与杂质（大粒度或密度差异大的草料、毛发等）。混合物料进入系统后，振动源（如振动电机）的激振力带动筛分面振动，物料颗粒受多力作用，小粒度有效颗粒穿过筛孔进入样本收集，大粒度杂质则留于筛分面并随振动排出。合理设计筛分面结构、振动频率、振幅等参数，能高效分离样本与杂质，为实验室提供高纯度样本。

1.2 基于振动筛分技术的养殖场防疫检测设备设计

1)设备整体结构设计。养殖场防疫检测设备采用模块化设计，含进料、振动筛分、样本收集、杂质排出、控制系统五大模块，模块间通过法兰或卡扣连接，便于装拆维护。设备长宽高尺寸1 200 mm×800 mm×1 000 mm，质量200 kg，适配养殖场栏舍间移动（图1）。工作流程：①工作人员将混合粪便倒入进料模块料斗；②送料组件把物料匀送至振动筛分模块；③该模块按优化参数运行，分离有效样本与杂质；④有效样本经导料组件入样本收集模块；⑤杂质从杂质排出模块排出；⑥全程由控制系统自动化控制监控。

2）核心组件设计。送料组件以“刮板式输送+热风辅助”解决堵塞问题，耐磨橡胶刮板与输送槽内壁间隙≤1 mm，防黏附，20°倾斜输送槽配合刮板实现10~50 kg/h可调输送；上方热风发生器输出30~40 ℃、1 m/s的热风，降低物料黏性且保护病原菌活性。振动分散件用“机械打散辊+振动分散盘”破碎结块，入口处辊面带5 mm凸起齿的打散辊，以60 r/min转速将物料破碎至粒径≤10 mm；下方锥形振动分散盘借振动与导流槽匀散物料，防筛分堆积。导料组件采用“多级导流板+缓冲仓”，防样本偏流，3级递减角度（30°、20°、10°）的导流板实现匀散，下方5 L缓冲仓通过10 g/次精度的定量出料阀送样，确保样本质量误差≤±0.5 g。取样导件按“自动分样+扫码溯源”，8路分样管道连缓冲仓，通过电磁阀独立控制每路分样管道的开关与出料量，可同时完成1~8份样本的收集作业；每份样本质量在10~50 g范围内根据检测需求调节，且误差控制在≤±0.3 g；收集容器贴二维码，扫码器自动上传信息至管理系统，实现样本溯源。

1.3 设备自动化与安全设计

1)自动化控制。以PLC（可编程逻辑控制器）为核心构建自动化控制系统，搭配触摸屏实现人机交互。参数设置与监控方面，工作人员可通过触摸屏设定振动频率、振幅等参数，系统实时显示振动电机电流、样本收集进度等运行状态，还能以指示灯和文字提示堵塞、电机过载等故障。自动调节功能上，内置的料位、振动等传感器，可在检测到物料堆积时调快送料速度或修改振动参数，振动异常时自动停机报警。数据存储与导出上，系统可存1年运行及取样数据，支持USB导出，方便养殖场统计分析防疫检测数据^[1-3]。

2)安全防护。人员安全防护上，设备外壳用不锈钢材质，表面无尖锐棱角，防划伤；振动筛分与送料模块设孔径≤5 mm的防护网罩，避免人员接触运动部件；两侧装紧急停机按钮，方便紧急时快速停机；样本收集区封闭，仅通过取样窗口取样本，减少人员与样本接触，以降低感染风险（图2）。设备安全防护上，振动电机、送料电机等关键部件设过载保护，电流超额定值1.2倍时自动断电；底部装防滑垫，防设备振动移位；电气系统按IP54防护等级做防水设计，规避潮湿环境引发的电气故障。

1.4 验证测试方法

为验证设备的实际应用效果，在某规模化肉羊养殖场（存栏量5 000 只）进行对比测试，分别采用传统人工取样方式和本设备进行粪便取样，测试指标包括取样效率、样本质量、人员安全风险，测试过程中100份样本的采集逻辑如下：采用随机抽样法，从养殖场6个饲养单元中各随机抽取17~18份样本（总计100份）；所选羊只涵盖3个年龄阶段（羔羊1~3月龄，青年羊4~12月龄，成年羊13月龄以上），包含健康羊只与临床无明显症状但疑似隐性感染的羊只，确保样本具有代表性，可反映养殖场整体防疫状况。

2 结果与分析

2.1 应用效果测试

某存栏5 000只肉羊养殖场的对比测试结果如表1所示。由表1可知，其一，取样效率显著提升，本设备单批次处理100份样本仅需45 min，较传统人工取样缩短62.5%，大幅减少取样时间；其二，样本质量大幅改善，样本杂质含量从传统的15%~25%降至3%~5%，杂质去除效果明显，样本检测合格率从75%提升至98%，，避免因样本质量导致的检测误差；其三，人员安全风险完全消除，本设备借助自动化操作实现人员与样本零接触，彻底消除病原菌感染风险，保障职业健康安全。

2.2 复杂场景适应性

该养殖场不同养殖区的粪便中草料掺杂比例差异较大，其中2号、5号养殖区因饲喂方式不同，粪便中草料比例高达30%。本设备通过调节振动筛分系统的圆杆（筛分装置支撑结构）与转轴的间隙（从5 mm 调整至8 mm），同时将振动频率提高至38 Hz、振幅调整至2.5 mm，有效适应了高草料比例的粪便样本特性，实现了高效分离，整个取样过程未出现堵塞现象，样本杂质均控制在5%以内。

2.3 劳动强度

传统人工取样需6名工作人员携带取样工具逐栏操作，连续工作2 d才能完成6个养殖区的样本采集任务，由于工作人员需长时间弯腰、接触粪便，劳动强度极大。采用本设备后，仅需2名工作人员操作（1人负责物料倒入，1人负责设备监控与样本收集），设备通过自动化送料、筛分、分样，1 d即可完成全部1 200份样本的采集任务，大幅减少了人力投入和工作时间，降低了工作人员的劳动强度。

2.4 疫病排查

通过本设备采集的样本质量稳定，实验室对100份样本进行病原菌检测时，发现1号养殖区和4号养殖区的样本中存在隐性肠道病原菌（致病性大肠杆菌）感染，感染率分别为8%和10%。养殖场立即对这2个养殖区的肉羊采取隔离治疗措施（使用敏感抗生素进行治疗），同时对养殖环境进行全面消毒（采用过氧乙酸溶液喷雾消毒），有效防止了疫病扩散。经统计，此次及时排查避免了肉羊大规模发病死亡，减少经济损失约50万元。

3 讨 论

3.1 优化物料适应性

针对含水量过高和粗纤维含量高的物料问题，从结构与参数两方面进行优化。一方面，改进送料组件与筛分装置：在送料槽内壁铺设聚四氟乙烯涂层（具有低黏性、耐磨损特性^[6]），进一步减少高含水量物料的黏附；将上层筛分网改为弹性金属网，网孔形状设计为菱形（长轴8 mm、短轴5 mm），同时在筛分网下方安装高频微型振动器（振动频率50 Hz），通过高频振动防止粗纤维缠绕，减少清理频次。另一方面，增加物料特性检测模块：在进料口安装湿度传感器和粗纤维含量检测仪，实时检测物料含水量与粗纤维含量，设备控制系统根据检测结果自动调整热风温度（含水量＞60%时，热风温度提升至45 ℃）、筛分网振动频率（粗纤维含量＞20%时，微型振动器频率提升至60 Hz），实现物料特性与设备参数的自适应匹配^[7]。

3.2 提升设备移动性

设计专用移动系统，兼顾设备稳定性与灵活性。一是在设备底部安装4个万向轮（承载能力≥100 kg/个），万向轮配备刹车装置，设备工作时锁定刹车，确保运行稳定；转移时松开刹车，工作人员可推动设备在平整路面移动，节省人力。二是针对不平整路面，在设备两侧加装可折叠式辅助支撑腿，支撑腿高度可通过液压杆调节（调节范围0~150 mm），转移过程中若遇到路面凸起或凹陷，可调节支撑腿高度，保证设备平稳移动^[8]。此外，在设备顶部安装吊环，便于借助吊车进行长距离或高空转移，满足不同场景下的移动需求。

3.3 实现全流程自动化

构建全流程自动化体系：一是增加自动转运功能^[9]，在样本收集模块下方设计传送带，传送带末端连接恒温样本箱（温度控制在4~8 ℃，符合样本保存要求），样本收集完成后，传送带自动将样本容器送入恒温样本箱，同时样本箱配备自动门锁与定位功能，便于工作人员统一转运。二是搭建数据实时传输模块，在设备控制系统中加装无线通信模块（支持4G/5G/Wi-Fi），将设备运行数据、取样记录等实时上传至养殖场防疫管理系统^[10]，实现数据的自动同步与存储；管理系统可根据数据生成取样报告与设备维护提醒，减少人工干预，提升防疫检测工作的整体效率。

参考文献

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基金资助

内蒙古自治区重点研发项目“华蒙肉羊提质选育及羊副产物高值化利用关键技术研究与应用”(NMKJXM202404)