啮齿类实验动物笼盒脏垫料自动化处理系统的设计与应用

摘要：针对啮齿类实验动物笼盒脏垫料人工倾倒劳动强度大、粉尘易扩散、物料转运不连续以及过程记录缺失等问题，设计了一套集笼盒输送、自动翻转、垫料分离、负压除尘、密闭收集和运行监测于一体的自动化处理系统。系统以可编程逻辑控制器为控制核心，通过笼盒规格识别、翻转位置闭环控制、振动辅助脱料、螺旋输送防堵和过滤器压差监测，实现不同规格笼盒的连续处理。选取840个日常周转后的鼠笼盒开展性能试验，并在实验动物中心进行30 d应用观察。结果表明，系统脏垫料平均分离率为98.7%，稳定处理能力达到252个笼盒/h，操作位空气总尘质量浓度较人工倾倒方式下降78.2%；连续运行720个程序周期的完成率为99.2%，垫料压实后的体积平均减少46.5%。该系统能够降低人员与脏垫料的直接接触，改善污物处理区作业环境，并提高笼盒预处理与后续清洗环节的衔接效率，可为实验动物设施笼具后勤流程的自动化改造提供参考。

关键词：啮齿类实验动物；笼盒；脏垫料；自动化处理；负压除尘

引言

啮齿类实验动物饲养过程中需要周期性更换笼盒和垫料。使用后的木屑、玉米芯或纸质垫料通常混有粪便、尿液、毛发和饲料碎屑，具有含水率波动大、颗粒粒径不均、易结团和易扬尘等特点。传统作业多由人员逐盒开盖、翻转和敲击，再将脏垫料装袋转运。该方式设备投入较少，但处理效率受人员熟练程度影响明显，重复搬举容易造成疲劳，倾倒瞬间形成的粉尘和气溶胶还会增加职业暴露风险。若笼盒内残留垫料过多，也会加重后续清洗设备过滤系统的负荷，造成喷淋管路堵塞和清洗水更换频率上升。现有垫料回收设备多侧重负压吸送或集中收集，笼盒的上料、定位、翻转、脱料和异常剔除仍存在衔接不足。为此，本文结合小鼠笼盒和大鼠笼盒的结构差异，对脏垫料自动化处理系统进行一体化设计，并从分离效率、处理能力、粉尘控制、运行稳定性和资源消耗等方面评价应用效果，以形成适合实验动物设施日常周转的工程方案。

1 啮齿类实验动物笼盒脏垫料自动化处理系统总体设计

1.1 脏垫料处理需求与系统设计目标

系统面向常用的小鼠笼盒和大鼠笼盒，处理对象包括木屑、玉米芯及纸质垫料。不同垫料在含水率、堆积密度和黏附性方面差异较大，尿液浸润后容易在笼盒角部形成结块，干燥颗粒则会在翻转和撞击时产生粉尘。因此，系统设计不能只追求倾倒速度，还应兼顾脱料完整性、密闭性、可清洁性和后续转运安全。结合实验动物中心的笼盒周转规模，将额定处理能力确定为不低于900个笼盒/h，脏垫料分离率不低于97%，设备正常工作时保持投料腔相对负压，并使操作人员无需将手伸入翻转和输送区域。系统还需兼容两类笼盒规格，记录批次、程序、处理数量和故障信息，在堵塞、滤芯压差过高、收集箱满载或安全门开启时自动执行保护。与后续笼盒清洗设备衔接时，出料高度和输送节拍应保持一致，防止笼盒再次堆叠或落地污染。

1.2 自动化处理系统的总体结构

系统采用模块化连续处理结构，主要由上料输送单元、规格识别单元、夹持翻转单元、刮板脱料单元、负压投料舱、垫料输送单元、装袋单元、空气过滤单元和电气控制单元组成。使用后的笼盒在污染走廊完成开盖后，以开口向上的姿态放置在上料链板上，入口传感器确认笼盒到位，侧向测距装置判断规格。夹持机构将笼盒送入封闭投料舱并翻转，脱落垫料经格栅进入缓冲料斗，随后由螺旋输送机送至收集仓。翻转完成的空笼盒恢复规定姿态，从出口输送至自动清洗系统。投料舱和输送管路由负压风机维持定向气流，含尘空气经预分离和高效过滤后排出。设备与污染区墙面之间预留检修距离，接触脏垫料的零部件采用耐腐蚀不锈钢或耐磨高分子材料，料斗内壁减少水平折边和狭窄死角，以便冲洗、擦拭和定期消毒。

1.3 笼盒上料、翻转与垫料分离机构设计

上料机构采用变频链板输送方式，定位挡块限制笼盒横向移动，入口处设置高度与宽度测量传感器，以区分小鼠笼盒、大鼠笼盒及异常叠放状态。翻转机构由伺服电机、回转轴、可调夹爪和柔性衬垫构成，夹爪根据识别结果调整间距，在不挤压盒壁的前提下完成夹持。笼盒先以较低角速度翻转至120°，使松散垫料集中脱落，再转至168°并短暂停留；再对着刮板来回清刮，使角部附着物与盒底分离。翻转角度由绝对值编码器反馈，程序根据伺服转矩判断卡阻或夹持失稳。投料口格栅能够拦截金属网架、饮水瓶等误入物件，格栅下方设置可抽拉接料盘，便于处理意外掉落的小部件。所有运动部件均位于封闭舱体内，笼盒进入后入口隔离门关闭，出口隔离门在翻转机构复位后开启，避免人员接触运动区域。

2 啮齿类实验动物笼盒脏垫料自动化处理的关键技术

2.1 笼盒识别与自适应翻转控制

笼盒规格和装载姿态直接影响夹持稳定性。系统通过对射光电传感器确认笼盒前缘位置，再利用两组激光测距传感器获取宽度和高度数据，将测量结果与预设规格区间比较。若尺寸处于允许范围，夹爪移动至相应初始位置，并以低压接触笼盒侧壁；压力达到设定值后转入位置保持。翻转过程采用分段速度曲线，起始阶段平缓加速，中段快速转动，接近倾倒角度时减速制动，从而抑制垫料瞬间冲击料斗产生的扬尘。对于重量偏大或伺服转矩上升明显的笼盒，控制器判定可能存在湿结块，将最大翻转角度提高并延长振动时间。若转矩超过安全阈值，机构立即反向退回并报警。自适应控制既提高了不同规格笼盒的兼容性，也使机械动作与脏垫料状态相匹配，减少过度振动对笼盒寿命和设备结构的影响。

2.2 垫料堵塞预防与连续输送控制

脏垫料含水率不稳定，结块容易在料斗锥段、螺旋入口和弯管位置形成架桥。系统将料斗锥角设计为大于垫料自然安息角，并在两侧设置气动破拱器。当料位传感器显示物料进入而螺旋输送机电流低于正常范围时，控制器判断可能发生架桥，先短时启动破拱器，再以低速正转恢复供料；若电流突然升高，则执行短距离反转和再启动，连续两次未恢复时停机提示人工检查。螺旋输送速度与翻转节拍联动，料斗高料位出现后暂停新笼盒进入，待物料下降至低料位再恢复。格栅上方另设小型摆动刮板，将团块分散后推向有效落料区域。控制策略不依靠持续高速运行，而是根据料位、电流和处理节拍按需调节，使上料、倾倒、输送和压实保持动态平衡，既降低堵塞概率，又避免空载输送造成能耗和磨损。

2.3 粉尘扩散控制与空气净化处理

粉尘控制的关键在于源头密闭、合理捕集风速和过滤状态持续可控。系统在笼盒完全进入投料舱后才允许翻转，并使入口隔离门与翻转动作形成时序联锁。倾倒前风机先运行5 s建立负压，振动结束后继续抽风8 s，再开启出口门，以减少悬浮颗粒随笼盒带出。风机频率依据舱体负压闭环调节，能够补偿过滤器积尘和隔离门开闭引起的阻力变化。预分离器降低进入精过滤段的颗粒负荷，袋式过滤器承担主要除尘任务，末端高效过滤器作为安全屏障。维护时先执行反吹和静置程序，再从污染侧拆卸集尘组件，废滤袋直接装入密封袋，避免清灰过程形成新的暴露。设备周边地面和进风格栅应纳入日常清洁，定期测量操作位空气粉尘浓度和系统风量，防止仅凭负压显示判断除尘效果。

3 啮齿类实验动物笼盒脏垫料自动化处理系统的应用评价

3.1 应用评价指标与试验方法

性能试验在某实验动物中心污染物处理间进行，选取日常周转后的小鼠笼盒600个、大鼠笼盒240个，垫料类型包括木屑、玉米芯和纸质垫料。试验前称量各笼盒内脏垫料质量，系统处理后收集笼盒残留物并再次称量，以处理前后质量差计算分离率；处理能力按照连续稳定运行1 h内输出的合格笼盒数确定。粉尘评价在相同数量和相近污染程度条件下，对自动化系统和人工倾倒方式分别进行5组平行测试，采样点设在操作人员呼吸带高度，记录作业期间空气总尘质量浓度。运行稳定性通过30 d实际应用观察完成，累计记录720个程序周期，统计程序完成率、异常类型和恢复时间。资源消耗采用独立电能表和压缩空气流量计测量，垫料压实前后按容器有效体积计算减容率。试验笼盒均已移出动物，不涉及对活体动物的操作。

3.2 脏垫料分离效率与处理能力评价

840个笼盒处理后的脏垫料平均分离率为98.7%，其中木屑垫料为99.1%，玉米芯垫料为98.8%，纸质垫料为98.2%。纸质垫料吸水后容易在盒角形成薄层黏附，是残留率相对较高的主要原因。840个笼盒中有828个一次处理后达到无明显成团垫料的要求，一次合格率为98.6%；其余12个笼盒经湿结块程序再次翻转后合格。系统稳定处理能力为915个笼盒/h，小鼠笼盒单独运行时可达到1224个/h，大鼠笼盒因夹爪调距和翻转负荷增加，处理能力为606个/h。

3.3 作业环境粉尘控制效果评价

人工倾倒方式下，操作位空气总尘质量浓度5组测试平均值为1.42 mg/m³，笼盒敲击和袋口整理阶段出现明显峰值。使用自动化系统后，操作位平均值降至0.31 mg/m³，较人工方式下降78.2%，设备出口附近未观察到连续可见粉尘。投料舱内负压吸入风速为0.55m/S，隔离门开启时短时波动能够在6 s内恢复。试验后检查预分离器和袋式过滤器，较大颗粒主要沉积在预分离器，末端过滤器前后压差变化较小，说明分级除尘降低了精过滤段负荷。需要注意的是，自动化系统只能减少正常倾倒过程中的粉尘扩散，拆卸过滤器、清理料斗和处理破损包装袋时仍可能产生暴露。因此，维护作业必须在停机、负压抽排和粉尘沉降后进行，并根据风险配置适当的个人防护用品。

3.4 系统运行稳定性与资源消耗评价

30 d应用期间系统累计完成720个程序周期，其中714个周期按设定流程结束，程序完成率为99.2%。6次中断包括2次湿垫料架桥、1次误放网架、1次收集容器满载和2次过滤器压差预警，报警内容均与现场状态一致，平均恢复时间为6.8 min。未发生笼盒跌落、舱门误开或垫料外溢。系统平均耗电量为0.071 kW·h/个笼盒，压缩空气消耗为0.083 m³/个笼盒；风机根据负压变频运行后，相比固定频率调试状态节电约14.6%。应用数据说明设备具备连续运行条件，但湿垫料比例增加会提高破拱次数和螺旋输送负荷，运行管理中仍需按垫料类型选择程序，并及时清洁格栅和料斗。

3.5 实际应用问题及系统优化方向

系统应用中仍存在三方面不足。首先，现有规格识别主要依据外形尺寸，对变形笼盒、透明度下降笼盒和异形附件的判断能力有限，后续可增加机器视觉，对笼盒姿态、内部残留量和误放物件进行联合识别。其次，湿结块垫料的黏附程度差异较大，固定振动时间难以兼顾脱料效果与设备磨损，可结合伺服转矩、笼盒处理前后重量及图像信息建立自适应参数模型。最后，收集容器的封口和转运仍需要人工参与，应优化自动套袋、封口和容器更换机构，并与设施废弃物管理系统对接，实现任务单、重量、处置类别和交接信息的完整追溯。长期应用还应关注夹爪衬垫磨损、过滤器完整性、负压风量衰减和噪声变化，通过定期验证确认关键性能未因部件老化而下降。

结语

本文针对啮齿类实验动物笼盒脏垫料处理中的人工负荷、粉尘扩散和转运衔接问题，完成了自动化处理系统的总体方案、机械结构、除尘装置和控制逻辑设计。系统通过笼盒规格识别、分段翻转、振动辅助脱料、负压捕集、螺旋输送与密闭压实，实现了脏垫料处理过程的连续化和相对封闭化。性能试验与30 d应用结果表明，系统在分离效率、处理能力、粉尘控制和运行稳定性方面达到设计目标，并能够减轻后续清洗设备的固体颗粒负荷。实际运行中，垫料含水率、笼盒变形和过滤器状态仍是影响处理效果的重要因素。后续应进一步完善视觉识别、自适应脱料和自动封装功能，同时依据不同风险类别建立严格的消毒、转运和追溯程序，从而提升实验动物设施脏垫料处理的安全性、规范性与管理效率。

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国家重点研发计划（2022YFF0711202）