全 文 ：第 17 卷 第 5 期
Vol. 17 No . 5
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2009 年 9 月
Sep. 2009
放牧家畜模拟践踏器研究
林慧龙
(兰州大学草地农业科技学院, 甘肃省草原生态研究所 730020)
摘要 :放牧家畜践踏在草地退化和健康维护中起主导作用而具有重要的研究意义。结合放牧家畜放牧行为和踏压
作用力分析, 采用气泵与践踏器直接连接的设计 ,研制了 手持式气动放牧家畜模拟践踏器。 手持式气动放牧家
畜模拟践踏器是一种精确模拟放牧家畜的践踏作业的手提便携式专业工具。通过压缩气体进入汽缸, 推动活塞
上下运动,模拟放牧家畜的践踏作用, 模具平台前装有活动关节可同时模拟放牧家畜践踏的 摩擦削切作用 ,由于
汽缸工作压力大小可调节, 践踏次数可计数, 从而实现对牛、马、羊等放牧家畜的践踏可调节、可计量的目的。该机
设计结构紧凑、体积小、重量轻、机动性强、手提便携、性价比高 ,特别适用于小尺度研究各种放牧家畜践踏对任意
类型草地的作用。
关键词:放牧; 践踏;模拟践踏器; 设计
中图分类号: S812; S817 文献标识码: A 文章编号: 10070435( 2009) 05063607
Study on the Hoof Impact Simulator
LIN Huilong
( C ol lege of Pastoral Ag riculture S cience and Technology, Lanzhou University/ Gan su Grass lan d
Ecological Research Inst itute, Lan zhou, Gansu Province 730020, Chin a)
Abstract: Animal t rampling is an impo rtant factor to gr assland degenerat ion and health conservat ion and
has signif icant meaning in study of the ef fects of animal g razing . Based on grazing behavior observat ions
and the hoof pressure analysis, a hoo f impact simulator connected w ith an air compr essor w as designed fo r
plo t and f ield tr ials. T he hoof impact simulato r could be a pro fessional too l to pr ecisely and accurately sim
ulate the consistent and reproducible impulse force of animal t rampling . A piston driv en by compressed air
w as used to drive the simulated hoof. A valve ex tended and r et racted the piston, w hich was equipped w ith
an animal hoo f replica mounted on a metallic, hoofshaped plate. A movable knee w as designed to r otate
through an inf inite number of orientat ions simulat ing the pivot ing movement of a w alking hoof. T he hoof
impact simulator had the oper at ional characterist ics of being lightw eight, po rtable, and relat ively inexpen
sive and met most of the design expectat ions of being simple, easy to operate, and reliable in delivering the
desired t rampling pressure. T he simulator could be applicable to study the t rampling ef fects in small scales
of dif ferent kinds o f grazing animals on any grassland types.
Key words: Grazing; T rampling; Hoo f impact simulator; Design
放牧家畜对草地的作用主要有践踏、选择采食
以及排泄 3种方式[ 1, 2]。然而,采食、排泄和践踏对
草地的影响显著不同 [ 3, 4] , 具有一定程度上的相互
独立性,可以分别调控。但纵观中外放牧研究文献,
多聚焦于家畜的选择采食或采食、排泄和践踏三者
的综合作用对草地土壤、牧草生长、种群、群落,乃至
生态系统的影响。但是一个不容忽视的事实是: 相
对于采食和排泄物的作用, 放牧家畜的践踏有时间
长、直接作用的草地组分多和效果持久的特点, 因而
对草地的影响可能更为全面和深刻, 在草地退化和
健康维护中起主导作用 [ 5~ 8]。因此, 有必要象研究
家畜采食一样,把家畜的践踏作用从践踏、采食、排
泄物三者对草地的综合作用中剥离出来, 专门研究
草地对放牧家畜践踏的综合响应,为草地生态恢复、
草地健康管理、草地改良、低践踏强度的家畜品种和
耐践踏的牧草品种选择提供理论依据 [ 6~ 12]。
收稿日期: 20090303; 修回日期: 20090830
基金项目:国家自然科学基金重点项目( 30730069)、甘肃省科技计划( 096RJZA052)资助
作者简介:林慧龙 ( 1965) ,男,辽宁沈阳人,教授,博士,主要从事草地生态学研究, Email : lin huilong @ lzu . edu. cn
第 5期 林慧龙等:放牧家畜模拟践踏器研究
尽管 Bates[ 13] 在 1935年首次系统地调查了践
踏的效应,但真正开展放牧践踏专项实验研究的先
锋工作( The pioneering w ork )是 20 世纪 50年代
末,任继周等[ 14~ 16]在我国开展的高山草原践踏试验
研究(高山草原土壤弹性试验) :利用杠杆原理,一头
配放牧绵羊体重,另一头配羊蹄作成的践踏器,模拟
放牧绵羊对草地的践踏, 这是迄今查到的最早的关
于放牧试验的模拟践踏器报道。其后相当长时期
内,国内外鲜有该领域的研究报道。
在 20世纪 70 年代, L iddle[ 17, 18] 和 Bayf ield[ 19]
在研究中强调建立践踏研究标准化试验设计的必要
性,其中用模拟践踏器规范践踏强度是标准化试验
设计的重要原则,可以使不同类型草地遭受践踏后
的响应可以相互比较。Cole 和 Bay field[ 20] 在憩息
地生态学( recreat ion ecolog y)中率先提出了践踏试
验研究的标准化试验程式, 使得该领域试验践踏
( exper imental t rampling )研究得以蓬勃开展 [ 21~ 34]。
国外最早使用的草坪运动模拟践踏器是: 装有马达
驱动,践踏部分包括起摩擦削切作用的木鞋和起穿
透撕拉作用的带钉圆滚[ 35]。而国内草坪践踏器最
具有代表性的是周保鑫和孙吉雄 [ 21]研制的草坪践
踏器。李德颖和 Warren[ 24] 用截面为椭圆形滚子安
装足球鞋钉进行运动践踏模拟, 也取得了很好的效
果。宋桂龙等[ 33] 改变过去的滚、拖组合, 以垂直
下砸和水平摩擦力同时达到或接近真实践踏强度为
出发点,在蛙式打夯机的基础上改造,研制出了电动
蛙式草坪践踏器。但憩息地生态学中试验践踏研究
的标准化试验程式实施的是人为践踏的方法, 众所
周知人的践踏与家畜的践踏有本质区别, 其大量的
试验结论也不适用于放牧草地。因此在放牧生态学
中也需要建立如同在憩息地生态学中的严格践踏试
验方法, 而研制践踏力可计量、调节, 体积小、重量
轻、便于携带,其方式和效果接近于放牧家畜在草地
上的踏压动作的放牧家畜模拟践踏器 是放牧生
态学发展中亟待解决的问题。
国外在十多年前也有沿用任继周法,模拟杂交
Merino羊践踏对草地生物结皮影响的研究[ 36] , 其
践踏器是由杂交 Merino 母羊后蹄, 掏空后灌以玻
璃纤维,附手柄,手动尽力模拟羊的践踏。由于践踏
力非可控,其缺陷也显而易见。刘海智和赵士杰 [ 37]
设计的模拟践踏器分 2部分: 第 1 部分模拟水平和
垂直方向的力, 设计一单摆并在摆锤下固定一真实
的羊蹄或用其他材料制作一模拟羊蹄; 第 2部分模
拟垂直方向上的力, 在摆锤下固定羊蹄自由落到地
面, 通过行走和站立的时间比例分配践踏的次数。
由于该模拟践踏器必须固定在庞大的支架上, 机动
性较差,操作繁琐及不可控因素过多,模拟的真实性
值得商榷,影响了该类模拟践踏器的推广使用。Di
等[ 3 8]设计了一种机械牛蹄(图 1, 2) : 将铸钢牛蹄安
置在空压机上, 通过气动, 控制践踏强度、位置、速
率、压力、周期等, 模拟放牧牛对草地的践踏。但不
可否认的是拖拉机车轮对践踏效果的干扰难以排
解,且成本和运行费用太高,加之在我国广泛分布的
高山草原也难以应用。Walker 等[ 39] 设计了轨道式
小尺度机械践踏器(图 3) :践踏器两侧装有滚轴,可
沿横、纵向角钢支架移动,角钢支架按样方实际大小
架设。但支架的可移动性较差及成本和运行费用太
高,也是该设计明显的缺陷。为此,亟待设计适合中
国国情、践踏强度可调节、践踏次数可计量、模拟方
式和效果接近于放牧家畜在草地上的踏压动作放牧
家畜模拟践踏器。
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草 地 学 报 第 17卷
图 3 轨道式小尺度机械践踏器[ 39]
F ig . 3 Mechanical t rampling dev ice on
tracks for use on small plots [ 39]
1 放牧家畜践踏力分析
家畜对草地践踏作用的生态动力, 主要是直接
的重力作用。由于各种放牧家畜均具有一定的成年
体形,且其具有遗传稳定性,因此每种放牧家畜的蹄
压强度、每蹄践踏 1 次( a hoof touches the ground
unt il the same hoo f touches the gr ound again)施加
于草地的压力也具有相对的可比性。据研究测
试[ 40] : 放牧家畜在采食、游走时对草地土壤施加的
压力,滩羊约为 0. 68 kg/ cm2 和 1 kg/ cm2 , 马约为
1. 3 kg/ cm2 和 1. 9 kg / cm2 , 牛约为 1. 5 kg/ cm2 和
2. 2 kg/ cm
2。根据放牧行为观测和运动生物力学估
计,放牧状态下家畜的蹄压强度取采食和游走时间
分布比例的加权均值(表 1)。以此作为模拟践踏器
践踏强度的设计基础。
2 手持式气压放牧家畜模拟践踏器设
计原理
模拟践踏器采用气压传动的方式, 不包括气
泵和储气罐这些气压发生装置。模拟践踏器只包含
气压传统系统中的控制元件和执行元件, 其设计原
理是:气泵产生的压缩气体储存在储气罐中,在储气
罐出口处装有压力调节控制阀。通过压力调节控制
阀控制模拟践踏器气缸工作压力。当储气罐中的压
力低于设定蹄压强度时, 没有气体输出。气阀在常
态下,根据设定蹄压强度(表 1)的压缩气体经气阀
进入汽缸下部, 推动活塞上升至顶部。汽缸上部气
体经气阀排出(图 4A)。
开动控制元件触动开关, 气阀阀芯向下(图 5
1) ,并压缩弹簧, 压缩气体从气缸上部进入,推动活
塞向下运动, 同时气缸下部气体经气阀排出(图 4
B)。活塞杆传动, 驱使装有蹄状凸起模具(牛、马、
羊等放牧家畜的蹄模具)的模具平台压向地面, 模拟
放牧家畜践踏的踏压作用;在模具平台前装有活
动关节,其在 0~ 20度范围内单向活动,可同时将踏
压作用力分解为垂直践踏力和摩擦削切力,由此完
成 1次完整地模拟践踏过程(图 6)。当触动阀芯向
下时,同时也使计数器开关动作,计数器记录践踏次
数。汽缸与阀体及气源用耐高压橡胶管联结,为凸
显设计原理的示意效果, 在图 4 中未表示。由于汽
缸工作压力依照不同放牧家畜的蹄压强度大小可调
表 1 主要放牧家畜的蹄压强度、每蹄践踏 1 次施加于草地的压力
Table 1 M ain trampling index of main g razing domestic animals
种类
Species
成年畜均体重
Unit mas s
( kg)
蹄面积
Unit hoof area
( cm2 )
蹄压强度
H oof pres sure
( kPa h oof- 1 )
每蹄践踏一次施加于草地的压力
Pressure t rampled on ce per h oof
( k Pa)
牛 Catt le[ 38] 450 90 130250 220
滩羊 T ansh eep[40] 40 14. 8 11. 541 20
马 H orse[ 39] 535 110 159297 269
牦牛 Yak [41] 550 109 158305 268
注:蹄面积是前、后蹄的平均面积,蹄压强度= 采食和游走时间分布比例的加权均值
Note: U nit h oof area= average area of f ront and back hoof , h oof pres sure= intensi ty of pressu re per hoof
节, 可分别模拟牛、马、羊等放牧家畜的践踏。操作
人员手持放牧家畜模拟践踏器模拟放牧家畜放牧行
为,则可实现模拟放牧践踏。
3 手持式气动放牧家畜模拟践踏器结构
手持式气压放牧家畜模拟践踏器由缸体、活塞、
活塞杆、上下端盖、手柄、活动关节、模具平台、气阀
等组成(图 5、7和表 2)。
缸体:上下端盖用螺杆固结在缸体上,内附橡胶
垫片起密封作用。活塞外径上装有 O 型密封圈, 30
号碳钢活塞杆与活塞相连, 受气压调控,随活塞上下
移动(图 71)。
手柄: 在手柄上装置有控制元件触动开关和计
数器开关 (图 72) , 两开关联动, 当气阀开关打开
时,开动气阀,同时开动计数开关记录践踏次数。
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第 5期 林慧龙等:放牧家畜模拟践踏器研究
图 6 踏压作用力分析示意图
F ig. 6 Schematic view of the hoo f pr essure analy sis
汽缸与阀体及气源联结方式: 汽缸与阀体之间
用胶管连接,连接方式见图 72 和图 51; 储气罐与
模拟践踏器的气阀用耐高压橡胶管连接, 目的是便
于模拟践踏器的移动和操作(图 72和图 51)。
活动关节:在模具平台前装有活动关节(图 8) ,
可在 20度范围内自动活动, 通过活动关节,可使踏
压作用力分解为垂直践踏力和摩擦削切力(图 6) ,
即同时模拟放牧家畜对草地产生的践踏和摩擦与剪
切力作用,更加接近放牧家畜践踏的踏压和摩擦
削切作用。
模具平台:模具平台与活塞杆用锥体椎孔摩擦
连接,保证传动的可靠性;蹄模具用螺钉固定在模具
平台中央。
蹄模具的制备:用目标家畜践踏石膏,足迹坑做
成母模,然后浇注以玻璃纤维与不饱和聚酯树脂调
和物,常温下固化成型,其制作工艺简单, 具耐冲击、
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草 地 学 报 第 17卷
图 7 模拟践踏器结构图
Fig. 7 General structure diagr am of the hoof impact simulator
耐磨损的优点。
操作规程: 气泵产生的压缩气体储存在储气罐
中,在储气罐出口处装有压力调节控制阀,当储气罐
中的压力低于设定压力(蹄压强度)时, 没有气体输
出。当储气罐中的压力达到设定压力 (蹄压强度)
时,操作人员手持放牧家畜模拟践踏器使蹄模具
垂直指向地面, 打开手柄上控制元件气阀开关,阀芯
压缩阀芯弹簧, 压缩气体进入践踏器汽缸上部,活塞
下压,活动关节工作,将践踏力分解为垂直践踏力和
摩擦削切力,同时模拟放牧家畜对草地产生的践踏
和摩擦与剪切力作用,实施 1次完整的模拟践踏; 释
放控制元件气阀开关,阀芯弹簧顶起阀芯,压缩气体
进入践踏器汽缸下部,活塞上升,由于模具平台及蹄
模具的重力作用,活动关节恢复初始状态,由此完成
1次完整的模拟践踏过程。操作员手持放牧家畜
模拟践踏器移动至下一目标位,如上述过程反复操
作,计数器记录践踏次数。
践踏器主要技术参数:最大行程 400 mm; 最高
践踏次数 30次/分; 质量 4. 5 kg (不含胶管)。
4 手持式气动放牧家畜模拟践踏器基
本特点
4. 1 手持式气动放牧家畜模拟践踏器是一种新型
手持式精确模拟放牧家畜践踏作业的专业工具。通
过压缩气体进入汽缸, 推动活塞上下运动,可精确模
拟放牧家畜的践踏, 由于汽缸工作压力(蹄压强度)
大小可调节, 践踏次数可计数, 由此可实现对牛、
马、羊等放牧家畜的践踏可调节、可计量。就模拟器
本体而言: 体积小、重量轻,机动灵活, 便于携带,适
用于小尺度野外实验; 蹄模具采用石膏模浇注玻璃
纤维与不饱和聚酯树脂, 具制作简单、耐冲击、耐磨
损的优点,且制作成本低廉;与气源连接方式采用高
压胶管直接与践踏器连接, 连接可靠,无泄漏,操作
方便;与国内外同类型模拟器相比, 性价比较高; 采
用气动装置,既可以简化附属设备, 减轻劳动强度,
又可提高践踏效率;便于操作,只需对操作人员进行
数分钟培训即可独立操作。
4. 2 研制的模拟践踏器的践踏效果与实际家畜践
踏的对比评价,限于篇幅, 在此不再赘述, 已另文发
表[ 1 1] ,实验结论是: 模拟践踏器的践踏效果与实际
家畜践踏的具有同质性 [ 11]。
4. 3 模具平台前装有活动关节, 属原始创新性设
计,其作用是可同时模拟放牧家畜的踏 压和摩擦
削切作用, 由此可真实模拟放牧家畜对草地的反复
践踏。因此, 用它模拟放牧家畜对草地的践踏, 可
以评价在同等强度下不同草地类型的耐践踏性能,
从而简化了复杂的草地耐践踏性的测定, 使践踏实
施具有一致性和可重复性。
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第 5期 林慧龙等:放牧家畜模拟践踏器研究
表 2 手持式气压放牧家畜模拟践踏器零件表
Table 2 Pa rt list of the hoof impact simulator o f handset and compressed air dr iv en
件号 No. 零件名称
Name of the part
材质
Material
单位
Un it
数量
Amount
备注
Rem ark
1 上端盖 H ead cover 铸铝 Alum inum cast ing 件 Piece 1
2 垫 Gask et 耐油橡胶 oil resistant ru bber 件 Piece 2
3 汽缸体 Cylinder body 30号碳钢 30# carbon steel 件 Piece 1
4 O型密封圈 Oshape sealing ring 耐油橡胶 Oil resistant ru bber 件 Piece 2 标准件 Standard Un it
5 螺母 Nut 件 Piece 1 标准件 M18 Stan dard Unit M18
6 活塞 Piston 30号碳钢 30# carbon steel 件 Piece 1
7 活塞杆 Piston rod 30号碳钢 30# carbon steel 件 Piece 1
8 螺杆 S crew 件 Piece 4 M5
9 平垫 Pad 件 Piece 8 标准件 Standard Un it
10 弹簧垫 Spring pad 件 Piece 8 标准件 Standard Un it
11 手柄 H andle 铸铝 Alum inum cast ing 件 Piece 1
12
O 型密封圈
Osh ape s ealing ring 耐油橡胶 Oil resistant ru bber 件 Piece 1 标准件 Standard Un it
13 下端盖 E nd cover 铸铝 Alum inum cast ing 件 Piece 1
14 模具平台 H oof plate 铸铁 Cast iron 件 Piece 1
15 半圆头螺钉 Cup head screw 件 Piece 4 标准件 M4 Standard Un it M4
16 六角头螺钉 T ap bolt 件 Piece 1 标准件 M6 Standard Un it M6
17 销 Peg 30号碳钢 30# carbon steel 件 Piece 1
18
气阀控制杆
Flow cont rol valve rod
低碳钢薄板 MildSteel Sheet 件 Piece 1
19
计数器开关
C oun ter sw itching
件 Piece 1 标准件 Standard Un it
20 气阀体 Valve body 30号碳钢 30# carbon steel 件 Piece 1
21 阀芯 Valve core 30号碳钢 30# carbon steel 件 Piece 1
22 接头 J oin t 黄铜 Brass 件 Piece 5
23 垫 Gask et 四氟板 Teflon sheet 件 Piece 5
24 弹簧 Spring 件 Piece 1 标准件 Standard Un it
25 弹簧座 Spring seat 30号碳钢 30# carbon steel 件 Piece 1
26 套 Press kit 30号碳钢 30# carbon steel 件 Piece 1
27 螺钉 Bolt 件 Piece 6 标准件 Standard Un it
28 盖 C over 30号碳钢 30# carbon steel 件 Piece 1
29 轴 In termediate shaf t 30号碳钢 30# carbon steel 件 Piece 1
30 销轴 Pin roll 30号碳钢 30# carbon steel 件 Piece 1
图 8 活动关节示意图[ 42]
Fig . 8 Schematic v iew o f the movable knee[ 42]
4. 4 适用范围: 模拟器通过更换模具平台上的模
具,即牛、羊、鹿等的蹄模具,且依据表 1蹄压强度调
控气压,来实现有蹄类动物对草地的践踏。对于单
一种群或混合种群水平上的践踏,可参照林慧龙等[ 6]
提出的计算标准和方法, 转化为模拟器的蹄压强度
和践踏次数实施。因此, 适用于任何种放牧家畜对
任意类型草地的践踏作用。
4. 5 特别需要补充说明的是:由于家畜蹄压强度有
限,所以踏压作用力亦有限,活动关节对踏压作用力
分解的垂直践踏压力也会减小, 减小的垂直践踏压
力所产生的反作用力也就有限。因此, 本设计是在
操作人员手持可以完全抵消上述反作用力的前提
下设计的。
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(责任编辑 才 杰)
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