第38卷 第1期 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) Vol 38 No 1 12 2022年 1月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Jan 2022 平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)關(guān)鍵裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 王明友1 3 宋衛(wèi)東1 周德歡1 解文強(qiáng)2 孫玉利3 王教領(lǐng)1 丁天航1 1 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所 南京 210014 2 唐山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 唐山 063000 3 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院 南京 210016 摘 要 針對(duì)當(dāng)前平菇菌棒生產(chǎn)中的裝料 接種單機(jī)作業(yè)效率低 穩(wěn)定性差 用工多等難題 該研究結(jié)合平菇栽培料誘導(dǎo) 滅菌發(fā)酵工藝與中心孔接種工藝 設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)玉米芯顆粒菌種的平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī) 整機(jī)主要由裝料裝置 窩口裝置和接種裝置等組成 首先根據(jù)菌棒制作中的裝料量與接種量要求對(duì)整機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì) 確定裝料絞龍 窩 口槽型凸輪和接種凸輪等零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù) 然后以絞龍轉(zhuǎn)速 絞龍直徑和絞龍螺距為影響因素 裝料生產(chǎn)率和裝料密度 為響應(yīng)指標(biāo) 通過響應(yīng)曲面方法分析各因素交互作用影響 對(duì)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化 得出平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī) 裝料質(zhì)量的最優(yōu)組合為 絞龍轉(zhuǎn)速191 94 r min 絞龍直徑133 22 mm 絞龍螺距100 00 mm 此時(shí) 裝料生產(chǎn)率723袋 h 裝料密度537 27 kg m3 對(duì)優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證 測(cè)得生產(chǎn)率為726袋 h 裝料密度為536 25 kg m3 與優(yōu)化值相對(duì)誤 差分別為0 42 和0 19 同時(shí) 測(cè)得接種電機(jī)轉(zhuǎn)速在120 r min時(shí)的接種量為132 33 g 接種變異系數(shù)為1 19 滿足發(fā) 酵料中心孔菌種量不少于裝料量5 的生產(chǎn)要求 接種裝置的平均接種深度為242 5 mm 接種深度的變異系數(shù)為1 05 與單機(jī)菌棒制作設(shè)備相比 平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)生產(chǎn)率提高3倍 時(shí)間縮短2 4 倍 人數(shù)減少4人 節(jié)省2道作 業(yè)工序 滿足北方地區(qū)平菇發(fā)酵料機(jī)械化生產(chǎn)對(duì)裝備的需求 關(guān)鍵詞 設(shè)計(jì) 試驗(yàn) 平菇 裝料 接種 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 01 002 中圖分類號(hào) S233 74 S646 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1002 6819 2022 01 0012 10 王明友 宋衛(wèi)東 周德歡 等 平菇發(fā)酵料裝料接種關(guān)鍵裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2022 38 1 12 21 doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 01 002 http www tcsae org Wang Mingyou Song Weidong Zhou Dehuan et al Design and experiment of the key components of charging and inoculating integrated machine for Pleurotus ostreatus J Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Transactions of the CSAE 2022 38 1 12 21 in Chinese with English abstract doi 10 11975 j issn 1002 6819 2022 01 002 http www tcsae org 0 引 言 平菇 Pleurotus ostreatus 是世界上栽培最廣泛的食 用菌之一 1 全球產(chǎn)量一直處于持續(xù)快速增長(zhǎng)中 2 中國(guó) 自 1930 年開始栽培 現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)栽培范圍最廣 栽 培量最大的食用菌品種 據(jù)中國(guó)食用菌協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì) 2020 年平菇產(chǎn)量為686 47萬噸 占食用菌總產(chǎn)量的17 45 為全國(guó)第三大栽培品種 3 目前 國(guó)內(nèi)平菇生產(chǎn)主要有3 種栽培料模式 生料 熟料和發(fā)酵料 與生料和熟料相 比 發(fā)酵料因其低成本 工藝簡(jiǎn)單 效益高等優(yōu)點(diǎn)廣泛 應(yīng)用 同時(shí) 發(fā)酵料栽培可采用開放式接種 無需對(duì)接 種環(huán)境進(jìn)行消毒凈化處理 極大簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝 利于 機(jī)械化作業(yè) 該技術(shù)現(xiàn)已在河南 山東 河北等地被廣 泛應(yīng)用 平菇發(fā)酵料栽培中常用的菌種形式有枝條菌種 收稿日期 2021 11 03 修訂日期 2021 12 23 基金項(xiàng)目 財(cái)政部和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系資助 CARS 20 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 蔬菜優(yōu)質(zhì)輕簡(jiǎn)高效生產(chǎn)技術(shù)集成與示范 2020YFD1000300 中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi) S202108 02 作者簡(jiǎn)介 王明友 博士生 副研究員 研究方向?yàn)槭秤镁a(chǎn)與加工技術(shù) 裝備 Email wmyss 通信作者 宋衛(wèi)東 研究員 研究方向?yàn)槭秤镁a(chǎn)加工技術(shù)裝備 Email songwd 液體菌種和顆粒菌種共三種 其中枝條菌種因制作繁瑣 不易機(jī)械化 現(xiàn)主要在平菇家庭栽培中使用 液體菌種 因生產(chǎn) 保存條件高 操作復(fù)雜 適于在規(guī)模化的工廠 企業(yè)中應(yīng)用 顆粒菌種制作工藝與平菇栽培工藝相符 制作過程便于機(jī)械化作業(yè) 且接種后可覆蓋發(fā)酵料 具 有防止接種口處的發(fā)酵料感染雜菌的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì) 同時(shí) 發(fā)酵料栽培平菇的生產(chǎn)工藝具有制棒時(shí)間短 干物質(zhì)損 耗少和菌棒成功率高等特點(diǎn) 產(chǎn)量和生物學(xué)效率均優(yōu)于 平菇短時(shí)高溫滅菌 4 生產(chǎn)工藝 現(xiàn)已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)平菇生 產(chǎn)常用的菌種形式 5 雖然國(guó)內(nèi)食用菌工廠化瓶栽模式已實(shí)現(xiàn)從栽培料 制備 裝瓶 滅菌 接種 培養(yǎng) 出菇到采收等生產(chǎn)環(huán) 節(jié)的機(jī)械化 自動(dòng)化作業(yè) 6 但具有中國(guó)傳統(tǒng)特色的木 腐菌袋栽模式尚未實(shí)現(xiàn)全過程的機(jī)械化生產(chǎn) 尤其是在 木腐菌培養(yǎng)料制備后的裝料與接種工序中仍以單機(jī)作 業(yè)為主 7 9 當(dāng)前 國(guó)內(nèi)發(fā)酵料栽培平菇中的菌棒制作設(shè) 備主要以單工序作業(yè)的裝料機(jī)或接種機(jī)為主 10 12 對(duì)平 菇發(fā)酵料裝料后直接接種顆粒菌種的一體化設(shè)備的研究 尚處于空白階段 筆者此前設(shè)計(jì)的菌袋裝料窩口插棒一 體機(jī)與裝袋機(jī) 窩口機(jī)或插棒機(jī)等單機(jī)相比 菌棒 指 完成裝料 窩口 插棒等所有工序 制作時(shí)間縮短近4 倍 作業(yè)人數(shù)減少4人 節(jié)省作業(yè)工序2道 極大提升 第1期 王明友等 平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)關(guān)鍵裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 13 了菌棒的制作效率 本文針對(duì)平菇發(fā)酵料誘導(dǎo)滅菌后的裝料工序與接種 工序的一體化作業(yè)要求 結(jié)合唐山市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院彭 學(xué)文等 13 14 發(fā)明的平菇發(fā)酵料誘導(dǎo)滅菌栽培工藝與中心 孔接種工藝 設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)玉米芯顆粒菌種的平菇發(fā) 酵料裝料接種一體機(jī) 以實(shí)現(xiàn)一次作業(yè)完成發(fā)酵料的裝 料 窩口 接種等工序 為北方地區(qū)的平菇發(fā)酵料裝料 中心孔接種的栽培工藝提供技術(shù)裝備支撐 1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理 1 1 整機(jī)結(jié)構(gòu) 平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)主要由機(jī)架 裝料裝置 抱筒裝置 推袋裝置 窩口裝置 接種裝置與動(dòng)力系統(tǒng) 和控制系統(tǒng)等組成 如圖1所示 裝料裝置 抱筒裝置 和推袋裝置為固定在機(jī)架上完成裝料 抱袋和推袋作業(yè) 窩口裝置和接種裝置由同一電機(jī)帶動(dòng)槽型凸輪和凸輪轉(zhuǎn) 動(dòng)實(shí)現(xiàn)同步升降 完成周期行程內(nèi)的窩口和接種作業(yè) 且窩口桿與接種桿在軌道內(nèi)的間距為料袋中心孔的整數(shù) 倍 以防料袋中心孔處的窩心與接種發(fā)生錯(cuò)位 造成菌 種偏離中心孔 1 裝料電機(jī) 2 機(jī)架 3 推袋連桿 4 下抱筒 5 推袋弧形板 6 窩口輪 7 軌道 8 菌種箱 9 接種管 10 壓種桿 11 攪拌軸 12 接種桿 13 窩口 連桿 14 接種連桿 15 凸輪 16 槽型凸輪 17 升降電機(jī) 18 接種變速箱 19 接種電機(jī) 20 種箱連桿 21 推桿連桿 22 窩口推桿 23 窩口電機(jī) 24 上抱筒 25 套筒 26 料箱 27 抱筒與推袋電機(jī) 28 裝料撥叉 1 Charging motor 2 Frame 3 Push bag connecting rod 4 Lower holding cylinder 5 Push bag device 6 Socket wheel 7 Track 8 Bacteria box 9 Inoculating tube 10 Seed pressing rod 11 Mixing shaft 12 Inoculating rod 13 Socket connecting rod 14 Inoculating connecting rod 15 Cam 16 Groove cam 17 Lifting motor 18 Inoculating gearbox 19 Inoculating motor 20 Seed box connecting rod 21 Push rod connecting rod 22 Socket putter 23 Machine 24 Upper holding cylinder 25 Sleeve 26 Material box 27 Holding cylinder and bag pushing motor 28 Loading fork 圖1 平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 1 Structure diagram of charging and inoculation integrated machine for Pleurotus ostreatus 1 2 工作原理 工作時(shí) 料倉內(nèi)裝滿平菇生產(chǎn)所需的發(fā)酵料 人工 套袋后觸碰裝料開關(guān) 上 下抱筒瞬間移位并在滑輪及 支撐架的作用下抱緊菌袋 此時(shí) 下抱筒推動(dòng)裝料撥叉 連接套筒內(nèi)絞龍軸旋轉(zhuǎn) 將料倉內(nèi)的發(fā)酵料推送至菌袋 內(nèi) 完成裝料 并通過裝料離合器撥叉的結(jié)合控制菌袋 裝料長(zhǎng)度 料袋隨抱筒退至初始位置后 因自重致下抱 筒張開落袋 此時(shí)抱筒裝置帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)推袋裝置 將料袋移位至軌道內(nèi)的窩口裝置下方 升降電機(jī)連接槽 型凸輪帶動(dòng)窩口裝置下行 旋轉(zhuǎn)的4組窩口輪下移至料 袋發(fā)酵料面處進(jìn)行窩口 窩口后菌袋頂部褶皺均勻 窩 心無漏袋 此時(shí) 凸輪輥軸連接的推桿將料袋窩心處的 菌袋推入袋內(nèi)中心孔內(nèi) 防止松袋 同時(shí) 升降電機(jī)同 步連接凸輪帶動(dòng)接種裝置整體下行 下行過程中 接種 電機(jī)通過連桿帶動(dòng)接種桿將接種管內(nèi)的顆粒菌種推入料 袋中心孔內(nèi) 完成接種 平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)主 要技術(shù)參數(shù)如表1所示 表1 平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)的主要參數(shù) Table 1 Main parameters of charging and inoculation integrated machine for Pleurotus ostreatus 參數(shù) Parameters 值Values 外形尺寸 Overall dimension mm 2 400 650 1 420 配套動(dòng)力 Matched power kW 6 2 生產(chǎn)率 Productivity bag h 1 700 裝料長(zhǎng)度 Length of material charging mm 300 330 裝料密度 Density of material charging kg m 3 500 每袋裝料質(zhì)量 Mass of the material charging per bag kg 2 3 2 5 每袋接種量 Inoculation amount per bag g 120 140 接種深度 Inoculation depth mm 220 250 2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì) 2 1 裝料絞龍軸設(shè)計(jì) 不同地區(qū)的平菇栽培工藝不同 對(duì)菌袋的裝料要求 也不同 15 裝料作為平菇發(fā)酵料菌棒生產(chǎn)第一道作業(yè)工 序 其裝料長(zhǎng)度和緊實(shí)度均影響平菇生產(chǎn)成本和后期的 出菇產(chǎn)量與質(zhì)量 因此 裝料裝置在實(shí)現(xiàn)發(fā)酵料高效 均勻 定量裝袋的同時(shí) 還需滿足裝料長(zhǎng)度和緊實(shí)度可 調(diào)以適應(yīng)當(dāng)?shù)卦耘喙に囈?裝料裝置主要由4 kW的裝 料電機(jī) 0 55 kW的抱筒減速機(jī) 直徑150 mm與長(zhǎng)度 500 mm的套筒 大徑 140 mm 小徑 40mm的攪龍軸 上下抱筒 裝料撥叉及固定在上抱筒前端的長(zhǎng)度定位栓 和固定在下抱筒前端的裝料栓等組成 通過上料裝置將發(fā)酵料提升送至料箱內(nèi) 并通過料 箱內(nèi)的絞龍將發(fā)酵料定量裝入菌袋內(nèi) 絞龍軸旋轉(zhuǎn)速度 顯著影響裝料質(zhì)量 16 19 過快易形成菌袋漲袋產(chǎn)生微孔 或破袋 空氣中雜菌進(jìn)入菌袋內(nèi)造成污染 過慢易造成 菌袋緊實(shí)度不夠 影響發(fā)酵料后續(xù)持水性 造成平菇產(chǎn) 量與質(zhì)量下降 因此 需對(duì)絞龍軸結(jié)構(gòu)參數(shù)與轉(zhuǎn)速進(jìn)行 設(shè)計(jì) 本機(jī)為絞龍水平輸送 物料為含水率65 的粉狀 顆粒度發(fā)酵料 直徑為4 mm 絞龍軸輸送器的物料輸送 量為單位時(shí)間內(nèi)絞龍葉片輸出的物料 如圖2所示 輸 送量表示為 dd fAQ K A 1 式中Q為發(fā)酵料輸送量 t h Kd為發(fā)酵料在套筒內(nèi)的充 滿系數(shù) 查表按木屑取值為1 為物料在套筒內(nèi)的密度 根據(jù)黃千惠 20 對(duì)平菇高產(chǎn)栽培技術(shù)要求研究 平菇裝料 密度應(yīng)在450 500 kg m3 以平菇常規(guī)栽培方式 菌袋 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022年 14 220 mm 450 mm 裝料后料高為300 mm 質(zhì)量2 42 kg 為主 21 計(jì)算得520 kg m3 f為發(fā)酵料實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度 m s 如圖3所示 A為絞龍軸輸送器內(nèi)發(fā)酵料流的截面 積 m2 忽略葉片厚度時(shí) dA rdrd 注 d為絞龍軸徑 mm D為絞龍外徑 mm r為絞龍葉片任意一點(diǎn)所在 的圓周半徑 mm d 為葉片時(shí)間內(nèi)的圓心角 dr為葉片時(shí)間內(nèi)的半徑 差 mm Note d is the diameter of the auger shaft mm D is the outer diameter of the auger mm r is the radius of the circle at any point of the auger blade mm d is the central angle within the blade time dr is the diameter change within the blade time mm 圖2 絞龍截面微分圖 Fig 2 Differential schematic diagram of auger cross section 由于葉片在旋轉(zhuǎn)中推動(dòng)物料的摩擦作用 其輸送速 度受摩擦角的影響 因此發(fā)酵料實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度如下 60nS 2 cos 60 cosa nS 3 cos cos 60 cosa nS 4 2cos 60 cos 1 tan f nS f 5 式中v為物料理想速度 m s va為物料絕對(duì)運(yùn)動(dòng) m s 為考慮摩擦后葉片推動(dòng)物料的速度 m s n為轉(zhuǎn)速 r min S為螺距 mm f 為物料與螺旋葉片間的摩擦系 數(shù) 查表取f 1 為螺旋葉片升角 為螺旋葉片 與物料的摩擦角 注 S為絞龍螺距 mm a為發(fā)酵料的絕對(duì)速度 m s 1 為物料理想速度 m s 1 rw為發(fā)酵料的圓周速度 m s 1 f為物料實(shí)際速度 m s 1 為考慮 摩擦后葉片推動(dòng)物料速度 m s 1 為螺旋葉片升角 為螺旋葉片與 物料的摩擦角 d為絞龍軸徑 mm D為絞龍外徑 mm 為絞龍外 徑與套筒內(nèi)徑的距離 設(shè)計(jì)值為3 mm t為套筒壁厚 設(shè)計(jì)值為2 mm Note S is the screw pitch of the auger mm v a is the absolute velocity of the material m s 1 v is the ideal speed of the material m s r w is the circumferential speed of the fermented material m s 1 f is the actual speed of the material m s is the velocity that the blade pushes the material after considering the friction m s 1 is the lift angle of the helical blade is the friction angle between the helical blade and the material d is the diameter of the auger shaft mm D is the outer diameter of the auger mm is the distance between the outer diameter of the screw auger and the inner diameter of the sleeve with a design value of 3 mm t is the wall thickness of the sleeve with a design value of 2 mm 圖3 絞龍軸輸送速度分析 Fig 4 Analysis of the conveying speed of the auger shaft 將式 5 代入式 1 中得 2 2 22 2 2 3 2 2 2 1 1 2 3 ln 240 2 2 tan tan D SS D d S d SnQ D dfS D d fS S S 6 由式 6 可知 在填充系數(shù)Kd固定的前提下 絞龍 軸輸送量Q與料袋密度 絞龍轉(zhuǎn)速n呈正相關(guān)性 參照螺旋輸送器設(shè)計(jì)理論 22 24 結(jié)合套筒內(nèi)絞龍軸 輸送發(fā)酵料的實(shí)際工作條件 計(jì)算絞龍軸大徑 螺距 轉(zhuǎn)速等關(guān)鍵參數(shù)為 2 5min a d QD K K 7 0 7S D 8 min247 d Qn D S K 9 式中Ka發(fā)酵料綜合特性系數(shù) 查表取Ka 0 08 Qmin為 最小物料輸送量 設(shè)備按照每小時(shí)最低生產(chǎn)率700袋 每袋質(zhì)量為2 42 kg 計(jì)算為1 7 t h 為水平輸送系數(shù) 取值1 由式 7 計(jì)算得絞龍軸外徑D 130 mm 為防 止絞龍外徑與套筒間隙過大 造成輸送量下降 取標(biāo)準(zhǔn) 直徑140 mm 則螺距S 0 7D 98 mm 取整數(shù)為100 mm 由式 9 計(jì)算得絞龍輸送器轉(zhuǎn)速n 177 r min 如轉(zhuǎn)速 過大 易造成漲袋或破袋 因此本研究取絞龍軸轉(zhuǎn)速n 設(shè) 計(jì)在180 210 r min 2 2 窩口槽型凸輪設(shè)計(jì) 為使裝料后的發(fā)酵料不被外界雜菌污染 需將料袋 上部未裝料部分的菌袋旋轉(zhuǎn)窩緊 并將旋窩后的菌袋推 送至中心孔內(nèi) 防止松袋 菌袋窩口如圖4所示 升降 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)槽型凸輪旋轉(zhuǎn)推動(dòng)窩口連桿下行 此時(shí)旋 轉(zhuǎn)的4組窩口輪下行收縮 完成頂部料袋的旋轉(zhuǎn)窩緊 同時(shí) 槽型凸輪中與輥軸連接的推桿連桿下行 帶動(dòng)窩 口推桿將窩口處的窩旋菌袋推至窩心處 以防菌袋松散 1 升降電機(jī) 2 凸輪滾子 3 槽型凸輪 4 窩輪連桿 5 窩口桿 6 窩口撥叉 7 窩口輪 8 窩口電機(jī) 9 窩口推桿 10 窩口導(dǎo)軌 11 推桿連桿 1 Lifting motor 2 Cam roller 3 Groove cam 4 Socket connecting 5 Socket rod 6 Socket fork 7 Socket wheel 8 Socket motor 9 Socket push rod 10 Socket Slider 11 Push rod connecting rod 圖4 窩口結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 4 Structure diagram of socket forming 凸輪輪廓曲線決定了從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 25 27 窩口 過程中 窩輪連桿與推桿連桿的先后運(yùn)動(dòng)順序取決于槽 型凸輪結(jié)構(gòu) 為使槽型凸輪傳動(dòng)平緩 減少窩口輪與窩 第1期 王明友等 平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)關(guān)鍵裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 15 口推桿運(yùn)動(dòng)中的沖擊作業(yè) 選擇余弦曲線作為凸輪運(yùn)動(dòng) 曲線 同時(shí) 為保證料袋窩口動(dòng)作的連續(xù)性 要求窩輪 連桿與推桿連桿在極限位置停留時(shí)間短 且推桿連桿延 時(shí)窩輪連桿 以保證料袋先窩口后推袋 窩口桿與窩口 推桿位移變化規(guī)律如圖5所示 設(shè)計(jì)的槽型凸輪結(jié)構(gòu)曲 線應(yīng)能滿足窩口桿與窩口推桿平穩(wěn)上下移動(dòng) 根據(jù)菌袋 先窩后推的作業(yè)要求 要求窩輪連桿在極限位置停留時(shí) 間為運(yùn)動(dòng)時(shí)間的1 2 以保證窩口緊實(shí) 得到槽型凸輪外 廓遠(yuǎn)休止角 近休止角均 3 根據(jù)升降電機(jī)輸出軸直徑 設(shè)定槽型凸輪基圓半徑為50 mm 根據(jù)窩口輪與料袋上 部的距離 得到槽型凸輪外廓行程為200 mm 同時(shí) 窩 口推桿與槽型凸輪內(nèi)廓的輥軸連接 根據(jù)窩口桿回程時(shí) 對(duì)窩口推桿的位置要求 窩口推桿應(yīng)到料袋窩心處進(jìn)行 推袋 且窩口桿與窩口推桿應(yīng)同步到達(dá)遠(yuǎn)休止角 因此 得到槽型凸輪的內(nèi)廓近休止角 遠(yuǎn)休止角 9 根據(jù)窩 口推桿將菌袋推送至中心孔200 mm內(nèi) 得到槽型凸輪內(nèi) 廓行程為350 mm 槽型凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示 注 h1為窩輪連桿行程 mm h2為推桿連桿行程 mm Note h 1 is the travel of the socket connecting rod mm h2 is the travel of the push rod connecting rod mm 圖5 窩口桿 窩口推桿位移變化圖 Fig 5 The displacement change diagram of the socket rod and socket push rod 表2 槽型凸輪設(shè)計(jì)參數(shù) Table 2 Design parameters of grooved cam 參數(shù)Parameters 外廓值 Outline value 內(nèi)廓值 Inner value 基圓半徑 Base circle radius mm 50 50 偏心距 Eccentricity mm 0 0 行程 Journey mm 200 350 推程運(yùn)動(dòng)角 Push angle rad 2 3 4 9 遠(yuǎn)休止角 Far angle of repose rad 3 9 回程運(yùn)動(dòng)角 Return movement angle rad 2 3 4 9 近休止角 Near angle of repose rad 3 2 3 接種凸輪設(shè)計(jì) 接種是將接種箱內(nèi)的顆粒菌種接入窩口后的料袋中 心孔內(nèi) 28 29 并通過接種桿的接種次數(shù)與凸輪結(jié)構(gòu)控制 料袋內(nèi)的菌種接種量與接種深度 攪拌桿底端安裝攪拌 輪 旋轉(zhuǎn)攪拌將接種箱內(nèi)的菌種撥入側(cè)開口的菌種管內(nèi) 接種管內(nèi)裝有接種桿 通過接種桿的上下移動(dòng)將接種管 內(nèi)的菌種推至料袋中心孔內(nèi) 工作時(shí) 升降電機(jī)帶動(dòng)凸 輪旋轉(zhuǎn) 帶動(dòng)接種裝置沿接種導(dǎo)軌整體下行 接種管到 達(dá)最低位置時(shí) 接種管底端距料袋底部50 mm 接種 電機(jī)開啟 在接種裝置上升過程中 接種電機(jī)帶動(dòng)接種 連桿將接種箱內(nèi)經(jīng)攪拌輪撥入接種管內(nèi)的顆粒菌種推送 至料袋中心孔內(nèi) 并在凸輪歸位時(shí)間內(nèi)完成接種 接種 裝置位移變化規(guī)律如圖6所示 接種工作過程中 為減小摩擦阻力 提高連桿的傳 動(dòng)性能 采用對(duì)心直動(dòng)滾子推桿盤型凸輪結(jié)構(gòu) 以確保 下降連桿與凸輪的接觸為滾動(dòng)接觸 同時(shí) 為保證菌袋 內(nèi)菌種接種量 要求接種裝置整體升降的速度 加速度 曲線變化無突變 在極限位置停留時(shí)間短 且接種裝置 推程時(shí)間為回程時(shí)間的3 7 得到凸輪遠(yuǎn)休止角 近休止 角均為 6 推程運(yùn)動(dòng)角為 2 回程運(yùn)動(dòng)角為7 6 根 據(jù)菌種需接入菌袋最深度處 得到凸輪行程為300 mm 凸輪設(shè)計(jì)參數(shù)如表3所示 表3 凸輪設(shè)計(jì)參數(shù) Table 3 Cam design parameters 參數(shù)Parameters 值 Value 基圓半徑 Base circle radius mm 100 偏心距 Eccentricity mm 0 行程 Journey mm 300 推程運(yùn)動(dòng)角 Push angle rad 2 遠(yuǎn)休止角 Far angle of repose rad 6 回程運(yùn)動(dòng)角 Return movement angle rad 7 6 近休止角 Near angle of repose rad 6 圖6 接種裝置位移變化圖 Fig 6 Displacement change diagram of inoculation device 基于反轉(zhuǎn)法原理 27 29 使用Matlab進(jìn)行數(shù)值迭代 通過接種裝置的位移變化確定凸輪機(jī)構(gòu)的輪廓結(jié)構(gòu)為如 圖7所示 注 A0為滾子最高點(diǎn)位置 Ai為滾子最低點(diǎn)位置 H0位滾子在最高點(diǎn)時(shí)與 凸輪的接觸點(diǎn) Hi為滾子在最低點(diǎn)時(shí)與凸輪的接觸點(diǎn) 0為滾子最低點(diǎn)時(shí)對(duì) 應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角 i為滾子最高點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)的凸輪轉(zhuǎn)角 為升降電機(jī) 角速度 rad s 1 為基圓 為凸輪輪廓 Note A 0 is the position of the lowest point of the roller Ai is the position of the highest point of the roller H 0 is the contact point of the roller with the cam when the roller is at the lowest point H i is the contact point of the roller with the cam when the roller is at the highest point 0 is the roller The corresponding cam angle at the lowest point i is the corresponding cam angle at the highest point of the roller is the angular velocity of the lifting motor rad s 1 is the base circle is the cam profile 圖7 凸輪輪廓線反轉(zhuǎn)法求解示意圖 Fig 7 Schematic diagram of solution of cam profile by reversal method 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) http www tcsae org 2022年 16 3 性能試驗(yàn) 3 1 試驗(yàn)條件 為驗(yàn)證平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)的裝料與接種性 能 試驗(yàn)分別于2020年8月和2021年4月在唐山市農(nóng) 業(yè)科學(xué)院食用菌生產(chǎn)基地內(nèi)進(jìn)行 試驗(yàn)用栽培料為河北 唐山地區(qū)平菇常用配方培養(yǎng)料經(jīng)堆制后形成的發(fā)酵料 發(fā)酵料含水率為65 菌種為過篩處理后的玉米芯顆粒 菌種 直徑在20 30 mm之間 菌袋為220 mm 45 mm 的聚乙烯袋 其他輔助工具有轉(zhuǎn)速儀 型號(hào) Fluke 931 精度 0 02 電子秤 中國(guó)上海立晨?jī)x器技術(shù)有限公 司產(chǎn) 型號(hào) YP300001D 量程0 30 kg 精度0 1 g 游標(biāo)卡尺和秒表等設(shè)備 3 2 試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo) 按照GB T 5667 2008農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法對(duì)平 菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試 以裝料生產(chǎn)率 裝料密度 裝料量變異系數(shù) 接種量 接種量變異系數(shù) 為性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 同時(shí) 觀察裝料后菌袋的窩口松緊性 以防窩口不牢造成外界雜菌的污染 每次試驗(yàn)重復(fù)3次 結(jié)果取平均值 3 2 1 試驗(yàn)因素及設(shè)計(jì) 為得到平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)最佳的裝料生產(chǎn) 率與平菇生長(zhǎng)最優(yōu)的裝料密度 需對(duì)平菇發(fā)酵料裝料接 種一體機(jī)中的絞龍轉(zhuǎn)速n 絞龍螺距s 絞龍直徑D進(jìn)行 合理組合 進(jìn)而得到穩(wěn)定的裝料質(zhì)量 通過裝料絞龍量 計(jì)算分析可知 絞龍轉(zhuǎn)速越快 越利于發(fā)酵料輸送 進(jìn) 而菌袋裝料量越大 但易造成菌袋漲袋形成微孔 甚至 漲破 絞龍轉(zhuǎn)速過慢 易造成裝料量不夠 且菌袋裝料 密度不實(shí) 同時(shí) 在套筒直徑和絞龍轉(zhuǎn)速確定的前提下 螺距越大 輸送量越大 袋內(nèi)緊實(shí)度越好 因此 依據(jù) 絞龍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù) 選取絞龍轉(zhuǎn)速范圍180 200 r min 選取絞龍直徑120 140 mm 選取絞龍螺距80 100 mm 設(shè)裝料絞龍轉(zhuǎn)速n 絞龍直徑D 絞龍螺距S 考核指標(biāo) 為裝料生產(chǎn)率Pp 裝料密度 對(duì)其試驗(yàn) 試驗(yàn)因素水平 編碼表如表4所示 表4 試驗(yàn)因素與水平編碼表 Table 4 Coding table of experiment factors and levels 水平 Level 絞龍轉(zhuǎn)速 Auger speed A r min 1 絞龍直徑 Auger diameter B mm 絞龍螺距 Auger screw C mm 1 180 120 80 0 190 130 90 1 200 140 100 為了探究平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)最佳的裝料生 產(chǎn)效率與裝料穩(wěn)定性 以裝料生產(chǎn)率Pp 裝料密度 為 指標(biāo) 采用響應(yīng)面法優(yōu)化裝料絞龍的最佳工作參數(shù) 3 2 2 評(píng)價(jià)指標(biāo) 1 裝料生產(chǎn)率 對(duì)平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)進(jìn)行 裝料生產(chǎn)率試驗(yàn) 生產(chǎn)率Pp為熟練菇農(nóng)正常工作1 h生 產(chǎn)的菌袋數(shù)量 包括套袋 裝料 窩口 接種等菌棒制 作的所有工序 mp QP t 10 式中Qm為菌袋裝料數(shù)量 袋 2 裝料密度 對(duì)完成裝料但未接種的菌袋隨機(jī)抽取 50袋進(jìn)行稱量取平均值 按菌袋裝料長(zhǎng)度與裝料直徑計(jì) 算菌袋體積 裝料后菌袋呈圓柱形 底部直徑為140 mm 裝料高度為300 mm 則體積V為0 0046 m3 則密度為 GV 11 式中 為發(fā)酵料在菌袋內(nèi)的密度 kg m3 G為裝料后的 菌袋質(zhì)量 kg V為裝料后的菌袋體積 m3 3 裝料量穩(wěn)定性 在測(cè)定裝料生產(chǎn)率的同時(shí) 測(cè)定 菌袋裝料質(zhì)量的變異系數(shù) 對(duì)完成裝料后的菌袋隨機(jī)抽 取50袋進(jìn)行稱量 共測(cè)定6組 取平均值 1 1 m 1 1 1 CV 100 N iN i ii N i i x xN N x N 12 式中CVm為裝料量變異系數(shù) N為試驗(yàn)次數(shù) xi為裝 料量 kg 4 接種量 對(duì)平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)進(jìn)行接種 量試驗(yàn) 在接種箱內(nèi)放置定量顆粒菌種 待菌種完全用 完后 統(tǒng)計(jì)接種的菌袋數(shù)量 共測(cè)定6組 取平均值 w b SI Q 13 式中I為菌袋內(nèi)的菌種接種量 g 袋 Sw為接種箱內(nèi)的菌 種質(zhì)量 g Qb為接種菌袋數(shù)量 袋 5 接種量穩(wěn)定性 對(duì)完成接種的菌袋隨機(jī)抽取50 袋進(jìn)行破袋 并將玉米芯顆粒菌種從中心孔取出稱量 測(cè)試菌袋接種量的變異系數(shù) 1 1I 1 1 1CV 100 N N j jj j N jj x xN x N 14 式中CVI為接種量穩(wěn)定變異系數(shù) N為試驗(yàn)次數(shù) xj 為菌種接種量 g 3 3 試驗(yàn)與結(jié)果分析 3 3 1 裝料生產(chǎn)率與密度優(yōu)化 采用Design Expert8 0 6 1中心組合設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)三因 素三水平共17個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)面進(jìn)行試驗(yàn) 試驗(yàn)結(jié)果如 表5所示 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析 建立該機(jī)的裝袋生產(chǎn)率Pp 裝料密度 對(duì)絞龍轉(zhuǎn)速A 絞龍直徑B 絞龍螺距C的數(shù)學(xué)回歸模型 回歸模型公 式如下 2 2 4 2 6010 48 56 83 13 14 8 61 0 025 0 037A 0 01 0 13 0 028 2 5 10 pP A B C AB C BC A B C 15 第1期 王明友等 平菇發(fā)酵料裝料接種一體機(jī)關(guān)鍵裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 17 2 2 2529 40 13 88 6 25 3 63 6 03 25 11 83 6 58 1 68A B C ABAC A B C 16 對(duì)上述方程進(jìn)一步分析 并進(jìn)行回歸系數(shù)的顯著性 檢驗(yàn) 結(jié)果如表6所示 表5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果 Table 5 Design and result of response surface method 序號(hào) No 絞龍轉(zhuǎn)速 Auger speed r min 1 絞龍直徑 Auger diameter mm 絞龍螺距 Auger screw mm 生產(chǎn)率 Productivity bag h 1 密度 Density kg m 3 1 180 140 90 706 510 2 180 120 90 692 486 3 190 120 100 720 520 4 200 140 90 715 524 5 190 130 90 723 534 6 180 130 100 707 513 7 190 130 90 721 529 8 190 130 90 724 530 9 190 120 80 716 516 10 200 130 100 714 536 11 190 130 90 719 524 12 190 140 80 720 529 13 200 130 80 718 532 14 190 140 100 720 533 15 200 120 90 711 524 16 180 130 80 696 496 17 190 130 90 722 530 表6 回歸方程方差分析結(jié)果 Table 6 Regression equation analysis of variance results 指標(biāo) Index 來源 Source 平方和 Sum of square 自由度 Degree of freedom 均方 Mean squares F P 模型 1 335 33 9 00 148 37 25 61 0 000 2 A 796 38 1 796 38 137 48 0 000 1 B 63 67 1 63 67 10 99 0 012 8 C 35 35 1 35 35 6 10 0 042 8 AB 25 00 1 25 00 4 32 0 076 4 AC 56 25 1 56 25 9 71 0 016 9 BC 4 00 1 4 00 0 69 0 433 4 A2 714 32 1 714 32 123 31 0 000 1 B2 32 42 1 32 42 5 60 0 049 9 C2 2 632 10 3 1 2 632 10 3 4 543 10 4 0 983 6 殘差 40 55 7 00 5 79 失擬項(xiàng) 25 75 3 00 8 58 2 32 0 216 9 誤差 14 80 4 00 3 70 總和 1 375 88 16 00 R2 0 9326 Pp 變異系數(shù) 0 34 模型 2 983 29 9 00 328 14 29 09 0 000 1 A 1 540 13 1 1 540 13 136 55 0 000 1 B 312 50 1 312 50 27 71 0 001 2 C 105 13 1 105 13 9 32 0 018 5 AB 144 00 1 144 00 12 77 0 009 1 AC 42 25 1 42 25 3 75 0 094 2 BC 0 1 0 0 1 00 A2 588 76 1 588 76 52 20 0 000 2 B2 182 02 1 182 02 16 14 0 005 1 C2 11 81 1 11 81 1 05 0 340 2 殘差 78 95 7 00 11 28 失擬項(xiàng) 27 75 3 00 9 25 0 72 0 588 9 誤差 51 20 4 00 12 80 總和 3 032 24 16 00 R2 0 940 5 變異系數(shù) 0 64 注 P 0 01 極顯著 P 0 05 顯著 Note P 0 01 Extremely significant P 0 05 Significant 由表6中的結(jié)果可知 裝料生產(chǎn)率Pp 裝料密度 的響應(yīng)面模型P值均小于0 005 表明2個(gè)回歸方程模型 極顯著 即可用模型代替試驗(yàn)真實(shí)點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分 析 2個(gè)模型中的失擬項(xiàng)值分別為0 216 9和0 588 9 均 大于0 05 表明模型的擬合度較高 可以很好地分析試 驗(yàn)數(shù)據(jù) 2個(gè)模型的決定系數(shù)R2分別為0 932 6和0 940 5 表明2個(gè)模型擬合度較高 響應(yīng)面分析結(jié)果可信度高 2 個(gè)模型的變異系數(shù)值分別為0 34 0 64 表明模型的 精度好 本模型可預(yù)測(cè)與分析平菇發(fā)酵料裝料接種機(jī)裝 料生產(chǎn)率與裝料質(zhì)量的變化情況 通過上述的顯著性分析可知 裝料生產(chǎn)率Pp響應(yīng)面 模型中的A A2對(duì)模型的影響均極為顯著 裝料密度 響應(yīng)面模型中的A B A2對(duì)該模型的影響極為顯著 B2 對(duì)該模型的影響為顯著 去除上述模型中