陳義厚　(長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

稻草菌基裝袋機的設(shè)計與研究

陳義厚(長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

[摘要]對稻草菌基裝袋機的結(jié)構(gòu)與工作原理作了介紹,并對主要技術(shù)參數(shù)作了說明,可為利用稻草作為原料生產(chǎn)食用菌提供菌基制造設(shè)備。

[關(guān)鍵詞]稻草菌基裝袋機;結(jié)構(gòu);設(shè)計

稻草菌基裝袋機是一種比較新穎的裝袋機，由于它具有所用菌基原料稻草廉價、工人勞動強度低、裝袋效果好等優(yōu)點[1]，勢必在食用菌的生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。市面上的食用菌裝袋機大多針對顆粒狀菌基而設(shè)計，而對于雜亂無章的稻草菌基完全不能勝任，并且稻草的蓬松裝袋是造成食用菌減產(chǎn)甚至無產(chǎn)的主要原因，因此要壓緊稻草并在壓緊的狀態(tài)下實現(xiàn)裝袋。稻草菌基裝袋機專門針對稻草的特性而設(shè)計，能夠高效、連續(xù)地完成作業(yè)。

1主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　基本結(jié)構(gòu)

稻草菌基裝袋機對稻草可實行3個機械動作(輸送、壓實、裝袋)，大體包括4個部件，這4個部件和必要的機架聯(lián)接在一起便是整臺稻草菌基裝袋機，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.皮帶輪；2.螺旋葉片；3.U形槽；4.圓筒；5.圓盤；6.定位架；7.棘輪轉(zhuǎn)軸；8.棘爪；9.裝袋螺桿；10.裝袋螺母；11.電動機；12.壓緊螺桿圖1　菌基裝袋機的基本結(jié)構(gòu)簡圖

第一個部件為螺旋輸送器，它通過螺旋葉片的轉(zhuǎn)動傳遞軸向速度給物料，就可使稻草從U形槽體的進料口運送到卸料口。螺旋輸送器主要包括電機、帶傳動機構(gòu)、離合器、攪拌機構(gòu)、U形槽體、傳動軸和螺旋葉片軸及上的葉片。

第二個部件是完成壓實稻草功能的部件，它通過一個螺桿機構(gòu)的螺旋傳動[2]對鐵筒內(nèi)的稻草進行壓實，螺桿實行的是來回往復(fù)運動。壓實部件主要包括螺桿機構(gòu)、齒輪機構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、電機和控制電路。

第三個部件為實現(xiàn)裝袋打包的部件，它通過一個比壓實稻草的螺桿機構(gòu)行程長1倍，速度快1倍的螺桿機構(gòu)。當(dāng)傳動軸旋轉(zhuǎn)一定的轉(zhuǎn)數(shù)時，由于裝袋螺桿的螺距是壓緊螺桿的螺距2倍，所以行程也是2倍的關(guān)系；裝袋部件所包括的零件和壓實部件所包括的零件一樣，只不過在尺寸上存在區(qū)別。

第四個部件為轉(zhuǎn)盤部件，它是一個圓形的盤，上面均勻安裝8個工作位，通過背部的棘輪機構(gòu)來保證工作位的準(zhǔn)確無偏移。完成一個機械動作后，圓盤就會轉(zhuǎn)離原來的工作位置，下一次工作的位置由下一個圓筒下方的棘爪和定位架上方的定位槽來固定。轉(zhuǎn)盤機構(gòu)主要包括圓盤、鐵筒、棘爪、定位架和心軸。

1.2　工作原理

稻草菌基裝袋機的工作循環(huán)可分為輸送、壓緊、裝袋3個過程。隨著圓盤的旋轉(zhuǎn)，鐵筒依次進入輸送稻草工作位、壓緊稻草工作位、裝袋工作位。現(xiàn)將3個不同的機械動作分別介紹如下。

1.2.1　輸送過程

稻草從U形槽的進料口加入，通過攪拌機構(gòu)梳齒的梳理使稻草的纏結(jié)有一定的改善，最終落在由U形槽內(nèi)壁、螺旋葉片、傳動軸三者包圍的空間里。螺旋葉片(如圖2所示)以ω的角速度繞傳動軸轉(zhuǎn)動，對于葉片上的任意一點同時具有沿圓周方向的轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的圓周線速度和沿轉(zhuǎn)軸的軸向的水平速度(任意一點O的速度如圖3所示)。正是螺旋葉片所產(chǎn)生的水平速度作用于螺距間的稻草，從而使稻草具有向前的軸向速度，最終實現(xiàn)稻草從進料口到卸料口的輸送。

圖2　螺旋軸和螺旋葉片

圖3　O點速度分解

1.2.2　壓緊過程

稻草借助螺旋輸送器的輸送過程傳送到鐵筒內(nèi)，再通過圓盤的轉(zhuǎn)動，裝有稻草的鐵筒移到壓緊稻草的工作位上。螺母和齒輪之間采用鍵聯(lián)接傳輸圓周方向的動力，軸向由軸肩和套筒來固定。當(dāng)主動齒輪和從動齒輪嚙合傳動的時候，從動齒輪帶動螺母做相同轉(zhuǎn)速的圓周轉(zhuǎn)動，同時由于螺母的軸向已經(jīng)固定，進而螺母的圓周轉(zhuǎn)動就會轉(zhuǎn)化為螺桿的軸向滑動。螺母每間隔一段時間不斷地改變轉(zhuǎn)向，螺桿也因此而不斷地改變運動的方向，從而實現(xiàn)連續(xù)的壓緊稻草再回轉(zhuǎn)退回的往復(fù)運動。

1.2.3　裝袋過程

經(jīng)過前2個機械動作后，一定重量的稻草被壓緊在鐵筒內(nèi)，接著鐵筒由圓盤帶到裝袋工作位上，相同的螺旋傳動機構(gòu)會把壓緊的稻草從鐵筒里推出來，不同的是裝袋所用的螺桿機構(gòu)完成的是行程2倍于壓緊螺桿機構(gòu)的往復(fù)運動。3個機械動作的過程中，圓盤的精確定置是由圓盤背后的棘爪和定位架的定位槽來實現(xiàn)的，考慮到如果用機械的方法控制圓盤的位置，不但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且間歇的時間不好控制；因為輸送稻草的多少與稻草的松緊度有直接的關(guān)系，所以用人工的方法控制圓盤在每個工作位的停滯時間。裝袋機構(gòu)與壓實機構(gòu)在結(jié)構(gòu)上大體相同，只不過在裝袋螺桿的螺距是壓緊螺桿的螺距的2倍。

2設(shè)計與計算

2.1　螺旋輸送器設(shè)計

螺旋輸送器葉片上各點的螺距是相同的，但因其半徑不同，所以各點的螺旋升角不相同。外徑處的螺旋升角小，內(nèi)徑處的螺旋升角大[2]。

當(dāng)螺旋葉片以角速度ω繞軸回轉(zhuǎn)時(圖2)，在任一半徑r的O點處有一物料質(zhì)點，它一面與螺旋面之間發(fā)生相對運動，一面沿著軸向移動，其速度可由速度三角形(圖3)求得。O點葉片的圓周速度v0=ω·r是牽連速度，方向為沿O點回轉(zhuǎn)的切線方向；物料相對于螺旋面的滑動速度，平行于O點螺旋面的切線方向。物料絕對運動速度vf的方向與法線偏一摩擦角φ。若將vf分解，可得物料的軸向速度vz和切線速度vt。軸向速度使物料沿著輸送方向移動，切向速度則造成物料在輸送過程中的攪拌和翻動。

根據(jù)速度圖的分析，可以算出物料的軸向輸送速度：

(1)

因為

(2)

vn=v0·sinα

(3)

(4)

所以

(5)

式中，s為螺旋葉片的螺距，m；n為螺旋軸轉(zhuǎn)速,r/min；α為螺旋升角,(°)；f、φ分別為物料與螺旋葉片的摩擦系數(shù)和摩擦角,(°)。

由(5)式可知，當(dāng)1-f·tgα≤0時，vz≤0，物料將不能沿軸向運動。因此，螺旋輸送器的螺旋角應(yīng)滿足以下條件∶

(6)

因為螺旋葉片內(nèi)徑處的升角最大，故確定時應(yīng)按此條件進行校核。當(dāng)螺旋的半徑和轉(zhuǎn)速一定時，軸向運動vz是螺旋角α的函數(shù)。

V=F×S

(7)

式中，V為螺旋每轉(zhuǎn)出料量,m3；F為螺旋有效面積，F(xiàn)=0.011304m2；S為螺旋節(jié)距，S=0.285m。

式中，D為螺旋直徑,D=0.125～0.128m；d為螺旋軸徑，d=0.035m。

故V=0.00322164m3。

每袋需螺旋的轉(zhuǎn)數(shù)n：

式中，v1為鐵筒的體積，m3；v 為螺旋每轉(zhuǎn)體積，v=0.00322164m3。

式中，D為鐵筒的內(nèi)徑，D=0.134m；L為鐵筒的長度，L=0.66m。

故n=0.009303003/0.00322164≈3r/袋。由于稻草不同于其他的顆粒狀菌基，它的蓬松是不會裝滿螺旋葉片與U形槽內(nèi)壁空間的。查資料可知：稻草的填充率[3]僅為0.2～0.3，取0.2代入，得n=15r/袋。故螺旋軸的轉(zhuǎn)數(shù)n1

n1=n×60/t

式中，n為每袋需螺旋軸轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)為15r/袋；t為螺旋出料時間，取1.5s。

故n1=600r/min。

傳動比i:

i=n2/n1

式中，n2為電動機轉(zhuǎn)數(shù)，n2=1400r/min；n1為螺旋軸的轉(zhuǎn)數(shù)，n1=600r/min。

故i=7/3。

螺旋裝袋機的生產(chǎn)效率Q:

式中，D為螺旋直徑，取0.128m；S為螺旋節(jié)距，取0.285m；n1為螺旋軸轉(zhuǎn)數(shù)，n1=600r/min；φ為螺旋充填系數(shù)，取0.2；γ為物料容重，γ=0.57t/h。

故Q=15.04t/h。

螺旋推料所需的功率N:

式中，C為其余阻力系數(shù)，一般為3～5，取5；Q為螺旋生產(chǎn)效率，Q=15.04t/h；L為螺旋推料長度，L=0.3m；μ為物料在U形槽內(nèi)壁滑動摩擦系數(shù)，取6。

故N=0.3686kW。

電動機所需功率N1:

式中，k為電動機功率備用系數(shù)，取1.4；η為驅(qū)動裝置總功率，取0.9；N為螺旋軸驅(qū)動功率，N=0.3686kW。

故N1=0.5734kW。

2.2　轉(zhuǎn)盤機構(gòu)各組成部分設(shè)計

2.2.1　轉(zhuǎn)盤機構(gòu)各組成部分

轉(zhuǎn)盤機構(gòu)主要功能是通過自身的轉(zhuǎn)動使鐵筒依次進入輸送、壓實和裝袋3個工作位，并依次實現(xiàn)輸送稻草、壓緊稻草和裝袋打包3個連續(xù)機械動作，最終實現(xiàn)稻草菌基裝袋機的全部功能。轉(zhuǎn)盤機構(gòu)是保證3個機械動作一起發(fā)揮作用的裝置，確定每個工作位的作用位置。轉(zhuǎn)盤機構(gòu)主要包括鐵筒、圓盤、棘爪、定位架、心軸、軸承和機架組成。

1)棘爪轉(zhuǎn)盤均勻分布8個工作位，螺旋輸送稻草、壓緊螺桿壓實稻草和裝袋螺桿裝袋都需要工作位非常準(zhǔn)確，否則，螺桿就會推擠轉(zhuǎn)盤機構(gòu)，這樣就可能損壞機械設(shè)備。當(dāng)棘抓下落到固定不動的定位架上的定位槽時，能實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的準(zhǔn)確定位，保證不會因工作偏差而無法工作甚至損壞機器設(shè)備。

2)圓盤鐵筒的轉(zhuǎn)動必須依托圓盤的轉(zhuǎn)動，只有圓盤的轉(zhuǎn)動，才能使鐵筒依次進入每一個工作位。

3)定位架螺旋輸送器輸送稻草、壓緊螺桿機構(gòu)壓實稻草和裝袋機構(gòu)中保持稻草壓緊裝袋的彈簧都需要定位架才能完成工作，螺旋輸送器輸送稻草需要定位架擋住鐵筒的另一端，防止稻草從鐵筒的一端進另一端出；壓緊螺桿機構(gòu)同樣如此，壓緊稻草時，螺桿會給稻草很大的力，如果沒有擋板擋住，稻草將不會被壓緊；彈簧要保持稻草的緊度，必須在鐵筒的出料口，所以彈簧要安裝在定位架上。棘爪的定位槽安置在定位架的圓周上，定位架不和轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動，固定在軸承座上，設(shè)計成中空的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣可以節(jié)約材料、降低成本，并且軸就可方便的從定位架的中心圓孔拆卸。

2.2.2　轉(zhuǎn)盤機構(gòu)設(shè)計原則

1)圓盤設(shè)計原則圓盤壓緊稻草的孔是以螺旋壓緊螺桿的中心為圓心，齒輪機構(gòu)的中心距就是圓盤中心到鐵筒圓心的距離。圓盤與軸鍵聯(lián)接的部分的圓盤軸向距離比其余部分的圓盤的軸向距離要大一些。圓盤與軸采用鍵聯(lián)接，軸向定位用軸肩和彈簧擋圈來固定圓盤的軸向位置，具體的形狀結(jié)構(gòu)見圖4。為了保證圓盤在軸上的穩(wěn)定，采用雙盤的設(shè)計。

圖4　圓盤結(jié)構(gòu)與鐵筒布置

2)棘輪機構(gòu)設(shè)計原則棘輪機構(gòu)的主要功能是準(zhǔn)確定位每1個工作位的位置，輸送、壓緊、裝袋都需要螺旋輸送器的卸料口、壓緊螺桿、裝袋螺桿與工作的鐵筒準(zhǔn)確的對中。棘輪的定位孔只有1個，在定位架的上方。每個鐵筒的下方有1個棘輪，8個棘輪依次進入定位孔實現(xiàn)定位的功能，其余7個棘輪在定位架的圓周上沒有定位孔，在圓周上滑動不實現(xiàn)定位的作用。

3結(jié)論

稻草菌基裝袋機在輸送稻草上采用常見的螺旋輸送器，在實現(xiàn)多個工作位上借鑒一種容積式裝袋機的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，在圓盤轉(zhuǎn)動連續(xù)轉(zhuǎn)動時，各個工作位依次工作。轉(zhuǎn)盤均勻分布著8個工作位，其中上方的工作位是輸送稻草的位置，右邊的工作位是壓緊稻草的位置，左邊的工作位是裝袋的位置。余下的5個圓筒依次進入這3個工作位，進行著輸送、壓緊、裝袋3個過程。用槽輪機構(gòu)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的間歇運動，從而讓圓筒依次經(jīng)過輸草、壓草、裝袋3個工作位，但槽輪的時間間隙固定，可裝稻草的時間不固定，因為稻草的緊密程度不一，因此采用可人調(diào)時間間隔的棘輪機構(gòu)，可以更好地提高裝袋的質(zhì)量。

稻草菌基裝袋機是針對稻草菌基而進行特別設(shè)計的，但同時也可應(yīng)用于其他菌基的裝袋，甚至還能實現(xiàn)其他顆粒狀或纏結(jié)物料的打包。如果把此種裝袋機用于棉籽殼的裝袋將會使裝袋的質(zhì)量更高，食用菌菌基裝袋的基本過程差不多，只不過稻草菌基的裝袋更復(fù)雜。稻草菌基裝袋機的原理可應(yīng)用于各種物料的裝袋，尤其是需壓實或預(yù)先處理的物料。

[參考文獻]

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[7]Jaros lava F，Jan K，Helge B，etal.Target strength of some European fish species and its dependence fish body parameters[J].Fisheries Research，2005，75：86~96.

[引著格式]陳義厚.稻草菌基裝袋機的設(shè)計與研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版)，2015，12(27)：46～50.

[中圖分類號]TH122

[文獻標(biāo)識碼]A

[文章編號]16731409(2015)27004605

[作者簡介]陳義厚(1970-)，男，碩士，副教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品機械設(shè)計與機械現(xiàn)代設(shè)計方法研究，Chenyihou@126.com。

[收稿日期]2015-03-09