喻自榮，朱加繁，彭繼文，周體全，楊陸強，高志超，張汝坤

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明　650201；2.云南省大理州祥云縣農(nóng)機(jī)推廣站, 云南 祥云　672100)

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桁架式溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)設(shè)計

喻自榮1，朱加繁1，彭繼文1，周體全2，楊陸強1，高志超1，張汝坤1

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明650201；2.云南省大理州祥云縣農(nóng)機(jī)推廣站, 云南 祥云672100)

摘要：對溫室育苗槽基質(zhì)進(jìn)行消毒能夠解決連作后自毒產(chǎn)物增多、抵抗力下降及病菌傳播等問題，可為基質(zhì)的循環(huán)使用提供保障。目前，我國基質(zhì)消毒存在設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，人力勞動強度大，作業(yè)環(huán)境不安全等問題。為此，設(shè)計了一種移動式溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)，可將基質(zhì)槽中基質(zhì)拋起，同時注入高溫氣體與基質(zhì)充分接觸，達(dá)到消毒的目的。該消毒機(jī)設(shè)計合理，符合溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒要求，能降低勞動強度，具有非常好的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：溫室；基質(zhì)；桁架式蒸汽消毒機(jī)

0引言

基質(zhì)作為育苗槽的重要組成部分，是植物根系直接的生長環(huán)境，也是病蟲害傳播的媒介和繁殖場所，所以對育苗槽的基質(zhì)進(jìn)行消毒十分重要。對基質(zhì)進(jìn)行消毒能夠解決連作后自毒產(chǎn)物增多、抵抗力下降及病菌傳播等問題，可為基質(zhì)的循環(huán)使用提供保障。

目前，對溫室基質(zhì)消毒的方法主要有化學(xué)消毒和物理消毒：化學(xué)消毒的原理是利用一些對病原菌和蟲卵有殺滅作用的化學(xué)藥劑對基質(zhì)進(jìn)行消毒[1]；物理消毒的原理是利用熱源使基質(zhì)達(dá)到一定溫度，從而消除病蟲害。從現(xiàn)有經(jīng)驗來看，物理消毒中的蒸汽消毒更適合溫室基質(zhì)的消毒。

目前，我國育苗槽基質(zhì)消毒裝備整體發(fā)展水平還很低，主要存在：基質(zhì)消毒設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、人力勞動強度大且作業(yè)環(huán)境安全性不高及設(shè)備整體性能高等問題，機(jī)械化基質(zhì)消毒設(shè)備在國內(nèi)設(shè)施栽培中應(yīng)用很少，嚴(yán)重制約著我國溫室育苗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。

為了解決我國消毒設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、人力勞動強度大、作業(yè)環(huán)境安全性不高及溫室基質(zhì)蒸汽消毒困難等問題，有必要設(shè)計一種小型的桁架式溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)。

1結(jié)構(gòu)

1.1　主要結(jié)構(gòu)

適應(yīng)溫室的桁架式育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)主要由驅(qū)動刀軸齒輪、機(jī)架、驅(qū)動電機(jī)齒輪、驅(qū)動電機(jī)、行走輪、行走車輪軸、進(jìn)氣管、拋土刀片、噴氣管、罩殼、限位輪、豎直移動活塞、拋土刀軸、水平移動活塞、水平氣壓缸、移動框架、刀軸支撐梁，以及豎直氣壓缸組成，如圖1所示。

1.驅(qū)動刀軸齒輪　2.機(jī)架　3.驅(qū)動電機(jī)齒輪　4.驅(qū)動電機(jī)

1.2　構(gòu)件間的連接關(guān)系

消毒機(jī)的車輪軸通過支承座安裝在機(jī)架上，行走輪安裝在車輪軸上，限位輪通過焊接固定在機(jī)架上；拋土刀軸通過軸承豎直安裝在刀軸支承梁上，刀軸支承梁通過焊接固定在移動框架上；拋土刀軸驅(qū)動齒輪通過鍵槽配合安裝在拋土刀軸上，拋土刀片通過刀鞘安裝在拋土刀軸的頂端，驅(qū)動電機(jī)通過螺栓固定在罩殼上方的水平移動框架上；驅(qū)動電機(jī)鏈輪通過鍵槽配合安裝在驅(qū)動電機(jī)的軸上；噴氣管兩側(cè)設(shè)有噴氣孔，噴氣管焊接在罩殼上，罩殼焊接固定在移動框架上；進(jìn)氣管通過螺紋連接安裝在噴氣管上；水平移動軸活塞和水平氣壓缸通過螺紋連接安裝在機(jī)架上；豎直移動軸活塞和豎直氣壓缸通過螺紋連接安裝在水平移動框架上，水平移動框架通過軸承安裝在水平移動軸上。

2消毒原理及工作過程

2.1　基質(zhì)蒸汽消毒原理

基質(zhì)蒸汽消毒的基本原理是高溫蒸汽通過熱傳遞將溫度傳遞給待消毒的基質(zhì)。具體工作過程：當(dāng)蒸汽鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽后，通過送汽管將產(chǎn)生的高溫蒸汽通入基質(zhì)槽內(nèi)，然后高溫蒸汽經(jīng)通氣孔噴出并對栽培基質(zhì)進(jìn)行加熱消毒。這種熱力的方法可消滅基質(zhì)中對作物有害的微生物、細(xì)菌、真菌、線蟲、害蟲和雜草[3-4]。基質(zhì)蒸汽消毒原理示意圖如圖2所示。

圖2　基質(zhì)蒸汽消毒原理

2.2　消毒機(jī)工作過程

消毒機(jī)在工作時，水平移動框架在水平氣壓缸的推動下左右移動，在育苗槽內(nèi)進(jìn)行消毒。同時，水平移動框在豎直氣壓缸的作用下帶動罩殼和拋土刀上下移動。罩殼的底面通過柔性材料與基質(zhì)表面緊密貼合形成相對封閉的工作空間，其前后端邊緣呈一定弧度，可減小前進(jìn)阻力并起到平整基質(zhì)的作用。刀軸通過軸承豎直安裝在刀軸支承梁上，刀軸支承梁焊接安裝在移動框架上，拋土刀片通過刀座安裝在拋土刀軸的一端。驅(qū)動電機(jī)通過驅(qū)動齒輪帶動拋土刀在罩殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，將罩殼內(nèi)的基質(zhì)拋起。噴氣管焊接在罩殼上，進(jìn)氣管通過螺紋連接安裝在噴氣管上，噴氣管的兩側(cè)設(shè)有噴氣孔，一側(cè)噴氣孔朝向拋土刀軸，另一側(cè)噴氣孔朝向殼體；兩個進(jìn)氣管分別安裝在兩根噴氣管的兩端，進(jìn)氣管有1個進(jìn)氣口、2個出氣口，兩個出氣口分別與兩個噴氣管通過螺紋連接，進(jìn)氣口與育苗槽中設(shè)有的蒸汽管相連接，蒸汽從進(jìn)氣管的進(jìn)氣口進(jìn)入進(jìn)氣管，再進(jìn)入兩個噴氣管，經(jīng)過噴氣管的噴氣孔進(jìn)入到罩殼的內(nèi)腔中，使罩殼內(nèi)的高溫蒸汽與拋土刀拋起的基質(zhì)瞬速接觸到達(dá)消毒目的。行走車輪軸通過軸承安裝在機(jī)架的下端，車輪固定在車輪軸上。進(jìn)行消毒工作時，工作人員推著機(jī)架使消毒機(jī)在育苗槽上行走。限位輪通過焊接固定在機(jī)架上，在消毒機(jī)行走時，兩個限位輪與育苗槽的側(cè)面接觸，防止消毒機(jī)偏離育苗槽。消毒機(jī)工作過程示意圖如圖3所示。

1.機(jī)架　2.驅(qū)動電機(jī)　3.行走輪　4. 限位輪　5.育苗槽

3主要工作部件的設(shè)計

3.1　機(jī)架設(shè)計

機(jī)架是整個消毒機(jī)質(zhì)量的重要支撐部件，起著非常重要的作用，主要分為行走裝置和移動裝置兩大部分。

3.1.1行走裝置

行走裝置主要由行走輪和限位輪組成，是消毒機(jī)的重要工作部件。要使消毒機(jī)能夠在溫室基質(zhì)槽上前進(jìn)或者后退，就需要橫軸式的行走輪進(jìn)行支承和傳動；再帶動整機(jī)在基質(zhì)槽上移動，行走輪軸與輪架之間采用軸承進(jìn)行連接。限位輪與基質(zhì)槽內(nèi)側(cè)接觸，防止機(jī)架出現(xiàn)側(cè)向偏移，保證整機(jī)平穩(wěn)前進(jìn)。行走裝置作業(yè)示意圖如圖4所示。

3.1.2水平移動裝置

由于溫室育苗槽的寬度較大，為了減小消毒機(jī)的質(zhì)量，消毒裝置部件的寬度設(shè)計為育苗槽寬度的1/2，所以消毒機(jī)在消毒時消毒部件需要在育苗槽上左右移動。消毒機(jī)的消毒裝置部件的左右移動依靠水平氣壓缸來完成：當(dāng)消毒裝置部件欲向左移動時，右邊氣壓缸的壓力增大，推動消毒裝置部件向左移動；當(dāng)消毒裝置部件欲向右移動時，左邊的氣壓缸壓力增大，推動消毒裝置部件向右移動。

1.機(jī)架　2.行走輪　3.限位輪　4.育苗槽　5.基質(zhì)

3.1.3縱向移動裝置

溫室基質(zhì)槽中的基質(zhì)各處深度不一樣，工作部件的刀片向下作業(yè)的深度也不能一樣，所以豎向氣壓缸的作用是將工作部件提升或是降低。當(dāng)工作部件由淺基質(zhì)向深處變化作業(yè)時，氣壓缸的上部壓力增大，驅(qū)使工作部件向下移動，使工作部件的刀片作業(yè)深度增加；當(dāng)工作部件由深到淺時，氣壓缸的下端壓力增大，驅(qū)使工作部件向上移動。

3.2　消毒裝置

3.2.1罩殼

罩殼是消毒部件的外層結(jié)構(gòu)，底面通過柔性材料與基質(zhì)表面緊密貼合，形成相對封閉的工作空間；殼體的前后端邊緣向上呈一定弧度，在消毒機(jī)前進(jìn)的過程中，能減小前進(jìn)阻力和防止基質(zhì)覆蓋在罩殼上。

3.2.2噴汽管

噴氣管是消毒機(jī)的重要組成部分，其焊接在罩殼上，兩側(cè)設(shè)有噴氣孔，一側(cè)噴氣孔朝向拋土刀軸，另一側(cè)噴氣孔朝向殼體；噴汽管與育苗槽中設(shè)有的蒸汽輸送管相連接，高溫蒸汽通過蒸汽輸送管進(jìn)入噴汽管中，經(jīng)過噴氣管上的噴氣孔進(jìn)入到罩殼的內(nèi)腔中，與罩殼內(nèi)被拋土刀拋起的基質(zhì)充分混合。

3.2.3拋土裝置3.2.3.1拋土刀組

拋土刀組是消毒機(jī)消毒結(jié)構(gòu)的核心，由4把刀片和4個刀座固定裝配而成。刀片靠螺紋和螺母連接在刀盤上面，使得刀片能夠有效固定，以保證刀片對土壤的有效作業(yè)；而刀座上面設(shè)計有一定厚度的套筒，套筒通過螺栓與刀軸緊固在一起，保證刀座與刀軸的有效連接。 拋土刀組將基質(zhì)槽中的基質(zhì)拋起，使基質(zhì)能夠在短時間內(nèi)與高溫蒸汽接觸，達(dá)到快速消毒的目的。

3.2.3.2刀軸

刀軸是消毒機(jī)工作部件的主要承載體，承受土壤反作用力和電機(jī)的驅(qū)動力矩，會產(chǎn)生扭曲、彎曲等組合變形，同時會產(chǎn)生強烈的沖擊和振動。所以，軸的材料應(yīng)該滿足強度、剛度、耐磨性及耐腐蝕性等方面的要求。設(shè)計軸時應(yīng)該按照經(jīng)濟(jì)、合理、實用的原則，根據(jù)具體的情況選用軸的材料。由于碳鋼比合金鋼廉價，對應(yīng)力集中的敏感性較低，也可以用熱處理或化學(xué)處理的方法，提高其耐磨性和抗疲勞。所以，消毒機(jī)工作部件的刀軸采用45優(yōu)質(zhì)碳素鋼，熱處理方式選擇正火。 消毒機(jī)構(gòu)工作時，驅(qū)動電機(jī)通過齒輪將動力傳遞到刀軸上，刀軸在電機(jī)驅(qū)動力的作用下帶動刀組在基質(zhì)中旋轉(zhuǎn)。工作過程中，刀軸既要承受刀組與基質(zhì)產(chǎn)生的反作用力又要承受電機(jī)的驅(qū)動力矩。所以，刀軸在消毒機(jī)的工作部件中起著十分重要的作用，其強度、剛度等是否滿足要求直接影響到消毒機(jī)能否正常工作。消毒機(jī)構(gòu)裝置如圖5所示。

1.噴汽管　2.罩殼　3.刀片　4.刀軸

3.2.4刀組和刀軸的強度校核及設(shè)計計算

3.2.4.1刀組邊緣的旋轉(zhuǎn)速度及所受基質(zhì)阻力計算

由于刀片的旋轉(zhuǎn)半徑為R=125mm、刀組轉(zhuǎn)速n=300r/min、轉(zhuǎn)矩T=1 360.875N·m。所以，刀組邊緣的旋轉(zhuǎn)速度和所受基質(zhì)阻力分別為

3.2.4.2刀組施加給到刀軸的扭矩計算

由于刀組在作業(yè)時基質(zhì)槽中的基質(zhì)會對刀組產(chǎn)生阻力，此阻力會以扭矩的形式作用在刀軸上，依據(jù)刀片旋轉(zhuǎn)半徑和刀組所受阻力大小可計算其扭矩為

T=F·R=436.18N·m

3.2.4.3刀軸的正常作業(yè)條件校核

刀軸正常作業(yè)的條件為

當(dāng)以上條件成立時，拋土裝置能夠克服基質(zhì)的阻力和所受力矩正常工作。

3.3　動力傳動機(jī)構(gòu)

3.3.1電機(jī)選擇

動力傳動機(jī)構(gòu)是消毒機(jī)傳輸動力的部件，電機(jī)是動力的來源。電機(jī)的種類很多，按工作電源可分為直流電動機(jī)和交流電動機(jī)。其中，交流電動機(jī)還分為單相電動機(jī)和三相電動機(jī)。按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為直流電動機(jī)、異步電動機(jī)和同步電動機(jī)。根據(jù)消毒機(jī)的工作條件選擇型號為Z450-4B的直流電機(jī)。

3.3.2動力傳動方式

動力傳動方式有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動及蝸桿傳動。帶傳動是由主動輪、從動輪和緊張在兩輪上的皮帶所組成。帶傳動的特點是外廓尺寸較大、容易打滑、不能保證固定的傳動比、帶的壽命較短、傳動效率較低；鏈傳動的特點是制造和安裝精度要求較低、中心距較大、傳動結(jié)構(gòu)簡單、瞬時鏈速和瞬時傳動比不是常數(shù)、傳動平穩(wěn)性較差；齒輪傳動的特點傳動平穩(wěn)、傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大；蝸桿傳動的特點是效率低，容易產(chǎn)生齒面粘附[5]。根據(jù)各傳方式的特點及消毒機(jī)的工作條件，選擇單級齒輪傳動，傳動示意圖如圖6所示。

圖6　齒輪傳動示意圖

3.3.3齒輪傳動比計算

4結(jié)論

1)根據(jù)溫室育苗基質(zhì)槽的特點，采用旋耕機(jī)的工作原理，設(shè)計了一種小型的桁架式溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)。桁架式溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的出現(xiàn)將會為溫室基質(zhì)蒸汽消毒降低勞動強度和消毒成本，提高消毒效率。

2)消毒機(jī)的消毒裝置部分用前后邊緣向上呈一定弧度的罩殼將拋土刀組罩起，罩殼壁上焊有通孔的噴汽管，高溫蒸汽經(jīng)過蒸汽輸送管進(jìn)入罩殼內(nèi)。同時，拋土刀組在罩殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，將基質(zhì)槽中的基質(zhì)拋起，被拋起的基質(zhì)在密封的罩殼內(nèi)與高溫蒸汽瞬速接觸、升溫，達(dá)到消毒的目的。

3)該設(shè)計為溫室基質(zhì)蒸汽消毒提供了很好的解決方案，為溫室基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的研究和開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，具有一定的實用價值。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0154-EA

Design of Matrix Steam Sterilization Machine for Truss Type Greenhouse

Yu Zirong1，Zhu Jiafan1, Peng Jiwen1，Zhou Tiquan2, Yang Luqiang1, Gao Zhichao1, Zhang Rukun1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650202,China; 2.Dali Prefecture in Yunnan Province, Xiangyun County Agricultural Machinery Extending Stations, Xiangyun 672100,China)

Abstract：the greenhouse seedling disinfection slot matrix can be solved after continuous cropping decreased from toxic products increase, resistance, spread the germs, offers protection for matrix of recycling. But at present our country matrix disinfection equipment has simple structure, human labor intensity, work environment uneasy congruent. In order to solve the problem of greenhouse matrix disinfection difficult, we design a portable greenhouse seedling slot matrix steam sterilizer, the disinfection machine will throw up a slot in the matrix, the matrix into high temperature gas fully contact with the substrate at the same time, achieve the purpose of disinfection. The disinfection machine design is reasonable, conform to the requirements of the greenhouse seedling slot matrix steam sterilization, can reduce the labor intensity, has the very good development prospect.

Key words：greenhouse; matrix; truss type steam sterilizer

中圖分類號：S625.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0154-04

作者簡介：喻自榮(1987-)，男，云南紅河人，碩士研究生，(E-mail)963477247@qq.com。通訊作者：張汝坤 ( 1960-) ，男，云南大理人，教授，(E-mail)zhangrukun8918@aliyun.com。

基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(2011CB100406)

收稿日期：2015-10-20