喻自榮，朱加繁，彭繼文，周體全，楊陸強(qiáng)，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(jì)

喻自榮1，朱加繁1，彭繼文1，周體全2，楊陸強(qiáng)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(duì)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(wèn)題，可為基質(zhì)的循環(huán)使用提供保障。目前，我國(guó)基質(zhì)消毒存在設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，人力勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)環(huán)境不安全等問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)了一種移動(dòng)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(shí)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(jì)合理，符合溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒要求，能降低勞動(dòng)強(qiáng)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(zhǎng)環(huán)境，也是病蟲(chóng)害傳播的媒介和繁殖場(chǎng)所，所以對(duì)育苗槽的基質(zhì)進(jìn)行消毒十分重要。對(duì)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(wèn)題，可為基質(zhì)的循環(huán)使用提供保障。

目前，對(duì)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(duì)病原菌和蟲(chóng)卵有殺滅作用的化學(xué)藥劑對(duì)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(chóng)害。從現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)來(lái)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(guó)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(jiǎn)單、人力勞動(dòng)強(qiáng)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(wèn)題，機(jī)械化基質(zhì)消毒設(shè)備在國(guó)內(nèi)設(shè)施栽培中應(yīng)用很少，嚴(yán)重制約著我國(guó)溫室育苗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。

為了解決我國(guó)消毒設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、人力勞動(dòng)強(qiáng)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(wèn)題，有必要設(shè)計(jì)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(dòng)刀軸齒輪、機(jī)架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)齒輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、行走輪、行走車(chē)輪軸、進(jìn)氣管、拋土刀片、噴氣管、罩殼、限位輪、豎直移動(dòng)活塞、拋土刀軸、水平移動(dòng)活塞、水平氣壓缸、移動(dòng)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(dòng)刀軸齒輪　2.機(jī)架　3.驅(qū)動(dòng)電機(jī)齒輪　4.驅(qū)動(dòng)電機(jī)

1.2　構(gòu)件間的連接關(guān)系

消毒機(jī)的車(chē)輪軸通過(guò)支承座安裝在機(jī)架上，行走輪安裝在車(chē)輪軸上，限位輪通過(guò)焊接固定在機(jī)架上；拋土刀軸通過(guò)軸承豎直安裝在刀軸支承梁上，刀軸支承梁通過(guò)焊接固定在移動(dòng)框架上；拋土刀軸驅(qū)動(dòng)齒輪通過(guò)鍵槽配合安裝在拋土刀軸上，拋土刀片通過(guò)刀鞘安裝在拋土刀軸的頂端，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)螺栓固定在罩殼上方的水平移動(dòng)框架上；驅(qū)動(dòng)電機(jī)鏈輪通過(guò)鍵槽配合安裝在驅(qū)動(dòng)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(dòng)框架上；進(jìn)氣管通過(guò)螺紋連接安裝在噴氣管上；水平移動(dòng)軸活塞和水平氣壓缸通過(guò)螺紋連接安裝在機(jī)架上；豎直移動(dòng)軸活塞和豎直氣壓缸通過(guò)螺紋連接安裝在水平移動(dòng)框架上，水平移動(dòng)框架通過(guò)軸承安裝在水平移動(dòng)軸上。

2消毒原理及工作過(guò)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(guò)熱傳遞將溫度傳遞給待消毒的基質(zhì)。具體工作過(guò)程：當(dāng)蒸汽鍋爐產(chǎn)生高溫蒸汽后，通過(guò)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(duì)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(duì)作物有害的微生物、細(xì)菌、真菌、線蟲(chóng)、害蟲(chóng)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(guò)程

消毒機(jī)在工作時(shí)，水平移動(dòng)框架在水平氣壓缸的推動(dòng)下左右移動(dòng)，在育苗槽內(nèi)進(jìn)行消毒。同時(shí)，水平移動(dòng)框在豎直氣壓缸的作用下帶動(dòng)罩殼和拋土刀上下移動(dòng)。罩殼的底面通過(guò)柔性材料與基質(zhì)表面緊密貼合形成相對(duì)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(guò)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(dòng)框架上，拋土刀片通過(guò)刀座安裝在拋土刀軸的一端。驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)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(guò)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(gè)進(jìn)氣管分別安裝在兩根噴氣管的兩端，進(jìn)氣管有1個(gè)進(jìn)氣口、2個(gè)出氣口，兩個(gè)出氣口分別與兩個(gè)噴氣管通過(guò)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(gè)噴氣管，經(jīng)過(guò)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(chē)輪軸通過(guò)軸承安裝在機(jī)架的下端，車(chē)輪固定在車(chē)輪軸上。進(jìn)行消毒工作時(shí)，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(guò)焊接固定在機(jī)架上，在消毒機(jī)行走時(shí)，兩個(gè)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(guò)程示意圖如圖3所示。

1.機(jī)架　2.驅(qū)動(dòng)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(jì)

3.1　機(jī)架設(shè)計(jì)

機(jī)架是整個(gè)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(dòng)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(dòng)；再帶動(dòng)整機(jī)在基質(zhì)槽上移動(dòng)，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(dòng)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(jì)為育苗槽寬度的1/2，所以消毒機(jī)在消毒時(shí)消毒部件需要在育苗槽上左右移動(dòng)。消毒機(jī)的消毒裝置部件的左右移動(dòng)依靠水平氣壓缸來(lái)完成：當(dāng)消毒裝置部件欲向左移動(dòng)時(shí)，右邊氣壓缸的壓力增大，推動(dòng)消毒裝置部件向左移動(dòng)；當(dāng)消毒裝置部件欲向右移動(dòng)時(shí)，左邊的氣壓缸壓力增大，推動(dòng)消毒裝置部件向右移動(dòng)。

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(dòng)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(shí)，氣壓缸的上部壓力增大，驅(qū)使工作部件向下移動(dòng)，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(shí)，氣壓缸的下端壓力增大，驅(qū)使工作部件向上移動(dòng)。

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(guò)柔性材料與基質(zhì)表面緊密貼合，形成相對(duì)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(guò)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(guò)蒸汽輸送管進(jìn)入噴汽管中，經(jīng)過(guò)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(gè)刀座固定裝配而成。刀片靠螺紋和螺母連接在刀盤(pán)上面，使得刀片能夠有效固定，以保證刀片對(duì)土壤的有效作業(yè)；而刀座上面設(shè)計(jì)有一定厚度的套筒，套筒通過(guò)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(shí)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(dòng)力矩，會(huì)產(chǎn)生扭曲、彎曲等組合變形，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)。所以，軸的材料應(yīng)該滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、耐磨性及耐腐蝕性等方面的要求。設(shè)計(jì)軸時(shí)應(yīng)該按照經(jīng)濟(jì)、合理、實(shí)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(jià)，對(duì)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(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)齒輪將動(dòng)力傳遞到刀軸上，刀軸在電機(jī)驅(qū)動(dòng)力的作用下帶動(dòng)刀組在基質(zhì)中旋轉(zhuǎn)。工作過(guò)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(dòng)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(qiáng)度、剛度等是否滿(mǎn)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(qiáng)度校核及設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.4.1刀組邊緣的旋轉(zhuǎn)速度及所受基質(zhì)阻力計(jì)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(jì)算

由于刀組在作業(yè)時(shí)基質(zhì)槽中的基質(zhì)會(huì)對(duì)刀組產(chǎn)生阻力，此阻力會(huì)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(jì)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(shí)，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(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

3.3.1電機(jī)選擇

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

3.3.2動(dòng)力傳動(dòng)方式

動(dòng)力傳動(dòng)方式有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)及蝸桿傳動(dòng)。帶傳動(dòng)是由主動(dòng)輪、從動(dòng)輪和緊張?jiān)趦奢喩系钠M成。帶傳動(dòng)的特點(diǎn)是外廓尺寸較大、容易打滑、不能保證固定的傳動(dòng)比、帶的壽命較短、傳動(dòng)效率較低；鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)是制造和安裝精度要求較低、中心距較大、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、瞬時(shí)鏈速和瞬時(shí)傳動(dòng)比不是常數(shù)、傳動(dòng)平穩(wěn)性較差；齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比精確，工作可靠、效率高、壽命長(zhǎng)，使用的功率、速度和尺寸范圍大；蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)是效率低，容易產(chǎn)生齒面粘附[5]。根據(jù)各傳方式的特點(diǎn)及消毒機(jī)的工作條件，選擇單級(jí)齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)示意圖如圖6所示。

圖6　齒輪傳動(dòng)示意圖

3.3.3齒輪傳動(dòng)比計(jì)算

4結(jié)論

1)根據(jù)溫室育苗基質(zhì)槽的特點(diǎn)，采用旋耕機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)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(huì)為溫室基質(zhì)蒸汽消毒降低勞動(dòng)強(qiáng)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(guò)蒸汽輸送管進(jìn)入罩殼內(nèi)。同時(shí)，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(jì)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(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)，具有一定的實(shí)用價(jià)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(lèi)號(hào)：S625.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0154-04

作者簡(jiǎn)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(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB100406)

收稿日期：2015-10-20