胡俊生，夏紅梅，辜 松，初 麒，謝忠堅(jiān)，黎 波，呂亞軍，楊艷麗，馮軍禮

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工程學(xué)院;b.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510642； 2.廣州實(shí)凱機(jī)電科技有限公司，廣州 510642；3. 廣州大觀農(nóng)化科技有限公司，廣州 510375)

0 引言

設(shè)施園藝生產(chǎn)中種苗生產(chǎn)離不開基質(zhì)混合處理，基質(zhì)成分混合均勻程度直接影響種苗生長(zhǎng)狀況[1]。種苗基質(zhì)主要由草炭、椰糠、蛭石、珍珠巖中2～3種混合而成。目前，國(guó)內(nèi)基質(zhì)生產(chǎn)少部分采用基質(zhì)混合裝置，但主要依靠人工混合，人工生產(chǎn)率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、混合質(zhì)量差，因此需采用專業(yè)基質(zhì)混合裝置來提升基質(zhì)生產(chǎn)質(zhì)量與效率。對(duì)基質(zhì)混合裝置的研制國(guó)外起步較早，按混合模式分，主要分為批量混合和在線混合。批量混合裝置單位產(chǎn)能低，適合小批量基質(zhì)生產(chǎn)；在線混合設(shè)備產(chǎn)能高，適合規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化基質(zhì)生產(chǎn)，但目前國(guó)內(nèi)所開發(fā)的基質(zhì)混合裝置屬批量混合，關(guān)于在線混合基質(zhì)裝置的報(bào)道及文章很少見到。

針對(duì)以上問題，本文提出了一種高效的在線基質(zhì)混合裝置，通過混合試驗(yàn)優(yōu)化在線基質(zhì)混合裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 基質(zhì)在線混合裝置設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)條件

種苗栽培基質(zhì)成分為泥炭、椰糠、蛭石、珍珠巖?；|(zhì)在線混合系統(tǒng)主要構(gòu)成如圖1所示。其中，微、中、大斗提供混合基質(zhì)成分原料，重載輸送帶將待混合原料送入在線混合裝置進(jìn)行混合。本研究針對(duì)基質(zhì)在線混合系統(tǒng)中在線混合裝置的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究。

1.基質(zhì)混合裝置 2.重載輸送帶 3.微料斗 4.中料斗 5.大料斗

1.2 在線混合裝置總體設(shè)計(jì)

基質(zhì)在線混合，國(guó)外常見的有滾筒式與螺旋輸送機(jī)式兩大類：圖2(a)是荷蘭Logitec Plus公司的滾筒式基質(zhì)混合裝置，依靠滾筒旋轉(zhuǎn)翻動(dòng)基質(zhì)混合，需要一定的工作空間與混合長(zhǎng)度；圖2(b)是美國(guó)Agrinomix公司的螺旋輸送式基質(zhì)混合裝置，使用推進(jìn)螺旋葉片推翻基質(zhì)進(jìn)行混合，也需要一定混合長(zhǎng)度。以上兩種混合裝置整機(jī)尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且混合時(shí)間較長(zhǎng)[2-4]。針對(duì)以上基質(zhì)在線混合裝置的不足，本研究提出在線基質(zhì)混合裝置如圖3所示。

(a) 滾筒式 (b) 螺旋輸送機(jī)式

1.原料入口 2.旋轉(zhuǎn)混合輪 3.橫向?qū)?4.縱向?qū)?5.基質(zhì)出口 6.殼體

1.3 固定混合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

固定混合機(jī)構(gòu)指網(wǎng)格混合層，該機(jī)構(gòu)在基質(zhì)混合過程中處于靜止?fàn)顟B(tài)，網(wǎng)格混合層由圖3中的橫、縱兩層混合桿組成，混合桿是固定在混合裝置殼體上。網(wǎng)格混合層目的是對(duì)從旋轉(zhuǎn)混合輪上落下的待混合原料，進(jìn)行更進(jìn)一步擾動(dòng)混合，使基質(zhì)各成分混合均勻。橫向?qū)优c縱向?qū)又g有間距，以防待混合原料堆積在網(wǎng)格混合層，阻塞后續(xù)待混合原料流動(dòng)。橫向?qū)踊旌蠗U軸向與攪拌桿軸向互相垂直，也構(gòu)成一個(gè)動(dòng)態(tài)網(wǎng)格混合層，使基質(zhì)在線混合裝置擁有兩個(gè)網(wǎng)格混合層。

1.4 旋轉(zhuǎn)混合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)混合機(jī)構(gòu)是指旋轉(zhuǎn)混合輪，為混合裝置的主動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖4所示。本研究采用的旋轉(zhuǎn)混合輪帶攪拌桿，攪拌桿桿間距與橫、縱向?qū)拥幕旌蠗U桿間距相同，規(guī)格型號(hào)一樣。旋轉(zhuǎn)混合輪的中心軸上焊有4排攪拌桿，相鄰排夾角為90°，相鄰兩排攪拌桿交錯(cuò)布置，增強(qiáng)旋轉(zhuǎn)混合輪的混合效果。

圖4 旋轉(zhuǎn)混合輪

2 混合機(jī)構(gòu)混合試驗(yàn)

2.1 固定混合機(jī)構(gòu)阻擋試驗(yàn)

為確定待混合原料在旋轉(zhuǎn)混合輪與網(wǎng)格混合層上的通過效果，考察種苗栽培基質(zhì)能否在網(wǎng)格混合層上順利通過，對(duì)基質(zhì)成分中流動(dòng)性最差的椰糠和泥炭進(jìn)行通過性試驗(yàn)。試驗(yàn)因素為：桿間距L、泥炭與椰糠含水率S、待混合原料距混合桿垂直距離H。

2.1.1 阻擋試驗(yàn)材料與方法

本研究通過性定義為：泥炭與椰糠從一定高度自由下落時(shí)，不堆積在網(wǎng)狀混合層上視為通過，試驗(yàn)中每組試驗(yàn)中通過次數(shù)占該組試驗(yàn)總次數(shù)的比值為通過率。

桿間距L如圖5所示，考慮到基質(zhì)原料沖擊性以及混合桿(攪拌桿)對(duì)塊狀基質(zhì)原料的破散效果，本研究采用外徑20mm鋼棒作為混合桿(攪拌桿)。L值是影響基質(zhì)原料通過概率一重要因素：L越小通過概率越??；若桿間距過大，則對(duì)塊狀原料破散效果越差(常態(tài)下泥炭和椰糠易呈塊狀)、結(jié)合攪拌桿的直徑考慮桿間距，L最小值取25mm，最大值取35mm，中間值為最大、最小值的平均數(shù)，故L選擇25、30、35mm3個(gè)水平。

圖5 混合桿桿間距示意圖

本研究使用DHG-9070A電熱鼓風(fēng)干燥箱對(duì)椰糠進(jìn)行烘干處理,對(duì)椰糠進(jìn)行8h、120℃[5]烘干處理，得常態(tài)椰糠含水率為15%；取中含水率為45%，高含水率為75%， 因此含水率取15%、45%、75%這3個(gè)水平。

將長(zhǎng)期堆放干泥炭的含水率定義為低含水率；對(duì)長(zhǎng)期堆放干泥炭加水濕潤(rùn)，待用手輕輕擠壓能感覺有水溢出時(shí)，將此含水率定義為高含水率。在向泥炭加水讓其變成高含水率過程中，記下所需水量，取這個(gè)值的1/2加到長(zhǎng)期堆放干泥炭中，作為中含水率。因此，泥炭含水率選低、中、高3個(gè)水平。

待混合原料距混合桿垂直距離H。垂直距離H影響泥炭(椰糠)下落時(shí)撞擊混合桿時(shí)的動(dòng)能，泥炭(椰糠)速度越高，混合桿將對(duì)泥炭(椰糠)破散效果越好。據(jù)試驗(yàn)臺(tái)高度，將下落位置與撞擊位置的垂直高度定義為：小距離300mm，中距離616mm，大距離為933mm。因此，H取300、616、933mm 3個(gè)水平。

2.1.2 阻擋試驗(yàn)結(jié)果與討論

選用L9(33)正交表安排試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)條件組合進(jìn)行30次試驗(yàn)，椰糠通過性試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 椰糠正交試驗(yàn)結(jié)果

泥炭試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

對(duì)照組中，4例惡心患者，3例嘔吐患者，3例腹痛患者，2例皮疹患者，1例腹瀉患者，并發(fā)癥發(fā)生率是12.03%；研究組中，有1例惡心患者，2例嘔吐患者，無腹痛、皮疹及腹瀉患者，并發(fā)癥發(fā)生率為2.78%，研究組較對(duì)照組更低，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

結(jié)合表1、表2數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果采用極差分析法，由表1得RL>RS>RH，所以影響椰糠通過性主次因素順序?yàn)闂U間距、含水率、垂直距離。平均效果k取最大值時(shí)為最優(yōu)組合，因此對(duì)椰糠而言最優(yōu)水平為A3B1C3或A3B2C3，即桿間距L為35mm、垂直距離H為300mm(或616mm)、椰糠含水率S為75%。由表2得：RS=RL>RH，所以影響泥炭通過性的主次因素順序?yàn)槟嗵亢逝c桿間距、垂直距離。本試驗(yàn)最優(yōu)水平為A2B3C1或A3B3C1，即桿間距L為30mm(或35mm)、垂直距離H為933mm、含水率S為低時(shí)。

表2 泥炭正交試驗(yàn)結(jié)果

由表1知：桿間距L對(duì)椰糠通過性影響最顯著，桿間距L為35mm時(shí)，通過性達(dá)89%，而間距為25mm與30mm時(shí)，通過性分別為11%和55%。原因是間距越大，相鄰桿間隙能包容更大尺寸的塊狀椰糠。含水率對(duì)椰糠通過性影響要比垂直距離大，含水率對(duì)通過性影響可達(dá)55%，垂直距離僅為11%。這是因?yàn)楦稍镆返娜葜匦6-7]，造成等體積下質(zhì)量小，致椰糠雖處較高位置時(shí)，所獲得重力勢(shì)能小，使椰糠在通過混合桿時(shí)不能獲得足夠得動(dòng)能。如表1第6組試驗(yàn)當(dāng)垂直距離為933mm時(shí)，但在含水率為15%條件下，通過性為0。當(dāng)含水率增加，椰糠總重增大，即使垂直距離較小，椰糠也能獲得大重力勢(shì)能，因此通過性大幅提高，所以在表1中編號(hào)為3、5、7組試驗(yàn)中椰糠通過性分別為33%、100%、100%。此時(shí)，椰糠依靠大重力勢(shì)能獲得足夠讓其通過混合桿的動(dòng)能，動(dòng)能越大，椰糠與混合桿碰撞時(shí)，受到反作用力越大，有利于塊狀椰糠破散；此外，椰糠的慣性大，破散的椰糠能迅速掙脫椰絲束縛，快速通過混合桿。含水率對(duì)椰糠通過性影響為22%、55%、78%，可發(fā)現(xiàn)椰糠存在含水率越高椰糠通過性就越強(qiáng)的趨勢(shì)。

結(jié)合表2知：最顯著因素為含水率與桿間距,因泥炭中有機(jī)質(zhì)有很強(qiáng)的親水性[8-9]。當(dāng)含水率低時(shí)，泥炭通過性為55%；而在含水率為中、高時(shí)，泥炭通過性為22%和11%。在桿間距為30mm與35mm時(shí)，泥炭通過性為44%。因泥炭含有大量有機(jī)質(zhì)，且孔隙比較大，泥炭比較濕潤(rùn)時(shí)，顆粒間的連接力也隨之增加[10]，泥炭易擠壓成塊狀難以通過攪拌桿，所以含水率低時(shí)，泥炭通過性為55%；而在含水率增加到中、高水平時(shí)通過性僅為22%與11%。據(jù)此，知泥炭存在含水率越低，通過性越高的趨勢(shì)。垂直距離對(duì)泥炭通過性影響為：垂直距離越大，通過性越高。因垂直距離越大給予泥炭重力勢(shì)能越大，在與混合桿發(fā)生碰撞時(shí)，受到反作用力越大，有利于塊狀泥炭破散。

綜上，設(shè)計(jì)出桿間距合理值，據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定桿間距為35mm，重載輸送帶出口距旋轉(zhuǎn)混合輪之間垂直距離為616mm，含水率方面椰糠含水率宜高，泥炭含水率宜低。

2.2 固定混合與轉(zhuǎn)輪機(jī)構(gòu)復(fù)式混合試驗(yàn)

為確定基質(zhì)在線混合裝置的混合效果，考察基質(zhì)在線混合裝置性能，對(duì)混合后基質(zhì)進(jìn)行均勻度測(cè)定。試驗(yàn)因數(shù)為：旋轉(zhuǎn)混合輪轉(zhuǎn)速W、原料橫截面高Q。

2.2.1 混合試驗(yàn)材料與方法

本研究從在線混合裝置輸出基質(zhì)流中截取多段，做為樣本。旋轉(zhuǎn)混合輪動(dòng)力由三相電機(jī)提供，功率為0.37kW，減速器為NMRV040，減速比40∶1，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)由EDS1000-2S0037變頻器控制。

圖6 照片區(qū)域劃分與域內(nèi)珍珠巖分布

旋轉(zhuǎn)混合輪轉(zhuǎn)速高會(huì)導(dǎo)致待混合原料與攪拌桿碰撞劇烈，使待混合原料飛濺影響混合均勻度，所以轉(zhuǎn)速W不宜高。經(jīng)過探究試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，若取W中間水平為30Hz，高、低水平與中間水平差的絕對(duì)值為10Hz時(shí)，帶混合原料不會(huì)出現(xiàn)劇烈飛濺。綜上，轉(zhuǎn)速W的3個(gè)水平為20、30、40Hz。原料橫截面高Q指在輸送帶上泥炭(椰糠)的厚度，模擬不同的產(chǎn)能，Q值越大產(chǎn)能越高。本研究中Q取30、60、90mm3個(gè)水平。

2.2.2 混合試驗(yàn)結(jié)果與討論

本研究采用的機(jī)器視覺基于Cognex相機(jī)的系統(tǒng)，樣本表面珍珠巖數(shù)量判斷，軟件是Insight Explorer，利用珍珠巖與椰糠(泥炭)色差大[11-12]，計(jì)算出珍珠巖數(shù)量。對(duì)每個(gè)因素組合下進(jìn)行10組重復(fù)試驗(yàn)，并求取變異系數(shù)平均值，結(jié)果如表3所示。

表3 基質(zhì)混合裝置混合效果

結(jié)合表3，原料橫截面高60mm、旋轉(zhuǎn)混合輪轉(zhuǎn)速是20Hz時(shí)，基質(zhì)混合最均勻，變異系數(shù)為34%。轉(zhuǎn)速高，旋轉(zhuǎn)混合輪對(duì)基質(zhì)原料沖擊力越大，待混合原料受撞擊飛濺越劇烈，所以試驗(yàn)號(hào)為5、6對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)值分別為36%和51%。而試驗(yàn)號(hào)1、2、3組的變異系數(shù)分別為59%、66%和58%，是由于待混合原料量小，受到攪拌桿沖擊后飛濺劇烈，導(dǎo)致均勻性變差。當(dāng)原料橫截面增大時(shí)，下落慣性大，攪拌桿對(duì)待混合原料擾動(dòng)效果較差，所以試驗(yàn)號(hào)為 7、8、9的變異系數(shù)為53%、57%和48%。

本研究對(duì)國(guó)內(nèi)基質(zhì)生產(chǎn)企業(yè)基質(zhì)混合均勻程度測(cè)算，得變異系數(shù)如表4所示。

由表4可知：現(xiàn)在企業(yè)產(chǎn)出的種苗栽培基質(zhì)變異系數(shù)最優(yōu)范圍為25%～35%，結(jié)合表3中試驗(yàn)組4中本研究的變異系數(shù)為34%，本研究的在線混合裝置能達(dá)到最優(yōu)水平。

表4 現(xiàn)有基質(zhì)混合裝置混合質(zhì)量

3 結(jié)論

1)本文提出的基質(zhì)在線混合裝置能夠快速高質(zhì)量地混合基質(zhì)，是現(xiàn)有批量混合裝置產(chǎn)能的4～5倍。

2)本文研發(fā)的基質(zhì)混合設(shè)備，在攪拌桿間距為30mm、重載輸送帶出口距旋轉(zhuǎn)混合輪之間垂直距離616mm、旋轉(zhuǎn)混合輪的轉(zhuǎn)速為20Hz、待混合原料橫截面高60mm時(shí)，基質(zhì)混合均勻度編譯系數(shù)為34%。本研究可垂直流基質(zhì)在線混合設(shè)備的開發(fā)提供理論依據(jù)。

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