□ 崔書彬 □ 牛得學(xué) □ 劉 慶□ 蘇傳鑫 □ 孫一超 □ 張 碩

濱州學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 山東濱州 256603

1 設(shè)計(jì)背景

食用菌生產(chǎn)過程中,培養(yǎng)基的裝袋、菌袋的接種是兩項(xiàng)主要作業(yè)。傳統(tǒng)的裝袋、接種作業(yè)均采用人工方式,耗時(shí)耗力,在人工成本日益高漲的今天顯然已不再適用。為了滿足食用菌大規(guī)模生產(chǎn)中的裝袋需要,市面上出現(xiàn)了各種不同的裝袋機(jī),如食用菌培養(yǎng)基裝袋機(jī)、自動(dòng)接種機(jī)等,但是這些設(shè)備都存在功能單一、自動(dòng)化程度較低的問題。筆者設(shè)計(jì)了一款食用菌裝袋封口接種一體機(jī),可以解決傳統(tǒng)食用菌培養(yǎng)基裝袋緊實(shí)度難以控制、現(xiàn)存市場(chǎng)上裝袋機(jī)功能單一且自動(dòng)化程度低的問題,能夠完成食用菌培養(yǎng)基的裝袋、封口,以及部分食用菌培養(yǎng)基的接種,具有良好的市場(chǎng)前景和推廣價(jià)值。

2 總體設(shè)計(jì)方案

食用菌裝袋封口接種一體機(jī)是進(jìn)行食用菌培養(yǎng)基裝袋封口作業(yè)及部分食用菌種植作業(yè)的小型農(nóng)業(yè)設(shè)備,主要由主體架、送料機(jī)構(gòu)、封袋機(jī)構(gòu)、接種機(jī)構(gòu)、控制電路及輔助部件組成,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

▲圖1 食用菌裝袋封口接種一體機(jī)結(jié)構(gòu)

主體架采用方形鍍鉻鋼管焊接而成,可保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。送料機(jī)構(gòu)、封袋機(jī)構(gòu)可以完成食用菌培養(yǎng)基的裝袋作業(yè),接種機(jī)構(gòu)可以完成部分食用菌的種植作業(yè)。控制電路通過程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)整機(jī)的控制,以STM32ZET6單片機(jī)為主控芯片,通過繼電器控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。輔助部件包括有機(jī)發(fā)電二極管液晶顯示屏、控制按鍵開關(guān)、調(diào)速器等?？赏ㄟ^液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作狀態(tài),方便快捷,簡(jiǎn)單易操作。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 送料機(jī)構(gòu)

送料機(jī)構(gòu)如圖2所示,由大扭矩主電機(jī)、鏈條、鏈輪、特制絞龍等部件組成。大扭矩電機(jī)提供動(dòng)力,通過鏈條、鏈輪傳遞至特制絞龍,由特制絞龍帶動(dòng)料倉中的食用菌培養(yǎng)基在裝袋軌道中前進(jìn),實(shí)現(xiàn)裝袋。通過控制特制絞龍及電機(jī)轉(zhuǎn)速,控制培養(yǎng)基裝袋的緊實(shí)度。

▲圖2 送料機(jī)構(gòu)

特制絞龍的運(yùn)動(dòng)與參數(shù)可以影響食用菌培養(yǎng)基裝袋的緊實(shí)度。運(yùn)用微積分原理設(shè)計(jì)特制絞龍,研究合理的特制絞龍葉片外直徑D、葉片內(nèi)直徑d、葉片螺距t、葉片與外壁間隙λ、填充因子ψ等參數(shù)。特制絞龍參數(shù)如圖3所示。

▲圖3 特制絞龍參數(shù)

特制絞龍輸送量Q為:

Q=π[(D-2λ)2-d2]ψtnγC/(24×1010)

(1)

式中:n為特制絞龍轉(zhuǎn)速;γ為食用菌培養(yǎng)基單位容積質(zhì)量;C為特制絞龍傾斜因子。

經(jīng)過試驗(yàn)計(jì)算,求得適合食用菌裝袋封口接種一體機(jī)的特制絞龍最佳轉(zhuǎn)速。

根據(jù)相關(guān)參數(shù),應(yīng)用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模,并對(duì)特制絞龍進(jìn)行動(dòng)力學(xué)和有限元分析,優(yōu)化設(shè)計(jì)出符合食用菌裝袋封口接種一體機(jī)應(yīng)用要求的特質(zhì)絞龍。食用菌裝袋封口接種一體機(jī)的三維模型如圖4所示。

▲圖4 食用菌裝袋封口接種一體機(jī)三維模型

3.2 封袋機(jī)構(gòu)

封袋機(jī)構(gòu)如圖5所示,由減速電機(jī)、封口平臺(tái)、鋼絲、滑輪等組成。減速電機(jī)正轉(zhuǎn),帶動(dòng)封口平臺(tái)相向閉合,電熱絲、電熱片通電實(shí)現(xiàn)封口。減速電機(jī)反轉(zhuǎn),封口平臺(tái)張開,完成封袋。根據(jù)封袋形式,筆者設(shè)計(jì)了由聚氯乙烯板、耐高溫硅膠、直徑0.5 mm電熱絲、寬度3 mm電熱片、限壓穩(wěn)流模塊組成的封口平臺(tái)。其中,電熱片與電熱絲交錯(cuò)排列,通過多次試驗(yàn),調(diào)節(jié)電熱片、電熱絲至最佳發(fā)熱溫度。封袋平臺(tái)在鋼絲、滑輪的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)張開與閉合,完成封袋、切袋工作。

▲圖5 封袋機(jī)構(gòu)

選用直徑為210 mm的聚乙烯塑料菌袋進(jìn)行試驗(yàn),研究不同溫度下電熱片的封袋效果,見表1。

表1 不同溫度下電熱片封袋效果

試驗(yàn)結(jié)果表明,電熱片溫度為170～190 ℃時(shí),聚乙烯塑料菌袋的封袋效果較好。

3.3 接種機(jī)構(gòu)

接種機(jī)構(gòu)如圖6所示,由接種倉、減速電機(jī)、曲柄連桿、同步輪、同步帶、小絞龍等組成。當(dāng)光電傳感器檢測(cè)到菌袋時(shí),接種機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)。減速電機(jī)帶動(dòng)曲柄連桿轉(zhuǎn)動(dòng),接種倉下降,下端扎進(jìn)菌袋,同步帶、同步輪帶動(dòng)小絞龍轉(zhuǎn)動(dòng),將接種倉中的菌種送至菌袋中,完成接種工作。

4 控制電路

筆者以STM32單片機(jī)為控制系統(tǒng)核心,通過線性鍵盤、減速電機(jī)和液晶顯示屏等元件,設(shè)計(jì)了食用菌裝袋封口接種一體機(jī)的控制電路,實(shí)現(xiàn)食用菌裝袋、封口、接種等功能,可以提高工作效率,減輕食用菌加工人員的負(fù)擔(dān)?？刂齐娐凡僮骱?jiǎn)單,性價(jià)比高,搭載液晶顯示屏,具有良好的人機(jī)界面,可以實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作狀態(tài)。

▲圖6 接種機(jī)構(gòu)

5 工作流程

使用食用菌裝袋封口接種一體機(jī)時(shí),操作人員可以根據(jù)屏幕提示進(jìn)行操作。使用時(shí)打開電源開關(guān),設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn),系統(tǒng)進(jìn)行自檢,檢測(cè)是否發(fā)生故障,并將檢測(cè)結(jié)果通過屏幕進(jìn)行呈現(xiàn)。操作人員根據(jù)需求調(diào)試電熱片加熱溫度、特制絞龍轉(zhuǎn)速等參數(shù)。調(diào)試完畢后,設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn),開始作業(yè)。食用菌裝袋封口接種一體機(jī)工作流程如圖7所示。

▲圖7 食用菌裝袋封口接種一體機(jī)工作流程

6 樣機(jī)

應(yīng)用Solidworks等軟件進(jìn)行仿真分析,確認(rèn)符合設(shè)計(jì)要求后,購置零件材料,加工定制各機(jī)構(gòu),最終完成食用菌裝袋封口接種一體機(jī)樣機(jī),如圖8所示。食用菌裝袋封口接種一體機(jī)主要性能指標(biāo)見表2。

▲圖8 食用菌裝袋封口接種一體機(jī)樣機(jī)

表2 食用菌裝袋封口接種一體機(jī)主要性能指標(biāo)

7 結(jié)束語

我國(guó)食用菌生產(chǎn)企業(yè)還存在機(jī)械化程度不高、仍需大量人力物力工作的現(xiàn)象。食用菌裝袋封口接種一體機(jī)將裝袋、封口、接種功能集于一體,解決了手工裝袋速度慢、效率低、質(zhì)量差、裝袋封口接種不能同時(shí)進(jìn)行等問題,可以一次性完成食用菌培養(yǎng)基的初步加工,大大提高了食用菌裝袋、封口、接種的工作效率。食用菌裝袋封口接種一體機(jī)適用于種植農(nóng)戶、工廠等需要進(jìn)行食用菌加工的場(chǎng)所,具有推廣應(yīng)用價(jià)值。