牛祥永 汪超 林康

摘要：針對工廠化育苗的需求和傳統(tǒng)攪拌方式的弊端，設(shè)計(jì)并研制了一種新型基質(zhì)攪拌機(jī)，研發(fā)的基質(zhì)攪拌機(jī)旨在把各種育苗基質(zhì)充分?jǐn)嚢?，且不破壞基質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對攪拌的目的和類型進(jìn)行了概述，對基質(zhì)攪拌機(jī)的組成特點(diǎn)進(jìn)行闡述，同時(shí)也對一些重要的技術(shù)參數(shù)的選取進(jìn)行分析，包括箱體的設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)動力的設(shè)計(jì)、葉片數(shù)量、安裝角以及速度的設(shè)計(jì)，得到結(jié)論為攪拌箱箱體的長為1.35m，寬為0.7m，高為0.55m;機(jī)構(gòu)動力為4 kW，能夠保證機(jī)器在滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)載時(shí)也能正常運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間;攪拌機(jī)設(shè)計(jì)兩組葉片，每組螺旋葉片中分別有5個(gè)葉片，共10個(gè)葉片;葉片安裝角的取值范圍在31°-40°;旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速為160 r/mm，經(jīng)過合理設(shè)計(jì)后，攪拌機(jī)能夠快速地將基質(zhì)攪拌均勻。

關(guān)鍵詞：基質(zhì);攪拌機(jī);參數(shù)設(shè)計(jì)

中圖分類號：S223

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022）02-0051-04

0 引言

工廠化育苗指的是在人造環(huán)境下，應(yīng)用規(guī)范化的技術(shù)措施和技術(shù)方法，采用工業(yè)化的生產(chǎn)手段進(jìn)行批量優(yōu)質(zhì)育苗的一種先進(jìn)方式。隨著工廠化育苗的蓬勃發(fā)展，育苗基質(zhì)的用量也逐漸增大，育苗基質(zhì)即育苗用的營養(yǎng)物質(zhì)是影響幼苗生長質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，只有經(jīng)科學(xué)配比及均勻攪拌的育苗基質(zhì)才能培育出茁壯優(yōu)質(zhì)的幼苗。

近些年，雖然我國工廠化育苗產(chǎn)業(yè)正在飛速發(fā)展，但仍存在一些制約我國工廠化育苗發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，其中之一就是在基質(zhì)方面研究比較薄弱，內(nèi)容相對單一，研究多是圍繞各類基質(zhì)選用、基質(zhì)配比和營養(yǎng)物研發(fā)等內(nèi)容，對生產(chǎn)工藝以及配套的生產(chǎn)機(jī)械等缺少系統(tǒng)研究[1-2]。傳統(tǒng)的基質(zhì)制備方式基本采用鏟車混拌、人工混拌和一定環(huán)節(jié)的機(jī)械混拌，生產(chǎn)效率較低，缺乏統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)水平和產(chǎn)品難以滿足目前日益提高的市場需求[3-4]。目前，雖然基質(zhì)攪拌設(shè)備已有部分公司研發(fā)銷售，但是大多存在工藝不完整、效率低下等問題。育苗基質(zhì)在工廠化育苗生產(chǎn)中起著決定性作用，只有選材合理、配比合理、質(zhì)量均勻的基質(zhì)才能培育出茁壯優(yōu)質(zhì)的幼苗。國內(nèi)基質(zhì)產(chǎn)業(yè)相對落后，而直接采購國外先進(jìn)設(shè)備不僅成本過高，而且不能和我國基質(zhì)生產(chǎn)模式相適應(yīng)。針對這些問題，本文研發(fā)了一種基質(zhì)攪拌機(jī)，旨在把育苗基質(zhì)攪拌均勻，且不破壞基質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

1 攪拌的目的和概念

1.1 攪拌的目的

（1）使混合物中各組分均勻分布，不僅僅在宏觀層面均勻混合，也要在微觀層面均勻混合。

（2）提高混合物各組分之間的相對運(yùn)動次數(shù)和軌跡交叉頻率，能夠使其加速達(dá)到均勻化。

（3）攪拌過程中不破壞基質(zhì)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)在基質(zhì)，不造成基質(zhì)的營養(yǎng)流失，起到較好的育苗效果。

1.2 攪拌過程中的運(yùn)動

根據(jù)混合物中各組分顆粒產(chǎn)生的運(yùn)動方式不同，可在攪拌過程中產(chǎn)生如下基本運(yùn)動。

（1）對流運(yùn)動。對流運(yùn)動是混合物在攪拌的過程中，受到外力作用，具有不同的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動速度，從而使混合物各組分在宏觀范圍內(nèi)循環(huán)流動、趨于均勻化的現(xiàn)象。

（2）擴(kuò)散運(yùn)動。擴(kuò)散運(yùn)動是混合物中各組分在微觀范圍內(nèi)互相滲透、互相擴(kuò)散、力求趨于穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)象。

（3）剪切運(yùn)動。剪切運(yùn)動是混合物各組分沿某一方向相對滑移、逐漸均勻化的現(xiàn)象，該運(yùn)動可以克服混合物的慣性、黏滯性和摩擦力等，能夠有利于各組分的均勻混合[5-6]。

根據(jù)混合物在實(shí)際攪拌過程中產(chǎn)生的實(shí)際運(yùn)動，可歸納為如下運(yùn)動。

（1）混合物料在攪拌箱中的循環(huán)運(yùn)動。在攪拌箱中的葉片作用下，混合物料在攪拌箱中按照一定的運(yùn)動軌跡產(chǎn)生大范圍的運(yùn)動，使得各組分能夠在空間中達(dá)到宏觀層面的均勻化。由于混合物料在空間中不斷地循環(huán)運(yùn)動，使得物料可能會運(yùn)動到攪拌箱的任何一個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)，從單次攪拌來說，這種循環(huán)運(yùn)動是間歇性的、局限性的運(yùn)動，但是攪拌是不斷進(jìn)行的，從整體來看，這種循環(huán)運(yùn)動是連續(xù)性的。

（2）混合物料間互相碰撞、翻滾的運(yùn)動。在攪拌過程中，物料在強(qiáng)制作用下會產(chǎn)生一定的速度，使得物料之間會產(chǎn)生相互作用，互相阻礙運(yùn)動。由于物料存在流動性，所以，具有動能的物料會“流進(jìn)”其他物料中，在互相穿插過程中，混合物料顆粒之間會發(fā)生互相研磨、翻滾和擠壓。這些運(yùn)動一般發(fā)生在特定的區(qū)域內(nèi)，但由于物料是不斷運(yùn)動更替的，經(jīng)過這樣運(yùn)動之后，混合物料會更快均勻化[7]。

這兩種運(yùn)動是互相影響的，在兩種運(yùn)動的共同作用下，能夠提高攪拌的效率和質(zhì)量。

1.3 攪拌的基本類型

（1）自落式攪拌。旋轉(zhuǎn)攪拌箱中的葉片將混合物料拋向高處，物料依靠自身重力下落進(jìn)行攪拌。在工作過程中，物料被裝在攪拌筒內(nèi)壁的葉片提升到高處，受到自身重力而下落。因?yàn)榛旌衔镏懈鞣N物料顆粒的大小和質(zhì)量各不相同，所以在旋轉(zhuǎn)過程中，物料顆粒下落的時(shí)間、位置、高度、速度各不相同，各種物料顆粒在攪拌過程中發(fā)生碰撞、研磨、擴(kuò)散、滲透最后混合趨于均勻化。自落式攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)相對簡單，能耗也較低，但是其攪拌效率不高，一次攪拌的物料也較少，多適用于易于混合、質(zhì)量較輕的物料攪拌[8-9]。

（2）強(qiáng)制式攪拌。物料通過多個(gè)處于不同角度和位置的旋轉(zhuǎn)葉片強(qiáng)制改變其運(yùn)動方向，從而產(chǎn)生物料顆粒之間多方向的相對運(yùn)動而進(jìn)行攪拌。相對于自落式攪拌機(jī)，強(qiáng)制式攪拌機(jī)的攪拌作用明顯，攪拌效率更高，但相對于的消耗的功率也更大，對于攪拌筒和攪拌葉片的磨損也更大。強(qiáng)制式攪拌多適用于不易于混合，質(zhì)量較大的物料攪拌[10-11]。

2 主要結(jié)構(gòu)組成和特點(diǎn)分析

育苗基質(zhì)攪拌機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)需要盡可能使攪拌機(jī)具備以下的條件：（1）能對育苗基質(zhì)各組分進(jìn)行均勻地?cái)嚢?（2）能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成攪拌和出料;（3）占地面積較小，不適用時(shí)不會占用較大的空間;（4）攪拌后，混合物料能夠均勻地卸出，不過多地粘連在攪拌箱中，方便攪拌箱清洗。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了一款能夠滿足工業(yè)化育苗生產(chǎn)要求的基質(zhì)攪拌機(jī)。這款育苗基質(zhì)攪拌機(jī)的主要結(jié)構(gòu)由攪拌裝置、傳輸裝置以及動力裝置3部分構(gòu)成。具體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，本攪拌機(jī)由攪拌箱1、鏈板式提升機(jī)7、攪拌電機(jī)8、放料口11、底板12、出料口13、端板14、側(cè)板15、箱蓋16、出料門17以及轉(zhuǎn)軸21等結(jié)構(gòu)組成，攪拌箱內(nèi)還設(shè)有兩組運(yùn)動方向相反的螺旋葉片和若干攪拌桿。

混合物料攪拌是攪拌機(jī)的最主要功能，所以本攪拌機(jī)的主體部分是攪拌箱，箱體上開設(shè)了進(jìn)料口和出料口，使用人員能夠通過進(jìn)料口將各類基質(zhì)倒入箱體內(nèi)，基質(zhì)受到攪拌機(jī)中螺旋方向相反的兩組攪拌葉片以及攪拌桿的多重作用，使其在攪拌箱內(nèi)能夠進(jìn)行軸向運(yùn)動、徑向運(yùn)動和周向運(yùn)動，此外，基質(zhì)中不同物料顆粒之間還能進(jìn)行對流、擴(kuò)散和剪切等復(fù)雜運(yùn)動，確?；|(zhì)能夠快速攪拌均勻。等到攪拌完成之后，通過出料口將混合均勻的基質(zhì)排出。為了保證機(jī)器的持續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，箱體內(nèi)的攪拌葉片和攪拌桿被均勻安裝在攪拌軸上，攪拌軸與箱體外的驅(qū)動件連接，驅(qū)動件能夠驅(qū)動并控制攪拌軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動。

箱體的一側(cè)還設(shè)有傳送裝置，傳送裝置與箱體是分體式設(shè)置，能夠使得攪拌機(jī)存放更方便，在不需要使用時(shí)，能夠?qū)⑾潴w和傳送裝置拆開放置，減少空間的占用。傳送裝置包括架體和傳送板，傳送板上能夠安裝傳送帶，傳送帶安裝后能夠輸送物料，以保證混合完畢的基質(zhì)通過傳送帶輸送至儲存的容器內(nèi)，以達(dá)到快速出料的目的。此外，傳送板的一側(cè)板面上還安裝了若干鉸接板，使傳送板能夠通過鉸接板與架體之間進(jìn)行鉸接，在一些不符合使用要求的地面上使用本攪拌機(jī)時(shí)，能通過傳送板帶動傳送帶繞著鉸接點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動調(diào)整自身與地面之間的角度，保證輸送裝置在一些不水平的地面上也能保證傳送帶與箱體上的出料口對準(zhǔn)。

3 技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)分析

3.1 箱體的設(shè)計(jì)

根據(jù)基質(zhì)的實(shí)際加工要求和加工效益，確定攪拌機(jī)一次加工的投料量Q為400-500 kg，根據(jù)對常用幾類基質(zhì)的密度測試，考慮溫度、濕度等外在因素，確定基質(zhì)的密度為p=1.7x10 3_1.9x10 3 kg/m3。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及攪拌機(jī)的性能試驗(yàn)，確定了能夠保證混合質(zhì)量的最佳容料率A為0.5-0.6。箱體體積V的計(jì)算公式為：

V= Q/A.p

取各系數(shù)的平均值計(jì)算可得，箱體體積約為0.45 m3，綜合考慮箱體內(nèi)部轉(zhuǎn)軸的位置、螺旋葉片、攪拌桿的尺寸和排布、攪拌機(jī)的工藝性能、箱體的厚度等因素，確定箱體的長為1.35 m，寬為0.7 m，高為0.55 m。

3.2 機(jī)構(gòu)動力的設(shè)計(jì)

目前，對于攪拌機(jī)配套動力的計(jì)算尚未有精確的公式。通過對現(xiàn)有的國內(nèi)外攪拌機(jī)系列進(jìn)行探究，根據(jù)攪拌機(jī)的機(jī)構(gòu)動力和生產(chǎn)率，可以提取出經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行近似計(jì)算，公式如下：

P= Kv式中：v為攪拌機(jī)的生產(chǎn)率，t/h;K為功率系數(shù)，一般為1.5-2.50

取v= 1.5 t th、K= 2.5，則P= 3.75 kW。根據(jù)此數(shù)據(jù)確定機(jī)構(gòu)動力為4 kW，保證機(jī)器在滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)載時(shí)也能正常運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間。

3.3 攪拌葉片的數(shù)量

攪拌軸和攪拌葉片稱為轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子在攪拌過程中起著重要的作用。攪拌葉片的數(shù)量一方面對物料的均勻度非常重要，另一方面，攪拌葉片的數(shù)量也直接影響著攪拌桿的數(shù)量。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)有兩組攪拌葉片，每組葉片都由多個(gè)葉片組成，且攪拌桿將葉片與轉(zhuǎn)軸相連。在設(shè)計(jì)葉片數(shù)量時(shí)不能太多，太多會使物料的傳輸距離加長;葉片數(shù)量增多，葉片面積也需要相應(yīng)減小，否則容易使物料流通不暢降低攪拌效果[12];同時(shí)，葉片的數(shù)量也不能過少，如果葉片數(shù)量過少，葉片間距會過大，前一個(gè)葉片攪拌的物料難以推入下一個(gè)葉片的攪拌區(qū)域，導(dǎo)致循環(huán)運(yùn)動不暢，此外，葉片數(shù)量如果過少，單位時(shí)間內(nèi)葉片與物料之間、攪拌桿與物料之間的互相作用也會減少，最終影響攪拌的質(zhì)量。因此，攪拌葉片的數(shù)量需要在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

葉片數(shù)量的確定還需要考慮幾個(gè)相關(guān)因素：（1）單個(gè)轉(zhuǎn)軸上相鄰葉片的軸向陰影需有一定重疊，以此保證物料的流動順暢;（2）在攪拌結(jié)束卸料后可保證桶內(nèi)殘余物料少，給箱體清洗帶來便利;（3）轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)一周，物料沿軸向行程應(yīng)大于360°，若葉片數(shù)量用h表示，相鄰攪拌桿之間的相位差用β表示，則h.β≥360°。綜合以上因素，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該攪拌機(jī)確定了每組螺旋葉片中分別有5個(gè)葉片，兩組共10個(gè)葉片。

3.4 攪拌葉片的安裝角

攪拌葉片的安裝角主要有兩個(gè)，一個(gè)是軸向安裝角，用α表示;另一個(gè)是徑向安裝角，用b表示。軸向安裝角指的是攪拌葉片面內(nèi)攪拌軸的軸線與攪拌桿的垂線之間的夾角。徑向安裝角指的是攪拌桿的軸線與攪拌葉片葉面之間的夾角。攪拌葉片的大小對攪拌效率、攪拌質(zhì)量和整體機(jī)構(gòu)的能耗都有不小的影響。當(dāng)攪拌葉片的角度在合適的范圍時(shí)，可以使得物料與葉片之間的運(yùn)動以及物料之間的運(yùn)動達(dá)到一個(gè)較好的配合。以受到葉片作用的物料為研究對象。經(jīng)過受力分析，物料受到的軸向作用力而產(chǎn)生螺旋作用，物料受到徑向作用力為沿?cái)嚢柘鋸较虻膶α鬟\(yùn)動。

（1）α角的確定：物料在不同方向上的運(yùn)動主要分為橫向運(yùn)動和縱向運(yùn)動，當(dāng)葉片安裝α角過小時(shí)，物料缺少縱向運(yùn)動攪拌，當(dāng)葉片安裝α角過大時(shí)，物料缺少橫向?qū)α?。?dāng)α>55°時(shí)，物料難以產(chǎn)生較強(qiáng)的攪拌。（2）b角的確定：b角過小時(shí)，物料缺少徑向運(yùn)動攪拌，物料傾向于形成圓周運(yùn)動;b角過大時(shí)，圍繞攪拌桿的圓周運(yùn)動減弱;當(dāng)b角接近90°時(shí)，物料僅僅受到了葉片側(cè)立面和攪拌桿的剪切作用，攪拌效果很差[13]。因此，合適的α、b角對于保證物料在徑向和軸向兩個(gè)方向的最佳運(yùn)動效果起著重要的作用。經(jīng)過理論分析和經(jīng)驗(yàn)調(diào)研認(rèn)為，α和b值的取值范圍在31°-40°較為合適。

3.5 攪拌速度的確定

在攪拌的過程中，混合物料主要受到葉片的作用，發(fā)生推移、碰撞及翻滾等運(yùn)動。由于葉片都是安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的，它們一起發(fā)生同軸運(yùn)動，所以葉片的轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速相同。物料在葉片上主要發(fā)生兩類運(yùn)動，一類是受到葉片圓周運(yùn)動的影響，物料葉發(fā)生圓周運(yùn)動。另一類運(yùn)動為摩擦運(yùn)動，物料在葉片上時(shí)始終受到葉片的摩擦運(yùn)動。根據(jù)受力分析，物料在葉片的法線方向上發(fā)生偏移并產(chǎn)生一個(gè)摩擦角，從而加強(qiáng)物料之間的運(yùn)動而加快攪拌。想到混拌效果達(dá)到比較理想的效果，旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速應(yīng)在一個(gè)合理的范圍內(nèi)Nmin≤N≤Nmax。其中：式中：d為攪拌葉片的直徑，根據(jù)設(shè)計(jì)要求取0.2 m;A為摩擦因數(shù)，其范圍為0.2 - 0.3，取中值為0.25;θ為螺旋升角，取65°。

經(jīng)過計(jì)算可得，Nmin≈105 min -1，Nmax≈215 min-1，根據(jù)最大值和最小值確定旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速N=160 min -1。經(jīng)過合理設(shè)計(jì)后，螺旋方向相反的雙攪拌葉片配合攪拌桿能夠使基質(zhì)在攪拌箱內(nèi)快速攪拌均勻。

本文所研制的攪拌機(jī)不僅具有效率高、穩(wěn)定性好、攪拌均勻等優(yōu)點(diǎn);在使用過程中，用戶還可以根據(jù)地理位置和季節(jié)不同，在攪拌過程中對基質(zhì)濕度、肥料成分進(jìn)行調(diào)節(jié)。能夠廣泛應(yīng)用于工廠化育苗領(lǐng)域，應(yīng)用該攪拌機(jī)能夠有效提高攪拌速度，還能解決無土基質(zhì)育苗基質(zhì)混配不均勻，以及基質(zhì)結(jié)塊影響裝盤質(zhì)量和后期育苗質(zhì)量的難題。從而大大降低用戶人工成本，顯著提高生產(chǎn)效益和競爭力，有效提升育苗的水平。該攪拌機(jī)的研制符合國家發(fā)展的需要，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

本文針對工廠化育苗中存在的問題，設(shè)計(jì)并研制了育苗基質(zhì)攪拌機(jī)。通過對基質(zhì)攪拌機(jī)設(shè)計(jì)分析對攪拌機(jī)的一些重要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行合理選擇，包括箱體的設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)動力的設(shè)計(jì)、葉片數(shù)量、安裝角以及速度的設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的基質(zhì)攪拌機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、設(shè)計(jì)合理、操作簡便、能耗低、成本低、攪拌混合效果良好、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。該攪拌機(jī)的研制可以為用戶降低成本，提高效益和競爭力，提升育苗的水平，有效促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，也符合國家農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]張軍超.育苗營養(yǎng)基質(zhì)生產(chǎn)包裝流水線的研制[D].沈陽：沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)。2019.

[2]趙文峰，孫玉娟，袁修坤，等.育苗基質(zhì)攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析[J].河北農(nóng)機(jī)，2018（4）：35.

[3]歐明，張炳超，韋建吉，一種用于顆粒肥料小型加工場的攪拌散熱裝置的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2020，41（1）：54-60.

[4]吳兆遷，史延輝.2RJB-080型育苗基質(zhì)攪拌機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2012，40（9）： 32-34.

[5]王龍，胡燦，賀小偉，等，基于離散元法立式飼料攪拌機(jī)混合過程的模擬[J].飼料工業(yè)，2020（3）：6-10.

[6]鐘麗芬，一種改進(jìn)型高效立式攪拌機(jī)：CN207463029U[P].2018-06-08.

[7]劉康.雙滾筒連續(xù)式再生攪拌設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析[D].西安：長安大學(xué)。2019.

[8]李彰.雙臥軸攪拌機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)匹配的試驗(yàn)研究[D].西安：長安大學(xué)。2006.

[9]溫海峰，馮文利，楊學(xué)軍，等.可移動式基質(zhì)攪拌機(jī)：CN204469583U[P]. 2015-07-15.

[10]馬嬌，一種肥料攪拌機(jī)：CN211025962U[P]. 2020-07-17.

[11]楊許琴，蔬菜工廠化育苗關(guān)鍵設(shè)備利用探討[J].農(nóng)技服務(wù)，2015（3）：49.

[12]邱新泉，姜偉強(qiáng)，一種有機(jī)栽培基質(zhì)土生產(chǎn)用基質(zhì)攪拌機(jī)移動裝置：CN209254652U[P]. 2019-08-16.

[13]譚平，一種育苗基質(zhì)生產(chǎn)設(shè)備：CN209677006U[P]. 2019-11-26.