王善文，謝秋菊，謝守勇, 2，鄧成志，黎展鵬

(1. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶市，400715；2. 西南大學(xué)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶市，400715)

0 引言

我國食用菌資源豐富，是世界上最早認(rèn)識和栽培食用菌的國家，食用菌含有豐富的蛋白質(zhì)和氨基酸，是一款綠色無公害的健康型食品[1-3]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，食用菌需求量不斷增加[4]。近10年來，我國食用菌的總產(chǎn)量不斷上升，截至2018年，我國成為全球第一大食用菌生產(chǎn)國、消費(fèi)國和出口國，年產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的70%以上[5]。目前我國食用菌產(chǎn)值比重在農(nóng)業(yè)中僅次于糧、菜、果、油，居第5位，已經(jīng)成為發(fā)展經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)之一[6]。

然而現(xiàn)階段國內(nèi)只有極少數(shù)大型食用菌廠引進(jìn)國外翻堆設(shè)備，大部分的食用菌生產(chǎn)基地仍處于手工小作坊狀態(tài)，采用傳統(tǒng)的人工翻堆方式，這種翻堆方式不僅作業(yè)環(huán)境差，勞動強(qiáng)度大，人力成本高，并且工作效率低，物料混合不均，極大地影響了培養(yǎng)料的質(zhì)量和產(chǎn)量。為了提高食用菌培養(yǎng)料的生產(chǎn)效率，在結(jié)合食用菌的生產(chǎn)工藝和現(xiàn)有翻堆技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對食用菌培養(yǎng)料設(shè)計(jì)一種翻堆機(jī)構(gòu)并進(jìn)行分析和優(yōu)化[7-10]。本文通過查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，將翻堆過程理論分析、虛擬樣機(jī)建模技術(shù)、離散元虛擬仿真技術(shù)以及樣機(jī)實(shí)地試驗(yàn)等多種方法相結(jié)合對食用菌翻堆機(jī)開展設(shè)計(jì)與翻堆性能研究。

目前市面上尚無專門針對食用菌培養(yǎng)料的翻堆機(jī)，大部分翻堆機(jī)是對秸稈、污泥進(jìn)行堆肥處理。其中美國和加拿大共同研制的“新遠(yuǎn)東—圣甲蟲”翻堆機(jī)集機(jī)電液控制技術(shù)于一體，能自動控制溫濕度，大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量[11]。雖然國外翻堆機(jī)的技術(shù)較為成熟，但國外設(shè)備的價格昂貴且不適合我國國情，相比之下，我國在這領(lǐng)域起步晚，而且設(shè)備的適用性較低且對物料翻堆的研究較少。

針對以上問題，本文根據(jù)翻堆機(jī)的設(shè)計(jì)要求以及農(nóng)藝要求，提出一種雙輥式翻堆裝置，并對翻堆裝置的空間結(jié)構(gòu)布局、拋刀分布進(jìn)行研究，同時利用離散元法對翻堆過程進(jìn)行仿真確定最優(yōu)參數(shù)，最后通過實(shí)地試驗(yàn)驗(yàn)證離散元仿真分析的正確性與可行性。

1 翻堆機(jī)總體結(jié)構(gòu)與工作原理

食用菌培養(yǎng)料堆制發(fā)酵采用好氧發(fā)酵技術(shù)，通過有益微生物的生命活動將原材料轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)。該過程集復(fù)雜的物理、化學(xué)以及生物變化為一體，在此期間，需要多次翻堆達(dá)到降溫、混合、粉碎、增氧的效果，從而提高菌料發(fā)酵的效率和質(zhì)量[12-13]。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)食用菌培養(yǎng)料翻堆機(jī)設(shè)計(jì)要求，對整機(jī)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并利用Creo 3.0完成三維建模，如圖1、圖2所示。該機(jī)主要由機(jī)架、動力驅(qū)動裝置、行走裝置、轉(zhuǎn)向裝置、翻堆裝置以及成型裝置，覆膜裝置等組成。整機(jī)呈龍門狀，采用四輪行走結(jié)構(gòu)，后輪驅(qū)動、前輪轉(zhuǎn)彎，行走電機(jī)通過鏈傳動將動力傳輸?shù)胶筝喴则?qū)動整機(jī)前進(jìn)，前輪通過電動推桿伸縮來實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向。翻堆裝置主要分為碎料刀輥和翻料刀輥，二者平行交錯布置，其動力均為單側(cè)輸入，由電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿減速器再經(jīng)過鏈傳動傳遞得到[14-16]。成型裝置固定在機(jī)架后方，對翻堆裝置后拋的菌料起成型作用。

圖1 整機(jī)總體結(jié)構(gòu)

圖2 整機(jī)總體結(jié)構(gòu)三維模型圖

1.2 工作原理

翻堆機(jī)作業(yè)前，整機(jī)放置于料堆一端，橫跨在培養(yǎng)料料堆寬度方向的兩側(cè)。啟動開關(guān)，整機(jī)在行走電機(jī)的驅(qū)動下沿料堆長度方向前進(jìn)，同時碎料刀輥和翻料刀輥?zhàn)龌剞D(zhuǎn)運(yùn)動。兩刀輥采用階梯狀立體空間布置方式，即在前進(jìn)方向和高度方向均存在一定間距，作業(yè)時碎料刀輥首先接觸未翻菌料，碎料刀輥旋轉(zhuǎn)將上層結(jié)塊菌料打碎，并往后拋擲，翻料刀輥在碎料刀輥的基礎(chǔ)上切削更深層的菌料并將其向上翻起，使菌料上下混合均勻，如圖3所示。

分層作業(yè)可保證翻料深度的同時降低翻料刀輥的工作負(fù)荷。在刀輥不斷打碎、翻動、混合菌料的過程中，可散發(fā)水分、降低堆溫、提高料堆內(nèi)部的含氧量，滿足各類好氧微生物對氧氣的需求，從而實(shí)現(xiàn)菌料均勻發(fā)酵。

圖3 雙輥式翻堆機(jī)工作原理

2 翻堆裝置設(shè)計(jì)

2.1 雙輥空間結(jié)構(gòu)布局

翻堆裝置是翻堆機(jī)的核心，包含碎料刀輥與翻料刀輥兩部分，將翻堆裝置兩刀輥設(shè)計(jì)為一前一后，且碎料刀輥在上方、翻料刀輥在下方，呈階梯狀布置，刀軸通過軸承座與機(jī)架連接，利用螺釘固定?？紤]到零部件的通用性，將兩刀輥的回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計(jì)為一致。如圖4所示為雙輥式翻堆裝置的側(cè)向布局簡圖，點(diǎn)O、O′、O″分別為主傳動軸、碎料刀輥以及翻料刀輥的回轉(zhuǎn)中心，L為兩刀輥中心軸之間的距離(簡稱軸間距)，α為中心軸連線與前進(jìn)方向之間的夾角(簡稱軸線夾角)。

如圖4所示，碎料刀輥切削未翻菌料的深度

Hs=H+R1-Lsinα-R2

(1)

則翻料刀輥切削未翻菌料的深度

Hf=R2+Lsinα-R1

(2)

式中：H——料堆深度，m；

R1——碎料刀輥的回轉(zhuǎn)半徑，m；

R2——翻料刀輥的回轉(zhuǎn)半徑，m。

由式(1)、式(2)可知，保持翻料刀輥位置不變，隨著軸間距增大或軸線夾角增大，碎料刀輥切削未翻菌料的深度變小，而翻料刀輥切削未翻菌料的深度變大。

圖4 雙輥式翻堆裝置側(cè)向布局簡圖

2.2 拋刀設(shè)計(jì)

2.2.1 拋刀選型

拋刀作為翻堆過程中的觸料部件，主要用于攪拌切削菌料，將結(jié)塊菌料有效打碎、提高透氣性并實(shí)現(xiàn)菌料的均勻混合。因此，拋刀的形狀結(jié)構(gòu)會直接影響翻堆作業(yè)的質(zhì)量與功耗。目前，堆肥發(fā)酵中的槽式翻堆機(jī)拋刀類型主要分為撥板式、普通L型式、旋切式。

鑒于旋切式結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的減阻降耗性能，本文采用旋切式拋刀，其刃口是一系列連續(xù)的曲線。其中，側(cè)切刃一般為等進(jìn)螺線，即阿基米德螺旋線，主要作用是切割物料，具有良好切削、撕裂以及粉碎性能。正切刃是折彎得到的一段空間曲線，主要作用是拋灑物料。旋切式拋刀制造過程較為復(fù)雜，為了降低加工制作成本，選用國標(biāo)II T245旋耕刀作為拋刀。

2.2.2 拋刀排列設(shè)計(jì)

刀軸旋轉(zhuǎn)方向分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，兩種方式各有優(yōu)劣。正轉(zhuǎn)時刀輥轉(zhuǎn)向與行走驅(qū)動輪轉(zhuǎn)向相同，與反轉(zhuǎn)相比，其牽引力較小，作業(yè)功耗也較小[17]。刀輥反轉(zhuǎn)時，刀片自下而上切削菌料，刀尖水平速度方向與前進(jìn)速度方向一致，不會出現(xiàn)推料現(xiàn)象，對菌料有良好的切割破碎作用，并且可以有效掩埋上層菌料，但作業(yè)功耗相對較高[18]。由此可知，對兩刀輥旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行配置時，既要考慮菌料打碎混合的效果，又要權(quán)衡作業(yè)功耗問題。由于料堆上層菌料較為松散，碎料刀輥采用正轉(zhuǎn)即可達(dá)到較好的破碎效果，而底層菌料相對緊實(shí)，翻料刀輥旋轉(zhuǎn)方向則通過后續(xù)仿真分析確定。圖4中刀輥旋向組合稱為正—正，即碎料刀輥與翻料刀輥均為正轉(zhuǎn)，反之，若碎料刀輥正轉(zhuǎn)、翻料刀輥反轉(zhuǎn)，則刀輥旋向組合稱為正—反。單個刀輥的三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 刀輥結(jié)構(gòu)圖

綜合分析考慮，為避免漏翻區(qū)域產(chǎn)生，合理設(shè)置軸向相鄰拋刀的安裝間距，翻堆機(jī)刀輥工作幅寬Bz、軸向相鄰拋刀的安裝間距D以及拋刀總數(shù)N(取值為偶數(shù))之間滿足以下關(guān)系

(3)

根據(jù)要求設(shè)計(jì)的翻堆機(jī)工作幅寬為1 000 mm，取拋刀安裝間距為40 mm，計(jì)算得到拋刀總數(shù)24把，相繼工作的拋刀周向夾角為15°。拋刀排列展開圖如圖6所示。

圖6 拋刀排列展開圖

3 翻堆裝置離散元模型構(gòu)建與工作過程模擬

分析可知，兩刀輥不同的空間結(jié)構(gòu)配置會影響翻堆作業(yè)后菌料的混合效果以及作業(yè)功耗。因此，在保證整機(jī)前進(jìn)速度與刀輥轉(zhuǎn)速一定的前提下(前進(jìn)速度為0.12 m/s，刀輥轉(zhuǎn)速為225 r/min)，取雙輥軸間距、軸線夾角為試驗(yàn)因素開展虛擬仿真試驗(yàn)研究。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀并綜合考慮整機(jī)尺寸、料堆尺寸等因素，確定雙輥軸間距范圍為525～625 mm，軸線夾角為20°～40°。

3.1 作業(yè)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)

3.1.1 混合效果

翻堆作業(yè)要求菌料均勻混合，以促進(jìn)菌料均勻發(fā)酵。菌料打碎混合過程較為復(fù)雜，為了定量分析翻堆作業(yè)后菌料的混合效果，采用混合系數(shù)進(jìn)行評價

混合系數(shù)由變異系數(shù)衍生而來，變異系數(shù)又稱為離散度，可以比較客觀地反應(yīng)物料的混合效果。變異系數(shù)越小，顆?；旌显骄鶆颍粗旌闲Ч讲睿浞秶鸀?～1。為使變異系數(shù)的數(shù)值大小與混合效果呈正相關(guān)，故引入混合系數(shù)，其表達(dá)式為

Rv=1-Cv

(4)

式中：Rv——混合系數(shù)；

Cv——變異系數(shù)。

翻堆作業(yè)完畢后，利用EDEM后處理模塊中的selection功能將預(yù)先指定的分析區(qū)域劃分為6個小格，如圖7所示。統(tǒng)計(jì)每個網(wǎng)格內(nèi)墨綠色顆粒的質(zhì)量并計(jì)算其百分比，按式(5)～式(7)計(jì)算變異系數(shù)。

(5)

(6)

(7)

式中：Ns——樣本數(shù)量；

xi——各網(wǎng)格內(nèi)墨綠色顆粒的比例；

σs——墨綠色顆粒比例標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖7 顆粒統(tǒng)計(jì)區(qū)域劃分

3.1.2 作業(yè)功耗

在尋求較優(yōu)菌料混合效果的同時，應(yīng)該盡可能減少機(jī)組作業(yè)的功耗，因此選取功耗也作為試驗(yàn)指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)力學(xué)原理可知，刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗與刀輥轉(zhuǎn)速及其所受扭矩滿足如下關(guān)系

(8)

式中：Pt——刀輥?zhàn)鳂I(yè)功率，W；

T——刀輥所受扭矩，N·m；

n——刀輥轉(zhuǎn)速，r/min。

通過前期對料堆的粒徑、含水率、堆積密度、摩擦系數(shù)等參數(shù)的測量，從而構(gòu)建仿真模型。

3.2 仿真模型構(gòu)建

建立三維尺寸(長×寬×高)為6 m×0.38 m×0.6 m的料堆，采用靜態(tài)方式生成顆粒，將料堆分為上下兩層并以不同顏色標(biāo)記。待物料穩(wěn)定后去除槽體對料堆四周的限定，長度方向上不做任何限制使物料自由坍塌，寬度方向上采用周期性邊界條件，初始時翻堆裝置位于料堆一端，如圖8所示。設(shè)置翻堆裝置前進(jìn)速度以及轉(zhuǎn)速，作業(yè)時間65 s。仿真時步取Rayleith時間步長的30%，網(wǎng)格尺寸取為最小球形單元尺寸。

圖8 虛擬仿真模型

3.3 翻堆過程仿真

仿真時，確立兩刀輥的軸間距在520～530 mm范圍內(nèi)，軸線夾角在30°～40°范圍內(nèi)，然后通過Central Composite Design (CCD)試驗(yàn)以混合系數(shù)和作業(yè)功耗為評價指標(biāo)，以軸間距和軸線夾角為影響因素，尋找兩刀輥軸間距和軸線夾角的最優(yōu)組合。根據(jù)CCD試驗(yàn)方案開展EDEM仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表1所示，試驗(yàn)過程如圖9所示。

表1 CCD試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab. 1 CCD test program and results

(a) 入料階段

(c) 出料階段

3.4 仿真結(jié)果分析

通過Design Expert 8.0.5軟件得到混合系數(shù)Rv、翻堆機(jī)作業(yè)功耗Pt與軸間距L和軸線夾角α的回歸模型

Rv=0.82+0.034L+0.033α-0.045αL-

0.039L2-0.036α2

(9)

Pt=1.69+0.025L+0.023α+

0.095L2+0.07α2

(10)

兩個回歸模型的方差分析如表2所示，兩回歸模型的P值都很小，表明兩回歸模型都能很好地表達(dá)響應(yīng)值與兩參數(shù)之間的關(guān)系。兩回歸模型的決定系數(shù)R2分別為0.971 9和0.956 4，說明回歸模型的擬合精度較高。按對各響應(yīng)值影響從大到小排序，對混合系數(shù)影響顯著項(xiàng)為軸間距L、軸線夾角α，對作業(yè)功耗影響顯著項(xiàng)為軸間距L、軸線夾角α。軸間距L和軸線夾角α對混合系數(shù)、翻堆機(jī)作業(yè)功耗的交互作用如圖10、圖11所示。

在Design Expert軟件中，以作業(yè)功耗Pt最小，混合系數(shù)Rv最大為優(yōu)化目標(biāo)，對二階回歸方程式(9)和式(10)進(jìn)行優(yōu)化求解。解得最優(yōu)組合：軸間距L為525.17 mm，軸線夾角為35.25°，此時混合系數(shù)為0.817 5，作業(yè)功耗為1.696 kW。將最優(yōu)參數(shù)解帶入仿真試驗(yàn)，其他參數(shù)均與CCD試驗(yàn)中相同，進(jìn)行驗(yàn)證。仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)軸間距L為525.17 mm，軸線夾角為35.25°時，此時的混合系數(shù)為0.819 4，作業(yè)功耗為1.702 kW。仿真結(jié)果與CCD試驗(yàn)結(jié)果的誤差分別為0.23%和0.35%。

所以通過EDEM仿真分析，確定兩刀輥的軸間距為525.17 mm，兩刀輥軸線夾角為35.25°。

表2 二次回歸方差分析Tab. 2 Quadratic regression analysis of variance

圖10 軸間距和軸線夾角對混合系數(shù)的影響

圖11 軸間距和軸線夾角對功耗的影響

4 實(shí)地驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和設(shè)計(jì)方案的可行性，同時測試樣機(jī)的作業(yè)效果，研究該裝置在不同工作條件下的作業(yè)質(zhì)量。試驗(yàn)于2020年12月在重慶市某食用菌種植有限公司開展，作業(yè)對象為雙孢菇培養(yǎng)料(玉米芯與牛糞按5∶1的比例混合而成)。試驗(yàn)前，對培養(yǎng)料進(jìn)行噴水處理(以手握物料指間有水浸出為宜)，攪拌均勻后將其堆砌為條垛狀，料堆規(guī)格(長×寬×高)為10 m×1 m×0.6 m。

為便于分析翻堆作業(yè)后上下層物料的混合效果，在料堆3 m、5 m、7 m處分別放入不同顏色的厘米標(biāo)記塊以區(qū)別上下層物料，下層為綠色、上層為紅色，總共放置6個截面的標(biāo)記塊[18]，每個截面間隔100 mm，即在距離地面50 mm、150 mm、250 mm、350 mm、450 mm、550 mm處，每個截面標(biāo)記塊數(shù)目為60個(10×6)，按間距100 mm×100 mm均勻擺放。建堆完畢后堆放10天，待培養(yǎng)料快速發(fā)酵后進(jìn)行試驗(yàn)[19-23]。料堆堆制過程如圖12所示。

圖12 料堆堆制

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

將食用菌培養(yǎng)料雙輥式翻堆機(jī)的工作參數(shù)調(diào)整至仿真值開展實(shí)地驗(yàn)證試驗(yàn)。即前進(jìn)速度為0.12 m/s，刀輥轉(zhuǎn)速為225 r/min，對作業(yè)后的菌料混合效果和功耗進(jìn)行測試，取各指標(biāo)測量結(jié)果的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示，實(shí)地試驗(yàn)如圖13所示。

表3 試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果Tab. 3 Test verification results

圖13 作業(yè)效果圖

由表3可知，實(shí)測混合系數(shù)為0.714，實(shí)測作業(yè)功耗為1.828 kW，相比仿真結(jié)果，二者的相對誤差分別為12.86%和7.40%?；旌舷禂?shù)的誤差主要是由建模時對仿真模型進(jìn)行了一定程度上的簡化所造成的，同時標(biāo)記塊與菌料的物理特性并非完全一樣，導(dǎo)致其運(yùn)動效果存在一定差異，而功耗誤差則可能是由于整機(jī)運(yùn)動參數(shù)存在波動性、料堆內(nèi)菌料參數(shù)不完全一致等。但在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，該誤差是可接受的，因此，利用離散元法進(jìn)行翻堆作業(yè)混合效果的研究是可行的。

5 結(jié)論

1) 本文以食用菌培養(yǎng)料為作業(yè)對象，在現(xiàn)有翻堆技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種雙輥式翻堆機(jī)，對翻堆機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定選用國標(biāo)Ⅱ T245旋耕刀作為拋刀，拋刀總數(shù)24把，拋刀周向夾角為15°。

2) 以兩刀輥的軸間距和軸線夾角為變量開展翻堆性能仿真試驗(yàn)，仿真結(jié)果表明軸間距為525.17 mm、軸線夾角為35.25°，對應(yīng)的菌料的混合系數(shù)為0.819 4、全刀輥?zhàn)鳂I(yè)功耗為1.702 kW。

3) 試制雙輥式翻堆機(jī)樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)地試驗(yàn)，結(jié)果顯示混合系數(shù)為0.732，作業(yè)功耗為1.828 kW，與仿真值的誤差分別為12.86%、7.40%，驗(yàn)證了離散元模擬翻堆作業(yè)的正確性與可行性。