徐名漢 黃允魁 陳月鋒 丁瑞鋒 景全榮 申文龍 趙 博 陳凱康

摘 要： 目前，國內袋栽食用菌液體菌種接種方式以人工和半自動機接種為主，生產(chǎn)效率較低、接種量精度較差、故障率高，尚未達到袋栽食用菌工廠化生產(chǎn)的要求。針對袋栽食用菌液體接種定位難、接種效率低、設備故障率高等問題，研發(fā)了一種可實現(xiàn)自動運輸、定位、夾緊、壓瓶、開蓋、噴射接種、壓蓋、檢測和輸送等工序的袋栽食用菌液體接種裝備，可完成全自動連續(xù)液體菌種接種。該裝備可有效減少人工作業(yè)強度，也可避免開閉蓋時間過長引起的外界環(huán)境雜菌侵入污染，提高液體菌種接種工作效率和出菇質量，實現(xiàn)袋栽食用菌液體菌種的自動化接種。試驗結果表明，接種能力≥3 236棒/h，平均3 256 棒/h（>3 000 棒/h）；接種量一致性變異系數(shù)≤1.9%，平均1.72%（<2%）；試驗工作56 h（MTBF>50 h）未發(fā)生故障；試驗打孔深度56.3～57.8 mm，平均值57.33 mm；試驗結果均滿足設計要求。在試驗過程中，沒有出現(xiàn)強度、剛度方面的故障和問題，說明機械部分設計的強度和剛度能夠滿足生產(chǎn)要求，機械性能穩(wěn)定可靠。

關鍵詞：袋栽；食用菌；接種裝備；液體菌種；打孔裝置；噴射裝置

中圖分類號：S22文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）11-0085-08

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.015

0 引言

目前，我國袋栽食用菌生產(chǎn)總量居全球首位，但袋栽食用菌的生產(chǎn)裝備和技術實力較發(fā)達國家仍存在差距[1-3]。袋栽食用菌栽培生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)之一為接種。食用菌有液體菌種和固體菌種兩種形式，液體菌種因具有菌絲發(fā)育快、適合機械化作業(yè)等優(yōu)點成為食用菌行業(yè)的菌種發(fā)展方向[4-5]。自動化液體菌種接種機械國內尚屬空白，香菇、平菇、黑木耳液體菌種接種大都靠人工或半機械化進行。開發(fā)可靠高效的袋栽食用菌液體菌種接種裝備是當務之急[6-7]。

在袋栽食用菌液體菌種接種裝備研發(fā)方面，日韓和歐美國家在食用菌工廠化生產(chǎn)方面實現(xiàn)了混料、發(fā)酵、接種、覆土、噴水、采菇及清床過程的機械化，主要環(huán)境因素可遠程自動調節(jié)[8-9]。日本北研株式會社、森產(chǎn)業(yè)株式會社和食用菌中心是著名的食用菌生產(chǎn)研究機構，其在食用菌栽培技術裝備研究方面處于國際領先水平。韓國通過創(chuàng)新研發(fā)與改進，形成了食用菌規(guī)?；a(chǎn)工廠，韓國平昌郡建成韓國最大的食用菌生產(chǎn)基地。

我國對于液體菌種工廠化生產(chǎn)技術和裝備的研究起步較晚， 并且整體食用菌工廠規(guī)模仍相對較小[10-14]。在生產(chǎn)裝備方面，連云港國鑫食用菌成套設備有限公司研制出 GXJZ-Y 型液體菌種自動接種機，可以完成開蓋、接種和壓蓋等一系列作業(yè)工序。但目前國內使用較多的仍然是半機械或半自動化裝備，液體菌種接種技術及裝備仍無法達到食用菌工廠化生產(chǎn)的需求[15-18]。因此，國內急需研究開發(fā)適宜工廠化袋栽食用菌液體菌種自動接種的生產(chǎn)技術與裝備。

本研究設計一種可實現(xiàn)自動運輸、定位、夾緊、壓瓶、開蓋、噴射接種、壓蓋、檢測和輸送等工序的袋栽食用菌液體菌種接種裝備，可有效減少人工作業(yè)強度，避免開閉蓋時間過長引起的外界環(huán)境雜菌侵入污染，提高液體菌種接種工作效率和出菇質量，實現(xiàn)袋栽食用菌液體菌種的自動化接種。

1 總體方案

1.1 接種孔數(shù)量和孔距確定

根據(jù)市場調研情況，選擇菌袋尺寸（折徑×長度）17 cm×51 cm， 充填扎口后尺寸（ 直徑×長度）108 mm×420 mm。根據(jù)香菇等食用菌工藝，一般在菌棒上打4～5 個接種孔，常規(guī)4 個。根據(jù)調研結果，本裝備確定4 個接種孔，端部2 個接種孔應盡量靠近端口，防止端口雜菌的侵入繁殖，但離端部近不利于機械打孔和后期貼膜，因為端部的收口，使端部形狀成為圓錐形。綜合考慮暫定種穴分布尺寸如圖1 所示。

1.2 種穴深度確定

種穴深度決定菌種接種面積和分布，將會影響菌種在菌棒中的菌絲生長分布。按照菌絲生長路徑物理長度核算，對于直徑108 mm 的菌棒來講，打孔深度應58 mm 左右。

1.3 香菇液體菌種接種機整體布置設計

按照接種效率3 000 棒/h 的要求，單個菌種接種時間僅有1.2 s/棒，在如此短的時間內要完成單個菌種輸送、打孔、接種和貼膜功能是非常困難的。試驗研究，如果4 棒同時喂入， 4.8 s 內可以解決這一問題。結合每棒需要4 孔接種，則打孔、接種、貼膜需要16 個工作部件同時進行。根據(jù)試驗臺試驗情況，采用壓力平衡罐連接16 個接種頭的方案可行，噴液量（接種量）大小完全可以控制，但要完成打孔、接種、貼膜等工序，接種頭左右移動不方便整體布置，借鑒壓力平衡罐連接16 個接種頭方案，將左右移動更改成上下移動，左右布置打孔頭和貼膜裝置。簡化接種裝備機械結構，采用氣動，機械與PLC 控制結合，配以光電傳感、磁性傳感和激光測距等傳感元件，形成一線布置。在試驗研究基礎上，完成了袋栽香菇接種機整體布局三維設計及樣機試制工作，如圖2 所示。

2 系統(tǒng)部件設計

2.1 菌棒輸送排隊裝置

菌棒輸送采用膠帶傳輸，考慮各工序配合，將輸送膠帶采用3 級傳送，膠帶速度采用變頻調速，膠帶輸送方案如圖3 所示。

無論人工或機械上料，4 個菌棒不可能整齊歸一，為節(jié)約輸送排隊輔助時間，流程上需要增加一個打孔等待工序，打孔、接種、貼膜工作時，排隊工序已將定位好的4 個菌棒等待進入，為防止個別菌棒沒有對齊，排隊工位采用全通道光電檢測智能識別，對每個菌棒到達位置進行檢測，4 個菌棒同時到達指定位置，菌棒前端定位對齊（圖4），4 通道光電同時有信號，在得到放行指令后，定位板才能提升至上位，對菌棒放行，保證4 個菌棒同步進入打孔工序。排隊過程如圖5 所示。

2.2 多組位復合式打孔技術與裝備

16 個打孔沖頭為圓柱形，打孔時如不加以固定，打孔受力時極易發(fā)生偏移和錯位，仿人工固定，將打孔沖頭固定在一個平板上，和氣缸連接做上下移動，滿足打孔和接種要求。由于菌棒為打孔前先行固定，然后打孔，因此打孔裝備需要對打孔沖頭外形尺寸和固定板形狀進行試驗設計。

2.2.1 打孔沖頭設計方案

（1）采用外套筒直徑26 mm、內桿直徑18 mm 組合，外套筒先行切割菌袋固定，內桿再進行打孔作業(yè)?？讖捷^大，有毛邊，切割力較大，并且外套筒回位時，帶起菌棒，有時會發(fā)生菌棒偏移，影響接種頭的對孔性。

（2）采用外套筒直徑20 mm、內桿直徑15 mm 組合，外套筒內邊倒角，形成刃口先行切割菌袋固定，然后內桿打孔。外孔徑適中，孔型較小，外套筒刃口對菌棒薄膜有切割作用，孔口光滑。但外套筒回位時仍能造成菌棒偏移現(xiàn)象發(fā)生。

（3）將外套筒改制成菌棒上表面仿形扶持機構，內桿直徑19 mm，并且設計出錐面，仿形扶持機構扶在菌棒表面，確保菌棒在打孔過程中不發(fā)生周向轉動偏移。內桿直接打孔，孔口適中，內桿回位出菌棒后，扶持機構再放行回位，未出現(xiàn)菌棒帶起現(xiàn)象，但出現(xiàn)菌棒受力側向變形。

（4）進一步改進第3 種方案，在打孔和接種工位兩側同時增加氣動定位機構，保證菌棒受壓過程中不向兩側膨脹，避免發(fā)生變形。打孔沖頭設計方案如圖6 所示，打孔效果如圖7 所示。

2.2.2 參數(shù)確定

孔距120 mm、距外端30 mm、孔深65 mm，考慮基料反彈；經(jīng)打孔試驗，最終確定孔徑Ф20 mm。為避免薄膜整片切斷壓入孔底，采用實心孔針+弧形壓板孔前先行定位，減少菌棒變形及徑向偏移。打孔沖頭和打孔系統(tǒng)設計如圖8 和圖9 所示。

2.3 多組定量噴射裝置接種機構

接種裝置分別由定位系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)組成，菌棒輸送到接種工位后，采取與打孔工位相同的定位方式，以保證接種噴頭插入后與菌棒打好的孔洞保持同心，以免接種噴頭與培養(yǎng)基料接觸，發(fā)生感染。接種裝置上方菌液緩沖壓力罐，接種時分布式釋放接種壓力，保證接種量的均勻性，接種裝置可一次完成4 棒16 孔均勻噴射接種，三維布置如圖10 所示。在樣機調試過程中對不同接種時間、不同接種壓力進行了試驗研究，優(yōu)化出了最優(yōu)接種參數(shù)：接種時間0.25 s、接種壓力0.20 MPa。

2.4 多工位貼膜裝置

菌棒完成接種后，為防止在搬運裝箱過程中基料從接種孔中散落，需要對多接種孔位進行貼膜覆蓋，貼膜覆蓋后，在貼膜機構出口端設置浮動輥組，使薄膜與菌棒表面進一步黏合，防止在轉運過程中薄膜脫落。

貼膜機構采用技術較為成熟的伺服貼標機經(jīng)改進后形成適合菌棒孔穴貼膜的新機構。貼膜機構受結構尺寸限制，不能4 組貼膜機并排，采用每2 組前后錯位布置，形成4 組貼膜系統(tǒng)，如圖11 所示。貼膜技術難點在于檢測孔穴位置和多組孔位連續(xù)貼膜。

第1 次采用激光光纖探頭檢測菌棒端部位置，通過算法計算出菌棒第1 個孔穴位置，以及后面3 個孔穴位置，但由于端部封邊位置出現(xiàn)的不規(guī)則，造成檢測誤判，影響貼膜的準確性。

經(jīng)改進，將激光光纖探頭前置到貼膜機構前面，檢測第1 個孔穴出現(xiàn)后預置延時指令貼膜，基本上解決了貼膜的準確性。由于每棒中的孔距一定，第1 個貼膜后，僅靠延時控制就能準確發(fā)出其余3 個貼膜指令。

貼膜設置菌棒高度仿形機構，如圖12 所示，根據(jù)不同菌棒高度自動仿形調整貼膜位置。

2.5 系統(tǒng)綜合智能PLC 控制系統(tǒng)

采用西門子S7-1200 系列PLC 作為系統(tǒng)主控制器，進行數(shù)據(jù)的采集和處理，以及對執(zhí)行機構（電機、氣缸）的邏輯控制等，如圖13 和圖14 所示。

控制信號來自光電傳感信號、磁性傳感信號、延時信號和激光光纖信號等，執(zhí)行元器件為氣缸、電磁閥、氣動閥、步進電機、變頻電機和觸摸屏等。

3 接種參數(shù)試驗

3.1 液體菌種接種量及控制試驗臺接種試驗

對現(xiàn)有試驗臺進行了改進，探索袋栽香菇液體菌種接種機打孔、接種、貼膜工藝路線，進行了不同接種壓力、不同接種時間工藝驗證試驗，試驗臺和試驗結果如圖15 所示。接種優(yōu)化參數(shù)：接種時間0.25 s、接種壓力0.20 MPa。

3.2 樣機裝配和調試試驗

完成袋栽香菇接種裝備的整臺樣機試制裝配和工況調試工作后，對整機進行性能試驗。由于整機氣動系統(tǒng)配備的主進氣管路直徑Φ 8 mm，聯(lián)動開機時氣路供氣不足，氣缸出現(xiàn)乏力，后將主氣路管徑增大至Φ 10 mm 后， 各工序工作正常，通過對控制延時，氣缸節(jié)氣閥調整，各工序動作時間疊加等邏輯控制時長的調整和優(yōu)化，在壓縮空氣系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在0.78 MPa情況下，峰值接種效率達到了3 520 棒/h，其接種量均勻性、貼膜準確性基本達到設計要求。2022 年10 月，進行了疲勞試驗和性能穩(wěn)定性試驗，如圖16 所示。

對打孔深度、接種能力、接種效率、接種量一致性及平均無故障工作時間等接種裝備關鍵工作參數(shù)和工作穩(wěn)定性，進行了大量試驗。試驗結果如表1、表2、表3 和表4 所示。樣機試驗結果：接種裝備接種能力≥3 236 棒/h，平均3 256 棒/h（>3 000 個/h）；接種量一致性變異系數(shù)≤1.9%，平均1.72%（<2%）；試驗工作56 h（ MTBF>50 h） ， 未發(fā)生故障； 打孔深度56.3～57.8 mm，平均值57.33 mm；試驗結果均滿足設計要求。

4 結束語

本研究可有效減少人工作業(yè)強度，也可避免開閉蓋時間過長引起的外界環(huán)境雜菌侵入污染，提高液體菌種接種工作效率和出菇質量，實現(xiàn)袋栽食用菌液體菌的自動化接種。在試驗過程中，未出現(xiàn)強度、剛度方面的故障和問題，說明機械部分設計的強度和剛度能夠滿足生產(chǎn)要求，機械性能穩(wěn)定可靠。

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