桁架式溫室育苗槽基質蒸汽消毒機設計

喻自榮，朱加繁，彭繼文，周體全，楊陸強，高志超，張汝坤

(1.云南農業大學 機電工程學院，昆明　650201；2.云南省大理州祥云縣農機推廣站, 云南 祥云　672100)

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桁架式溫室育苗槽基質蒸汽消毒機設計

喻自榮1，朱加繁1，彭繼文1，周體全2，楊陸強1，高志超1，張汝坤1

(1.云南農業大學 機電工程學院，昆明650201；2.云南省大理州祥云縣農機推廣站, 云南 祥云672100)

摘要：對溫室育苗槽基質進行消毒能夠解決連作后自毒產物增多、抵抗力下降及病菌傳播等問題，可為基質的循環使用提供保障。目前，我國基質消毒存在設備結構簡單，人力勞動強度大，作業環境不安全等問題。為此，設計了一種移動式溫室育苗槽基質蒸汽消毒機，可將基質槽中基質拋起，同時注入高溫氣體與基質充分接觸，達到消毒的目的。該消毒機設計合理，符合溫室育苗槽基質蒸汽消毒要求，能降低勞動強度，具有非常好的發展前景。

關鍵詞：溫室；基質；桁架式蒸汽消毒機

0引言

基質作為育苗槽的重要組成部分，是植物根系直接的生長環境，也是病蟲害傳播的媒介和繁殖場所，所以對育苗槽的基質進行消毒十分重要。對基質進行消毒能夠解決連作后自毒產物增多、抵抗力下降及病菌傳播等問題，可為基質的循環使用提供保障。

目前，對溫室基質消毒的方法主要有化學消毒和物理消毒：化學消毒的原理是利用一些對病原菌和蟲卵有殺滅作用的化學藥劑對基質進行消毒[1]；物理消毒的原理是利用熱源使基質達到一定溫度，從而消除病蟲害。從現有經驗來看，物理消毒中的蒸汽消毒更適合溫室基質的消毒。

目前，我國育苗槽基質消毒裝備整體發展水平還很低，主要存在：基質消毒設備結構簡單、人力勞動強度大且作業環境安全性不高及設備整體性能高等問題，機械化基質消毒設備在國內設施栽培中應用很少，嚴重制約著我國溫室育苗產業的發展[2]。

為了解決我國消毒設備結構簡單、人力勞動強度大、作業環境安全性不高及溫室基質蒸汽消毒困難等問題，有必要設計一種小型的桁架式溫室育苗槽基質蒸汽消毒機。

1結構

1.1　主要結構

適應溫室的桁架式育苗槽基質蒸汽消毒機主要由驅動刀軸齒輪、機架、驅動電機齒輪、驅動電機、行走輪、行走車輪軸、進氣管、拋土刀片、噴氣管、罩殼、限位輪、豎直移動活塞、拋土刀軸、水平移動活塞、水平氣壓缸、移動框架、刀軸支撐梁，以及豎直氣壓缸組成，如圖1所示。

1.驅動刀軸齒輪　2.機架　3.驅動電機齒輪　4.驅動電機

1.2　構件間的連接關系

消毒機的車輪軸通過支承座安裝在機架上，行走輪安裝在車輪軸上，限位輪通過焊接固定在機架上；拋土刀軸通過軸承豎直安裝在刀軸支承梁上，刀軸支承梁通過焊接固定在移動框架上；拋土刀軸驅動齒輪通過鍵槽配合安裝在拋土刀軸上，拋土刀片通過刀鞘安裝在拋土刀軸的頂端，驅動電機通過螺栓固定在罩殼上方的水平移動框架上；驅動電機鏈輪通過鍵槽配合安裝在驅動電機的軸上；噴氣管兩側設有噴氣孔，噴氣管焊接在罩殼上，罩殼焊接固定在移動框架上；進氣管通過螺紋連接安裝在噴氣管上；水平移動軸活塞和水平氣壓缸通過螺紋連接安裝在機架上；豎直移動軸活塞和豎直氣壓缸通過螺紋連接安裝在水平移動框架上，水平移動框架通過軸承安裝在水平移動軸上。

2消毒原理及工作過程

2.1　基質蒸汽消毒原理

基質蒸汽消毒的基本原理是高溫蒸汽通過熱傳遞將溫度傳遞給待消毒的基質。具體工作過程：當蒸汽鍋爐產生高溫蒸汽后，通過送汽管將產生的高溫蒸汽通入基質槽內，然后高溫蒸汽經通氣孔噴出并對栽培基質進行加熱消毒。這種熱力的方法可消滅基質中對作物有害的微生物、細菌、真菌、線蟲、害蟲和雜草[3-4]。基質蒸汽消毒原理示意圖如圖2所示。

圖2　基質蒸汽消毒原理

2.2　消毒機工作過程

消毒機在工作時，水平移動框架在水平氣壓缸的推動下左右移動，在育苗槽內進行消毒。同時，水平移動框在豎直氣壓缸的作用下帶動罩殼和拋土刀上下移動。罩殼的底面通過柔性材料與基質表面緊密貼合形成相對封閉的工作空間，其前后端邊緣呈一定弧度，可減小前進阻力并起到平整基質的作用。刀軸通過軸承豎直安裝在刀軸支承梁上，刀軸支承梁焊接安裝在移動框架上，拋土刀片通過刀座安裝在拋土刀軸的一端。驅動電機通過驅動齒輪帶動拋土刀在罩殼內高速旋轉，將罩殼內的基質拋起。噴氣管焊接在罩殼上，進氣管通過螺紋連接安裝在噴氣管上，噴氣管的兩側設有噴氣孔，一側噴氣孔朝向拋土刀軸，另一側噴氣孔朝向殼體；兩個進氣管分別安裝在兩根噴氣管的兩端，進氣管有1個進氣口、2個出氣口，兩個出氣口分別與兩個噴氣管通過螺紋連接，進氣口與育苗槽中設有的蒸汽管相連接，蒸汽從進氣管的進氣口進入進氣管，再進入兩個噴氣管，經過噴氣管的噴氣孔進入到罩殼的內腔中，使罩殼內的高溫蒸汽與拋土刀拋起的基質瞬速接觸到達消毒目的。行走車輪軸通過軸承安裝在機架的下端，車輪固定在車輪軸上。進行消毒工作時，工作人員推著機架使消毒機在育苗槽上行走。限位輪通過焊接固定在機架上，在消毒機行走時，兩個限位輪與育苗槽的側面接觸，防止消毒機偏離育苗槽。消毒機工作過程示意圖如圖3所示。

1.機架　2.驅動電機　3.行走輪　4. 限位輪　5.育苗槽

3主要工作部件的設計

3.1　機架設計

機架是整個消毒機質量的重要支撐部件，起著非常重要的作用，主要分為行走裝置和移動裝置兩大部分。

3.1.1行走裝置

行走裝置主要由行走輪和限位輪組成，是消毒機的重要工作部件。要使消毒機能夠在溫室基質槽上前進或者后退，就需要橫軸式的行走輪進行支承和傳動；再帶動整機在基質槽上移動，行走輪軸與輪架之間采用軸承進行連接。限位輪與基質槽內側接觸，防止機架出現側向偏移，保證整機平穩前進。行走裝置作業示意圖如圖4所示。

3.1.2水平移動裝置

由于溫室育苗槽的寬度較大，為了減小消毒機的質量，消毒裝置部件的寬度設計為育苗槽寬度的1/2，所以消毒機在消毒時消毒部件需要在育苗槽上左右移動。消毒機的消毒裝置部件的左右移動依靠水平氣壓缸來完成：當消毒裝置部件欲向左移動時，右邊氣壓缸的壓力增大，推動消毒裝置部件向左移動；當消毒裝置部件欲向右移動時，左邊的氣壓缸壓力增大，推動消毒裝置部件向右移動。

1.機架　2.行走輪　3.限位輪　4.育苗槽　5.基質

3.1.3縱向移動裝置

溫室基質槽中的基質各處深度不一樣，工作部件的刀片向下作業的深度也不能一樣，所以豎向氣壓缸的作用是將工作部件提升或是降低。當工作部件由淺基質向深處變化作業時，氣壓缸的上部壓力增大，驅使工作部件向下移動，使工作部件的刀片作業深度增加；當工作部件由深到淺時，氣壓缸的下端壓力增大，驅使工作部件向上移動。

3.2　消毒裝置

3.2.1罩殼

罩殼是消毒部件的外層結構，底面通過柔性材料與基質表面緊密貼合，形成相對封閉的工作空間；殼體的前后端邊緣向上呈一定弧度，在消毒機前進的過程中，能減小前進阻力和防止基質覆蓋在罩殼上。

3.2.2噴汽管

噴氣管是消毒機的重要組成部分，其焊接在罩殼上，兩側設有噴氣孔，一側噴氣孔朝向拋土刀軸，另一側噴氣孔朝向殼體；噴汽管與育苗槽中設有的蒸汽輸送管相連接，高溫蒸汽通過蒸汽輸送管進入噴汽管中，經過噴氣管上的噴氣孔進入到罩殼的內腔中，與罩殼內被拋土刀拋起的基質充分混合。

3.2.3拋土裝置3.2.3.1拋土刀組

拋土刀組是消毒機消毒結構的核心，由4把刀片和4個刀座固定裝配而成。刀片靠螺紋和螺母連接在刀盤上面，使得刀片能夠有效固定，以保證刀片對土壤的有效作業；而刀座上面設計有一定厚度的套筒，套筒通過螺栓與刀軸緊固在一起，保證刀座與刀軸的有效連接。 拋土刀組將基質槽中的基質拋起，使基質能夠在短時間內與高溫蒸汽接觸，達到快速消毒的目的。

3.2.3.2刀軸

刀軸是消毒機工作部件的主要承載體，承受土壤反作用力和電機的驅動力矩，會產生扭曲、彎曲等組合變形，同時會產生強烈的沖擊和振動。所以，軸的材料應該滿足強度、剛度、耐磨性及耐腐蝕性等方面的要求。設計軸時應該按照經濟、合理、實用的原則，根據具體的情況選用軸的材料。由于碳鋼比合金鋼廉價，對應力集中的敏感性較低，也可以用熱處理或化學處理的方法，提高其耐磨性和抗疲勞。所以，消毒機工作部件的刀軸采用45優質碳素鋼，熱處理方式選擇正火。 消毒機構工作時，驅動電機通過齒輪將動力傳遞到刀軸上，刀軸在電機驅動力的作用下帶動刀組在基質中旋轉。工作過程中，刀軸既要承受刀組與基質產生的反作用力又要承受電機的驅動力矩。所以，刀軸在消毒機的工作部件中起著十分重要的作用，其強度、剛度等是否滿足要求直接影響到消毒機能否正常工作。消毒機構裝置如圖5所示。

1.噴汽管　2.罩殼　3.刀片　4.刀軸

3.2.4刀組和刀軸的強度校核及設計計算

3.2.4.1刀組邊緣的旋轉速度及所受基質阻力計算

由于刀片的旋轉半徑為R=125mm、刀組轉速n=300r/min、轉矩T=1 360.875N·m。所以，刀組邊緣的旋轉速度和所受基質阻力分別為

3.2.4.2刀組施加給到刀軸的扭矩計算

由于刀組在作業時基質槽中的基質會對刀組產生阻力，此阻力會以扭矩的形式作用在刀軸上，依據刀片旋轉半徑和刀組所受阻力大小可計算其扭矩為

T=F·R=436.18N·m

3.2.4.3刀軸的正常作業條件校核

刀軸正常作業的條件為

當以上條件成立時，拋土裝置能夠克服基質的阻力和所受力矩正常工作。

3.3　動力傳動機構

3.3.1電機選擇

動力傳動機構是消毒機傳輸動力的部件，電機是動力的來源。電機的種類很多，按工作電源可分為直流電動機和交流電動機。其中，交流電動機還分為單相電動機和三相電動機。按結構及工作原理可分為直流電動機、異步電動機和同步電動機。根據消毒機的工作條件選擇型號為Z450-4B的直流電機。

3.3.2動力傳動方式

動力傳動方式有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動及蝸桿傳動。帶傳動是由主動輪、從動輪和緊張在兩輪上的皮帶所組成。帶傳動的特點是外廓尺寸較大、容易打滑、不能保證固定的傳動比、帶的壽命較短、傳動效率較低；鏈傳動的特點是制造和安裝精度要求較低、中心距較大、傳動結構簡單、瞬時鏈速和瞬時傳動比不是常數、傳動平穩性較差；齒輪傳動的特點傳動平穩、傳動比精確，工作可靠、效率高、壽命長，使用的功率、速度和尺寸范圍大；蝸桿傳動的特點是效率低，容易產生齒面粘附[5]。根據各傳方式的特點及消毒機的工作條件，選擇單級齒輪傳動，傳動示意圖如圖6所示。

圖6　齒輪傳動示意圖

3.3.3齒輪傳動比計算

4結論

1)根據溫室育苗基質槽的特點，采用旋耕機的工作原理，設計了一種小型的桁架式溫室育苗槽基質蒸汽消毒機。桁架式溫室育苗槽基質蒸汽消毒機的出現將會為溫室基質蒸汽消毒降低勞動強度和消毒成本，提高消毒效率。

2)消毒機的消毒裝置部分用前后邊緣向上呈一定弧度的罩殼將拋土刀組罩起，罩殼壁上焊有通孔的噴汽管，高溫蒸汽經過蒸汽輸送管進入罩殼內。同時，拋土刀組在罩殼內高速旋轉，將基質槽中的基質拋起，被拋起的基質在密封的罩殼內與高溫蒸汽瞬速接觸、升溫，達到消毒的目的。

3)該設計為溫室基質蒸汽消毒提供了很好的解決方案，為溫室基質蒸汽消毒機的研究和開發奠定了基礎，具有一定的實用價值。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0154-EA

Design of Matrix Steam Sterilization Machine for Truss Type Greenhouse

Yu Zirong1，Zhu Jiafan1, Peng Jiwen1，Zhou Tiquan2, Yang Luqiang1, Gao Zhichao1, Zhang Rukun1

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650202,China; 2.Dali Prefecture in Yunnan Province, Xiangyun County Agricultural Machinery Extending Stations, Xiangyun 672100,China)

Abstract：the greenhouse seedling disinfection slot matrix can be solved after continuous cropping decreased from toxic products increase, resistance, spread the germs, offers protection for matrix of recycling. But at present our country matrix disinfection equipment has simple structure, human labor intensity, work environment uneasy congruent. In order to solve the problem of greenhouse matrix disinfection difficult, we design a portable greenhouse seedling slot matrix steam sterilizer, the disinfection machine will throw up a slot in the matrix, the matrix into high temperature gas fully contact with the substrate at the same time, achieve the purpose of disinfection. The disinfection machine design is reasonable, conform to the requirements of the greenhouse seedling slot matrix steam sterilization, can reduce the labor intensity, has the very good development prospect.

Key words：greenhouse; matrix; truss type steam sterilizer

中圖分類號：S625.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0154-04

作者簡介：喻自榮(1987-)，男，云南紅河人，碩士研究生，(E-mail)963477247@qq.com。通訊作者：張汝坤 ( 1960-) ，男，云南大理人，教授，(E-mail)zhangrukun8918@aliyun.com。

基金項目：國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2011CB100406)

收稿日期：2015-10-20