種苗栽培基質在線混合裝置設計與試驗

2018-07-03 08:30:12胡俊生夏紅梅謝忠堅呂亞軍楊艷麗馮軍禮

農機化研究 2018年7期

胡俊生，夏紅梅，辜松，初麒，謝忠堅，黎波，呂亞軍，楊艷麗，馮軍禮

(1.華南農業大學 a.工程學院;b.南方農業機械與裝備關鍵技術省部共建教育部重點實驗室, 廣州 510642； 2.廣州實凱機電科技有限公司，廣州 510642；3. 廣州大觀農化科技有限公司，廣州 510375)

0 引言

設施園藝生產中種苗生產離不開基質混合處理，基質成分混合均勻程度直接影響種苗生長狀況[1]。種苗基質主要由草炭、椰糠、蛭石、珍珠巖中2～3種混合而成。目前，國內基質生產少部分采用基質混合裝置，但主要依靠人工混合，人工生產率低、勞動強度大、混合質量差，因此需采用專業基質混合裝置來提升基質生產質量與效率。對基質混合裝置的研制國外起步較早，按混合模式分，主要分為批量混合和在線混合。批量混合裝置單位產能低，適合小批量基質生產；在線混合設備產能高，適合規模化、產業化基質生產，但目前國內所開發的基質混合裝置屬批量混合，關于在線混合基質裝置的報道及文章很少見到。

針對以上問題，本文提出了一種高效的在線基質混合裝置，通過混合試驗優化在線基質混合裝置結構參數。

1 基質在線混合裝置設計方案

1.1 設計條件

種苗栽培基質成分為泥炭、椰糠、蛭石、珍珠巖。基質在線混合系統主要構成如圖1所示。其中，微、中、大斗提供混合基質成分原料，重載輸送帶將待混合原料送入在線混合裝置進行混合。本研究針對基質在線混合系統中在線混合裝置的關鍵部件進行設計與試驗研究。

1.基質混合裝置 2.重載輸送帶 3.微料斗 4.中料斗 5.大料斗

1.2 在線混合裝置總體設計

基質在線混合，國外常見的有滾筒式與螺旋輸送機式兩大類：圖2(a)是荷蘭Logitec Plus公司的滾筒式基質混合裝置，依靠滾筒旋轉翻動基質混合，需要一定的工作空間與混合長度；圖2(b)是美國Agrinomix公司的螺旋輸送式基質混合裝置，使用推進螺旋葉片推翻基質進行混合，也需要一定混合長度。以上兩種混合裝置整機尺寸大、結構復雜，且混合時間較長[2-4]。針對以上基質在線混合裝置的不足，本研究提出在線基質混合裝置如圖3所示。

(a) 滾筒式 (b) 螺旋輸送機式

1.原料入口 2.旋轉混合輪 3.橫向層 4.縱向層 5.基質出口 6.殼體

1.3 固定混合機構設計

固定混合機構指網格混合層，該機構在基質混合過程中處于靜止狀態，網格混合層由圖3中的橫、縱兩層混合桿組成，混合桿是固定在混合裝置殼體上。網格混合層目的是對從旋轉混合輪上落下的待混合原料，進行更進一步擾動混合，使基質各成分混合均勻。橫向層與縱向層之間有間距，以防待混合原料堆積在網格混合層，阻塞后續待混合原料流動。橫向層混合桿軸向與攪拌桿軸向互相垂直，也構成一個動態網格混合層，使基質在線混合裝置擁有兩個網格混合層。

1.4 旋轉混合機構設計

旋轉混合機構是指旋轉混合輪，為混合裝置的主動機構，如圖4所示。本研究采用的旋轉混合輪帶攪拌桿，攪拌桿桿間距與橫、縱向層的混合桿桿間距相同，規格型號一樣。旋轉混合輪的中心軸上焊有4排攪拌桿，相鄰排夾角為90°，相鄰兩排攪拌桿交錯布置，增強旋轉混合輪的混合效果。

圖4 旋轉混合輪

2 混合機構混合試驗

2.1 固定混合機構阻擋試驗

為確定待混合原料在旋轉混合輪與網格混合層上的通過效果，考察種苗栽培基質能否在網格混合層上順利通過，對基質成分中流動性最差的椰糠和泥炭進行通過性試驗。試驗因素為：桿間距L、泥炭與椰糠含水率S、待混合原料距混合桿垂直距離H。

2.1.1 阻擋試驗材料與方法

本研究通過性定義為：泥炭與椰糠從一定高度自由下落時，不堆積在網狀混合層上視為通過，試驗中每組試驗中通過次數占該組試驗總次數的比值為通過率。

桿間距L如圖5所示，考慮到基質原料沖擊性以及混合桿(攪拌桿)對塊狀基質原料的破散效果，本研究采用外徑20mm鋼棒作為混合桿(攪拌桿)。L值是影響基質原料通過概率一重要因素：L越小通過概率越小；若桿間距過大，則對塊狀原料破散效果越差(常態下泥炭和椰糠易呈塊狀)、結合攪拌桿的直徑考慮桿間距，L最小值取25mm，最大值取35mm，中間值為最大、最小值的平均數，故L選擇25、30、35mm3個水平。

圖5 混合桿桿間距示意圖

本研究使用DHG-9070A電熱鼓風干燥箱對椰糠進行烘干處理,對椰糠進行8h、120℃[5]烘干處理，得常態椰糠含水率為15%；取中含水率為45%，高含水率為75%，因此含水率取15%、45%、75%這3個水平。

將長期堆放干泥炭的含水率定義為低含水率；對長期堆放干泥炭加水濕潤，待用手輕輕擠壓能感覺有水溢出時，將此含水率定義為高含水率。在向泥炭加水讓其變成高含水率過程中，記下所需水量，取這個值的1/2加到長期堆放干泥炭中，作為中含水率。因此，泥炭含水率選低、中、高3個水平。

待混合原料距混合桿垂直距離H。垂直距離H影響泥炭(椰糠)下落時撞擊混合桿時的動能，泥炭(椰糠)速度越高，混合桿將對泥炭(椰糠)破散效果越好。據試驗臺高度，將下落位置與撞擊位置的垂直高度定義為：小距離300mm，中距離616mm，大距離為933mm。因此，H取300、616、933mm 3個水平。

2.1.2 阻擋試驗結果與討論

選用L9(33)正交表安排試驗，每個試驗條件組合進行30次試驗，椰糠通過性試驗結果如表1所示。

表1 椰糠正交試驗結果

泥炭試驗結果如表2所示。

對照組中，4例惡心患者，3例嘔吐患者，3例腹痛患者，2例皮疹患者，1例腹瀉患者，并發癥發生率是12.03%；研究組中，有1例惡心患者，2例嘔吐患者，無腹痛、皮疹及腹瀉患者，并發癥發生率為2.78%，研究組較對照組更低，差異有統計學意義（P＜0.05）。

結合表1、表2數據，對試驗結果采用極差分析法，由表1得RL>RS>RH，所以影響椰糠通過性主次因素順序為桿間距、含水率、垂直距離。平均效果k取最大值時為最優組合，因此對椰糠而言最優水平為A3B1C3或A3B2C3，即桿間距L為35mm、垂直距離H為300mm(或616mm)、椰糠含水率S為75%。由表2得：RS=RL>RH，所以影響泥炭通過性的主次因素順序為泥炭含水率與桿間距、垂直距離。本試驗最優水平為A2B3C1或A3B3C1，即桿間距L為30mm(或35mm)、垂直距離H為933mm、含水率S為低時。

表2 泥炭正交試驗結果

由表1知：桿間距L對椰糠通過性影響最顯著，桿間距L為35mm時，通過性達89%，而間距為25mm與30mm時，通過性分別為11%和55%。原因是間距越大，相鄰桿間隙能包容更大尺寸的塊狀椰糠。含水率對椰糠通過性影響要比垂直距離大，含水率對通過性影響可達55%，垂直距離僅為11%。這是因為干燥椰糠的容重小[6-7]，造成等體積下質量小，致椰糠雖處較高位置時，所獲得重力勢能小，使椰糠在通過混合桿時不能獲得足夠得動能。如表1第6組試驗當垂直距離為933mm時，但在含水率為15%條件下，通過性為0。當含水率增加，椰糠總重增大，即使垂直距離較小，椰糠也能獲得大重力勢能，因此通過性大幅提高，所以在表1中編號為3、5、7組試驗中椰糠通過性分別為33%、100%、100%。此時，椰糠依靠大重力勢能獲得足夠讓其通過混合桿的動能，動能越大，椰糠與混合桿碰撞時，受到反作用力越大，有利于塊狀椰糠破散；此外，椰糠的慣性大，破散的椰糠能迅速掙脫椰絲束縛，快速通過混合桿。含水率對椰糠通過性影響為22%、55%、78%，可發現椰糠存在含水率越高椰糠通過性就越強的趨勢。

結合表2知：最顯著因素為含水率與桿間距,因泥炭中有機質有很強的親水性[8-9]。當含水率低時，泥炭通過性為55%；而在含水率為中、高時，泥炭通過性為22%和11%。在桿間距為30mm與35mm時，泥炭通過性為44%。因泥炭含有大量有機質，且孔隙比較大，泥炭比較濕潤時，顆粒間的連接力也隨之增加[10]，泥炭易擠壓成塊狀難以通過攪拌桿，所以含水率低時，泥炭通過性為55%；而在含水率增加到中、高水平時通過性僅為22%與11%。據此，知泥炭存在含水率越低，通過性越高的趨勢。垂直距離對泥炭通過性影響為：垂直距離越大，通過性越高。因垂直距離越大給予泥炭重力勢能越大，在與混合桿發生碰撞時，受到反作用力越大，有利于塊狀泥炭破散。

綜上，設計出桿間距合理值，據試驗結果確定桿間距為35mm，重載輸送帶出口距旋轉混合輪之間垂直距離為616mm，含水率方面椰糠含水率宜高，泥炭含水率宜低。

2.2 固定混合與轉輪機構復式混合試驗

為確定基質在線混合裝置的混合效果，考察基質在線混合裝置性能，對混合后基質進行均勻度測定。試驗因數為：旋轉混合輪轉速W、原料橫截面高Q。

2.2.1 混合試驗材料與方法

本研究從在線混合裝置輸出基質流中截取多段，做為樣本。旋轉混合輪動力由三相電機提供，功率為0.37kW，減速器為NMRV040，減速比40∶1，轉速調節由EDS1000-2S0037變頻器控制。

圖6 照片區域劃分與域內珍珠巖分布

旋轉混合輪轉速高會導致待混合原料與攪拌桿碰撞劇烈，使待混合原料飛濺影響混合均勻度，所以轉速W不宜高。經過探究試驗發現，若取W中間水平為30Hz，高、低水平與中間水平差的絕對值為10Hz時，帶混合原料不會出現劇烈飛濺。綜上，轉速W的3個水平為20、30、40Hz。原料橫截面高Q指在輸送帶上泥炭(椰糠)的厚度，模擬不同的產能，Q值越大產能越高。本研究中Q取30、60、90mm3個水平。

2.2.2 混合試驗結果與討論

本研究采用的機器視覺基于Cognex相機的系統，樣本表面珍珠巖數量判斷，軟件是Insight Explorer，利用珍珠巖與椰糠(泥炭)色差大[11-12]，計算出珍珠巖數量。對每個因素組合下進行10組重復試驗，并求取變異系數平均值，結果如表3所示。

表3 基質混合裝置混合效果

結合表3，原料橫截面高60mm、旋轉混合輪轉速是20Hz時，基質混合最均勻，變異系數為34%。轉速高，旋轉混合輪對基質原料沖擊力越大，待混合原料受撞擊飛濺越劇烈，所以試驗號為5、6對應的變異系數值分別為36%和51%。而試驗號1、2、3組的變異系數分別為59%、66%和58%，是由于待混合原料量小，受到攪拌桿沖擊后飛濺劇烈，導致均勻性變差。當原料橫截面增大時，下落慣性大，攪拌桿對待混合原料擾動效果較差，所以試驗號為 7、8、9的變異系數為53%、57%和48%。

本研究對國內基質生產企業基質混合均勻程度測算，得變異系數如表4所示。

由表4可知：現在企業產出的種苗栽培基質變異系數最優范圍為25%～35%，結合表3中試驗組4中本研究的變異系數為34%，本研究的在線混合裝置能達到最優水平。