作物設施栽培基質消毒機的設計與研究

趙玉清，高彥玉,朱加繁,楊陸強,張汝坤

(1.云南農業大學 機電工程學院，昆明 650201；2.紅云紅河集團會澤卷煙廠，云南 曲靖 654200)

0 引言

設施栽培是指采用一些工程技術手段，再加上一部分人為條件和控制措施，使傳統農業逐漸脫離自然氣候條件的控制，從而使植物獲得最適宜的生長條件，延長生產季節，獲得最佳產出的現代農業生產方式[1]。作物栽培基質消毒技術已經成為現代設施農業的一項重要內容。基質作為栽培的核心及影響根系生長的關鍵要素，也屬于植物病蟲害傳播的主要媒介及繁殖場所，存在著大量的病菌、蟲卵及害蟲，若是未能有效處理，則會導致作物實際的產量以及品質顯著降低，極端情況下會導致絕收[2]。因此，栽培基質使用前，必須對其進行消毒處理，防止病蟲害的滋生與擴散，從而保證作物的產量與質量。

歐美等發達國家對基質消毒裝備的研究起步較早，在基質消毒方面的分析演變為較為完善的技術架構；而我國使用的基質消毒方案及技術較為落后，當前的各項消毒設備并不完善，性能存在不穩定的特征，不能滿足現代設施農業集約化、高效率的生產要求[2]。為此，設計了一種自走式作物栽培基質蒸汽消毒機，通過對消毒機進行田間試驗，找出了消毒機的優點和不足。

1 整體方案

1.1 整體設計

自走式作物栽培基質蒸汽消毒機，包括限位輪、鏈條、機架、罩殼，以及驅動電機等多個方面的基礎要素[3]。消毒機具體的主、俯視圖，如圖1和圖2所示。

(a) 消毒機主視圖

(b) 消毒機俯視圖 1.限位輪 2.行走輪 3.鏈條 4.拋土刀軸 5.拋土刀片 6.噴氣管1 7.橡膠蓋板 8.機架 9.進氣管 10.罩殼 11.噴氣管2 12.拋土刀軸驅動電機 13.行走輪驅動電機圖1 消毒機主、俯視圖Fig.1 The main，top view of sterilizing machine

設備中的行走輪軸依靠配套的軸承安置到相關的機架中，行走輪則位于軸的兩側，配套的限位輪依靠焊接的方式固定于對應的機架上；系統中的拋土刀軸依靠配套的軸承安放到基礎的機架中，刀軸驅動鏈輪依靠配套的鍵槽而安放到刀軸的一側[3]。拋土刀片依靠螺栓安放到相關的刀盤中，刀盤及刀軸使用對應的螺栓進行聯接。噴氣管和進氣管焊接在對應的機架中，其中的橡膠蓋板依靠配套的螺栓安放到機架的前后位置，罩殼依靠螺栓安放機架之上。噴氣管焊接在罩殼頂部的位置，拋土刀軸及行走輪的配套驅動電機，放機架前方。輸出軸存在對應的鏈輪，一根鏈條安裝到拋土刀軸對應的電機以及驅動鏈輪中，另一根則安裝到行走輪的對應電機及驅動鏈輪之中[3]。

1.2 工作過程

自走式作物栽培基質蒸汽消毒機，在實際的運轉中，行走輪和基質槽對應的上表面存在對應的接觸，限位輪和基質槽對應的內側面存在接觸，從而使得消毒機可以順著表面平穩運動，而對應的驅動電機可以提供作業中需求的動力。拋土刀軸驅動電機依靠配套的鏈條實現正轉及反轉。實際開啟之后，帶動刀片快速地旋轉，將基質向上拋起，并向罩殼頂及機架底對應的蒸汽管輸入相關的高溫高壓蒸汽，進而令基質和高溫蒸汽實現有效的接觸；蒸汽溫度可以在短暫時間中傳輸到基質，令基質溫度得以持續提升。因為罩殼安裝到機架上方，和機架兩端相關的蓋板組成較為密閉的特殊空間，有助于基質升溫之后進行有效的保溫處理，提升了殺滅有害病菌的效果[4]。

2 主要零部件有限元分析

2.1 拋土機構有限元分析

拋土機構是消毒機的主要工作部件，將基質拋起的同時要承受基質的反作用力，在工作過程中會發生一定的形變。因此，需要采用有限元分析軟件對其進行靜力學分析，通過觀察拋土機構的等效應力應變圖和總變形云圖，找出消毒機工作過程中拋土刀片應力集中的主要部位及最大變形量等參數，為拋土機構的優化設計提供理論依據。

2.1.1 模型的建立與網格劃分

在具體的設計環節中，使用SolidWorks軟件建立關于拋土機構的模型，傳輸至相關的ANSYS軟件，根據設計要求，將拋土機構的材料屬性添加后進行網格劃分，得到了拋土機構的網格模型，如圖2所示。

2.1.2 靜力學分析結果

依靠理論分析的方式，獲得拋土機構在具體運轉環節中的等效應力云圖、等效應變云圖、總變形云圖，如圖3～圖5所示。從等效應力云圖發現：拋土刀片在具體的運轉環節中，應力最集中的位置屬于刀片根部以及刀盤的具體接觸，最大值為291.36MPa。從應變云圖發現：應力相對集中的位置即屬于應力較高的位置，應變極限值屬于0.155mm，分析總變形量能夠得出，變形量最高的地方屬于刀片邊緣，存在的極限位移為1.689mm。

圖2 拋土機構的網格模型Fig.2 Mesh model of soil throwing mechanism

圖3 拋土機構的等效應力圖Fig.3 Equivalent stress diagram of soil throwing mechanism

圖4 拋土機構的等效應變圖Fig.4 Equivalent strain diagram of soil throwing mechanism

圖5 拋土機構的總變形圖Fig.5 The total deformation Figure of soil throwing mechanism

2.2 機架有限元分析

消毒機工作過程中，機架不僅承載著源自電機及罩殼等元件的基礎重力，也會負擔源自拋土刀軸以及行走輪軸的基礎作用力。由于機器工作過程中會產生強烈的沖擊和振動，這些周期性載荷都會作用在機架上，如果機架結構的強度、剛度不夠，則容易產生變形和損壞。因此，通過對機架添加相應的約束條件和載荷，對其進行靜力學分析可以初步判斷機架最容易發生變形的部位和大致的變形程度，通過模態分析可以對比機架工作過程中的振動頻率與其本身的固有頻率是否接近，然后對機架結構進行優化設計，避免消毒機工作過程中出現共振現象而對機架造成損壞。

2.2.1 靜力學分析結果

采用自動劃分網格的方法對機架進行網格劃分，經過計算求解，得到消毒機工作過程中機架的等效應力云圖、等效應變云圖及總變形量云圖，如圖6～圖8所示。從等效應力云圖中可得到：應力最集中的部位為機架的左端部分，行走驅動電機和拋土刀軸驅動電機安裝的位置，最大值為62.344MPa。從應變云圖能夠得出：應力相對集中的位置也屬于應力較高的部位，應變的極限參數為0.317mm。

圖6 機架等效應力圖Fig.6 Equivalent stress diagram of frame

圖7 機架的等效應變圖Fig.7 Equivalent strain diagram of frame

圖8 機架的總變形圖Fig.8 Total deformation of frame

由總變形量云圖可得出：最高的位置是機架左端支撐板最薄弱的位置，最大變形量為1.233mm，這可能是由于消毒機工作過程中驅動電機震動較為強烈而引起的。

2.2.2 模態分析

由于消毒機的驅動電機直接安裝在機架上，工作過程中振動較為強烈，加上基質對拋土刀片的反作用力也會傳遞到機架上，形成沖擊性載荷，所以消毒機在行走過程中機架也會產生較大的振動。因此，在對機架進行靜力學分析之后，還需要對機架進行模態分析，得到機架前6階模態振型云圖，在此只給出第1階和第6階云圖，如圖9和圖10所示。

圖9 機架1階振型云圖Fig.9 First order vibration pattern of frame

圖10 機架6階振型云圖Fig.10 Six order vibration pattern of frame

從機架的各階振型云圖中可以看出：機架兩端的變形量相對較大，振動變形最大的部位為機架的左端，位于行走輪驅動電機和拋土刀軸驅動電機安裝的位置。

3 樣機試制及田間性能試驗

3.1 樣機試制

本文設計的自走式作物栽培基質蒸汽消毒機使用SolidWorks軟件開展相關的三維建模，進行了整機的加工、裝配及仿真，依靠對方案的反復修改，進而確定了自走式作物栽培基質蒸汽消毒機的機構，并完成了樣機的試制。自走式作物栽培基質蒸汽消毒機如圖11所示，其技術參數和性能指標如表1所示。

圖11 自走式作物栽培基質蒸汽消毒機樣機Fig.11 Prototype of self propelled crop cultivation substrate steam sterilizer表1 消毒機的技術參數和性能指標Table 1 Technical parameters and performance indexes of disinfection machine

項目單位參數Dmm1600×1580×500T1℃130～140

續表1

3.2 田間性能試驗

田間試驗是檢查自走式作物栽培基質蒸汽消毒機工作性能的關鍵流程，屬于檢驗相關技術和經濟指標可否實現設計需求的關鍵方式，也屬于發現樣機問題、針對樣機開展優化的關鍵要素[4]。此次田間試驗為正交試驗，目的是分析綜合架構的可靠性和方案設計的合理性，同時通過對消毒機設置不同的工作參數,尋找消毒機工作參數的最優組合，為消毒機下一步的優化設計提供理論依據。

試驗在昆明市尋甸縣大河橋三七工廠化育苗基地進行，消毒機在田間試驗過程中影響其消毒效果的因素主要有蒸汽出口壓力、消毒機行走速度和拋土刀軸轉速。因此，消毒機田間性能測試正交試驗選取蒸汽出口壓力、消毒機行走速度和拋土刀軸轉速作為影響因子，各個因子取3個水平，具體信息如表2所示。

表2 基質蒸汽消毒機田間性能試驗因子水平表Table 2 Disinfection machine test factor level Table

由消毒機田間性能測試正交試驗測試可知：各個因子對于作業效應構成影響的實際排序為蒸汽出口壓→消毒機行走速度→拋土刀軸轉速。根據主要因素擇優選、次要因素適當選取的原則，綜合考慮消毒機工作過程中機器運行的穩定性等因素，得出該消毒機的最優參數組合為：蒸汽出口壓力0.32MPa，消毒機行走速度3m/min，拋土刀軸轉速150r/min。

表3 消毒機田間性能測試正交試驗結果分析Table 3 Analysis of orthogonal test results of disinfection machine

D為外形尺寸(長、寬、高，mm)；T1蒸汽出口溫度(℃)；F為蒸汽出口壓力(MPa)；P1為行走驅動電機功率(kW)；P2為拋土刀軸驅動電機功率(kW)；V為消毒機行走速度(m/min)；R為拋土刀軸轉速(r/min)；B為工作幅寬(mm)；T2為消毒后的基質溫度(℃)；Y為評分。

4 結論

1)應用ANSYS軟件對消毒機的拋土機構及機架開展配套的靜力學及模態分析，結果表明：拋土刀片在具體的運轉環節中，應力最為集中的位置屬于刀片和刀盤的接觸位置，極限值參數屬于291.36MPa，低于實際的屈服強度355MPa；變形量最大的位置是刀片邊緣，最大變形量為1.689mm；機架的應力較集中部位為其左端部分，即行走輪驅動電機和拋土刀軸驅動電機安裝的位置，最大值為62.344MPa，小于材料的屈服強度235MPa。從機架的總變形量云圖中可以看出：變形量最大的位置機架左端支撐板最薄弱的位置，最大變形量為1.233mm。

2)在完成消毒機樣機制造的基礎上，采用正交試驗的方法，選取蒸汽出口壓力、消毒機行走速度和拋土刀軸轉速作為主要影響因子，每個影響因子取3個水平，完成了消毒機田間性能試驗。試驗結果表明：各因子對消毒機作業效果影響的大小排序依次為蒸汽出口壓、消毒機行走速度及拋土刀軸的轉速。綜合考慮消毒機工作過程中機器運行的穩定性等因素，得出該消毒機工作的最優參數組合：蒸汽出口壓0.32MPa，消毒機行走速度3m/min，拋土刀軸轉速150r/min。