食用菌裝袋封口接種一體機的設計*

□ 崔書彬 □ 牛得學 □ 劉 慶□ 蘇傳鑫 □ 孫一超 □ 張 碩

濱州學院 機電工程學院 山東濱州 256603

1 設計背景

食用菌生產過程中,培養基的裝袋、菌袋的接種是兩項主要作業。傳統的裝袋、接種作業均采用人工方式,耗時耗力,在人工成本日益高漲的今天顯然已不再適用。為了滿足食用菌大規模生產中的裝袋需要,市面上出現了各種不同的裝袋機,如食用菌培養基裝袋機、自動接種機等,但是這些設備都存在功能單一、自動化程度較低的問題。筆者設計了一款食用菌裝袋封口接種一體機,可以解決傳統食用菌培養基裝袋緊實度難以控制、現存市場上裝袋機功能單一且自動化程度低的問題,能夠完成食用菌培養基的裝袋、封口,以及部分食用菌培養基的接種,具有良好的市場前景和推廣價值。

2 總體設計方案

食用菌裝袋封口接種一體機是進行食用菌培養基裝袋封口作業及部分食用菌種植作業的小型農業設備,主要由主體架、送料機構、封袋機構、接種機構、控制電路及輔助部件組成,結構設計如圖1所示。

▲圖1 食用菌裝袋封口接種一體機結構

主體架采用方形鍍鉻鋼管焊接而成,可保證設備運行的穩定性。送料機構、封袋機構可以完成食用菌培養基的裝袋作業,接種機構可以完成部分食用菌的種植作業。控制電路通過程序實現對整機的控制,以STM32ZET6單片機為主控芯片,通過繼電器控制電機的運轉。輔助部件包括有機發電二極管液晶顯示屏、控制按鍵開關、調速器等。可通過液晶顯示屏實時顯示設備的工作狀態,方便快捷,簡單易操作。

3 結構設計

3.1 送料機構

送料機構如圖2所示,由大扭矩主電機、鏈條、鏈輪、特制絞龍等部件組成。大扭矩電機提供動力,通過鏈條、鏈輪傳遞至特制絞龍,由特制絞龍帶動料倉中的食用菌培養基在裝袋軌道中前進,實現裝袋。通過控制特制絞龍及電機轉速,控制培養基裝袋的緊實度。

▲圖2 送料機構

特制絞龍的運動與參數可以影響食用菌培養基裝袋的緊實度。運用微積分原理設計特制絞龍,研究合理的特制絞龍葉片外直徑D、葉片內直徑d、葉片螺距t、葉片與外壁間隙λ、填充因子ψ等參數。特制絞龍參數如圖3所示。

▲圖3 特制絞龍參數

特制絞龍輸送量Q為:

Q=π[(D-2λ)2-d2]ψtnγC/(24×1010)

(1)

式中:n為特制絞龍轉速;γ為食用菌培養基單位容積質量;C為特制絞龍傾斜因子。

經過試驗計算,求得適合食用菌裝袋封口接種一體機的特制絞龍最佳轉速。

根據相關參數,應用Solidworks軟件進行三維建模,并對特制絞龍進行動力學和有限元分析,優化設計出符合食用菌裝袋封口接種一體機應用要求的特質絞龍。食用菌裝袋封口接種一體機的三維模型如圖4所示。

▲圖4 食用菌裝袋封口接種一體機三維模型

3.2 封袋機構

封袋機構如圖5所示,由減速電機、封口平臺、鋼絲、滑輪等組成。減速電機正轉,帶動封口平臺相向閉合,電熱絲、電熱片通電實現封口。減速電機反轉,封口平臺張開,完成封袋。根據封袋形式,筆者設計了由聚氯乙烯板、耐高溫硅膠、直徑0.5 mm電熱絲、寬度3 mm電熱片、限壓穩流模塊組成的封口平臺。其中,電熱片與電熱絲交錯排列,通過多次試驗,調節電熱片、電熱絲至最佳發熱溫度。封袋平臺在鋼絲、滑輪的帶動下實現張開與閉合,完成封袋、切袋工作。

▲圖5 封袋機構

選用直徑為210 mm的聚乙烯塑料菌袋進行試驗,研究不同溫度下電熱片的封袋效果,見表1。

表1 不同溫度下電熱片封袋效果

試驗結果表明,電熱片溫度為170～190 ℃時,聚乙烯塑料菌袋的封袋效果較好。

3.3 接種機構

接種機構如圖6所示,由接種倉、減速電機、曲柄連桿、同步輪、同步帶、小絞龍等組成。當光電傳感器檢測到菌袋時,接種機構運轉。減速電機帶動曲柄連桿轉動,接種倉下降,下端扎進菌袋,同步帶、同步輪帶動小絞龍轉動,將接種倉中的菌種送至菌袋中,完成接種工作。

4 控制電路

筆者以STM32單片機為控制系統核心,通過線性鍵盤、減速電機和液晶顯示屏等元件,設計了食用菌裝袋封口接種一體機的控制電路,實現食用菌裝袋、封口、接種等功能,可以提高工作效率,減輕食用菌加工人員的負擔。控制電路操作簡單,性價比高,搭載液晶顯示屏,具有良好的人機界面,可以實時顯示設備的工作狀態。

▲圖6 接種機構

5 工作流程

使用食用菌裝袋封口接種一體機時,操作人員可以根據屏幕提示進行操作。使用時打開電源開關,設備運轉,系統進行自檢,檢測是否發生故障,并將檢測結果通過屏幕進行呈現。操作人員根據需求調試電熱片加熱溫度、特制絞龍轉速等參數。調試完畢后,設備正常運轉,開始作業。食用菌裝袋封口接種一體機工作流程如圖7所示。

▲圖7 食用菌裝袋封口接種一體機工作流程

6 樣機

應用Solidworks等軟件進行仿真分析,確認符合設計要求后,購置零件材料,加工定制各機構,最終完成食用菌裝袋封口接種一體機樣機,如圖8所示。食用菌裝袋封口接種一體機主要性能指標見表2。

▲圖8 食用菌裝袋封口接種一體機樣機

表2 食用菌裝袋封口接種一體機主要性能指標

7 結束語

我國食用菌生產企業還存在機械化程度不高、仍需大量人力物力工作的現象。食用菌裝袋封口接種一體機將裝袋、封口、接種功能集于一體,解決了手工裝袋速度慢、效率低、質量差、裝袋封口接種不能同時進行等問題,可以一次性完成食用菌培養基的初步加工,大大提高了食用菌裝袋、封口、接種的工作效率。食用菌裝袋封口接種一體機適用于種植農戶、工廠等需要進行食用菌加工的場所,具有推廣應用價值。