育苗基質攪拌機的研制

牛祥永 汪超 林康

摘要：針對工廠化育苗的需求和傳統攪拌方式的弊端，設計并研制了一種新型基質攪拌機，研發的基質攪拌機旨在把各種育苗基質充分攪拌，且不破壞基質的內部結構。對攪拌的目的和類型進行了概述，對基質攪拌機的組成特點進行闡述，同時也對一些重要的技術參數的選取進行分析，包括箱體的設計、機構動力的設計、葉片數量、安裝角以及速度的設計，得到結論為攪拌箱箱體的長為1.35m，寬為0.7m，高為0.55m;機構動力為4 kW，能夠保證機器在滿負荷甚至超負荷運載時也能正常運轉一段時間;攪拌機設計兩組葉片，每組螺旋葉片中分別有5個葉片，共10個葉片;葉片安裝角的取值范圍在31°-40°;旋轉軸的轉速為160 r/mm，經過合理設計后，攪拌機能夠快速地將基質攪拌均勻。

關鍵詞：基質;攪拌機;參數設計

中圖分類號：S223

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022）02-0051-04

0 引言

工廠化育苗指的是在人造環境下，應用規范化的技術措施和技術方法，采用工業化的生產手段進行批量優質育苗的一種先進方式。隨著工廠化育苗的蓬勃發展，育苗基質的用量也逐漸增大，育苗基質即育苗用的營養物質是影響幼苗生長質量的關鍵因素之一，只有經科學配比及均勻攪拌的育苗基質才能培育出茁壯優質的幼苗。

近些年，雖然我國工廠化育苗產業正在飛速發展，但仍存在一些制約我國工廠化育苗發展的關鍵技術，其中之一就是在基質方面研究比較薄弱，內容相對單一，研究多是圍繞各類基質選用、基質配比和營養物研發等內容，對生產工藝以及配套的生產機械等缺少系統研究[1-2]。傳統的基質制備方式基本采用鏟車混拌、人工混拌和一定環節的機械混拌，生產效率較低，缺乏統一的質量標準，生產水平和產品難以滿足目前日益提高的市場需求[3-4]。目前，雖然基質攪拌設備已有部分公司研發銷售，但是大多存在工藝不完整、效率低下等問題。育苗基質在工廠化育苗生產中起著決定性作用，只有選材合理、配比合理、質量均勻的基質才能培育出茁壯優質的幼苗。國內基質產業相對落后，而直接采購國外先進設備不僅成本過高，而且不能和我國基質生產模式相適應。針對這些問題，本文研發了一種基質攪拌機，旨在把育苗基質攪拌均勻，且不破壞基質的內部結構。

1 攪拌的目的和概念

1.1 攪拌的目的

（1）使混合物中各組分均勻分布，不僅僅在宏觀層面均勻混合，也要在微觀層面均勻混合。

（2）提高混合物各組分之間的相對運動次數和軌跡交叉頻率，能夠使其加速達到均勻化。

（3）攪拌過程中不破壞基質的結構和內在基質，不造成基質的營養流失，起到較好的育苗效果。

1.2 攪拌過程中的運動

根據混合物中各組分顆粒產生的運動方式不同，可在攪拌過程中產生如下基本運動。

（1）對流運動。對流運動是混合物在攪拌的過程中，受到外力作用，具有不同的運動軌跡和運動速度，從而使混合物各組分在宏觀范圍內循環流動、趨于均勻化的現象。

（2）擴散運動。擴散運動是混合物中各組分在微觀范圍內互相滲透、互相擴散、力求趨于穩定狀態的現象。

（3）剪切運動。剪切運動是混合物各組分沿某一方向相對滑移、逐漸均勻化的現象，該運動可以克服混合物的慣性、黏滯性和摩擦力等，能夠有利于各組分的均勻混合[5-6]。

根據混合物在實際攪拌過程中產生的實際運動，可歸納為如下運動。

（1）混合物料在攪拌箱中的循環運動。在攪拌箱中的葉片作用下，混合物料在攪拌箱中按照一定的運動軌跡產生大范圍的運動，使得各組分能夠在空間中達到宏觀層面的均勻化。由于混合物料在空間中不斷地循環運動，使得物料可能會運動到攪拌箱的任何一個區域范圍內，從單次攪拌來說，這種循環運動是間歇性的、局限性的運動，但是攪拌是不斷進行的，從整體來看，這種循環運動是連續性的。

（2）混合物料間互相碰撞、翻滾的運動。在攪拌過程中，物料在強制作用下會產生一定的速度，使得物料之間會產生相互作用，互相阻礙運動。由于物料存在流動性，所以，具有動能的物料會“流進”其他物料中，在互相穿插過程中，混合物料顆粒之間會發生互相研磨、翻滾和擠壓。這些運動一般發生在特定的區域內，但由于物料是不斷運動更替的，經過這樣運動之后，混合物料會更快均勻化[7]。

這兩種運動是互相影響的，在兩種運動的共同作用下，能夠提高攪拌的效率和質量。

1.3 攪拌的基本類型

（1）自落式攪拌。旋轉攪拌箱中的葉片將混合物料拋向高處，物料依靠自身重力下落進行攪拌。在工作過程中，物料被裝在攪拌筒內壁的葉片提升到高處，受到自身重力而下落。因為混合物中各種物料顆粒的大小和質量各不相同，所以在旋轉過程中，物料顆粒下落的時間、位置、高度、速度各不相同，各種物料顆粒在攪拌過程中發生碰撞、研磨、擴散、滲透最后混合趨于均勻化。自落式攪拌機的結構相對簡單，能耗也較低，但是其攪拌效率不高，一次攪拌的物料也較少，多適用于易于混合、質量較輕的物料攪拌[8-9]。

（2）強制式攪拌。物料通過多個處于不同角度和位置的旋轉葉片強制改變其運動方向，從而產生物料顆粒之間多方向的相對運動而進行攪拌。相對于自落式攪拌機，強制式攪拌機的攪拌作用明顯，攪拌效率更高，但相對于的消耗的功率也更大，對于攪拌筒和攪拌葉片的磨損也更大。強制式攪拌多適用于不易于混合，質量較大的物料攪拌[10-11]。

2 主要結構組成和特點分析

育苗基質攪拌機在設計時需要盡可能使攪拌機具備以下的條件：（1）能對育苗基質各組分進行均勻地攪拌;（2）能夠在較短的時間內完成攪拌和出料;（3）占地面積較小，不適用時不會占用較大的空間;（4）攪拌后，混合物料能夠均勻地卸出，不過多地粘連在攪拌箱中，方便攪拌箱清洗。

根據設計要求，設計了一款能夠滿足工業化育苗生產要求的基質攪拌機。這款育苗基質攪拌機的主要結構由攪拌裝置、傳輸裝置以及動力裝置3部分構成。具體結構組成如圖1所示，本攪拌機由攪拌箱1、鏈板式提升機7、攪拌電機8、放料口11、底板12、出料口13、端板14、側板15、箱蓋16、出料門17以及轉軸21等結構組成，攪拌箱內還設有兩組運動方向相反的螺旋葉片和若干攪拌桿。

混合物料攪拌是攪拌機的最主要功能，所以本攪拌機的主體部分是攪拌箱，箱體上開設了進料口和出料口，使用人員能夠通過進料口將各類基質倒入箱體內，基質受到攪拌機中螺旋方向相反的兩組攪拌葉片以及攪拌桿的多重作用，使其在攪拌箱內能夠進行軸向運動、徑向運動和周向運動，此外，基質中不同物料顆粒之間還能進行對流、擴散和剪切等復雜運動，確保基質能夠快速攪拌均勻。等到攪拌完成之后，通過出料口將混合均勻的基質排出。為了保證機器的持續正常運轉，箱體內的攪拌葉片和攪拌桿被均勻安裝在攪拌軸上，攪拌軸與箱體外的驅動件連接，驅動件能夠驅動并控制攪拌軸進行轉動。

箱體的一側還設有傳送裝置，傳送裝置與箱體是分體式設置，能夠使得攪拌機存放更方便，在不需要使用時，能夠將箱體和傳送裝置拆開放置，減少空間的占用。傳送裝置包括架體和傳送板，傳送板上能夠安裝傳送帶，傳送帶安裝后能夠輸送物料，以保證混合完畢的基質通過傳送帶輸送至儲存的容器內，以達到快速出料的目的。此外，傳送板的一側板面上還安裝了若干鉸接板，使傳送板能夠通過鉸接板與架體之間進行鉸接，在一些不符合使用要求的地面上使用本攪拌機時，能通過傳送板帶動傳送帶繞著鉸接點進行轉動調整自身與地面之間的角度，保證輸送裝置在一些不水平的地面上也能保證傳送帶與箱體上的出料口對準。

3 技術參數設計分析

3.1 箱體的設計

根據基質的實際加工要求和加工效益，確定攪拌機一次加工的投料量Q為400-500 kg，根據對常用幾類基質的密度測試，考慮溫度、濕度等外在因素，確定基質的密度為p=1.7x10 3_1.9x10 3 kg/m3。根據經驗數據以及攪拌機的性能試驗，確定了能夠保證混合質量的最佳容料率A為0.5-0.6。箱體體積V的計算公式為：

V= Q/A.p

取各系數的平均值計算可得，箱體體積約為0.45 m3，綜合考慮箱體內部轉軸的位置、螺旋葉片、攪拌桿的尺寸和排布、攪拌機的工藝性能、箱體的厚度等因素，確定箱體的長為1.35 m，寬為0.7 m，高為0.55 m。

3.2 機構動力的設計

目前，對于攪拌機配套動力的計算尚未有精確的公式。通過對現有的國內外攪拌機系列進行探究，根據攪拌機的機構動力和生產率，可以提取出經驗公式進行近似計算，公式如下：

P= Kv式中：v為攪拌機的生產率，t/h;K為功率系數，一般為1.5-2.50

取v= 1.5 t th、K= 2.5，則P= 3.75 kW。根據此數據確定機構動力為4 kW，保證機器在滿負荷甚至超負荷運載時也能正常運轉一段時間。

3.3 攪拌葉片的數量

攪拌軸和攪拌葉片稱為轉子，轉子在攪拌過程中起著重要的作用。攪拌葉片的數量一方面對物料的均勻度非常重要，另一方面，攪拌葉片的數量也直接影響著攪拌桿的數量。本實驗設計有兩組攪拌葉片，每組葉片都由多個葉片組成，且攪拌桿將葉片與轉軸相連。在設計葉片數量時不能太多，太多會使物料的傳輸距離加長;葉片數量增多，葉片面積也需要相應減小，否則容易使物料流通不暢降低攪拌效果[12];同時，葉片的數量也不能過少，如果葉片數量過少，葉片間距會過大，前一個葉片攪拌的物料難以推入下一個葉片的攪拌區域，導致循環運動不暢，此外，葉片數量如果過少，單位時間內葉片與物料之間、攪拌桿與物料之間的互相作用也會減少，最終影響攪拌的質量。因此，攪拌葉片的數量需要在一個合理的范圍內。

葉片數量的確定還需要考慮幾個相關因素：（1）單個轉軸上相鄰葉片的軸向陰影需有一定重疊，以此保證物料的流動順暢;（2）在攪拌結束卸料后可保證桶內殘余物料少，給箱體清洗帶來便利;（3）轉軸旋轉一周，物料沿軸向行程應大于360°，若葉片數量用h表示，相鄰攪拌桿之間的相位差用β表示，則h.β≥360°。綜合以上因素，結合實驗結果，該攪拌機確定了每組螺旋葉片中分別有5個葉片，兩組共10個葉片。

3.4 攪拌葉片的安裝角

攪拌葉片的安裝角主要有兩個，一個是軸向安裝角，用α表示;另一個是徑向安裝角，用b表示。軸向安裝角指的是攪拌葉片面內攪拌軸的軸線與攪拌桿的垂線之間的夾角。徑向安裝角指的是攪拌桿的軸線與攪拌葉片葉面之間的夾角。攪拌葉片的大小對攪拌效率、攪拌質量和整體機構的能耗都有不小的影響。當攪拌葉片的角度在合適的范圍時，可以使得物料與葉片之間的運動以及物料之間的運動達到一個較好的配合。以受到葉片作用的物料為研究對象。經過受力分析，物料受到的軸向作用力而產生螺旋作用，物料受到徑向作用力為沿攪拌箱徑向的對流運動。

（1）α角的確定：物料在不同方向上的運動主要分為橫向運動和縱向運動，當葉片安裝α角過小時，物料缺少縱向運動攪拌，當葉片安裝α角過大時，物料缺少橫向對流。當α>55°時，物料難以產生較強的攪拌。（2）b角的確定：b角過小時，物料缺少徑向運動攪拌，物料傾向于形成圓周運動;b角過大時，圍繞攪拌桿的圓周運動減弱;當b角接近90°時，物料僅僅受到了葉片側立面和攪拌桿的剪切作用，攪拌效果很差[13]。因此，合適的α、b角對于保證物料在徑向和軸向兩個方向的最佳運動效果起著重要的作用。經過理論分析和經驗調研認為，α和b值的取值范圍在31°-40°較為合適。

3.5 攪拌速度的確定

在攪拌的過程中，混合物料主要受到葉片的作用，發生推移、碰撞及翻滾等運動。由于葉片都是安裝在旋轉軸上的，它們一起發生同軸運動，所以葉片的轉速與旋轉軸的轉速相同。物料在葉片上主要發生兩類運動，一類是受到葉片圓周運動的影響，物料葉發生圓周運動。另一類運動為摩擦運動，物料在葉片上時始終受到葉片的摩擦運動。根據受力分析，物料在葉片的法線方向上發生偏移并產生一個摩擦角，從而加強物料之間的運動而加快攪拌。想到混拌效果達到比較理想的效果，旋轉軸的轉速應在一個合理的范圍內Nmin≤N≤Nmax。其中：式中：d為攪拌葉片的直徑，根據設計要求取0.2 m;A為摩擦因數，其范圍為0.2 - 0.3，取中值為0.25;θ為螺旋升角，取65°。

經過計算可得，Nmin≈105 min -1，Nmax≈215 min-1，根據最大值和最小值確定旋轉軸轉速N=160 min -1。經過合理設計后，螺旋方向相反的雙攪拌葉片配合攪拌桿能夠使基質在攪拌箱內快速攪拌均勻。

本文所研制的攪拌機不僅具有效率高、穩定性好、攪拌均勻等優點;在使用過程中，用戶還可以根據地理位置和季節不同，在攪拌過程中對基質濕度、肥料成分進行調節。能夠廣泛應用于工廠化育苗領域，應用該攪拌機能夠有效提高攪拌速度，還能解決無土基質育苗基質混配不均勻，以及基質結塊影響裝盤質量和后期育苗質量的難題。從而大大降低用戶人工成本，顯著提高生產效益和競爭力，有效提升育苗的水平。該攪拌機的研制符合國家發展的需要，具有很好的推廣應用前景。

4 結束語

本文針對工廠化育苗中存在的問題，設計并研制了育苗基質攪拌機。通過對基質攪拌機設計分析對攪拌機的一些重要技術參數進行合理選擇，包括箱體的設計、機構動力的設計、葉片數量、安裝角以及速度的設計。本文設計的基質攪拌機具有結構簡單緊湊、設計合理、操作簡便、能耗低、成本低、攪拌混合效果良好、適用性強等特點。該攪拌機的研制可以為用戶降低成本，提高效益和競爭力，提升育苗的水平，有效促進農業機械化，也符合國家農業發展的需要。

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