基于食用菌工廠化生產(chǎn)的注菌器設(shè)計(jì)

高 超，楊曉東*,劉 昊

(1. 吉林工程技術(shù)師范學(xué)院，吉林 長春 130052; 2. 吉林吉隆科技開發(fā)有限責(zé)任公司，吉林 吉林 132001)

食用菌是指子實(shí)體碩大、可供食用的蕈菌，通稱蘑菇。因自然生長數(shù)量有限，人工栽培占絕大部分。我國是食用菌最早栽培國家之一，2018 年我國食用菌占世界總產(chǎn)量的70% 以上[1-2]。但作為食用菌生長體的菌包，在我國主要是由分散農(nóng)戶以半手工、半機(jī)械化方式生產(chǎn)，工作效率和合格率低，工作環(huán)境易導(dǎo)致從業(yè)者呼吸道、皮膚、生育系統(tǒng)等受到損害。工廠化食用菌生產(chǎn)在20 世紀(jì)50 年代從日本興起，當(dāng)前我國食用菌工廠化率不到10%[3]，與發(fā)達(dá)國家相比有很大的發(fā)展空間。目前制約菌包工廠化生產(chǎn)主要因素是生產(chǎn)設(shè)備自動(dòng)化程度低，因此應(yīng)加大菌包自動(dòng)化生產(chǎn)線和自動(dòng)化接菌機(jī)的研發(fā)力度[1]。食用菌菌包接菌系統(tǒng)智能裝備中，接菌系統(tǒng)由翻筐、注菌、篩選綿球、塞綿球等裝置組成，本文主要介紹注菌裝置中的關(guān)鍵器件菌液注菌器的設(shè)計(jì)。

1 總體思路

接菌是指將配備好的食用菌菌液注射到裝有栽培基料菌包的過程。為提高生產(chǎn)效率，本設(shè)計(jì)要求同時(shí)給3*4共12個(gè)菌包同時(shí)注菌，如圖1所示。為保證注菌量的一致和可重復(fù)性，采用單向蠕動(dòng)注射原理[4]，設(shè)計(jì)了一種基于自動(dòng)生產(chǎn)線的食用菌菌液注菌器。該注菌器工作時(shí)菌液只接觸管壁不接觸器體，可保證注菌環(huán)境一致，避免菌液的二次污染，提高液態(tài)菌絲注菌成活率和質(zhì)量，有效銜接到自動(dòng)化生產(chǎn)線中，具備注射精度、重復(fù)精度、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，且采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元，一次完成多個(gè)菌包注射，極大提高生產(chǎn)效率。

圖1 注菌原理方案簡圖

2 注菌器結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

該注菌器主要由17個(gè)零部件組成，如圖2所示。其中螺母與定套筒螺紋連接，定套筒與螺母配合使定套筒固定在機(jī)架上，注射針嘴與注射針頭螺紋連接，彈簧(2)與不銹鋼球在注射針嘴與注射針頭形成的腔體內(nèi)，彈簧(2)頂著不銹鋼球，使不銹鋼球與注射針頭管徑端部緊密接觸形成密閉空間，當(dāng)有菌液通過注射針頭時(shí)，需要一定壓強(qiáng)使菌液推動(dòng)不銹鋼球，使彈簧(2)被壓縮，從而通過注射針嘴達(dá)到注射的功能，可通過調(diào)整墊片厚度改變彈簧(2)的長度實(shí)現(xiàn)不銹鋼球壓力大小的調(diào)整，從而調(diào)整注射壓力。軟管(1)緊固在注射針頭后端，壓輪壓在軟管(1)上，軟管螺絲分別連接軟管(1)與軟管(2)，當(dāng)壓輪處于工作狀態(tài)段時(shí)，軟管(1)與注射針頭形成一個(gè)密閉空間，向左運(yùn)動(dòng)一段距離后，可推動(dòng)軟管(1)里的菌液，使密閉容腔體積變小產(chǎn)生壓力，迫使容腔內(nèi)菌液推動(dòng)不銹鋼球，使菌液通過注射針嘴，從而達(dá)到注射功能。這里注射針頭外徑與定套筒內(nèi)徑間隙配合，彈簧(1)套在注射針頭外徑，兩端分別頂在定套筒內(nèi)端面與泵體左端，注射針頭與泵體螺紋連接，軟管(1)在泵體內(nèi)分別連接注射針頭與軟管螺絲，軟管螺紋與泵體螺紋連接，壓輪通過壓輪軸安裝在泵體凹槽中，壓輪軸安裝在動(dòng)套筒的導(dǎo)軌槽中，其中動(dòng)套筒內(nèi)壁與泵體間隙配合，導(dǎo)槽螺紋通過定套筒導(dǎo)槽與動(dòng)套筒螺紋連接，同時(shí)導(dǎo)槽螺絲頂端與泵體中導(dǎo)槽間隙配合，定套筒內(nèi)壁與動(dòng)套筒外壁間隙配合，彈簧(3)裝配在動(dòng)套筒內(nèi)，兩端分別頂在泵體右端面與頂蓋，頂蓋與動(dòng)套筒螺紋固連。

1.螺母 2.定套筒 3.彈簧(1) 4.注射針嘴 5.彈簧(2) 6.不銹鋼球 7.調(diào)整墊片 8.注射針頭 9.泵體 10.軟管(1)11.壓輪 12.彈簧(3)13.導(dǎo)槽螺絲 14.動(dòng)套筒 15.軟管螺絲 16.頂蓋 17.軟管(2)圖2 注菌器結(jié)構(gòu)圖

2.2 工作原理

工作時(shí)，軟管(2)與原料箱連接，原料箱液位高度大于注菌器高度，注菌器連續(xù)運(yùn)動(dòng)幾次，把其中的空氣排出，直到注射針嘴有菌液溢流時(shí)，方可正常工作，定套筒通過螺母固定在機(jī)架上，動(dòng)套筒后端法蘭盤固定在動(dòng)力執(zhí)行裝置上。工作時(shí)動(dòng)力執(zhí)行部件推動(dòng)動(dòng)套筒，使其向下運(yùn)動(dòng)，因彈簧(3)的彈力大于彈簧(1)，當(dāng)動(dòng)套筒工作時(shí)，彈簧(3)推動(dòng)泵體使其向下運(yùn)動(dòng)，使彈簧(1)壓縮，注射針頭被推出插入菌包中，起到定位作用，動(dòng)套筒繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，彈簧(3)被壓縮，壓輪壓緊軟管(1)，把軟管(1)中菌液推出，達(dá)到注射功能。當(dāng)動(dòng)套筒回程時(shí)，彈簧(3)首先回位，推動(dòng)動(dòng)套筒帶動(dòng)壓輪回位，此時(shí)壓輪向上運(yùn)動(dòng)，軟管(1)壓力減小，由于軟管具有彈性內(nèi)壁會(huì)產(chǎn)生間隙，使菌液流向軟管(1)內(nèi)部，隨后彈簧(1)帶動(dòng)注射針頭與泵體回位，從而保證往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)軟管(1)始終充滿菌液，達(dá)到重復(fù)使用且每次注射劑量一致的效果[5]。

2.3 壓輪力學(xué)和工作狀態(tài)圖例驗(yàn)證與分析

壓輪工作原理如圖3所示，A、B表示動(dòng)套筒14導(dǎo)軌槽兩側(cè)槽面，它與鉛垂方向有一定角度，C為泵體導(dǎo)軌槽上端面，當(dāng)注菌器不工作時(shí)，壓輪軸位于泵體導(dǎo)軌槽最右端，即動(dòng)套筒導(dǎo)軌槽的最上端。假定泵體不動(dòng)，當(dāng)動(dòng)套筒向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，壓輪軸與動(dòng)套筒導(dǎo)軌槽A槽面接觸、泵體導(dǎo)軌槽C槽面接觸，推動(dòng)壓輪軸向下運(yùn)動(dòng)，使壓輪擠壓軟管(1)，當(dāng)壓輪軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)推套筒繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，由于壓輪(1)與軟管(1)接觸面積較大，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向右的阻力作用在壓輪軸上，其反作用力作用在動(dòng)套筒導(dǎo)軌槽A槽面上，由于A槽面與鉛垂方向有一定角度，壓輪軸會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向下力F1，使壓輪完全壓實(shí)軟管(1)(注：這里壓輪軸直徑小于泵體導(dǎo)軌槽寬度)。當(dāng)動(dòng)套筒回程時(shí)，動(dòng)力由彈簧提供，此時(shí)壓輪處于壓實(shí)軟管(1)狀態(tài)，當(dāng)動(dòng)套筒沒有向左的推力時(shí)，壓輪由軟管(1)的彈力使壓輪軸與泵體導(dǎo)軌槽C槽面接觸，使軟管(1)內(nèi)壁產(chǎn)生間隙讓菌液通過，由于壓輪還處于半接觸軟管(1)狀態(tài)，回程時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向左的阻力，反作用力作用在動(dòng)套筒導(dǎo)軌槽B槽面上，因B槽面與鉛垂方向有一定角度，壓輪軸會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的力F2，輔助壓輪軸向上運(yùn)動(dòng)，與泵體導(dǎo)軌槽C槽面接觸，直到壓輪回到泵體導(dǎo)軌槽的最左端，完成一個(gè)工作循環(huán)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，即達(dá)到預(yù)定效果。

圖3 壓輪工作原理

3 結(jié)語

本注菌器的設(shè)計(jì)解決了自動(dòng)注菌環(huán)節(jié)中菌液二次污染、注射劑量不準(zhǔn)確等問題，為菌包工廠化生產(chǎn)提供了前沿技術(shù)，可極大提高木耳菌包生產(chǎn)質(zhì)量，降低從業(yè)者勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較好市場應(yīng)用前景和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。