雙輥式食用菌培養料翻堆機翻堆裝置設計與試驗*

王善文，謝秋菊，謝守勇, 2，鄧成志，黎展鵬

(1. 西南大學工程技術學院，重慶市，400715；2. 西南大學丘陵山區農業裝備重慶市重點實驗室，重慶市，400715)

0 引言

我國食用菌資源豐富，是世界上最早認識和栽培食用菌的國家，食用菌含有豐富的蛋白質和氨基酸，是一款綠色無公害的健康型食品[1-3]。隨著經濟的快速發展，人民生活水平的提高，食用菌需求量不斷增加[4]。近10年來，我國食用菌的總產量不斷上升，截至2018年，我國成為全球第一大食用菌生產國、消費國和出口國，年產量占全球產量的70%以上[5]。目前我國食用菌產值比重在農業中僅次于糧、菜、果、油，居第5位，已經成為發展經濟的重要產業之一[6]。

然而現階段國內只有極少數大型食用菌廠引進國外翻堆設備，大部分的食用菌生產基地仍處于手工小作坊狀態，采用傳統的人工翻堆方式，這種翻堆方式不僅作業環境差，勞動強度大，人力成本高，并且工作效率低，物料混合不均，極大地影響了培養料的質量和產量。為了提高食用菌培養料的生產效率，在結合食用菌的生產工藝和現有翻堆技術的基礎上，針對食用菌培養料設計一種翻堆機構并進行分析和優化[7-10]。本文通過查閱國內外相關資料，將翻堆過程理論分析、虛擬樣機建模技術、離散元虛擬仿真技術以及樣機實地試驗等多種方法相結合對食用菌翻堆機開展設計與翻堆性能研究。

目前市面上尚無專門針對食用菌培養料的翻堆機，大部分翻堆機是對秸稈、污泥進行堆肥處理。其中美國和加拿大共同研制的“新遠東—圣甲蟲”翻堆機集機電液控制技術于一體，能自動控制溫濕度，大大提高生產效率和生產質量[11]。雖然國外翻堆機的技術較為成熟，但國外設備的價格昂貴且不適合我國國情，相比之下，我國在這領域起步晚，而且設備的適用性較低且對物料翻堆的研究較少。

針對以上問題，本文根據翻堆機的設計要求以及農藝要求，提出一種雙輥式翻堆裝置，并對翻堆裝置的空間結構布局、拋刀分布進行研究，同時利用離散元法對翻堆過程進行仿真確定最優參數，最后通過實地試驗驗證離散元仿真分析的正確性與可行性。

1 翻堆機總體結構與工作原理

食用菌培養料堆制發酵采用好氧發酵技術，通過有益微生物的生命活動將原材料轉化為穩定的有機質。該過程集復雜的物理、化學以及生物變化為一體，在此期間，需要多次翻堆達到降溫、混合、粉碎、增氧的效果，從而提高菌料發酵的效率和質量[12-13]。

1.1 總體結構

根據食用菌培養料翻堆機設計要求，對整機總體結構進行設計并利用Creo 3.0完成三維建模，如圖1、圖2所示。該機主要由機架、動力驅動裝置、行走裝置、轉向裝置、翻堆裝置以及成型裝置，覆膜裝置等組成。整機呈龍門狀，采用四輪行走結構，后輪驅動、前輪轉彎，行走電機通過鏈傳動將動力傳輸到后輪以驅動整機前進，前輪通過電動推桿伸縮來實現左右轉向。翻堆裝置主要分為碎料刀輥和翻料刀輥，二者平行交錯布置，其動力均為單側輸入，由電機經蝸輪蝸桿減速器再經過鏈傳動傳遞得到[14-16]。成型裝置固定在機架后方，對翻堆裝置后拋的菌料起成型作用。

圖1 整機總體結構

圖2 整機總體結構三維模型圖

1.2 工作原理

翻堆機作業前，整機放置于料堆一端，橫跨在培養料料堆寬度方向的兩側。啟動開關，整機在行走電機的驅動下沿料堆長度方向前進，同時碎料刀輥和翻料刀輥做回轉運動。兩刀輥采用階梯狀立體空間布置方式，即在前進方向和高度方向均存在一定間距，作業時碎料刀輥首先接觸未翻菌料，碎料刀輥旋轉將上層結塊菌料打碎，并往后拋擲，翻料刀輥在碎料刀輥的基礎上切削更深層的菌料并將其向上翻起，使菌料上下混合均勻，如圖3所示。

分層作業可保證翻料深度的同時降低翻料刀輥的工作負荷。在刀輥不斷打碎、翻動、混合菌料的過程中，可散發水分、降低堆溫、提高料堆內部的含氧量，滿足各類好氧微生物對氧氣的需求，從而實現菌料均勻發酵。

圖3 雙輥式翻堆機工作原理

2 翻堆裝置設計

2.1 雙輥空間結構布局

翻堆裝置是翻堆機的核心，包含碎料刀輥與翻料刀輥兩部分，將翻堆裝置兩刀輥設計為一前一后，且碎料刀輥在上方、翻料刀輥在下方，呈階梯狀布置，刀軸通過軸承座與機架連接，利用螺釘固定。考慮到零部件的通用性，將兩刀輥的回轉半徑設計為一致。如圖4所示為雙輥式翻堆裝置的側向布局簡圖，點O、O′、O″分別為主傳動軸、碎料刀輥以及翻料刀輥的回轉中心，L為兩刀輥中心軸之間的距離(簡稱軸間距)，α為中心軸連線與前進方向之間的夾角(簡稱軸線夾角)。

如圖4所示，碎料刀輥切削未翻菌料的深度

Hs=H+R1-Lsinα-R2

(1)

則翻料刀輥切削未翻菌料的深度

Hf=R2+Lsinα-R1

(2)

式中：H——料堆深度，m；

R1——碎料刀輥的回轉半徑，m；

R2——翻料刀輥的回轉半徑，m。

由式(1)、式(2)可知，保持翻料刀輥位置不變，隨著軸間距增大或軸線夾角增大，碎料刀輥切削未翻菌料的深度變小，而翻料刀輥切削未翻菌料的深度變大。

圖4 雙輥式翻堆裝置側向布局簡圖

2.2 拋刀設計

2.2.1 拋刀選型

拋刀作為翻堆過程中的觸料部件，主要用于攪拌切削菌料，將結塊菌料有效打碎、提高透氣性并實現菌料的均勻混合。因此，拋刀的形狀結構會直接影響翻堆作業的質量與功耗。目前，堆肥發酵中的槽式翻堆機拋刀類型主要分為撥板式、普通L型式、旋切式。

鑒于旋切式結構具有優良的減阻降耗性能，本文采用旋切式拋刀，其刃口是一系列連續的曲線。其中，側切刃一般為等進螺線，即阿基米德螺旋線，主要作用是切割物料，具有良好切削、撕裂以及粉碎性能。正切刃是折彎得到的一段空間曲線，主要作用是拋灑物料。旋切式拋刀制造過程較為復雜，為了降低加工制作成本，選用國標II T245旋耕刀作為拋刀。

2.2.2 拋刀排列設計

刀軸旋轉方向分為正轉和反轉，兩種方式各有優劣。正轉時刀輥轉向與行走驅動輪轉向相同，與反轉相比，其牽引力較小，作業功耗也較小[17]。刀輥反轉時，刀片自下而上切削菌料，刀尖水平速度方向與前進速度方向一致，不會出現推料現象，對菌料有良好的切割破碎作用，并且可以有效掩埋上層菌料，但作業功耗相對較高[18]。由此可知，對兩刀輥旋轉方向進行配置時，既要考慮菌料打碎混合的效果，又要權衡作業功耗問題。由于料堆上層菌料較為松散，碎料刀輥采用正轉即可達到較好的破碎效果，而底層菌料相對緊實，翻料刀輥旋轉方向則通過后續仿真分析確定。圖4中刀輥旋向組合稱為正—正，即碎料刀輥與翻料刀輥均為正轉，反之，若碎料刀輥正轉、翻料刀輥反轉，則刀輥旋向組合稱為正—反。單個刀輥的三維結構如圖5所示。

圖5 刀輥結構圖

綜合分析考慮，為避免漏翻區域產生，合理設置軸向相鄰拋刀的安裝間距，翻堆機刀輥工作幅寬Bz、軸向相鄰拋刀的安裝間距D以及拋刀總數N(取值為偶數)之間滿足以下關系

(3)

根據要求設計的翻堆機工作幅寬為1 000 mm，取拋刀安裝間距為40 mm，計算得到拋刀總數24把，相繼工作的拋刀周向夾角為15°。拋刀排列展開圖如圖6所示。

圖6 拋刀排列展開圖

3 翻堆裝置離散元模型構建與工作過程模擬

分析可知，兩刀輥不同的空間結構配置會影響翻堆作業后菌料的混合效果以及作業功耗。因此，在保證整機前進速度與刀輥轉速一定的前提下(前進速度為0.12 m/s，刀輥轉速為225 r/min)，取雙輥軸間距、軸線夾角為試驗因素開展虛擬仿真試驗研究。結合國內外研究現狀并綜合考慮整機尺寸、料堆尺寸等因素，確定雙輥軸間距范圍為525～625 mm，軸線夾角為20°～40°。

3.1 作業性能指標設計

3.1.1 混合效果

翻堆作業要求菌料均勻混合，以促進菌料均勻發酵。菌料打碎混合過程較為復雜，為了定量分析翻堆作業后菌料的混合效果，采用混合系數進行評價

混合系數由變異系數衍生而來，變異系數又稱為離散度，可以比較客觀地反應物料的混合效果。變異系數越小，顆粒混合越均勻，反之混合效果越差，其范圍為0～1。為使變異系數的數值大小與混合效果呈正相關，故引入混合系數，其表達式為

Rv=1-Cv

(4)

式中：Rv——混合系數；

Cv——變異系數。

翻堆作業完畢后，利用EDEM后處理模塊中的selection功能將預先指定的分析區域劃分為6個小格，如圖7所示。統計每個網格內墨綠色顆粒的質量并計算其百分比，按式(5)～式(7)計算變異系數。

(5)

(6)

(7)

式中：Ns——樣本數量；

xi——各網格內墨綠色顆粒的比例；

σs——墨綠色顆粒比例標準偏差。

圖7 顆粒統計區域劃分

3.1.2 作業功耗

在尋求較優菌料混合效果的同時，應該盡可能減少機組作業的功耗，因此選取功耗也作為試驗指標，根據相關力學原理可知，刀輥作業功耗與刀輥轉速及其所受扭矩滿足如下關系

(8)

式中：Pt——刀輥作業功率，W；

T——刀輥所受扭矩，N·m；

n——刀輥轉速，r/min。

通過前期對料堆的粒徑、含水率、堆積密度、摩擦系數等參數的測量，從而構建仿真模型。

3.2 仿真模型構建

建立三維尺寸(長×寬×高)為6 m×0.38 m×0.6 m的料堆，采用靜態方式生成顆粒，將料堆分為上下兩層并以不同顏色標記。待物料穩定后去除槽體對料堆四周的限定，長度方向上不做任何限制使物料自由坍塌，寬度方向上采用周期性邊界條件，初始時翻堆裝置位于料堆一端，如圖8所示。設置翻堆裝置前進速度以及轉速，作業時間65 s。仿真時步取Rayleith時間步長的30%，網格尺寸取為最小球形單元尺寸。

圖8 虛擬仿真模型

3.3 翻堆過程仿真

仿真時，確立兩刀輥的軸間距在520～530 mm范圍內，軸線夾角在30°～40°范圍內，然后通過Central Composite Design (CCD)試驗以混合系數和作業功耗為評價指標，以軸間距和軸線夾角為影響因素，尋找兩刀輥軸間距和軸線夾角的最優組合。根據CCD試驗方案開展EDEM仿真試驗，試驗方案及結果如表1所示，試驗過程如圖9所示。

表1 CCD試驗方案及結果Tab. 1 CCD test program and results

(a) 入料階段

(c) 出料階段

3.4 仿真結果分析

通過Design Expert 8.0.5軟件得到混合系數Rv、翻堆機作業功耗Pt與軸間距L和軸線夾角α的回歸模型

Rv=0.82+0.034L+0.033α-0.045αL-

0.039L2-0.036α2

(9)

Pt=1.69+0.025L+0.023α+

0.095L2+0.07α2

(10)

兩個回歸模型的方差分析如表2所示，兩回歸模型的P值都很小，表明兩回歸模型都能很好地表達響應值與兩參數之間的關系。兩回歸模型的決定系數R2分別為0.971 9和0.956 4，說明回歸模型的擬合精度較高。按對各響應值影響從大到小排序，對混合系數影響顯著項為軸間距L、軸線夾角α，對作業功耗影響顯著項為軸間距L、軸線夾角α。軸間距L和軸線夾角α對混合系數、翻堆機作業功耗的交互作用如圖10、圖11所示。

在Design Expert軟件中，以作業功耗Pt最小，混合系數Rv最大為優化目標，對二階回歸方程式(9)和式(10)進行優化求解。解得最優組合：軸間距L為525.17 mm，軸線夾角為35.25°，此時混合系數為0.817 5，作業功耗為1.696 kW。將最優參數解帶入仿真試驗，其他參數均與CCD試驗中相同，進行驗證。仿真試驗結果顯示當軸間距L為525.17 mm，軸線夾角為35.25°時，此時的混合系數為0.819 4，作業功耗為1.702 kW。仿真結果與CCD試驗結果的誤差分別為0.23%和0.35%。

所以通過EDEM仿真分析，確定兩刀輥的軸間距為525.17 mm，兩刀輥軸線夾角為35.25°。

表2 二次回歸方差分析Tab. 2 Quadratic regression analysis of variance

圖10 軸間距和軸線夾角對混合系數的影響

圖11 軸間距和軸線夾角對功耗的影響

4 實地驗證試驗

4.1 試驗準備

為了驗證仿真結果的準確性和設計方案的可行性，同時測試樣機的作業效果，研究該裝置在不同工作條件下的作業質量。試驗于2020年12月在重慶市某食用菌種植有限公司開展，作業對象為雙孢菇培養料(玉米芯與牛糞按5∶1的比例混合而成)。試驗前，對培養料進行噴水處理(以手握物料指間有水浸出為宜)，攪拌均勻后將其堆砌為條垛狀，料堆規格(長×寬×高)為10 m×1 m×0.6 m。

為便于分析翻堆作業后上下層物料的混合效果，在料堆3 m、5 m、7 m處分別放入不同顏色的厘米標記塊以區別上下層物料，下層為綠色、上層為紅色，總共放置6個截面的標記塊[18]，每個截面間隔100 mm，即在距離地面50 mm、150 mm、250 mm、350 mm、450 mm、550 mm處，每個截面標記塊數目為60個(10×6)，按間距100 mm×100 mm均勻擺放。建堆完畢后堆放10天，待培養料快速發酵后進行試驗[19-23]。料堆堆制過程如圖12所示。

圖12 料堆堆制

4.2 試驗結果

將食用菌培養料雙輥式翻堆機的工作參數調整至仿真值開展實地驗證試驗。即前進速度為0.12 m/s，刀輥轉速為225 r/min，對作業后的菌料混合效果和功耗進行測試，取各指標測量結果的平均值作為試驗結果，如表3所示，實地試驗如圖13所示。

表3 試驗驗證結果Tab. 3 Test verification results

圖13 作業效果圖

由表3可知，實測混合系數為0.714，實測作業功耗為1.828 kW，相比仿真結果，二者的相對誤差分別為12.86%和7.40%。混合系數的誤差主要是由建模時對仿真模型進行了一定程度上的簡化所造成的，同時標記塊與菌料的物理特性并非完全一樣，導致其運動效果存在一定差異，而功耗誤差則可能是由于整機運動參數存在波動性、料堆內菌料參數不完全一致等。但在農業機械領域，該誤差是可接受的，因此，利用離散元法進行翻堆作業混合效果的研究是可行的。

5 結論

1) 本文以食用菌培養料為作業對象，在現有翻堆技術的基礎上提出了一種雙輥式翻堆機，對翻堆機的關鍵部件進行設計，確定選用國標Ⅱ T245旋耕刀作為拋刀，拋刀總數24把，拋刀周向夾角為15°。

2) 以兩刀輥的軸間距和軸線夾角為變量開展翻堆性能仿真試驗，仿真結果表明軸間距為525.17 mm、軸線夾角為35.25°，對應的菌料的混合系數為0.819 4、全刀輥作業功耗為1.702 kW。

3) 試制雙輥式翻堆機樣機并進行了實地試驗，結果顯示混合系數為0.732，作業功耗為1.828 kW，與仿真值的誤差分別為12.86%、7.40%，驗證了離散元模擬翻堆作業的正確性與可行性。