廢棄菌棒脫袋裝置設計與試驗

摘要：針對廢棄菌棒二次利用覆土出菇技術過程中，菌棒脫袋環節人工持刀作業效率低、費時費力且有一定的作業危險等問題，設計一種廢棄菌棒脫袋裝置。通過對菌棒脫袋過程深入剖析，結合機械原理進行裝置整體結構設計，涵蓋軸向割刀、圓盤切割機鋸片、壓板夾持機構等關鍵部件。對裝置進行作業性能單因素試驗，獲得影響脫袋作業性能的主要因素（圓盤切割鋸片轉速、輸送帶速度和軸向割刀速度）的水平取值范圍。為得到最佳工作參數，以圓盤切割鋸片轉速、輸送帶速度、軸向割刀速度為試驗因素，以菌棒脫袋合格率為試驗指標，進行二次回歸正交旋轉組合試驗。結果表明：切割鋸片轉速為303 r/min、輸送帶速度為0.1 m/s、軸向割刀速度為0.48 m/s時，廢棄菌棒脫袋裝置作業效果最好，在該參數組合下進行試驗驗證，脫袋合格率為91.8%，滿足廢棄菌棒脫袋要求，為廢棄菌棒二次利用脫袋設備的研究與優化提供技術參考。

關鍵詞：廢棄菌棒；二次利用；脫袋裝置；單因素試驗；多因素試驗

中圖分類號：S226.4" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2025） 04?0218?06

Design and experiment of bag removal device for discarded mushroom sticks

Yang Mo Bi Chunhui Jin Zhongyu Chen Changhai Jin Rongrong Ma Yongcai

（1. Harbin Academy of Agricultural Sciences， Harbin， 150029， China;

2. College of Engineering， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， 163000， China）

Abstract： Aiming at the inefficiency， time?consuming nature， and labor?intensive manual knife operations in the bag removal process of discarded mushroom sticks for mulching and secondary mushroom production， a device for automated bagging of discarded mushroom sticks was designed. The whole structure of the device is designed based on the mechanical principle， including key components such as axial cutter， disc cutter blade and clamping mechanism. The horizontal value range of the main factors affecting the operation performance of the disc?cutting saw blade， conveyor belt speed and axial cutter speed was obtained by single factor test. To optimize these parameters， a quadratic regression orthogonal rotation combination test was performed， with the de?bagging performance as the evaluation criterion. Experimental results demonstrated that the optimal operational parameters were a disc cutting saw blade speed of 303 r/min， conveyor belt speed of 0.1 m/s， and axial cutter speed of 0.48 m/s. Under these conditions， the device achieved a de?bagging qualified rate of 91.8%， thereby meeting the requirements for effective bag removal in the secondary utilization of discarded mushroom sticks. This study provides a technical foundation for further research and optimization of bag removal equipment， offering a promising solution for the efficient reuse of discarded mushroom sticks in agricultural applications.

Keywords： waste mushroom sticks; secondary use; bag removal device; single factor experiment; multifactorial experiment

0 引言

2022年，我國食用菌產量高達4.222×109 t，占全球總產量的70%以上，并且產業規模仍在持續擴大，食用菌已成為糧食、油料、果樹、蔬菜之后的第五大類作物[1]。伴隨而來，每年都產生大量的只經過一次出菇廢棄菌棒。廢棄菌棒仍殘留一定量的菌絲和營養物質[2]，目前廢棄菌棒多數被扔掉甚至焚燒掉，浪費資源的同時對環境造成污染，廢棄菌棒二次利用覆土出菇技術可以使廢棄菌棒再次得到利用，變廢為寶，節約生產成本，減少塑料薄膜對環境的污染[3]。

廢棄菌棒二次利用覆土出菇技術過程中，廢棄菌棒脫袋是初始環節，該環節是影響后續覆土出菇作業效率的因素之一。目前廢棄菌棒脫袋主要以人工持刀作業為主，脫袋效率過低，費時費力，且工人長時間作業易疲勞，危險程度比較高[4， 5]。從產業發展層面看，低效率的人工脫袋成為制約食用菌企業擴大規模的瓶頸，無法滿足現代化批量處理需求[6?8]。為破解這一困境，廢棄菌棒脫袋裝置的研發迫在眉睫。國外對食用菌生產機械化的研究大多集中在生產、加工、包裝等方面，對廢棄菌棒脫袋機械研究較少[9]。而國內對于菌棒脫袋裝備的研究處于初級階段，汪飛等[10]設計一種圓盤滾輪式破袋機，滾輪表面有多個鉤齒，可以將菌棒表面塑料袋撕碎，最后需要人工輔助完成脫袋。劉靖宇等[11]設計一種香菇菌棒脫袋裝置，主要通過縱割刀片和環割刀片完成對菌棒外表塑料薄膜切割，該裝置一個作業流程只能完成單個菌棒的切割，效率有待提高。李武[12]設計一種菌棒脫袋機，菌棒通過割袋刀片和電動夾爪完成脫袋工序，目前處于試驗階段，大規模脫袋作業效果有待考察。余和意[13]設計一種雙滾筒脫袋菌棒脫袋機械，雙滾筒外壁安裝刀片，兩個滾筒旋轉時，刀片將菌棒外表塑料袋割碎，完成菌棒與塑料袋分離，目前該機械暫未推廣使用。

針對廢棄菌棒脫袋機械化作業的需求，本文設計一種廢棄菌棒脫袋裝置。根據廢棄菌棒脫袋機械化作業的需求，綜合運用機械原理、自動化控制原理等，深入剖析脫袋工藝，提出解決方案，為廢棄菌棒資源化利用提供有力設備支撐，助力食用菌產業的可持續發展。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

廢棄菌棒脫袋裝置主要由機架、圓盤切割鋸片、驅動電機、紅外識別控制裝置、軸向割刀、導向槽、刮袋板、輸送帶、壓板夾持機構、護板、配電箱組成，如圖1所示。輸送帶、圓盤切割鋸片分別由電機驅動，可進行無級調速；軸向割刀安裝在紅外識別控制裝置下方，紅外識別控制裝置由配電箱及其內部程序進行供電和進行參數調節，可根據要求調節軸向割刀切割速度；壓板夾持機構安裝在輸送帶上方，輸送方向圓盤切割鋸片前方，圓盤鋸片切割菌棒時，壓板夾持機構與輸送帶配合完成對菌棒的夾持。

1.2 工作過程

工作時，菌棒從導向槽滑入輸送帶，輸送帶將菌棒勻速向加工區輸送。菌棒首先通過壓板夾持機構，壓板夾持機構與輸送帶形成對菌棒的夾持固定，同時機架兩側的圓盤切割鋸片對菌棒兩端進行切割。切割后的菌棒進入紅外識別控制裝置范圍，紅外識別控制裝置識別到菌棒，驅動軸向割刀對菌棒表皮塑料薄膜切割，切割時兩側的護板可以保持菌棒軸向固定不動，軸向切割后的菌棒經輸送帶滾落至刮袋板上，刮袋板上的鉤齒將菌棒與切割后塑料袋刮掉分離，完成菌棒脫袋，脫袋后的菌棒滑落收集箱中。

1.3 主要技術參數

廢棄菌棒脫袋裝置主要技術參數如表1所示。

2 關鍵部件設計

2.1 輸送帶與軸向割刀

輸送帶是保證菌棒脫袋裝置能夠高效穩定運轉的前提，輸送帶的輸送能力決定菌棒脫袋的質量和效率[14， 15]。圖2為輸送帶設計圖，輸送帶根據菌棒的尺寸設計為中間擋板結構形式，每個擋板之間可以擺放1個菌棒。輸送帶擋板高度h和擋板間隔l影響菌棒擺放位置，如果輸送帶擋板高度過低或擋板間隔過大，菌棒在擋板內活動空間較大，不利于壓板夾持機構對菌棒的擠壓夾持和軸向割刀切割。如果輸送帶擋板高度過高或擋板間隔過小，容易發生卡棒、菌棒滾動不暢現象，也會對紅外識別控制裝置識別菌棒造成干擾。已測得菌棒平均直徑為100 mm，菌棒平均高度為170 mm，設計輸送帶擋板高度h為80 mm，擋板間隔l為110 mm。根據圓盤切割鋸片切割要求，設計輸送帶寬度w為130 mm。

如圖3所示，輸送帶速度[vd]與軸向割刀速度[vz]共同決定軸向割刀的切割軌跡。切割軌跡對軸向割刀切割效果產生影響，切割軌跡與菌棒軸線夾角越小，軸向割刀對菌棒表皮塑料薄膜的切割效果越好，反之，切割軌跡與菌棒軸線夾角越大，會導致菌棒表皮塑料薄膜切割不完全，影響軸向割刀切割質量。為保證軸向割刀完成對菌棒軸向表皮塑料薄膜的切割，設計切割軌跡與菌棒軸線夾角不大于30°，已知輸送帶通過電機驅動，輸送速度在0～0.5 m/s內可根據要求進行調節，確定軸向割刀切割速度為0～0.9 m/s。

2.2 圓盤切割鋸片

圓盤切割鋸片是菌棒脫袋裝置的關鍵部件之一，通過高速旋轉的圓盤鋸片對菌棒兩端進行切割，完成菌棒兩端開口。鋸片采用不銹鋼材質，鋸齒邊緣厚度為1.2 mm，較為鋒利，能避免切割時菌棒表皮塑料薄膜的纏繞。簡化鋸片切割時的工況，以菌棒為研究對象，切割時菌棒上一點接觸到圓盤鋸片運動學分析如圖4所示。為減少切割阻力和切割損失，保證鋸片良好的切割效果，需要滿足式（1）。

通過查閱文獻[16， 17]以及預試驗，圓盤切割鋸片線速度v為6～11 m/s時，有較好的切割性能，結合式（1）以及菌棒尺寸，設計圓盤切割鋸片半徑R為200 mm，圓盤切割鋸片轉速n為300～500 r/min。

2.3 壓板夾持機構

壓板夾持機構帶實現對菌棒的夾持和固定，使菌棒中軸線盡量保持在同一水平面，輔助圓盤切割鋸片對菌棒兩端的切割。壓片板是確保切割圓盤在工作過程中菌棒中線盡量在一個水平面上的關鍵。壓片板高度H過高，不能對接觸到的菌棒起固定作用，導致圓盤鋸片切割時，菌棒中線發生變化，切割后菌棒兩端面產生偏差。壓片板高度H過低，菌棒通過壓片板時，壓片板被頂起，過度擠壓彈簧，菌棒受到壓緊力容易發生變形，甚至在輸送帶上產生堆積，造成設備故障，影響切割質量。壓片夾持機構設計如圖5所示，壓片板高度可通過上方彈簧螺紋桿進行調節，根據菌棒平均直徑，以及相關研究文獻[18]，為避免菌棒被過度擠壓變形，將壓片板高度H設計為95 mm。

3 性能試驗

為驗證自主研制的廢棄菌棒脫袋裝置設計的合理性和最佳工作參數，2023年6月在哈爾濱市農業科學院農業機械研發中心進行單因素試驗和多因素性能試驗，試驗材料為農科院食用菌課題提供的廢棄菌棒，試驗時每完成100次菌棒脫袋作業，作為一次獨立試驗。

3.1 試驗指標選取

為研究廢棄菌棒脫袋裝置的脫袋作業性能，選取菌棒脫袋合格率為試驗指標。通過重復試驗考察各因素的變化對試驗指標影響規律，選擇合適的工作參數。菌棒脫袋合格率計算如式（2）所示。

3.2 單因素試驗

根據關鍵部件設計和分析可知，圓盤切割鋸片轉速、輸送帶速度、軸向割刀速度是影響廢棄菌棒脫袋裝置工作性能的主要因素。為探究圓盤切割鋸片轉速、輸送帶速度、軸向割刀速度單因素對菌棒脫袋合格率的影響，開展單因素試驗。試驗時設置圓盤切割鋸片轉速為300 r/min、400 r/min、500 r/min，設置輸送帶速度為0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s，設置軸向割刀速度為0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s、0.7 m/s、0.8 m/s、0.9 m/s。單因素試驗時，設置圓盤切割鋸片轉速為400 r/min，輸送帶速度為0.2 m/s，軸向割刀速度0.3 m/s，單因素試驗結果如表2所示。

由表2可知，圓盤切割鋸片轉速為300 r/min時，菌棒脫袋合格率為85%，隨著轉速增加，脫袋合格率提高；輸送帶速度在0.3 m/s時，存在脫袋合格率最大值，此時脫袋合格率為89%；軸向割刀速度在0.1～0.9 m/s時，脫袋合格率先提高后降低，在0.1 m/s和0.9 m/s時，脫袋合格率過低，其原因分別是過低的切割速度造成菌棒切割不完全，過高的切割速度容易產生二次甚至多次切割，破壞菌棒結構。

3.3 多因素試驗

3.3.1 試驗方案設計

結合裝置的設計和理論分析，影響廢棄菌棒脫袋效果的因素有圓盤切割鋸片轉速、輸送帶速度、軸向割刀速度，根據菌棒單因素試驗結果，設計切割鋸片轉速[x1]為300～500 r/min，設計輸送帶速度[x2]為0.1～0.3 m/s，設計軸向割刀速度[x3]為0.3～0.5 m/s，以菌棒脫袋合格率[Y]作為試驗指標，進行二次回歸正交旋轉組合試驗，試驗因素水平編碼如表3所示，試驗共進行19組，每組試驗重復進行3次，取平均值作為試驗結果。

3.3.2 試驗結果與分析

多因素試驗結果如表4所示。X1、X2、X3為各因素編碼值。

將多因素試驗數據導入Design—Expert 8.0.6軟件進行數據分析，得到切割鋸片轉速、輸送帶速度、軸向割刀速度對菌棒脫袋合格率的方差分析結果。由表5脫袋合格率的方差分析表可知，回歸模型P=0.000 6，模型極顯著，回歸方程有意義，失擬項P=0.621 7，不顯著，說明方程的擬合水平較高，不存在其他影響試驗指標的主要因素。各因素之間交互作用對脫袋合格率影響主次順序為X1、X2、X12、X32、X3、X22、X1X2、X2X3、X1X3，其中X1、X2、X3、X12、X32影響極顯著，X1X2、X2X3、X22影響顯著，其他項因素不顯著。初始的因素回歸方程如式（3）所示。

3.3.3 響應曲面分析

為更直觀地觀察各個因素對試驗指標的交替影響，通過Design—Expert 8.0.6軟件得到各因素交互作用對脫袋合格率的響應曲面圖，如圖6所示。

如圖6（a）所示，輸送帶速度一定時，隨著切割鋸片轉速升高，脫袋合格率降低。切割鋸片轉速一定時，輸送帶速度升高，脫袋合格率同樣降低。其原因是切割轉速過快，對菌棒擾動較大，容易造成菌棒破損，影響脫袋效果。輸送帶速度過快，使鋸片切割阻力變大，切割時容易發生菌棒卡塞現象，使菌棒兩端切割不完全。由圖6（b）可知，切割鋸片轉速一定時，軸向割刀速度增加，脫袋合格率提高，其原因為軸向割刀速度增加，軸向割刀形成的切割軌跡與菌棒軸線之間的夾角變小，有利于菌棒軸向塑料薄膜切割。由圖6（c）可知，輸送帶速度一定，軸向割刀速度增加，脫袋合格率提高。

4 參數優化與驗證

4.1 參數優化

為獲得廢棄菌棒脫袋裝置最佳作業參數，利用Design—Expert 8.0.6軟件優化模塊對回歸模型進行優化求解，優化約束條件為

通過優化求解得切割鋸片轉速為303 r/min，輸送帶速度為0.1 m/s，軸向割刀速度為0.48 m/s時，廢棄菌棒脫袋裝置作業效果最好，其模型預測脫袋合格率為92.6%。

4.2 驗證試驗

對模型預測的影響廢棄菌棒脫袋合格率最優參數進行圓整，對裝置參數調節，進行驗證試驗。驗證試驗重復進行5組，取平均值，結果如表6所示。

試驗結果表明，菌棒脫袋合格率為91.8%，驗證試驗的平均值與理論模型預測值相對誤差低于1%，說明采用最佳參數組合菌棒脫袋效果良好。

5 結論

1） 設計一種廢棄菌棒脫袋裝置，通過輸送帶對菌棒輸送，壓板夾持機構與輸送帶配合對菌棒進行夾持穩固，通過高速旋轉的圓盤切割鋸片和具有紅外識別控制功能的軸向割刀完成菌棒兩端和軸向的切割，使菌棒完成脫袋作業。

2） 進行單因素試驗確定圓盤切割鋸片轉速、輸送帶速度、軸向割刀速度的合理水平范圍。以圓盤切割鋸片轉速、輸送帶速度、軸向割刀速度為試驗因素，菌棒脫袋合格率為試驗指標，進行正交試驗，得出廢棄菌棒脫袋裝置最佳工作參數組合：切割鋸片轉速為303 r/min，輸送帶速度為0.1 m/s，軸向割刀速度為0.48 m/s。

3）在最佳參數組合條件下，進行驗證試驗，得到菌棒脫袋合格率為91.8%，與模型預測結果相對誤差值低于1%，廢棄菌棒脫袋裝置脫袋作業效果良好。

參 考 文 獻

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