溫室羊肚菌外源營養袋開口鋪放機設計與分析

中圖分類號：S223.1 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）08-0162-07

Abstract：External nutrientbagsarecommonlyused to supplynutrients Morchellacultivation ingreenhouses.Toaddress theisues ofloweficiencyandhigh labor costsassociated with manuallyopeningand laying out thesenutrient bags，a machinewas designedand developed foropening-laying external nutrient bags suitable for greenhouse cultivation.This machinecan perform continuous feding，opening，and orderly laying of external nutrient bags ina single operation.It alsofeatures knifedisinfectionandsoilcompactionfunctions.Todeterminetheappropriaterangeofangularvelocities for thecontinuousoperation of the conveyor rolerat diferentforwardspeeds，amotion simulation of the device was conducted. The simulation results showed that when the nutrient bag laying interval was 200-300mm ，and the forward speed of the unit were 0.5m/s ， 0.6m/s ， 0.7m/s ， 0.8m/s ， 0.9m/s and 1.0m/s ，the corresponding optimal ranges of angular velocities for the conveyor roller were 0.41-0.54rad/s ， ”， 0.57-0.75rad/s ， 0.62- 0.86rad/s ， 0.73-0.97rad/s ，and 0.81-1.08rad/s ，respectively. The machine was designed following the agronomic requirementsofMorchellaplanting inXinjianggreenhouse.Thisresearchprovidesareferenceforthestructural optimization ofthe Morchella exteral nutrient bag opening-laying machine and the construction ofa physical prototype.

Keywords：external nutrient bag；Morchella；opening-laying machine；conveyor roller；motion simulation

0 引言

羊肚菌（Morchella）為子囊菌亞門馬鞍菌科羊肚菌屬真菌，因其子實體表面凹凸不平、形似羊肚而得名，是世界上珍稀食藥用菌之一[1.2];羊肚菌味道鮮美、營養豐富，富含蛋白質、人體必需氨基酸和微量元素，有“素中之葷\"的美稱[3-5]；中醫以羊肚菌子實體入藥[6]，具有健脾、益腸消食、化痰理氣、提神補腦等功效[7-9]，屬高級營養滋補品。國內外市場對羊肚菌需求量日益增加，但野生羊肚菌由于天然產量有限、生長區域特定、出菇期短、過度采集等原因，其產量呈現逐年下降趨勢，已無法滿足市場需求。隨著羊肚菌設施規模化栽培技術、菌種選育技術及外源營養袋添加技術的日益成熟，大田及溫室羊肚菌種植面積和產量逐年增加；羊肚菌栽培面積增長迅速，自2013年的不足 66.7hm² 增至2023年約 26.7khm^2[10-12] ，依據2023—2024年數據統計，羊肚菌每公頃平均產量為 9000kg^[13] ，2023年我國羊肚菌總產量約為 240.3kt 。

我國于2003年成功研發羊肚菌外源營養袋栽培技術[14-16]，該技術的應用有效推動了羊肚菌商業化栽培的發展，是羊肚菌栽培獲得穩產、高產的重要因素之_[17-19];通常利用折角袋常用規格（長 x 寬）： 12cm× 24cm，14cm×28cm，17cm×33cm^[20]） 裝填稻殼、小麥、玉米芯、石灰等混合均勻的物料，再經高溫滅菌、冷卻后備用，待羊肚菌畦床生成“菌霜\"后約7～15天，使用刀具或打孔拍、釘板對營養袋進行劃線開口或打眼，將營養袋破口朝下擺放至畦床土面上并進行壓實，羊肚菌菌絲即可從營養袋中吸收充足的養分，不斷增加菌絲數量，從而形成更多的菌核[21]。目前，營養袋裝袋已實現機械化作業，四川某公司、漳州市某公司等均開發了適用的外源營養袋裝袋機[22-24]；但針對營養袋的開口鋪放作業仍以人工為主，工作時工人需不斷地對每個營養袋重復進行開口、擺放、按壓作業，要求反復彎腰、站立，勞動強度大、作業效率低、擺放均勻度差；因此，為進一步提升羊肚菌生產機械化水平，亟待開發與溫室栽培農藝相配套的羊肚菌外源營養袋開口鋪放裝備，對促進羊肚菌種植業的健康發展具有積極意義。

近年來，國內學者針對羊肚菌營養袋開口鋪放機械開展了一些研究。劉海麗[25]設計了一種手扶式營養袋開口輔助裝置，通過電動轉桿和轉板的組合使營養袋依次完成人料、氣密性檢測和開口下料工作，每次開口并投放一個營養袋；但該機作業效率低，且擺放間距不均勻，需要人工手扶操作。謝林森[26設計了一種手推式營養包播種裝置，菌種和營養物質裝在預設有牽引繩和可撕裂開口的特定營養包內，利用阻隔物分離菌種和營養物質，通過圓形播種輪上的破包單元實現營養包的開口鋪放作業；該機可同時進行菌種播種和營養袋開口作業，但采用手推式操作，工作效率低且需要特制營養包。

本文在課題組前期研究基礎上[27-29]，結合溫室羊肚菌種植模式，設計一種自走式羊肚菌外源營養袋開口鋪放機，能夠一次性實現營養袋連續供料、開口和有序鋪放作業，同時具有刀具消毒和鎮壓功能。利用三維設計軟件SolidWorks對各部件進行實體參數化建模、虛擬裝配、干涉檢查，對核心部件接料輥進行運動仿真分析，得出羊肚菌外源營養袋開口鋪放機的相關工作參數，為整機進一步優化設計、物理樣機搭建提供理論參考和技術支撐。

1外源營養袋栽培技術

由于羊肚菌菌絲自身貯備的能量不足以支撐其有性生殖，在生長過程中需要從外界源源不斷地吸收營養物質；因此，按需添加帶有“能量\"的外源營養袋可為羊肚菌豐產奠定物質基礎[20]。如圖1所示，外源營養袋開口朝下鋪放在畦面上并通過按壓使其充分接觸地面，其內富含有機碳、氮、木質素等營養物質[30]，羊肚菌菌絲可從營養袋的開口處進入、從營養袋中吸收營養維持生長，出菇時把營養傳遞給羊肚菌子實體。

羊肚菌外源營養袋添加技術已成為羊肚菌生產環節中最重要的技術之一，在南疆溫室羊肚菌種植中畦面寬度為 100cm ，畦面間距離為 20cm ，所用營養袋規格為 12cm×24cm 。

2整機結構與工作原理

2.1 整機結構

溫室羊肚菌外源營養袋開口鋪放機的整體結構如圖3所示，主要包括營養袋儲存箱、輸送裝置、開口裝置、鎮壓裝置、熱消毒裝置、傳動系統、行走底盤。

圖3整機結構

1.熱消毒裝置2.鎮壓裝置3.開口裝置4.輸送裝置5.營養袋儲存箱6.行走底盤7.傳動系統

針對1個畦面（ 100cm 鋪放2行營養袋的設計要求，該機工作幅寬確定為 100cm ，整機設置2個營養袋儲存箱，通過調節兩儲存箱的左、右間隔可改變營養袋橫向鋪放距離（一般為 20～25cm ），機組理論前進速度為 0.5～1.0m/s ，整機主要技術參數如表1所示。

表1羊肚菌外源營養袋開口鋪放機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of the machine

2.2 工作原理

當畦面上的羊肚菌菌絲顯現出“菌霜\"后，此時為營養袋開口鋪放機的最佳作業時期。如圖4所示，營養袋儲存箱與輸送裝置呈倒“V\"字型布置；作業時，傳動系統將電動機動力通過皮帶傳遞至輸送裝置、接料輥及開口刀輥，隨著機組前行，位于前端的2個營養袋儲存箱在提升裝置的作用下將營養袋提升至輸送裝置端的斜置滑槽，在皮帶的夾持包裹下將營養袋傳送至接料輥上均布的接料斗里，順時針旋轉的接料輥攜帶營養袋接近開口刀輥，在兩者嚙合轉動下通過開口刀具完成營養袋的破口，逆時針旋轉的開口刀輥在對營養袋開口作業前旋轉經過熱消毒裝置，完成高溫消毒處理；開口處理后的營養袋沿脫袋凹板滑出并有序鋪放在地面上；最后，位于機組后端的鎮壓裝置對營養袋進行鎮壓作業，使得營養袋開口緊貼地面。

圖4工作原理

1.鎮壓裝置2.開口刀輥3.熱消毒裝置4.輸送裝置5.傳動系統6.營養袋儲存箱7.接料輥

3關鍵部件設計

3.1 輸送裝置設計

為實現營養袋連續穩定的輸送要求，結合交錯軸斜齒輪和螺紋桿的結構特點，設計一種兩段式輸送裝置，其結構如圖5所示，主要由螺紋桿、交錯軸斜齒輪、傳送帶、營養袋滑槽組成。電機輸出軸與傳送帶主動軸傳動比為2：1，交錯軸斜齒輪的傳動比為2：1，即實現螺紋桿每提升一個營養袋厚度距離，傳送帶向下轉動一個營養袋寬度距離。傳送帶與營養袋滑槽平行，兩者之間的距離略小于營養袋厚度，有利于營養袋在沿營養袋滑槽下滑過程中位姿的保持，保證了營養袋輸送的連續性和鋪放的對行準確性。

圖6作業示意圖Fig. 6 Structure of operation1.營養袋2.開口裝置3.輸送裝置

螺紋桿兩側的營養袋儲存箱和傳送帶安裝距離相等，以適應營養袋橫向2行鋪放的農藝要求，如圖6所示。

如圖7所示，交錯軸斜齒輪實際上是2個螺旋角不相等（或螺旋角相等，但旋向相同）的斜齒輪；因此，除部分尺寸外（軸交角 Σ 、螺旋角 β 中心距 α 、齒數比 u ），其他尺寸的計算與斜齒輪相同，按照標準斜齒輪傳動的幾何計算進行[31]

圖7交錯軸斜齒輪傳動的幾何計算

交錯軸斜齒輪是輸送機構的關鍵部分，齒面接觸應力關系到齒輪壽命和安全[32]，為使齒輪在工作中可靠、穩定且滿足強度要求，對齒輪進行靜力學齒面接觸應力分析。齒輪齒面接觸應力可以用傳統方法進行計算，考慮節點處齒廓形狀對接觸應力的影響，外嚙合齒輪傳動接觸應力計算如式（1）所示。

式中： Z_H —節點區域系數，當 α=20^° 時， Z_H=2.5 Z_E -材料系數；K 載荷系數， K=K_AK_vK_β T_i 一主動輪齒輪所受扭矩， 159.7N?m ：b 一齒寬， mm ：d₁ 一主動輪分度圓直徑， mm u 齒數比。

將上述設計參數代入式（1）中，得到齒輪接觸應力σ_H=481MPa ，齒輪材料選用45調質鋼，其接觸疲勞強度極限大于 600MPa ，由此可知，齒輪安全可靠。

圖8交錯軸斜齒輪推力 Fig.8 Staggered shaft helical gear thrust

因為交錯軸斜齒輪的齒線為螺旋狀，斜齒輪會產生軸向推力，安裝時要使用完全能夠抵抗軸向推力的軸承。齒輪的軸向推力隨齒輪方向及旋轉方向而定，如圖8所示。

圖9開口裝置結構

Fig.9 Structure of opening device 1.開口刀具2.開口套筒3.脫袋凹板4.接料隔板 5.接料輥6.開口刀輥

3.2 開口裝置設計

為實現對營養袋連續準確的開口和鋪放作業，結合外嚙合齒輪工作原理，設計一種嚙合式開口裝置，其由接料輥和開口刀輥組成，并利用接料輥上的脫袋凹板來保證鋪放作業的順利進行，如圖9所示。其中接料輥和開口刀軸的傳動比為1：1，電機輸出軸與開口刀軸的傳動比為4：1，接料輥和開口刀輥均通過軸承座固接在機架上。

為實現開口裝置的穩定接料和準確開口，接料輥上均勻布置有4個接料隔板，隔板之間形成接料斗用以承接輸送來的營養袋，營養袋隨接料輥一起轉動直至完成開口和鋪放過程。開口套筒上同樣均勻布置有4個開口刀具，隨著嚙合轉動每個刀具都插入接料斗中間，以確保刀口處在營養袋中間位置。

營養袋能否順利地進入接料輥與開口刀輥的間隙，取決于接料輥與開口刀輥的直徑及與營養袋的接觸情況。營養袋進入開口間隙的方向沿接料輥切線方向，為保證營養袋被順利擠壓開口，營養袋需先被接料輥與開口刀具夾住，再被卷至兩者的間隙中進行擠壓開口。在這個過程中，單個營養袋會受3個力的協同作用，受力分析如圖10所示。其中，接料輥和開口刀輥與營養袋表面間的摩擦力的合力 為 2fRcosα （方向向下）、兩輥對營養袋正壓力的合力 為2Rsinα（方向向上）、營養袋自身的重力為 mg （方向向下）。為使營養袋能順利地進入開口間隙，則必須滿足

2fRcosαgt;2Rsinα-mg

式中： f ——接料輥和開口刀輥與營養袋表面間摩擦系數；R ——接料輥和開口刀輥對營養袋的正壓力，MPa α 一 -喂入角（接料輥和開口刀具中心線和正壓力 R 的夾角）， （^°） ：m 中 -營養袋質量， g g- 一重力加速度， m/s² 。

將式（2）移項得到

2Rsinα-2fRcosα

將 f=tgφ 代入式（3）后得到

式中： φ -接料輥與開口刀輥和營養袋表面之間的摩擦角， （^°） 。

Fig.10 Stress of external nutrition bags entering extrusion gal

由圖10可知，接料輥和開口刀輥間隙不變時，隨著 α 角度的增大兩輥直徑會減小，當直徑減小至R₁? （式（6））時，會使得妨礙營養袋喂人兩輥間隙的作用力 ，從而導致喂入失敗；當兩輥間隙減小而喂人角 α 增大時， α?R₁ ，也無法正常工作。

R₁=sin^-1（mg?cosφ/2R）+φ

通常情況下，落入接料輥和開口刀輥間隙中的營養袋經輸送裝置滑落時具有重力勢能，該重力勢能會促使營養袋進入開口間隙。因此，實際的喂入角 α 比理論計算值大，即兩輥的直徑可比理論計算值小。

3.2.1 脫袋凹板

如圖11所示，脫袋凹板包括脫袋側板、脫袋弧板和開袋口，其作用是使得營養袋與開口刀具分離，并配合接料輥完成鋪放工作。脫袋弧板通過螺栓、螺母固接在機架上，脫袋側板固定在脫袋弧板兩側，中心與接料軸套接，營養袋可沿脫袋側板與脫袋弧板形成的弧形空間內側轉動。

3.2.2 開口刀具

圖10外源營養袋進入擠壓間隙受力

外源營養袋的開口方法主要有刀具劃線法、打眼法和撕口法。為滿足不同開口的工藝需求，設計了更換的開口套筒，開口套筒通過螺栓螺母連接在開口刀軸上，開口套筒上可安裝十字刀片和釘子，如圖12所示。

3.3其余裝置設計

3.3.1 熱消毒裝置

為實現對開口刀具的加熱消毒，結合電磁感應加熱原理，設計熱消毒裝置，該裝置采用電池提供低壓直流電。在開口刀具上方安裝有電磁加熱器和電磁加熱圈，經pcb控制電路板轉化成正弦波高頻電流，電磁加熱圈采用“U\"形繞線法纏繞在開口刀具外側。

3.3.2 鎮壓裝置

如圖13所示，鎮壓裝置由固定桿、伸縮桿、鎮壓輥和鎮壓彈簧組成，具有一定的仿形功能，對鋪放至地面的營養袋進行壓實作業，使得營養袋的開口與地面緊密接觸，避免雜菌侵人與羊肚菌爭奪養分。

4接料輥運動仿真分析

為驗證接料輥的運動軌跡形式，以及在不同水平速度和營養袋不同擺放間隔下，接料輥在連續工作時的合理角速度范圍，采用SolidWorks軟件對接料輥的有效工作路徑進行模擬。

4.1 仿真方法

根據設施機具常規工作速度，設定外源營養袋鋪放機的前進速度分別為 0.5m/s.0.6m/s.0.7m/s 0.8m/s，0.9m/s，1.0m/s ；為滿足營養袋不同鋪放工藝需求[33.34]，結合當地種植經驗，設定3種營養袋鋪放間隔，分別為 0.20m，0.25m，0.30m ;對接料輥進行運動仿真，分析各水平速度下不同間隔對應的接料輥合理角速度，仿真過程忽略各結構之間的摩擦。仿真參數如表2所示。

表2仿真條件Tab.2Experimental condition

4.2 仿真模型

運用SolidWorks2020軟件繪制本開口鋪放裝置的仿真模型，并對其進行運動分析。主要分析接料輥轉速與機組前進速度的匹配問題，將輸送裝置、鎮壓裝置等不相關部件與機架固定，在插件中添加SolidWorksMotion分析，根據開口裝置工作時的實際運動在接料輥上添加旋轉馬達，在機架上添加線性馬達以控制運動速度，如圖14所示。

圖14羊肚菌外源營養袋開口鋪放機仿真模型Fig.14Simulation model of thedevice1.土地2.鎮壓裝置3.開口裝置4.輸送裝置

4.3 仿真結果

外源營養袋中心運動軌跡與接料輥隔板運動軌跡相同，此處用接料隔板運動軌跡代替。仿真結果如圖15所示，曲線為接料輥在鋪放區域完全工作的軌跡，運動軌跡是接料輥上4個接料隔板運動軌跡的疊加。整機在不同前進速度下，接料輥的對應角速度范圍如表3所示。仿真結果表明，接料輥隔板的運動軌跡接近擺線，與計算結果一致;接料輥以其計算角速度運動時，相同時間內接料輥的周向位移與水平位移相等，在營養袋擺放區域能夠實現接料輥連續作業，該角速度可作為連續工作的判斷條件，在仿真過程中，當角速度增加時，其對應擺放間隔減小。從仿真結果可知，該機具設計原理科學可行、結構設計可靠。

圖15仿真結果Fig.15Simulation result1.地面2.車架3.接料隔板4.營養袋掉落區

表3仿真結果 Tab.3 Simulation results

5 結論

1）設計一種羊肚菌外源營養袋開口鋪放機，能夠一次性完成營養袋開口、鋪放、鎮壓等多項作業，通過調節兩儲存箱的左、右間隔可改變營養袋橫向鋪放間隔，通過調節機組前進速度、接料輥和開口刀輥的旋轉速度可改變營養袋縱向鋪放間隔，通過更換開口刀具可改變營養袋的開口方式，進而滿足羊肚菌種植中不同的農藝需求。

2）該機一次作業2行，傳送帶與營養袋滑槽平行，兩者之間的距離略小于營養袋厚度，有利于營養袋在沿營養袋滑槽滑動過程中位姿的保持，保證營養袋輸送過程中的連續性，作業效率高、功率消耗低，符合綠色發展的需求。

3）當營養袋鋪放間隔分別為 0.20m，0.25m ！0.30m ，機組前進速度分別為 0.5m/sAA，0.6m/s 0.7m/s，0.8m/s，0.9m/s，1.0m/s ，接料輥連續工作時，其對應的旋轉角速度范圍分別為 0.41～ 0.54rad/s 、 0.49～0.56rad/s 、 0.57～0.75rad/s 0.62～0.86rad/s.0.73～0.97.0.81～1.08rad/s 。

4）對接料輥進行運動仿真分析，仿真結果表明：接料輥連續作業時，可實現營養袋按間隔需求進行有序鋪放，滿足營養袋不同的鋪放工藝需求，該機具結構設計合理、工作原理科學可行。

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