稻草菌基装袋机的设计与研究

陈义厚　(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

稻草菌基装袋机的设计与研究

陈义厚(长江大学机械工程学院，湖北 荆州 434023)

[摘要]对稻草菌基装袋机的结构与工作原理作了介绍,并对主要技术参数作了说明,可为利用稻草作为原料生产食用菌提供菌基制造设备。

[关键词]稻草菌基装袋机;结构;设计

稻草菌基装袋机是一种比较新颖的装袋机，由于它具有所用菌基原料稻草廉价、工人劳动强度低、装袋效果好等优点[1]，势必在食用菌的生产领域得到广泛的应用。市面上的食用菌装袋机大多针对颗粒状菌基而设计，而对于杂乱无章的稻草菌基完全不能胜任，并且稻草的蓬松装袋是造成食用菌减产甚至无产的主要原因，因此要压紧稻草并在压紧的状态下实现装袋。稻草菌基装袋机专门针对稻草的特性而设计，能够高效、连续地完成作业。

1主要结构及工作原理

1.1　基本结构

稻草菌基装袋机对稻草可实行3个机械动作(输送、压实、装袋)，大体包括4个部件，这4个部件和必要的机架联接在一起便是整台稻草菌基装袋机，其结构如图1所示。

1.皮带轮；2.螺旋叶片；3.U形槽；4.圆筒；5.圆盘；6.定位架；7.棘轮转轴；8.棘爪；9.装袋螺杆；10.装袋螺母；11.电动机；12.压紧螺杆图1　菌基装袋机的基本结构简图

第一个部件为螺旋输送器，它通过螺旋叶片的转动传递轴向速度给物料，就可使稻草从U形槽体的进料口运送到卸料口。螺旋输送器主要包括电机、带传动机构、离合器、搅拌机构、U形槽体、传动轴和螺旋叶片轴及上的叶片。

第二个部件是完成压实稻草功能的部件，它通过一个螺杆机构的螺旋传动[2]对铁筒内的稻草进行压实，螺杆实行的是来回往复运动。压实部件主要包括螺杆机构、齿轮机构、转轴、电机和控制电路。

第三个部件为实现装袋打包的部件，它通过一个比压实稻草的螺杆机构行程长1倍，速度快1倍的螺杆机构。当传动轴旋转一定的转数时，由于装袋螺杆的螺距是压紧螺杆的螺距2倍，所以行程也是2倍的关系；装袋部件所包括的零件和压实部件所包括的零件一样，只不过在尺寸上存在区别。

第四个部件为转盘部件，它是一个圆形的盘，上面均匀安装8个工作位，通过背部的棘轮机构来保证工作位的准确无偏移。完成一个机械动作后，圆盘就会转离原来的工作位置，下一次工作的位置由下一个圆筒下方的棘爪和定位架上方的定位槽来固定。转盘机构主要包括圆盘、铁筒、棘爪、定位架和心轴。

1.2　工作原理

稻草菌基装袋机的工作循环可分为输送、压紧、装袋3个过程。随着圆盘的旋转，铁筒依次进入输送稻草工作位、压紧稻草工作位、装袋工作位。现将3个不同的机械动作分别介绍如下。

1.2.1　输送过程

稻草从U形槽的进料口加入，通过搅拌机构梳齿的梳理使稻草的缠结有一定的改善，最终落在由U形槽内壁、螺旋叶片、传动轴三者包围的空间里。螺旋叶片(如图2所示)以ω的角速度绕传动轴转动，对于叶片上的任意一点同时具有沿圆周方向的转动所产生的圆周线速度和沿转轴的轴向的水平速度(任意一点O的速度如图3所示)。正是螺旋叶片所产生的水平速度作用于螺距间的稻草，从而使稻草具有向前的轴向速度，最终实现稻草从进料口到卸料口的输送。

图2　螺旋轴和螺旋叶片

图3　O点速度分解

1.2.2　压紧过程

稻草借助螺旋输送器的输送过程传送到铁筒内，再通过圆盘的转动，装有稻草的铁筒移到压紧稻草的工作位上。螺母和齿轮之间采用键联接传输圆周方向的动力，轴向由轴肩和套筒来固定。当主动齿轮和从动齿轮啮合传动的时候，从动齿轮带动螺母做相同转速的圆周转动，同时由于螺母的轴向已经固定，进而螺母的圆周转动就会转化为螺杆的轴向滑动。螺母每间隔一段时间不断地改变转向，螺杆也因此而不断地改变运动的方向，从而实现连续的压紧稻草再回转退回的往复运动。

1.2.3　装袋过程

经过前2个机械动作后，一定重量的稻草被压紧在铁筒内，接着铁筒由圆盘带到装袋工作位上，相同的螺旋传动机构会把压紧的稻草从铁筒里推出来，不同的是装袋所用的螺杆机构完成的是行程2倍于压紧螺杆机构的往复运动。3个机械动作的过程中，圆盘的精确定置是由圆盘背后的棘爪和定位架的定位槽来实现的，考虑到如果用机械的方法控制圆盘的位置，不但结构比较复杂，而且间歇的时间不好控制；因为输送稻草的多少与稻草的松紧度有直接的关系，所以用人工的方法控制圆盘在每个工作位的停滞时间。装袋机构与压实机构在结构上大体相同，只不过在装袋螺杆的螺距是压紧螺杆的螺距的2倍。

2设计与计算

2.1　螺旋输送器设计

螺旋输送器叶片上各点的螺距是相同的，但因其半径不同，所以各点的螺旋升角不相同。外径处的螺旋升角小，内径处的螺旋升角大[2]。

当螺旋叶片以角速度ω绕轴回转时(图2)，在任一半径r的O点处有一物料质点，它一面与螺旋面之间发生相对运动，一面沿着轴向移动，其速度可由速度三角形(图3)求得。O点叶片的圆周速度v0=ω·r是牵连速度，方向为沿O点回转的切线方向；物料相对于螺旋面的滑动速度，平行于O点螺旋面的切线方向。物料绝对运动速度vf的方向与法线偏一摩擦角φ。若将vf分解，可得物料的轴向速度vz和切线速度vt。轴向速度使物料沿着输送方向移动，切向速度则造成物料在输送过程中的搅拌和翻动。

根据速度图的分析，可以算出物料的轴向输送速度：

(1)

因为

(2)

vn=v0·sinα

(3)

(4)

所以

(5)

式中，s为螺旋叶片的螺距，m；n为螺旋轴转速,r/min；α为螺旋升角,(°)；f、φ分别为物料与螺旋叶片的摩擦系数和摩擦角,(∘)。

由(5)式可知，当1-f·tgα≤0时，vz≤0，物料将不能沿轴向运动。因此，螺旋输送器的螺旋角应满足以下条件∶

(6)

因为螺旋叶片内径处的升角最大，故确定时应按此条件进行校核。当螺旋的半径和转速一定时，轴向运动vz是螺旋角α的函数。

V=F×S

(7)

式中，V为螺旋每转出料量,m3；F为螺旋有效面积，F=0.011304m2；S为螺旋节距，S=0.285m。

式中，D为螺旋直径,D=0.125～0.128m；d为螺旋轴径，d=0.035m。

故V=0.00322164m3。

每袋需螺旋的转数n：

式中，v1为铁筒的体积，m3；v 为螺旋每转体积，v=0.00322164m3。

式中，D为铁筒的内径，D=0.134m；L为铁筒的长度，L=0.66m。

故n=0.009303003/0.00322164≈3r/袋。由于稻草不同于其他的颗粒状菌基，它的蓬松是不会装满螺旋叶片与U形槽内壁空间的。查资料可知：稻草的填充率[3]仅为0.2～0.3，取0.2代入，得n=15r/袋。故螺旋轴的转数n1

n1=n×60/t

式中，n为每袋需螺旋轴转的转数为15r/袋；t为螺旋出料时间，取1.5s。

故n1=600r/min。

传动比i:

i=n2/n1

式中，n2为电动机转数，n2=1400r/min；n1为螺旋轴的转数，n1=600r/min。

故i=7/3。

螺旋装袋机的生产效率Q:

式中，D为螺旋直径，取0.128m；S为螺旋节距，取0.285m；n1为螺旋轴转数，n1=600r/min；φ为螺旋充填系数，取0.2；γ为物料容重，γ=0.57t/h。

故Q=15.04t/h。

螺旋推料所需的功率N:

式中，C为其余阻力系数，一般为3～5，取5；Q为螺旋生产效率，Q=15.04t/h；L为螺旋推料长度，L=0.3m；μ为物料在U形槽内壁滑动摩擦系数，取6。

故N=0.3686kW。

电动机所需功率N1:

式中，k为电动机功率备用系数，取1.4；η为驱动装置总功率，取0.9；N为螺旋轴驱动功率，N=0.3686kW。

故N1=0.5734kW。

2.2　转盘机构各组成部分设计

2.2.1　转盘机构各组成部分

转盘机构主要功能是通过自身的转动使铁筒依次进入输送、压实和装袋3个工作位，并依次实现输送稻草、压紧稻草和装袋打包3个连续机械动作，最终实现稻草菌基装袋机的全部功能。转盘机构是保证3个机械动作一起发挥作用的装置，确定每个工作位的作用位置。转盘机构主要包括铁筒、圆盘、棘爪、定位架、心轴、轴承和机架组成。

1)棘爪转盘均匀分布8个工作位，螺旋输送稻草、压紧螺杆压实稻草和装袋螺杆装袋都需要工作位非常准确，否则，螺杆就会推挤转盘机构，这样就可能损坏机械设备。当棘抓下落到固定不动的定位架上的定位槽时，能实现转盘的准确定位，保证不会因工作偏差而无法工作甚至损坏机器设备。

2)圆盘铁筒的转动必须依托圆盘的转动，只有圆盘的转动，才能使铁筒依次进入每一个工作位。

3)定位架螺旋输送器输送稻草、压紧螺杆机构压实稻草和装袋机构中保持稻草压紧装袋的弹簧都需要定位架才能完成工作，螺旋输送器输送稻草需要定位架挡住铁筒的另一端，防止稻草从铁筒的一端进另一端出；压紧螺杆机构同样如此，压紧稻草时，螺杆会给稻草很大的力，如果没有挡板挡住，稻草将不会被压紧；弹簧要保持稻草的紧度，必须在铁筒的出料口，所以弹簧要安装在定位架上。棘爪的定位槽安置在定位架的圆周上，定位架不和转盘一起转动，固定在轴承座上，设计成中空的圆环结构，这样可以节约材料、降低成本，并且轴就可方便的从定位架的中心圆孔拆卸。

2.2.2　转盘机构设计原则

1)圆盘设计原则圆盘压紧稻草的孔是以螺旋压紧螺杆的中心为圆心，齿轮机构的中心距就是圆盘中心到铁筒圆心的距离。圆盘与轴键联接的部分的圆盘轴向距离比其余部分的圆盘的轴向距离要大一些。圆盘与轴采用键联接，轴向定位用轴肩和弹簧挡圈来固定圆盘的轴向位置，具体的形状结构见图4。为了保证圆盘在轴上的稳定，采用双盘的设计。

图4　圆盘结构与铁筒布置

2)棘轮机构设计原则棘轮机构的主要功能是准确定位每1个工作位的位置，输送、压紧、装袋都需要螺旋输送器的卸料口、压紧螺杆、装袋螺杆与工作的铁筒准确的对中。棘轮的定位孔只有1个，在定位架的上方。每个铁筒的下方有1个棘轮，8个棘轮依次进入定位孔实现定位的功能，其余7个棘轮在定位架的圆周上没有定位孔，在圆周上滑动不实现定位的作用。

3结论

稻草菌基装袋机在输送稻草上采用常见的螺旋输送器，在实现多个工作位上借鉴一种容积式装袋机的转盘结构，在圆盘转动连续转动时，各个工作位依次工作。转盘均匀分布着8个工作位，其中上方的工作位是输送稻草的位置，右边的工作位是压紧稻草的位置，左边的工作位是装袋的位置。余下的5个圆筒依次进入这3个工作位，进行着输送、压紧、装袋3个过程。用槽轮机构可以实现转盘的间歇运动，从而让圆筒依次经过输草、压草、装袋3个工作位，但槽轮的时间间隙固定，可装稻草的时间不固定，因为稻草的紧密程度不一，因此采用可人调时间间隔的棘轮机构，可以更好地提高装袋的质量。

稻草菌基装袋机是针对稻草菌基而进行特别设计的，但同时也可应用于其他菌基的装袋，甚至还能实现其他颗粒状或缠结物料的打包。如果把此种装袋机用于棉籽壳的装袋将会使装袋的质量更高，食用菌菌基装袋的基本过程差不多，只不过稻草菌基的装袋更复杂。稻草菌基装袋机的原理可应用于各种物料的装袋，尤其是需压实或预先处理的物料。

[参考文献]

[1]陈义厚.稻草水洗撕裂机的研制[J].机械设计与制造，2004，(2)：112~113.

[2]彭文生.机械设计[M].武汉：华中理工大学出版社，2000.

[7]Jaros lava F，Jan K，Helge B，etal.Target strength of some European fish species and its dependence fish body parameters[J].Fisheries Research，2005，75：86~96.

[引著格式]陈义厚.稻草菌基装袋机的设计与研究[J].长江大学学报(自科版)，2015，12(27)：46～50.

[中图分类号]TH122

[文献标识码]A

[文章编号]16731409(2015)27004605

[作者简介]陈义厚(1970-)，男，硕士，副教授，主要从事农产品机械设计与机械现代设计方法研究，Chenyihou@126.com。

[收稿日期]2015-03-09