食用菌菌包自动灌制设备关键部件研究

刘瑞林，毕 武*，周大元

(1.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.国家林业局林业机电工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086)



研究与设计

食用菌菌包自动灌制设备关键部件研究

刘瑞林1，2，毕 武1，2*，周大元1，2

(1.国家林业局哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086；2.国家林业局林业机电工程重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150086)

设计的菌包自动灌制设备采用了机电液气一体化控制，该设备主要由菌袋负压拾取开口总成、基质填充总成、自动窝眼总成、自动插芯总成、控制总成5部分组成。重点介绍了食用菌栽培菌袋负压拾取、菌袋自动窝眼等关键设备，阐述了灌制设备主要零部件的材料选择及结构设计。

食用菌；菌袋栽培；负压拾取；窝眼；吸盘

食用菌栽培分为瓶栽和袋栽两种形式，但有些食用菌品种目前还不能采用瓶栽的形式，因此袋栽食用菌仍占重要地位。食用菌袋栽的主要工艺流程如下：配料→基质装袋(塑料袋)→灭菌→菌株种植→培养。食用菌菌包制作是栽培的重要环节之一，其直接关系到食用菌栽培的质量与产量，关系到食用菌栽培的成败，同时也是一项劳动强度大、劳动密集型的工作。菌包灌制要求菌袋填充饱满，不能留有空隙，菌株种植后封袋，封袋塞既要求透气以利于菌株生长，又要求杂菌不能侵入。目前食用菌菌包灌制作业的自动化程度低，人工参与环节多，需要人工套袋、人工窝眼、人工插芯，要实现袋栽食用菌栽培工厂化生产，必须重视关键技术设备的研究，提高食用菌菌包制作设备的自动化水平，减少人工作业环节，从而降低作业成本。

食用菌工厂化栽培技术装备的缺乏，严重制约了食用菌栽培产业的进一步发展，对食用菌菌包自动灌制技术进行研究，开发适应食用菌工厂化栽培的技术装备，实现食用菌工厂化生产，向专业化、集约化的现代生产方式转变，是产业发展的迫切需求，也是林业科技发展的迫切需求[1-2]。

本项目设计的菌包自动灌制设备采用机电液气一体化控制，该设备主要由菌袋负压拾取开口总成、基质填充总成、自动窝眼总成、自动插芯总成、控制总成五部分组成。

1 菌袋负压拾取开口总成

菌袋负压拾取开口总成结构如图1所示。

图1 菌袋负压拾取开口总成结构1.机架；2.固定吸盘；3.动吸盘；4.气缸Ⅰ；5.基质袋(塑料袋)；6.袋箱；7.气缸Ⅱ

1.1 负压拾取工作原理

动吸盘由气缸Ⅰ带动，气缸Ⅰ出杆，当动吸盘接触到基质袋时将其吸住，气缸Ⅰ收杆，提起基质袋，同时气缸Ⅱ出杆将气缸Ⅰ由垂直状态推至水平状态；当气缸Ⅰ达到水平位置后，气缸Ⅰ出杆使动吸盘与固定吸盘接触，同时固定吸盘吸取基质袋，此时固定吸盘与动吸盘已同时吸住基质袋，气缸Ⅰ收杆使基质袋(塑料袋)口打开，再由其他装置取走开口基质袋，完成食用菌基质袋自动拾取开口操作。

1.2 吸盘选择

1.2.1 吸盘材料选择

吸盘材料的选择关系到吸取的菌袋是否平整，本设备吸取的菌袋为塑料袋，一般普通吸盘吸取塑料袋时容易出现皱褶，经反复试验研究最终筛选出温度稳定性好、耐磨性强及弹性良好的硅橡胶薄膜吸盘作为本研究的吸盘。普通吸盘与硅橡胶薄膜吸盘的吸附效果如图2、图3所示。

图2 普通吸盘吸附效果

图3 硅橡胶薄膜吸盘吸附效果

1.2.2 吸盘吸力确定及直径计算

菌袋采用聚乙烯塑料袋，折叠尺寸为340 mm×60 mm，经测定其质量为45 g。

(1)吸盘吸力的计算公式为：

F=PWn

(1)

式中：F为吸盘吸力(N)；P为真空压力(kgf/cm2)；W为吸盘吸附面积(cm2)；n为吸盘数量(个)。

吸盘吸起菌袋需要克服菌袋自身的重力G，为使吸取菌袋的动作平稳，吸盘采用6个两行均匀布置，若提起菌袋则需满足条件F≥G。

F=PWn=G=0.045×9.8=0.441 N，即提取菌袋的最小吸力为0.441 N。

(2)吸盘直径的计算公式为：

(2)

式中：D为需要的吸盘直径(mm)；M为吸附物质量(kg)；S为安全系数，水平起吊时S=4，垂直起吊时S=8；n为吸盘个数(个)；P为真空压力(kPa)。

真空压力P不可能达到完全的真空状态，国际上一般以0.5标准大气真空状态为准，所以式中P=0.5 kgf/cm2，式中安全系数S取8，吸盘个数n取6，真空压力为真空度50即P取50.66 kPa。

经计算得D=3.85 mm，即吸盘直径D≥3.85 mm的情况下均可吸取菌袋。

2 自动窝眼总成

2.1 菌袋窝眼工作原理

窝眼总成结构如图4所示。

图4 窝眼总成结构1.夹持机构；2.电机；3.调整滑块；4.三角带；5.气缸Ⅰ；6.连杆；7.气缸Ⅱ；8.冲杆；9.转子Ⅰ；10.转子Ⅱ；11.抓爪；12.菌袋；13.传输机构；14.机架

装满基质的菌袋由传输机构输送至工作位置并由夹持机构夹紧固定，冲杆在气缸驱动下移动到指定位置，3～4个抓爪由气缸驱动同时闭合抓取菌袋口使菌袋口聚合在冲杆周围，并由气动马达通过三角带、转子Ⅰ及转子Ⅱ驱动抓爪旋转使菌袋口缠绕在冲杆上，由气缸再次驱动冲杆下移插入菌袋基质内，冲杆的台阶式设计使菌袋口一并插入基质内，气缸回位带动冲杆从菌袋中拔出并回到原始位置，完成菌袋窝眼作业。

2.2 窝眼转子设计

窝眼转子部件结构如图5所示。

转子是自动窝眼总成的核心部件，定子及转子采用LY9硬质铝合金材料为主体材料，该材料质量轻，加工性能好，强度也能满足结构需求，抓爪的原始张角可在150°～ 180°的范围内调整，以满足抓握菌袋袋口的需要。

窝眼冲杆选用表面镀铬的235-A材料，为减轻质量及保证刚度，窝眼冲杆采用了中空结构。

图5 窝眼转子部件结构1.底盖；2.定子；3.转子；4.轴承；5.铜套；6.窝眼冲杆；7.内嵌转子；8.随动转子；9.弹簧；10.卡簧；11.轴承；12.抓爪

3 应用前景分析

食用菌菌包自动灌制技术装备市场需求迫切，袋栽食用菌以黑木耳为主要代表，仅黑龙江省黑木耳工厂化生产所需求的现代生产装备市场就非常可观。黑木耳栽培产业是黑龙江省优势产业，尤其是东宁县，年培育黑木耳20亿袋，约占黑龙江省年产量的一半，全国的五分之一，是全国黑木耳第一县，与本项目合作的亚布力林业局每年培育黑木耳也达到2.7亿袋，黑龙江全省年培育黑木耳近40亿袋[3-4]。本项目研发的技术，每条黑木耳工厂化栽培生产线按10 000袋/h生产率计算，可供给2 000万袋菌包，目前亚布力林业局没有菌包厂，仅亚布力林业局就需要10条黑木耳工厂化栽培生产线。目前，黑龙江省共有菌包生产线不到30条，而这30条生产线仅日产菌包5万包，大部分都需要技术改造，仅按黑龙江省年产40亿袋一半计算，需要本项目研发的生产线就达100条。我国黑木耳培育地区还有福建、吉林、辽宁、河北等多个省市，本项目团队研发的食用菌菌包自动灌制技术装备将有力促进黑木耳培育产业的快速发展。

[1] 陈杰，徐冲.食用菌加工产业研究现状与前景[J].微生物学杂志，2013，33(3)：94-96.

[2] 胡清秀，曾希柏，王安.我国食用菌产业的发展现状及建议[J].中国农业资源与区划，2001，22(6)：31-35.

[3] 李佳琳，张芳芳，马现成，等 黑龙江省伊春兴安森林公园大型菌类资源调查研究及分析[J].森林工程，2015，31(5)：40-43.

[4] 刘彤军，白广利.黑龙江省黑木耳资源价值与开发利用[J].林业机械与木工设备，2015，43(12)：44-47.

(责任编辑 张雅芳)

Study on Key Components of Automatic Edible Fungus Bag Filling Equipment

LIU Rui-lin1，2，BI Wu1，2*，ZHOU Da-yuan1，2

(1.Harbin Research Institute of Forestry Machinery，the State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China；2.Key Lab of Forestry Electromechanical Engineering，State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China)

In the design of mechanical equipment for automatic fungus filling，electromechanical and air-hydraulic integration-based control is adopted.This equipment mainly consists of 5 parts，i.e.fungus bag pickup assembly under negative pressure，matrix filling assembly，automatic nest eye assembly，automatic core inserting assembly and control assembly.Such key equipment as edible fungus cultivation bag pickup under negative pressure and automatic nest eyes of fungus bags is introduced and the material selection and structure design of main components of filling machinery are stated.

edible fungus；bacteria bag cultivation；pickup under negative pressure；nest eyes；sucker

2017-05-03

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目“食用菌菌包自动灌制技术研究”(CAFYBB2014MB005)

刘瑞林(1964-)，男，黑龙江哈尔滨人，国家林业局哈尔滨林业机械研究所高级工程师，研究方向为森林工程，E-mail：lrl2100@126.com。

*通讯作者：毕 武(1961-)，男，黑龙江哈尔滨人，国家林业局哈尔滨林业机械研究所高级工程师，研究方向为森林防火工程。