三七温室育苗槽基质蒸汽消毒机的设计

朱加繁，赵玉清，杨陆强，高志超，张汝坤

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)



三七温室育苗槽基质蒸汽消毒机的设计

朱加繁，赵玉清，杨陆强，高志超，张汝坤

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)

为了解决三七工厂化育苗中的基质消毒问题，设计了一种适用于温室育苗槽的基质蒸汽消毒机，阐述了该机的基本工作原理、总体结构组成及关键部件设计，并采用有限元分析软件对消毒机的核心工作部件抛土刀片进行了静力学分析和模态分析。通过静力学分析，发现抛土刀片工作过程中，其应力主要集中在刀柄根部与刀盘接触的部位，应力最大值为118.62MPa，小于材料的屈服强度355MPa；应力较集中的部位也是应力较大的部位，应变最大值为0.596 48mm；刀片变形量最大的部位是刀片顶端与基质接触的部分，最大变形量为1.637 5mm；通过模态分析，得到刀片前6阶模态的振频和振型，刀片的干扰频率为5Hz远小于前6阶模态的振频，验证了其设计的合理性。

三七；基质；蒸汽消毒机；分析

0 引言

三七是云南独具特色的优势生物资源，它的根是著名传统中药材[1]。育苗是三七栽培中的基础环节，而三七育苗基质的消毒处理在其育苗过程中起着关键作用。未经消毒处理的基质中可能存在许多病菌、虫卵、害虫和杂草种子，如不及时处理，会使育苗的产量和品质下降，甚至造成大面积病菌的传播以致整个育苗过程的失败。因此，三七育苗前必须对其基质进行消毒处理，以达到防止病虫害传播的目的。

土壤高温蒸汽消毒法首先由德国人Frank于1888年发现，1893年由美国人Rudd首次商业化使用，从此，高温蒸汽消毒法在温室和苗床消毒中得到应用。采用蒸汽消毒可以使基质形成团粒状，提高土壤的通透性，与甲基溴等化学熏蒸剂相比，蒸汽消毒有高效、清洁、无残留、处理后短期内即可播种等优点[2]。英国在20世纪50年代就对蒸汽消毒设备进行了研究并统计了较详细的研究数据[3]。美国、以色列、荷兰等国在基质消毒方面的研究基本已形成了完整的技术体系。我国对基质消毒装备的研究起步较晚,现有的消毒机械规格少，性能不稳定,大多数基质消毒设备还处于试制阶段。目前，我国三七育苗基质消毒基本上还是人工操作，工作环境差且劳动强度比较大，国内机械化基质消毒设备发展还不完善，设备整体性能还有待提高[4]。因此，开发简便易行、经济适用的轻型育苗基质消毒设备，对三七育苗基质进行消毒，可有效解决三七育苗过程中的病虫害防治问题，对云南三七产业的快速发展具有重要意义。

1 总体结构与工作原理

1.1 主要结构组成

三七温室育苗槽基质蒸汽消毒机主要由机架、行走轮、限位轮、消毒箱、抛土刀片、蒸汽管和刀轴驱动电机组成，如图1所示。

1.基质入口 2.消毒箱 3.消毒箱支撑板 4.消毒箱出口插销 5.消毒箱出口盖 6.限位轮 7.行走轮 8.机架 9.扶手 10.电机支撑板 11.抛土刀轴驱动电机 12.齿轮 13.蒸汽管图1 三七温室育苗槽基质蒸汽消毒机整体结构示意图

消毒机的行走轮安装在轴的两端，限位轮通过螺栓连接安装在机架上，消毒箱与其支撑板通过螺栓连接安装在机架的正上方；支撑板由4根立柱支撑，4根立柱直接焊接在机架上；抛土刀轴通过轴承配合安装在消毒箱上，抛土刀片与其对应的刀盘通过螺栓连接，每个刀盘上安装3把刀片，分别呈120°角对称安装，刀盘与刀轴采用键连接；蒸汽管则直接焊接安装在消毒箱的顶部，抛土刀轴驱动电机通过螺栓联接安装在其支撑板上，支撑板与机架通过两根方形立柱相连，消毒机的把手直接焊接在机架上，与水平面呈45°角。

1.2 消毒原理及工作过程

三七温室育苗槽基质蒸汽消毒机的工作原理是高温蒸汽消毒。工作时，通过热传递的方式将高温蒸汽的热量传递给育苗基质，将基质的温度升高到一定数值，然后保温一段时间，进而杀死基质中的有害病菌和虫卵等，达到对基质消毒的目的[5-7]。其工作过程为：通过消毒箱顶部的入口把基质倒入其内腔中，关闭其入口盖，此时消毒箱就形成了一个全封闭的工作空间，有利于基质升温后的保温；然后启动电机，通过齿轮传动，带动消毒机抛土刀片高速旋转，抛土刀片就会将消毒箱内的育苗基质抛起并分散在其内腔中。与此同时，通过蒸汽管向消毒箱内喷入高温蒸汽， 被抛起的基质就能和高温蒸汽快速而充分地接触，从而达到对基质进行消毒的目的。一段时间后，打开消毒箱底部的下盖，经消毒后的育苗基质就从消毒箱内直接落到基质育苗槽内。消毒机工作示意图，如图2所示。

1.基质 2.抛土刀片 3.消毒箱支撑板 4.电机支撑板 5.扶手 6.立柱 7.行走轮 8.行走轮轴 9.基质槽 10.轴限位轮 11.消毒箱底盖 12.刀盘 13.抛土刀轴 14.高温蒸汽 15.蒸汽管 16.基质入口图2 三七温室育苗槽基质蒸汽消毒机工作示意图如图

2 主要工作部件的设计

三七温室育苗槽基质蒸汽消毒机的结构主要包括机架、行走装置、消毒装置、动力机构和传动机构。其中，行走装置主要由行走轮和限位轮组成，消毒装置主要由消毒箱、抛土刀片和蒸汽管组成，动力机构为抛土刀轴驱动电机，动力传输方式采用齿轮传动。为了满足消毒机的设计要求，必须对消毒机抛土刀片等主要工作部件进行结构分析和强度校核。

2.1 抛土装置

2.1.1 刀片的设计

抛土刀片是抛土装置的核心，目的是将消毒箱中的育苗基质向上抛起，使其均匀分散在消毒箱的内腔中；与此同时，向蒸汽管中通入高温高压蒸汽，使得基质与高温蒸汽快速充分的接触，从而实现对基质的消毒处理。因此，根据消毒机箱桶的结构特点，将消毒机抛土刀片的外形结构设计成如图3所示的铲形结构。其厚度为3mm，最大回转半径为300mm，刀片通过螺栓联接安装在对应的刀盘上。为了使刀盘受力均匀，每个刀盘上安装3把刀片，分别呈120°角对称安装，刀盘则采用线性排列方式安装在刀轴上，每两个刀盘之间的距离为150mm。刀轴与消毒箱的安装位置也有一定要求，即刀轴旋转过程中，抛土刀片工作位置的最低点刚好与消毒箱的内壁相切，这样刀片才能将消毒箱底部的基质全部抛起。抛土刀片的结构形式如图3所示。

1.抛土刀轴 2.刀盘 3.抛土刀片图3 抛土刀片结构示意图

2.1.2 刀轴的设计

(1)

抛土刀片所受土壤阻力为

(2)

刀片对刀轴产生的扭矩为：

T=F·R=84.71N·m

(3)

(4)

查表得，A0=126，故

(5)

式中 τT—扭转切应力(MPa)；

p—驱动电机的功率(kW)；

A0—轴的材料系数；

d—抛土刀轴的直径。

为了安全起见，将轴径放大5%，所以抛土刀轴的直径设计为40mm。

2.2 蒸汽管

蒸汽管的作用是将高温锅炉产生的高温高压蒸汽输入到消毒箱体内，再通过其管壁上开设的喷气孔将高温蒸汽喷到消毒箱内腔中，使得高温蒸汽与被抛起的基质快速充分地接触，从而将蒸汽中的热量传递给基质，实现对基质进行加热和消毒的目的。

蒸汽管结构示意图如图4所示。

图4 蒸汽导管结构示意图

2.3 行走装置

消毒机的行走装置由行走轮和限位轮组成，行走轮通过键槽配合安装在其轴上。限位轮则通过焊接联接安装在机架上，如图5所示。消毒机工作时，行走轮与基质槽的上表面接触，限位轮与基质槽的内侧面接触，使消毒机能够沿着基质槽表面平稳的前进和后退。根据三七育苗槽的实际尺寸，消毒机的行走轮的直径设计为200mm厚度为20mm，限位轮的直径为60mm、厚度为15mm。

1.行走轮 2.行走轮轴 3.基质槽 4.限位轮图5 行走装置结构示意图

2.4 消毒箱

消毒箱作为基质蒸汽消毒机的主要组成部件，其作用主要是为机器的工过程提供一个密闭的工作环境，使基质升温更快、保温效果更好，同时也在一定程度上保障了操作人员的安全。消毒箱的制作材料应该具有质量轻、耐高温及防锈蚀等特点，本文根据消毒机的设计要求，选择厚度为3mm的不锈钢作为消毒箱的制作材料，基本尺寸：直径为1 000mm、总长为2 000mm。

2.5 机架的设计

机架是消毒机整个机身质量的承载体，工作过程中要承受部分冲击载荷，还会产生剧烈的振动，受力情况较为复杂。因此，机架的设计应该满足一定的强度、刚度等性能要求，否则可能会出现不同程度的变形甚至损坏。本文设计的消毒机机架部分采用厚度为5mm的钢板焊接而成。

3 抛土刀片有限元分析

抛土刀片是消毒机的主要受力部件，将基质抛起的同时要承受基质的反作用力，在工作过程中会发生一定的形变。因此，需要采用有限元分析软件对其进行静力学分析和模态分析，验证其结构的合理性。本研究采用ANSYS Workbench对消毒机的抛土刀片进行分析。

3.1 模型的建立与网格划分

本设计采用SolidWorks建立抛土刀片的三维模型，然后将其导入ANSYS Workbench软件中，并对其添加一些参数控制来对刀片进行网格划分，得到刀片的有限元网格模型如图6所示。根据刀片工作的实际情况，将其在x、y、z轴方向的位移限制为0mm，在刀盘内孔上施加无摩擦支撑约束，并在键槽位置施加相应的载荷，最后给分析对象施加300r/min的初始转速。

图6 有限元网格划分图

3.2 静力学分析结果

经过计算求解，得到刀片在工作时的等效应力云图、等效应变云图、总变形量云图，如图6～图8所示。图6中可以看出：刀片的应力主要集中在刀柄的根部与刀盘接触部位，最大值为118.62MPa，小于材料的屈服强度355MPa。由图7中可以看出：应力较集中的部位也是应力较大的部位，应变的最大值为0.596 48mm。由图8中可以看出：变形量最大的位置是刀片边缘，最大位移1.637 5mm。

图7 等效应力图

图8 等效应变图

图9 总变形量云图

3.3 预应力模态分析结果

在模态分析中，随着阶数的不断增大，模态分析结果的误差将会变大[9]。根据需要，采用Block lanczos法提取了刀片的前6阶模态，分析结果如表1所示。振型云图如图10～图13所示。

表1 前6阶模态分析结果

图10 刀片1阶振型云图

图11 刀片3阶振型云图

图12 刀片4阶振型云图

图13 刀片5阶振型云图

从刀片的模态分析结果中可以看出：刀片的1阶模态和2阶模态振动频率比较相近，5阶模态和6阶模态振动频率也比较相近，分别是振动方程的两个二重根。这种情况出现在对称结构的模态分析中是正常的，它们的振型也是相似的，只是共振时有一个相位差[9]。从刀片的各阶振形云图中可以看出：越是远离刀盘中心的位置，刀片的位移量越大，刀片的最大位移出现在其最外边缘处。

抛土刀片的干扰频率与刀轴的转速有关，干扰频率与转速的关系为n=60f,n为转速，f为干扰频率；抛土刀轴的转速为300r/min，由公式可得刀片的干扰频率为5Hz远小于前6阶模态的振频，说明刀片工作过程中不会出现共振现象。

4 结论

根据三七温室育苗槽的基本尺寸及结构特点，设计了一种小型三七育苗基质蒸汽消毒机。阐述了该机的基本工作原理、总体配置及主要部件结构的设计，并采用工程有限元的方法对消毒机的抛土刀片进行了静力学分析和模态分析。

通过静力学分析，发现抛土刀片工作过程中：应力主要集中在刀柄根部与刀盘接触的部位，应力最大值为118.62MPa，小于材料的屈服强度355MPa；应力较集中的部位也是应力较大的部位，其应变最大值为0.596 48mm；刀片变形量最大的部位是刀片顶端与基质接触的部分，最大变形量为1.637 5mm。通过模态分析，得到刀片前6阶模态的振频和振型，刀片的干扰频率为5Hz远小于前6阶模态的振频。这说明刀片工作过程中不会出现共振现象，验证了其设计的合理性。

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Design of Matrix Steam Sterilizing Machine of Panax Notoginseng Greenhouse Seedling Trough

Zhu Jiafan， Zhao Yuqing, Yang Luqiang, Gao Zhichao, Zhang Rukun

(School of mechanical and electrical engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201，China)

In order to solve the problem of the matrix disinfection in Panax notoginseng factory nursery，a kind of matrix steam sterilizing machine suitable for greenhouse seedling trough was designed，its basic working principle，overall configuration，the structure of main component were elaborated，and the finite element analysis software was used to conduct static analysis and modal analysis of core working part of disinfection machine—soil throwing blade，through static analysising，we found in the working process of blade，the stress mainly concentrated in the contact parts of the roots of handle and cutter，the maximum stress is 118.62MPa，which is less than the yield strength of material-355Mpa，and the concentration part of stress is also the greater part，the maximum strain is 0.59648mm，the largest part of the deformation of the blade is the contact part of blade tip and matrix，the maximum deformation is 1.6375mm.Through modal analysising，we obtained front six modal frequencies and modes of the blade，the interference frequency is 50Hz，which is not equal to the frequency of front six modal，and the rationality of the machine was proved.

panax notoginseng； matrix； stream sterilizing machine； analysis

2016-05-17

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB1004 06)

朱加繁(1989-)，男，云南曲靖人，硕士研究生，(E-mail)973189583@qq.com。

张汝坤(1960-)，男，云南大理人，教授，硕士生导师，(E-mail)zhangrukun8918@aliyun.com。

S625.3

A

1003-188X(2017)03-0079-05