食用菌装袋封口接种一体机的设计*

□ 崔书彬 □ 牛得学 □ 刘 庆□ 苏传鑫 □ 孙一超 □ 张 硕

滨州学院 机电工程学院 山东滨州 256603

1 设计背景

食用菌生产过程中,培养基的装袋、菌袋的接种是两项主要作业。传统的装袋、接种作业均采用人工方式,耗时耗力,在人工成本日益高涨的今天显然已不再适用。为了满足食用菌大规模生产中的装袋需要,市面上出现了各种不同的装袋机,如食用菌培养基装袋机、自动接种机等,但是这些设备都存在功能单一、自动化程度较低的问题。笔者设计了一款食用菌装袋封口接种一体机,可以解决传统食用菌培养基装袋紧实度难以控制、现存市场上装袋机功能单一且自动化程度低的问题,能够完成食用菌培养基的装袋、封口,以及部分食用菌培养基的接种,具有良好的市场前景和推广价值。

2 总体设计方案

食用菌装袋封口接种一体机是进行食用菌培养基装袋封口作业及部分食用菌种植作业的小型农业设备,主要由主体架、送料机构、封袋机构、接种机构、控制电路及辅助部件组成,结构设计如图1所示。

▲图1 食用菌装袋封口接种一体机结构

主体架采用方形镀铬钢管焊接而成,可保证设备运行的稳定性。送料机构、封袋机构可以完成食用菌培养基的装袋作业,接种机构可以完成部分食用菌的种植作业。控制电路通过程序实现对整机的控制,以STM32ZET6单片机为主控芯片,通过继电器控制电机的运转。辅助部件包括有机发电二极管液晶显示屏、控制按键开关、调速器等。可通过液晶显示屏实时显示设备的工作状态,方便快捷,简单易操作。

3 结构设计

3.1 送料机构

送料机构如图2所示,由大扭矩主电机、链条、链轮、特制绞龙等部件组成。大扭矩电机提供动力,通过链条、链轮传递至特制绞龙,由特制绞龙带动料仓中的食用菌培养基在装袋轨道中前进,实现装袋。通过控制特制绞龙及电机转速,控制培养基装袋的紧实度。

▲图2 送料机构

特制绞龙的运动与参数可以影响食用菌培养基装袋的紧实度。运用微积分原理设计特制绞龙,研究合理的特制绞龙叶片外直径D、叶片内直径d、叶片螺距t、叶片与外壁间隙λ、填充因子ψ等参数。特制绞龙参数如图3所示。

▲图3 特制绞龙参数

特制绞龙输送量Q为:

Q=π[(D-2λ)2-d2]ψtnγC/(24×1010)

(1)

式中:n为特制绞龙转速;γ为食用菌培养基单位容积质量;C为特制绞龙倾斜因子。

经过试验计算,求得适合食用菌装袋封口接种一体机的特制绞龙最佳转速。

根据相关参数,应用Solidworks软件进行三维建模,并对特制绞龙进行动力学和有限元分析,优化设计出符合食用菌装袋封口接种一体机应用要求的特质绞龙。食用菌装袋封口接种一体机的三维模型如图4所示。

▲图4 食用菌装袋封口接种一体机三维模型

3.2 封袋机构

封袋机构如图5所示,由减速电机、封口平台、钢丝、滑轮等组成。减速电机正转,带动封口平台相向闭合,电热丝、电热片通电实现封口。减速电机反转,封口平台张开,完成封袋。根据封袋形式,笔者设计了由聚氯乙烯板、耐高温硅胶、直径0.5 mm电热丝、宽度3 mm电热片、限压稳流模块组成的封口平台。其中,电热片与电热丝交错排列,通过多次试验,调节电热片、电热丝至最佳发热温度。封袋平台在钢丝、滑轮的带动下实现张开与闭合,完成封袋、切袋工作。

▲图5 封袋机构

选用直径为210 mm的聚乙烯塑料菌袋进行试验,研究不同温度下电热片的封袋效果,见表1。

表1 不同温度下电热片封袋效果

试验结果表明,电热片温度为170～190 ℃时,聚乙烯塑料菌袋的封袋效果较好。

3.3 接种机构

接种机构如图6所示,由接种仓、减速电机、曲柄连杆、同步轮、同步带、小绞龙等组成。当光电传感器检测到菌袋时,接种机构运转。减速电机带动曲柄连杆转动,接种仓下降,下端扎进菌袋,同步带、同步轮带动小绞龙转动,将接种仓中的菌种送至菌袋中,完成接种工作。

4 控制电路

笔者以STM32单片机为控制系统核心,通过线性键盘、减速电机和液晶显示屏等元件,设计了食用菌装袋封口接种一体机的控制电路,实现食用菌装袋、封口、接种等功能,可以提高工作效率,减轻食用菌加工人员的负担。控制电路操作简单,性价比高,搭载液晶显示屏,具有良好的人机界面,可以实时显示设备的工作状态。

▲图6 接种机构

5 工作流程

使用食用菌装袋封口接种一体机时,操作人员可以根据屏幕提示进行操作。使用时打开电源开关,设备运转,系统进行自检,检测是否发生故障,并将检测结果通过屏幕进行呈现。操作人员根据需求调试电热片加热温度、特制绞龙转速等参数。调试完毕后,设备正常运转,开始作业。食用菌装袋封口接种一体机工作流程如图7所示。

▲图7 食用菌装袋封口接种一体机工作流程

6 样机

应用Solidworks等软件进行仿真分析,确认符合设计要求后,购置零件材料,加工定制各机构,最终完成食用菌装袋封口接种一体机样机,如图8所示。食用菌装袋封口接种一体机主要性能指标见表2。

▲图8 食用菌装袋封口接种一体机样机

表2 食用菌装袋封口接种一体机主要性能指标

7 结束语

我国食用菌生产企业还存在机械化程度不高、仍需大量人力物力工作的现象。食用菌装袋封口接种一体机将装袋、封口、接种功能集于一体,解决了手工装袋速度慢、效率低、质量差、装袋封口接种不能同时进行等问题,可以一次性完成食用菌培养基的初步加工,大大提高了食用菌装袋、封口、接种的工作效率。食用菌装袋封口接种一体机适用于种植农户、工厂等需要进行食用菌加工的场所,具有推广应用价值。