稻草菌基裝袋機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

陳義厚　(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

稻草菌基裝袋機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

陳義厚(長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州 434023)

[摘要]對(duì)稻草菌基裝袋機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理作了介紹,并對(duì)主要技術(shù)參數(shù)作了說明,可為利用稻草作為原料生產(chǎn)食用菌提供菌基制造設(shè)備。

[關(guān)鍵詞]稻草菌基裝袋機(jī);結(jié)構(gòu);設(shè)計(jì)

稻草菌基裝袋機(jī)是一種比較新穎的裝袋機(jī)，由于它具有所用菌基原料稻草廉價(jià)、工人勞動(dòng)強(qiáng)度低、裝袋效果好等優(yōu)點(diǎn)[1]，勢(shì)必在食用菌的生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。市面上的食用菌裝袋機(jī)大多針對(duì)顆粒狀菌基而設(shè)計(jì)，而對(duì)于雜亂無章的稻草菌基完全不能勝任，并且稻草的蓬松裝袋是造成食用菌減產(chǎn)甚至無產(chǎn)的主要原因，因此要壓緊稻草并在壓緊的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)裝袋。稻草菌基裝袋機(jī)專門針對(duì)稻草的特性而設(shè)計(jì)，能夠高效、連續(xù)地完成作業(yè)。

1主要結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　基本結(jié)構(gòu)

稻草菌基裝袋機(jī)對(duì)稻草可實(shí)行3個(gè)機(jī)械動(dòng)作(輸送、壓實(shí)、裝袋)，大體包括4個(gè)部件，這4個(gè)部件和必要的機(jī)架聯(lián)接在一起便是整臺(tái)稻草菌基裝袋機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.皮帶輪；2.螺旋葉片；3.U形槽；4.圓筒；5.圓盤；6.定位架；7.棘輪轉(zhuǎn)軸；8.棘爪；9.裝袋螺桿；10.裝袋螺母；11.電動(dòng)機(jī)；12.壓緊螺桿圖1　菌基裝袋機(jī)的基本結(jié)構(gòu)簡圖

第一個(gè)部件為螺旋輸送器，它通過螺旋葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞軸向速度給物料，就可使稻草從U形槽體的進(jìn)料口運(yùn)送到卸料口。螺旋輸送器主要包括電機(jī)、帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、離合器、攪拌機(jī)構(gòu)、U形槽體、傳動(dòng)軸和螺旋葉片軸及上的葉片。

第二個(gè)部件是完成壓實(shí)稻草功能的部件，它通過一個(gè)螺桿機(jī)構(gòu)的螺旋傳動(dòng)[2]對(duì)鐵筒內(nèi)的稻草進(jìn)行壓實(shí)，螺桿實(shí)行的是來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。壓實(shí)部件主要包括螺桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)軸、電機(jī)和控制電路。

第三個(gè)部件為實(shí)現(xiàn)裝袋打包的部件，它通過一個(gè)比壓實(shí)稻草的螺桿機(jī)構(gòu)行程長1倍，速度快1倍的螺桿機(jī)構(gòu)。當(dāng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)一定的轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)，由于裝袋螺桿的螺距是壓緊螺桿的螺距2倍，所以行程也是2倍的關(guān)系；裝袋部件所包括的零件和壓實(shí)部件所包括的零件一樣，只不過在尺寸上存在區(qū)別。

第四個(gè)部件為轉(zhuǎn)盤部件，它是一個(gè)圓形的盤，上面均勻安裝8個(gè)工作位，通過背部的棘輪機(jī)構(gòu)來保證工作位的準(zhǔn)確無偏移。完成一個(gè)機(jī)械動(dòng)作后，圓盤就會(huì)轉(zhuǎn)離原來的工作位置，下一次工作的位置由下一個(gè)圓筒下方的棘爪和定位架上方的定位槽來固定。轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)主要包括圓盤、鐵筒、棘爪、定位架和心軸。

1.2　工作原理

稻草菌基裝袋機(jī)的工作循環(huán)可分為輸送、壓緊、裝袋3個(gè)過程。隨著圓盤的旋轉(zhuǎn)，鐵筒依次進(jìn)入輸送稻草工作位、壓緊稻草工作位、裝袋工作位?，F(xiàn)將3個(gè)不同的機(jī)械動(dòng)作分別介紹如下。

1.2.1　輸送過程

稻草從U形槽的進(jìn)料口加入，通過攪拌機(jī)構(gòu)梳齒的梳理使稻草的纏結(jié)有一定的改善，最終落在由U形槽內(nèi)壁、螺旋葉片、傳動(dòng)軸三者包圍的空間里。螺旋葉片(如圖2所示)以ω的角速度繞傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于葉片上的任意一點(diǎn)同時(shí)具有沿圓周方向的轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的圓周線速度和沿轉(zhuǎn)軸的軸向的水平速度(任意一點(diǎn)O的速度如圖3所示)。正是螺旋葉片所產(chǎn)生的水平速度作用于螺距間的稻草，從而使稻草具有向前的軸向速度，最終實(shí)現(xiàn)稻草從進(jìn)料口到卸料口的輸送。

圖2　螺旋軸和螺旋葉片

圖3　O點(diǎn)速度分解

1.2.2　壓緊過程

稻草借助螺旋輸送器的輸送過程傳送到鐵筒內(nèi)，再通過圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，裝有稻草的鐵筒移到壓緊稻草的工作位上。螺母和齒輪之間采用鍵聯(lián)接傳輸圓周方向的動(dòng)力，軸向由軸肩和套筒來固定。當(dāng)主動(dòng)齒輪和從動(dòng)齒輪嚙合傳動(dòng)的時(shí)候，從動(dòng)齒輪帶動(dòng)螺母做相同轉(zhuǎn)速的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由于螺母的軸向已經(jīng)固定，進(jìn)而螺母的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)轉(zhuǎn)化為螺桿的軸向滑動(dòng)。螺母每間隔一段時(shí)間不斷地改變轉(zhuǎn)向，螺桿也因此而不斷地改變運(yùn)動(dòng)的方向，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)的壓緊稻草再回轉(zhuǎn)退回的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

1.2.3　裝袋過程

經(jīng)過前2個(gè)機(jī)械動(dòng)作后，一定重量的稻草被壓緊在鐵筒內(nèi)，接著鐵筒由圓盤帶到裝袋工作位上，相同的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)把壓緊的稻草從鐵筒里推出來，不同的是裝袋所用的螺桿機(jī)構(gòu)完成的是行程2倍于壓緊螺桿機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。3個(gè)機(jī)械動(dòng)作的過程中，圓盤的精確定置是由圓盤背后的棘爪和定位架的定位槽來實(shí)現(xiàn)的，考慮到如果用機(jī)械的方法控制圓盤的位置，不但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且間歇的時(shí)間不好控制；因?yàn)檩斔偷静莸亩嗌倥c稻草的松緊度有直接的關(guān)系，所以用人工的方法控制圓盤在每個(gè)工作位的停滯時(shí)間。裝袋機(jī)構(gòu)與壓實(shí)機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上大體相同，只不過在裝袋螺桿的螺距是壓緊螺桿的螺距的2倍。

2設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1　螺旋輸送器設(shè)計(jì)

螺旋輸送器葉片上各點(diǎn)的螺距是相同的，但因其半徑不同，所以各點(diǎn)的螺旋升角不相同。外徑處的螺旋升角小，內(nèi)徑處的螺旋升角大[2]。

當(dāng)螺旋葉片以角速度ω繞軸回轉(zhuǎn)時(shí)(圖2)，在任一半徑r的O點(diǎn)處有一物料質(zhì)點(diǎn)，它一面與螺旋面之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，一面沿著軸向移動(dòng)，其速度可由速度三角形(圖3)求得。O點(diǎn)葉片的圓周速度v0=ω·r是牽連速度，方向?yàn)檠豋點(diǎn)回轉(zhuǎn)的切線方向；物料相對(duì)于螺旋面的滑動(dòng)速度，平行于O點(diǎn)螺旋面的切線方向。物料絕對(duì)運(yùn)動(dòng)速度vf的方向與法線偏一摩擦角φ。若將vf分解，可得物料的軸向速度vz和切線速度vt。軸向速度使物料沿著輸送方向移動(dòng)，切向速度則造成物料在輸送過程中的攪拌和翻動(dòng)。

根據(jù)速度圖的分析，可以算出物料的軸向輸送速度：

(1)

因?yàn)?/p>

(2)

vn=v0·sinα

(3)

(4)

所以

(5)

式中，s為螺旋葉片的螺距，m；n為螺旋軸轉(zhuǎn)速,r/min；α為螺旋升角,(°)；f、φ分別為物料與螺旋葉片的摩擦系數(shù)和摩擦角,(°)。

由(5)式可知，當(dāng)1-f·tgα≤0時(shí)，vz≤0，物料將不能沿軸向運(yùn)動(dòng)。因此，螺旋輸送器的螺旋角應(yīng)滿足以下條件∶

(6)

因?yàn)槁菪~片內(nèi)徑處的升角最大，故確定時(shí)應(yīng)按此條件進(jìn)行校核。當(dāng)螺旋的半徑和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，軸向運(yùn)動(dòng)vz是螺旋角α的函數(shù)。

V=F×S

(7)

式中，V為螺旋每轉(zhuǎn)出料量,m3；F為螺旋有效面積，F(xiàn)=0.011304m2；S為螺旋節(jié)距，S=0.285m。

式中，D為螺旋直徑,D=0.125～0.128m；d為螺旋軸徑，d=0.035m。

故V=0.00322164m3。

每袋需螺旋的轉(zhuǎn)數(shù)n：

式中，v1為鐵筒的體積，m3；v 為螺旋每轉(zhuǎn)體積，v=0.00322164m3。

式中，D為鐵筒的內(nèi)徑，D=0.134m；L為鐵筒的長度，L=0.66m。

故n=0.009303003/0.00322164≈3r/袋。由于稻草不同于其他的顆粒狀菌基，它的蓬松是不會(huì)裝滿螺旋葉片與U形槽內(nèi)壁空間的。查資料可知：稻草的填充率[3]僅為0.2～0.3，取0.2代入，得n=15r/袋。故螺旋軸的轉(zhuǎn)數(shù)n1

n1=n×60/t

式中，n為每袋需螺旋軸轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)為15r/袋；t為螺旋出料時(shí)間，取1.5s。

故n1=600r/min。

傳動(dòng)比i:

i=n2/n1

式中，n2為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)，n2=1400r/min；n1為螺旋軸的轉(zhuǎn)數(shù)，n1=600r/min。

故i=7/3。

螺旋裝袋機(jī)的生產(chǎn)效率Q:

式中，D為螺旋直徑，取0.128m；S為螺旋節(jié)距，取0.285m；n1為螺旋軸轉(zhuǎn)數(shù)，n1=600r/min；φ為螺旋充填系數(shù)，取0.2；γ為物料容重，γ=0.57t/h。

故Q=15.04t/h。

螺旋推料所需的功率N:

式中，C為其余阻力系數(shù)，一般為3～5，取5；Q為螺旋生產(chǎn)效率，Q=15.04t/h；L為螺旋推料長度，L=0.3m；μ為物料在U形槽內(nèi)壁滑動(dòng)摩擦系數(shù)，取6。

故N=0.3686kW。

電動(dòng)機(jī)所需功率N1:

式中，k為電動(dòng)機(jī)功率備用系數(shù)，取1.4；η為驅(qū)動(dòng)裝置總功率，取0.9；N為螺旋軸驅(qū)動(dòng)功率，N=0.3686kW。

故N1=0.5734kW。

2.2　轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)各組成部分設(shè)計(jì)

2.2.1　轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)各組成部分

轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)主要功能是通過自身的轉(zhuǎn)動(dòng)使鐵筒依次進(jìn)入輸送、壓實(shí)和裝袋3個(gè)工作位，并依次實(shí)現(xiàn)輸送稻草、壓緊稻草和裝袋打包3個(gè)連續(xù)機(jī)械動(dòng)作，最終實(shí)現(xiàn)稻草菌基裝袋機(jī)的全部功能。轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)是保證3個(gè)機(jī)械動(dòng)作一起發(fā)揮作用的裝置，確定每個(gè)工作位的作用位置。轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)主要包括鐵筒、圓盤、棘爪、定位架、心軸、軸承和機(jī)架組成。

1)棘爪轉(zhuǎn)盤均勻分布8個(gè)工作位，螺旋輸送稻草、壓緊螺桿壓實(shí)稻草和裝袋螺桿裝袋都需要工作位非常準(zhǔn)確，否則，螺桿就會(huì)推擠轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)，這樣就可能損壞機(jī)械設(shè)備。當(dāng)棘抓下落到固定不動(dòng)的定位架上的定位槽時(shí)，能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的準(zhǔn)確定位，保證不會(huì)因工作偏差而無法工作甚至損壞機(jī)器設(shè)備。

2)圓盤鐵筒的轉(zhuǎn)動(dòng)必須依托圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，只有圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，才能使鐵筒依次進(jìn)入每一個(gè)工作位。

3)定位架螺旋輸送器輸送稻草、壓緊螺桿機(jī)構(gòu)壓實(shí)稻草和裝袋機(jī)構(gòu)中保持稻草壓緊裝袋的彈簧都需要定位架才能完成工作，螺旋輸送器輸送稻草需要定位架擋住鐵筒的另一端，防止稻草從鐵筒的一端進(jìn)另一端出；壓緊螺桿機(jī)構(gòu)同樣如此，壓緊稻草時(shí)，螺桿會(huì)給稻草很大的力，如果沒有擋板擋住，稻草將不會(huì)被壓緊；彈簧要保持稻草的緊度，必須在鐵筒的出料口，所以彈簧要安裝在定位架上。棘爪的定位槽安置在定位架的圓周上，定位架不和轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在軸承座上，設(shè)計(jì)成中空的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，這樣可以節(jié)約材料、降低成本，并且軸就可方便的從定位架的中心圓孔拆卸。

2.2.2　轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

1)圓盤設(shè)計(jì)原則圓盤壓緊稻草的孔是以螺旋壓緊螺桿的中心為圓心，齒輪機(jī)構(gòu)的中心距就是圓盤中心到鐵筒圓心的距離。圓盤與軸鍵聯(lián)接的部分的圓盤軸向距離比其余部分的圓盤的軸向距離要大一些。圓盤與軸采用鍵聯(lián)接，軸向定位用軸肩和彈簧擋圈來固定圓盤的軸向位置，具體的形狀結(jié)構(gòu)見圖4。為了保證圓盤在軸上的穩(wěn)定，采用雙盤的設(shè)計(jì)。

圖4　圓盤結(jié)構(gòu)與鐵筒布置

2)棘輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原則棘輪機(jī)構(gòu)的主要功能是準(zhǔn)確定位每1個(gè)工作位的位置，輸送、壓緊、裝袋都需要螺旋輸送器的卸料口、壓緊螺桿、裝袋螺桿與工作的鐵筒準(zhǔn)確的對(duì)中。棘輪的定位孔只有1個(gè)，在定位架的上方。每個(gè)鐵筒的下方有1個(gè)棘輪，8個(gè)棘輪依次進(jìn)入定位孔實(shí)現(xiàn)定位的功能，其余7個(gè)棘輪在定位架的圓周上沒有定位孔，在圓周上滑動(dòng)不實(shí)現(xiàn)定位的作用。

3結(jié)論

稻草菌基裝袋機(jī)在輸送稻草上采用常見的螺旋輸送器，在實(shí)現(xiàn)多個(gè)工作位上借鑒一種容積式裝袋機(jī)的轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各個(gè)工作位依次工作。轉(zhuǎn)盤均勻分布著8個(gè)工作位，其中上方的工作位是輸送稻草的位置，右邊的工作位是壓緊稻草的位置，左邊的工作位是裝袋的位置。余下的5個(gè)圓筒依次進(jìn)入這3個(gè)工作位，進(jìn)行著輸送、壓緊、裝袋3個(gè)過程。用槽輪機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)盤的間歇運(yùn)動(dòng)，從而讓圓筒依次經(jīng)過輸草、壓草、裝袋3個(gè)工作位，但槽輪的時(shí)間間隙固定，可裝稻草的時(shí)間不固定，因?yàn)榈静莸木o密程度不一，因此采用可人調(diào)時(shí)間間隔的棘輪機(jī)構(gòu)，可以更好地提高裝袋的質(zhì)量。

稻草菌基裝袋機(jī)是針對(duì)稻草菌基而進(jìn)行特別設(shè)計(jì)的，但同時(shí)也可應(yīng)用于其他菌基的裝袋，甚至還能實(shí)現(xiàn)其他顆粒狀或纏結(jié)物料的打包。如果把此種裝袋機(jī)用于棉籽殼的裝袋將會(huì)使裝袋的質(zhì)量更高，食用菌菌基裝袋的基本過程差不多，只不過稻草菌基的裝袋更復(fù)雜。稻草菌基裝袋機(jī)的原理可應(yīng)用于各種物料的裝袋，尤其是需壓實(shí)或預(yù)先處理的物料。

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[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]陳義厚.稻草菌基裝袋機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[J].長江大學(xué)學(xué)報(bào)(自科版)，2015，12(27)：46～50.

[中圖分類號(hào)]TH122

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]16731409(2015)27004605

[作者簡介]陳義厚(1970-)，男，碩士，副教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)與機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法研究，Chenyihou@126.com。

[收稿日期]2015-03-09