雙孢蘑菇淺筐成套生產(chǎn)裝備設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

周德歡，宋衛(wèi)東，王明友，周帆，吳今姬

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

雙孢蘑菇是一種擔(dān)子菌類的蘑菇，屬于傘菌科，是世界上生產(chǎn)量最大、栽培范圍最廣的食用菌品種之一，目前全世界有超過70個(gè)國家已經(jīng)開展了雙孢蘑菇的栽培[1-3]。雙孢蘑菇菇體白嫩、肉質(zhì)鮮美、營養(yǎng)豐富，深受消費(fèi)者青睞，隨著人們對生活水平與科學(xué)膳食意識(shí)的要求的提高，使得雙孢蘑菇市場經(jīng)濟(jì)效益不斷提升[4-5]。

國外雙孢蘑菇進(jìn)行工廠化生產(chǎn)專業(yè)化程度高，已發(fā)展至高度的專業(yè)化、高效化、自動(dòng)化于一體的現(xiàn)代化企業(yè)，雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)社會(huì)分工明確，培養(yǎng)料一次發(fā)酵、二次發(fā)酵，菌絲培養(yǎng)均有專門公司，但是一次性投入大，不適應(yīng)我國雙孢蘑菇生產(chǎn)[6-9]。我國的食用菌工廠化生產(chǎn)與發(fā)達(dá)國家相比起步較晚，國內(nèi)雙孢蘑菇生產(chǎn)主要以傳統(tǒng)季節(jié)栽培為主、工廠化周年生產(chǎn)為輔進(jìn)行，且對于工廠化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的研究相對滯后，配套設(shè)備嚴(yán)重不足。大部分雙孢蘑菇生產(chǎn)仍停留在以家庭小規(guī)模人工栽培為主，利用自然氣候進(jìn)行季節(jié)性栽培，雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)技術(shù)水平低已成為制約中國雙孢蘑菇生產(chǎn)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)成長的主要瓶頸[9-13]。因此，借鑒和學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)并國情化，建立專業(yè)的秸稈貯運(yùn)中心、培養(yǎng)料發(fā)酵基地、菌種生產(chǎn)研究機(jī)構(gòu)、雙孢蘑菇生產(chǎn)企業(yè)或合作社，形成符合我國國情食用菌生產(chǎn)模式[13-16]。針對雙孢蘑菇專業(yè)合作社或小型工廠化生產(chǎn)過程培養(yǎng)料裝料環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)培養(yǎng)料淺筐裝料成套裝備，以期為雙孢蘑菇菇房布料鋪料生產(chǎn)裝備的研發(fā)提供參考。

1 淺筐總體結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)工序

1.1 總體結(jié)構(gòu)

雙孢蘑菇淺筐成套生產(chǎn)設(shè)備指通過系列專用生產(chǎn)設(shè)備，完成培養(yǎng)料進(jìn)行輸送播種、裝筐、壓實(shí)、碼筐、整體移進(jìn)移出菇房、覆土等工序，只需配套培養(yǎng)料發(fā)酵設(shè)施、菇房等，便能實(shí)現(xiàn)雙孢蘑菇生產(chǎn)，該模式特別適用于小型工廠化生產(chǎn)，以及雙孢蘑菇專業(yè)生產(chǎn)合作社、生產(chǎn)基地，也可以對簡易菇房、閑置民房進(jìn)行改造，探索現(xiàn)代農(nóng)村雙孢蘑菇新型生產(chǎn)模式[17]，同時(shí)淺筐生產(chǎn)模式用淺筐代替菇床，具有自動(dòng)化程度高、操作靈活、擺放區(qū)域靈活、空間利用率高等特點(diǎn)。

雙孢蘑菇淺筐成套生產(chǎn)裝備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括發(fā)酵料輸送播種機(jī)、淺筐輸送裝置、拆筐裝置、擺動(dòng)上料裝置、撥料裝置、壓實(shí)裝置、覆土裝置、碼筐裝置及PLC控制系統(tǒng)等，構(gòu)成拆筐、上料、撥料、壓實(shí)、覆土、碼筐等工位。發(fā)酵料空筐供給至自動(dòng)碼筐下上均有傳動(dòng)裝置，由主驅(qū)動(dòng)電機(jī)和鏈條共同帶動(dòng)完成傳動(dòng)，傳送速度設(shè)置為0.3 m/s。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

1.2 淺筐生產(chǎn)工序

淺筐生產(chǎn)工序如圖2所示，主要分為培養(yǎng)料裝筐和覆土工序，均在淺筐成套生產(chǎn)裝備上完成。培養(yǎng)料裝筐時(shí)，覆土裝置模塊暫停工作，其工序?yàn)椴孳噷⒊啥饪湛鸱胖迷诓鹂鹧b置，通過升降架可自動(dòng)感應(yīng)將空筐放落在鏈條輸送機(jī)構(gòu)上，輸送播種機(jī)將發(fā)酵料傳輸?shù)缴狭涎b置，播種機(jī)可在上料的同時(shí)進(jìn)行播種，上料擺頭將發(fā)酵料拋灑在淺筐內(nèi)，然后淺筐輸送至撥料裝置，撥料滾筒能夠調(diào)節(jié)淺筐裝料量并將發(fā)酵料撥勻，繼續(xù)輸送至壓實(shí)機(jī)構(gòu)，將淺筐內(nèi)的發(fā)酵料壓實(shí)后，經(jīng)碼筐裝置碼筐，最后叉車將成垛淺筐轉(zhuǎn)運(yùn)到菇房內(nèi)進(jìn)行發(fā)菌，完成發(fā)酵料裝筐工序，發(fā)完菌后需進(jìn)行覆土才能出菇。

圖2 淺筐生產(chǎn)工序

發(fā)酵料覆土?xí)r，上料裝置、撥料裝置、壓實(shí)裝置等模塊暫停工作，輸送機(jī)移至覆土裝置上方，其工序?yàn)橛貌孳噷l(fā)滿菌絲的淺筐放置在拆筐裝置，升降架可自動(dòng)感應(yīng)將淺筐放落在鏈條輸送機(jī)構(gòu)上，輸送機(jī)將覆土材料傳輸?shù)剿ΡP機(jī)構(gòu)內(nèi)，通過甩盤對發(fā)菌后的淺筐進(jìn)行覆土，并調(diào)節(jié)覆土材料的厚度，經(jīng)碼筐裝置碼筐，最后叉車將成垛淺筐轉(zhuǎn)運(yùn)到菇房內(nèi)進(jìn)行出菇。

該生產(chǎn)裝備采用感應(yīng)式接近開關(guān)檢測淺筐是否到位，經(jīng)由PLC控制系統(tǒng)給出信號指令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為步進(jìn)電機(jī)和液壓系統(tǒng)，進(jìn)而完成不同工序的動(dòng)作，作業(yè)流程如圖3所示，為了便于試驗(yàn)設(shè)計(jì)手動(dòng)模式和自動(dòng)模式，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)來切換，淺筐自動(dòng)作業(yè)模式可自動(dòng)完成空筐進(jìn)給、上料播種、撥勻、壓實(shí)、覆土及碼筐等工序。

圖3 作業(yè)流程圖

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 淺筐設(shè)計(jì)

碼筐后成垛淺筐如圖4所示，淺筐包括筐體和支撐架，筐體由側(cè)板和承料編網(wǎng)組成，為防止漏料和便于卸料，上料是墊上網(wǎng)布；上料筐體四個(gè)角設(shè)有定位短軸，碼筐時(shí)可與支撐架內(nèi)定位孔配合，起定位作用。根據(jù)現(xiàn)有栽培菇床尺寸、上料高度和菇房高度，確定淺筐尺寸為1 400 mm×1 200 mm×550 mm，其中淺筐裝料高度為250 mm，碼筐層數(shù)根據(jù)菇房設(shè)施條件而定，一般為4～6層。

圖4 成垛淺筐

2.2 拆筐、碼筐裝置設(shè)計(jì)

拆筐、碼筐作業(yè)過程中，成垛空筐經(jīng)拆筐后，經(jīng)過上料壓實(shí)等工序后，再由碼筐裝置碼垛，拆筐、碼筐裝置結(jié)構(gòu)及工作原理相同，僅拆筐和碼筐時(shí)，執(zhí)行動(dòng)作順序相反，如圖5所示，其結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)架、托筐機(jī)構(gòu)、抬升機(jī)構(gòu)、傳感器等。

圖5 拆筐、碼筐裝置

拆筐分為三個(gè)作業(yè)工序，由托筐機(jī)構(gòu)和抬升機(jī)構(gòu)配合完成，分別是抬升機(jī)構(gòu)下降，托筐機(jī)構(gòu)將除抬升機(jī)構(gòu)上的其余淺筐托舉，抬升機(jī)構(gòu)繼續(xù)下降至輸送裝置下，完成拆筐由輸送裝置輸送淺筐。托筐機(jī)構(gòu)由機(jī)架兩側(cè)液壓缸和托板為托筐機(jī)構(gòu)，為保證各工序運(yùn)行穩(wěn)定，單筐總質(zhì)量為250～280 kg，最多按拖起5筐設(shè)計(jì)，液壓缸最大提升力按15 000 N選用。抬升機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部件為一對X形升降架，其一側(cè)通過軸承座固定，另一側(cè)沿滑槽自由滑動(dòng)，升降平臺(tái)最高位置與拖筐位置配套設(shè)計(jì)，升降平臺(tái)最低位置設(shè)計(jì)低于淺筐輸送裝置的輸送鏈條，以便于淺筐能夠自由輸送，根據(jù)淺筐和裝料質(zhì)量設(shè)計(jì)升降平臺(tái)及拖筐機(jī)構(gòu)提升力，最多按碼6筐設(shè)計(jì)，升降平臺(tái)及拖筐機(jī)構(gòu)最大提升力按18 000 N設(shè)計(jì)。

2.3 撥料裝置設(shè)計(jì)

淺筐撥料裝置目的是將淺筐內(nèi)培養(yǎng)料撥平，保證培養(yǎng)料高度一致，將多余的培養(yǎng)料撥到后續(xù)淺筐，撥料裝置主要由機(jī)架、電機(jī)、撥料滾筒和料位傳感器等組成。根據(jù)前期單因素試驗(yàn)，撥料滾筒采用12組撥齒，轉(zhuǎn)速控制在80～100 r/min，以保證撥齒能將培養(yǎng)料推送至后續(xù)的淺筐內(nèi)，且保證無培養(yǎng)料慣性飛濺[4]；撥輪上撥齒寬度與淺筐寬度一致，保證淺筐四周均填充滿發(fā)酵料；撥料滾筒調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)在撥料機(jī)架兩側(cè)壁上的安裝槽孔，通過沿安裝槽孔上下整體移動(dòng)調(diào)節(jié)滾筒位置，以保證淺筐內(nèi)培養(yǎng)料質(zhì)量可調(diào)，根據(jù)不同栽培工藝可以調(diào)整發(fā)酵料厚度，經(jīng)后續(xù)壓實(shí)裝置壓實(shí)，以調(diào)節(jié)培養(yǎng)料緊實(shí)度，壓實(shí)裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)類似前文所述的X形升降架。

撥料過程如圖6所示，撥齒AB作用于培養(yǎng)料的力為F，撥齒與滾筒切線角為θ，為保證撥齒對培養(yǎng)料有下壓的力，并有向左分力，能將多余的料撥向后方[4]，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)θ值設(shè)計(jì)為30°。

圖6 撥料過程

2.4 覆土裝置

壓實(shí)裝置后面留有覆土工位，覆土與培養(yǎng)料上料設(shè)備共用同一臺(tái)套裝備，覆土?xí)r輸送帶將覆土直接輸送至覆土裝置上，覆土裝置與拆筐、碼筐裝置共同完成覆土作業(yè)工序，實(shí)現(xiàn)雙孢蘑菇等覆土機(jī)械化作業(yè)，操作簡單，減少設(shè)備投入。

覆土裝置如圖7所示，主要由機(jī)架、覆土輸送帶、甩盤、撥土裝置等組成。覆土?xí)r用叉車將成垛淺筐從菇房移送至拆筐裝置上，將成垛淺筐拆成單筐向前輸送至覆土工位，而覆土材料經(jīng)過輸送帶落入甩盤裝置，覆土隨甩盤高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，均勻散落在覆土輸送帶上，經(jīng)撥土滾筒，厚度均勻的覆土覆蓋在淺筐表面，淺筐覆土后繼續(xù)向前輸送至碼筐裝置，碼筐后的成摞淺筐經(jīng)叉車移送至菇房，完成覆土作業(yè)，撥土滾筒垂直方向位置可以調(diào)整，根據(jù)不同栽培工藝調(diào)整覆土厚度。

圖7 覆土裝置

覆土裝置關(guān)鍵機(jī)構(gòu)采用甩盤裝置，如圖8所示，主要包括甩盤、液壓馬達(dá)、支撐架、擋料板，工作時(shí)甩盤由液壓馬達(dá)帶動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)，覆土隨甩盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)，在離心力的作用下，沿著甩盤平面拋射出去，在擋料板的阻擋下，均勻落在覆土輸送帶上，以保證覆土均勻。

圖8 甩盤裝置

覆土沿甩盤運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)初速度為零覆土顆粒在甩盤上任一點(diǎn)落在勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的水平甩盤上瞬間，在水平方向上，質(zhì)點(diǎn)上的摩擦力F和離心力Fr計(jì)算如式(1)、式(2)所示。

F=mgf

(1)

Fr=mrω2

(2)

式中：m——覆土顆粒的質(zhì)量；

g——重力加速度；

f——覆土材料與水平甩盤的摩擦系數(shù)；

r——覆土顆粒在盤上落點(diǎn)至盤心的距離；

ω——甩盤角速度，覆土落在甩盤上，其角度速度瞬間和甩盤一致。

如果摩擦力足以使覆土顆粒與盤面保持相對靜止?fàn)顟B(tài)，得到平衡式，即

Fr-F=0

根據(jù)理論計(jì)算、覆土實(shí)際要求并參照相關(guān)機(jī)型，甩盤直徑取值范圍是500～600 mm，覆土甩盤直徑設(shè)計(jì)為550 mm，轉(zhuǎn)速為900 r/min。

3 性能分析與試驗(yàn)

3.1 性能分析

主要測試淺筐拆筐—碼筐、輸送、上料，培養(yǎng)料壓實(shí)等各工序段配合及其生產(chǎn)效率，生產(chǎn)效率主要以相關(guān)工序生產(chǎn)時(shí)間體現(xiàn)，試驗(yàn)過程中對拆筐、上料、壓實(shí)等各工序作業(yè)時(shí)間的測定均以單個(gè)淺筐為單位進(jìn)行測定。

通過性能測試，該裝置整個(gè)作業(yè)流程作業(yè)連貫、有序，在叉車幫助下在內(nèi)實(shí)現(xiàn)淺筐裝料作業(yè)，同時(shí)將成垛淺筐輸送至菇房。對淺筐生產(chǎn)裝備進(jìn)行測試，得到工序作業(yè)時(shí)間如表1所示(不包含覆土工序)，計(jì)算出單筐裝料時(shí)間約為60 s，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)每筐由4個(gè)淺筐，叉車輔助作業(yè)，包括成垛供筐、取筐以及轉(zhuǎn)運(yùn)至菇房，每次控制在120 s內(nèi)，最終得到每筐淺筐完成所有工序和轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間為360 s。

表1 分工序作業(yè)時(shí)間

3.2 生產(chǎn)試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)材料

淺筐式雙孢蘑菇生產(chǎn)裝備試驗(yàn)在某雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)企業(yè)，提供出菇生產(chǎn)試驗(yàn)培養(yǎng)料、菇房等基本條件，同時(shí)提供與雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)對比試驗(yàn)條件，生產(chǎn)試驗(yàn)包括與工廠化生產(chǎn)對比實(shí)驗(yàn)和不同壓實(shí)緊實(shí)度出菇試驗(yàn)，裝料試驗(yàn)如圖9所示。

圖9 裝料試驗(yàn)

試驗(yàn)前預(yù)先準(zhǔn)備二次發(fā)酵好的培養(yǎng)料[18-19]，主要成分為麥秸、牛糞，添加2%石灰、2%過磷酸鈣和1%石膏，供試菌株為常規(guī)雙孢蘑菇菌種W192。

3.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

淺筐生產(chǎn)模式根據(jù)壓實(shí)工藝設(shè)置3個(gè)處理組，每個(gè)處理組設(shè)計(jì)三組平行試驗(yàn)[20]，通過調(diào)節(jié)壓實(shí)裝置和控制每筐培養(yǎng)料的質(zhì)量設(shè)置3個(gè)方案，方案一培養(yǎng)料壓實(shí)緊實(shí)度為90 kg/m2，方案二緊實(shí)度為100 kg/m2，方案三緊實(shí)度為110 kg/m2，工廠化對照試驗(yàn)組培養(yǎng)料緊實(shí)度為100 kg/m2，出菇試驗(yàn)在同一菇房進(jìn)行，培養(yǎng)料采用同批次原料，在同一發(fā)酵隧道發(fā)酵，發(fā)酵后溫度降至28 ℃后進(jìn)行上料播種，發(fā)菌期料溫控制在22 ℃～25 ℃，空氣相對濕度控制在70%～75%，保持菇房內(nèi)空氣清新，避光發(fā)菌，采用相同覆土材料；出菇期間，料溫控制在15 ℃～18 ℃，相對濕度控制在90%左右，按常規(guī)方法進(jìn)行覆土管理及出菇管理等工作[4，21]。同時(shí)在上料播種機(jī)、覆土裝置等的輔助作用下，保障高質(zhì)量完成播種、覆土作業(yè)等也是提高雙孢蘑菇產(chǎn)量的重要因素。

3.2.3 測試指標(biāo)及方法

子實(shí)體菌蓋直徑達(dá)到2.5～4.5 cm，視為達(dá)到達(dá)采收標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)進(jìn)行采菇[22]，共采收前3潮菇，每個(gè)方案隨機(jī)選取20個(gè)子實(shí)體，稱重取均值，測量單菇質(zhì)量；并稱重計(jì)算各方案每平方米雙孢蘑菇的產(chǎn)量，淺筐生產(chǎn)模式以中間1 m2為一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，工廠化生產(chǎn)為對比試驗(yàn)組，在中間菇床隨機(jī)選取3處為1 m2的試驗(yàn)小區(qū)，采菇由人工自行完成，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)累計(jì)稱重，取平均值，方案一、方案二、方案三及對照組單菇質(zhì)量分別為24.9 g、24.5 g、24.6 g、25.3 g，產(chǎn)量分別為12.8 kg/m2、14.4 kg/m2、16.6 kg/m2、14.7 kg/m2。

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，各試驗(yàn)方案的單菇質(zhì)量均在25 g左右，各試驗(yàn)方案的單菇質(zhì)量無明顯差異；方案二與對照組，在產(chǎn)量無明顯差異，說明雙孢蘑菇淺筐生產(chǎn)裝備產(chǎn)量水平達(dá)到了工廠化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)；從產(chǎn)量結(jié)果看出，淺筐生產(chǎn)裝備產(chǎn)量隨培養(yǎng)料緊實(shí)度增加有所增加，其中培養(yǎng)料緊實(shí)度為110 kg/m2較緊實(shí)度為90 kg/m2的產(chǎn)量增加3.8 kg/m2，其原因是一方面壓實(shí)后相同面積培養(yǎng)料變多，另一方面培養(yǎng)料經(jīng)壓實(shí)后，緊實(shí)度增加，營養(yǎng)物質(zhì)更為致密，能量傳遞和物質(zhì)轉(zhuǎn)移速度快，從而提高了菌絲對培養(yǎng)料中營養(yǎng)成分的利用效率，致使雙孢蘑菇產(chǎn)量有較大提升；通過計(jì)算方案一1 kg的培養(yǎng)料雙孢蘑菇產(chǎn)量為0.142 kg，方案三1 kg的培養(yǎng)料雙孢蘑菇產(chǎn)量為0.151 kg，結(jié)果表明培養(yǎng)料經(jīng)壓實(shí)，1 kg培養(yǎng)料出菇質(zhì)量增加了0.009 kg，提高了單位質(zhì)量培養(yǎng)料出菇轉(zhuǎn)化率，同時(shí)隨著緊實(shí)度增加，培養(yǎng)料體積減少，從而減少雙孢蘑菇的栽培面積，節(jié)約了空間，可增加菇房利用效率。

4 結(jié)論

1)針對雙孢蘑菇專業(yè)合作社或小型工廠化，研制淺筐生產(chǎn)裝備，針對空筐拆筐、上料、撥料、壓實(shí)、覆土、滿筐碼筐等工藝流程，分別設(shè)計(jì)了拆筐裝置、擺動(dòng)上料裝置、撥料裝置、壓實(shí)裝置、覆土裝置、碼筐裝置以及淺筐輸送裝置，并配套使用培養(yǎng)料輸送播種機(jī)、叉車等，組成雙孢蘑菇淺筐成套生產(chǎn)裝備。

2)對雙孢蘑菇淺筐生產(chǎn)裝備性能分析，并初步出菇試驗(yàn)，以該裝備各工序生產(chǎn)效率、產(chǎn)量為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，通過對淺筐拆筐—碼筐、輸送、上料，培養(yǎng)料壓實(shí)等工序段配合及其生產(chǎn)效率進(jìn)行評價(jià)，性能測試表明，設(shè)計(jì)雙孢蘑菇淺筐成套生產(chǎn)裝備運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，壓實(shí)效果滿足雙孢蘑菇生產(chǎn)需求，每筐淺筐完成所有工序和轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間為360 s；從出菇試驗(yàn)結(jié)果看出，相同條件下，淺筐生產(chǎn)裝備產(chǎn)量與現(xiàn)有工廠化無顯著差異，培養(yǎng)經(jīng)壓實(shí)后，出菇產(chǎn)量最多增加3.8 kg/m2，同時(shí)單位質(zhì)量培養(yǎng)料出菇質(zhì)量增加了0.009 kg，相比于工廠化一次性投資高，雙孢蘑菇淺筐生產(chǎn)模式更適專業(yè)合作社或小型工廠化生產(chǎn)。