香菇菌棒包裝袋撐圓裝置關(guān)鍵技術(shù)研究

車娟，李紅斌

香菇菌棒包裝袋撐圓裝置關(guān)鍵技術(shù)研究

車娟，李紅斌

（蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 太倉(cāng) 215411）

為了提高香菇包裝機(jī)的包裝效率，提升包裝機(jī)的整體性能。首先分析研究包裝袋基本參數(shù)、拉伸特性、人工套袋方式，通過(guò)類比人工套袋得到撐圓裝置設(shè)計(jì)方案。基于此方案，對(duì)撐圓裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。建立了三維模型并導(dǎo)入Ansys進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了撐圓裝置的應(yīng)力分布云圖。撐圓機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程中受到的最大壓應(yīng)力為2.48 MPa，遠(yuǎn)小于樹脂材料彎曲強(qiáng)度67 MPa；最大變形量為0.175 mm，出現(xiàn)在撐圓機(jī)構(gòu)最前端，不影響后序動(dòng)作。文中證明了撐圓裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和模型建立的準(zhǔn)確性，為同類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

香菇；包裝袋；撐圓裝置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

香菇具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，是人們生活中常見(jiàn)的食物，總產(chǎn)量占據(jù)食用菌榜首[1-2]，主要采用菌棒栽培的方式[3]。目前，中國(guó)正步入老齡化社會(huì)，農(nóng)村青壯年人口正向城市轉(zhuǎn)移，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力日益缺失，人力成本不斷攀升。為了降低人力成本，同時(shí)防止由作業(yè)人員帶來(lái)的細(xì)菌感染香菇，迫切需要實(shí)現(xiàn)香菇菌棒采集包裝的自動(dòng)化，不斷推動(dòng)香菇種植產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[4-7]。

為保證香菇的水分，同時(shí)避免菌棒受到雜菌感染，保水膜加菌袋的雙層包裝方式已成為主流[8-9]。目前，香菇菌棒的菌料攪拌、菌料裝袋的自動(dòng)化已有普及，而在菌棒出料筒套袋接料環(huán)節(jié)大部分為人工操作方式[10]。張凱等[11]基于圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種葡萄自動(dòng)裝袋設(shè)備；萬(wàn)其號(hào)等[12]設(shè)計(jì)了一種能夠完成牧草切割、裝袋的青貯復(fù)合套袋裝置；盧國(guó)寶等[13]研究了一種食用菌自動(dòng)裝袋設(shè)備，裝袋機(jī)構(gòu)位于下料口下方，通過(guò)固定的彈性片將下方的菌袋撐起進(jìn)行裝袋工序。

目前，國(guó)內(nèi)有一些關(guān)于自動(dòng)套袋裝置的研究，但是這些研究對(duì)象的包裝袋和包裝物料的直徑相差較大。另外有關(guān)菌類自動(dòng)包裝的研究集中在單層袋包裝方式，對(duì)雙層袋自動(dòng)裝袋方案研究較少。整個(gè)自動(dòng)裝袋過(guò)程的核心裝置為可以使包裝袋展開變圓的撐圓機(jī)構(gòu)，因此對(duì)撐圓裝置關(guān)鍵技術(shù)展開詳細(xì)研究十分必要，可為同類型產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供重要的理論指導(dǎo)。

1 香菇菌棒包裝裝袋參數(shù)及套袋方式

1.1 保水膜與菌袋構(gòu)造參數(shù)

如圖1a、b所示為保水膜和菌袋的構(gòu)造，保水膜為平口型，菌袋為折邊型。

此次研究采用的保水膜、菌袋、出料筒的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 包裝袋拉伸特性研究

菌袋和保水膜在展開撐圓時(shí)會(huì)受到拉伸作用從而發(fā)生形變，當(dāng)受到的應(yīng)力不同時(shí)，對(duì)撐圓機(jī)構(gòu)的反作用力也不同，因此需要進(jìn)行拉伸特性研究。菌袋和保鮮膜拉伸實(shí)驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2—3，拉伸試驗(yàn)選取的樣品數(shù)為5，測(cè)試不同位置（1—3）的寬度和厚度。

圖1 香菇菌棒包裝袋形式

表1 保水膜、菌袋、出料筒相關(guān)參數(shù)

Tab.1 Relevant parameters of water retaining membrane, bacteria bag and discharging barrel

表2 菌袋試樣參數(shù)

Tab.2 Parameters of bacteria bag sample

表3 保水膜試樣參數(shù)

Tab.3 Parameters of water retaining membrane sample

此次實(shí)驗(yàn)按照GB/T 1040.3—2006《塑料拉伸性能測(cè)定》進(jìn)行，可得到菌袋與包裝袋拉伸力與位移的關(guān)系，見(jiàn)圖2—3。

不同試樣的應(yīng)力?變形曲線可由式（1）得到，然后對(duì)5組應(yīng)力、變形值分別取平均數(shù)可得到菌袋和保水膜的應(yīng)力?變形曲線見(jiàn)圖4—5。

圖2 菌袋拉伸力與位移變化曲線

圖3 保水膜拉伸力與位移變化曲線

式中：σ為應(yīng)力；F為測(cè)試樣品所受拉力；A為樣品原始橫截面積；ε為應(yīng)變；L0樣品標(biāo)距；ΔL0為標(biāo)距增量。

圖5 保水膜應(yīng)力?變形量變化曲線

1.3 香菇菌棒人工套袋方式分析

香菇菌棒的人工套袋根據(jù)是否套有保水膜分為兩層袋和單層袋。保水膜方案可以保留香菇的水分，保證香菇的食用口感和商品價(jià)值。兩層袋方案需保證保水膜失效長(zhǎng)度不超過(guò)2 cm，菌袋不能有任何損傷。

如圖6所示為人工套袋示意圖。首先操作員從裝袋盒里取出保水膜和菌袋，在出料筒套保水膜時(shí)，操作員會(huì)首先將袋子后部撐開套在出料筒上并不斷向前拖動(dòng)，通過(guò)出料筒將整個(gè)保水膜打開，使香菇進(jìn)入；而菌袋一般為折邊式袋子，且不能破損，因此為了防止菌袋與出料筒的摩擦，操作員只能拖住菌袋底部進(jìn)行裝袋操作。

圖6 人工套袋示意圖

2 香菇菌棒撐開裝置

根據(jù)人工裝袋的工序，一個(gè)完整的香菇菌棒自動(dòng)包裝裝置應(yīng)該包括取袋裝置、包裝袋撐開裝置、套袋裝置，其中最核心裝置的為包裝袋撐開裝置，其應(yīng)該具備的功能分為開口、撐圓2個(gè)部分，開口裝置負(fù)責(zé)將包裝袋的袋口進(jìn)行預(yù)開，撐圓裝置負(fù)責(zé)將微開的包裝袋撐成圓筒狀以方便套袋裝置可以將包裝袋順利套在出料筒上。

文中設(shè)計(jì)的開口和撐圓裝置見(jiàn)圖7—8，當(dāng)取袋裝置將包裝袋運(yùn)至開口裝置吸嘴中間時(shí)，包裝袋上下表面在真空吸嘴的作用力下會(huì)將袋口打開。撐圓裝置移動(dòng)至袋口處使撐圓機(jī)構(gòu)進(jìn)入預(yù)開的袋口中，此時(shí)絲杠電機(jī)啟動(dòng)在絲杠作用下，撐圓機(jī)構(gòu)展開，將包裝袋口進(jìn)一步撐圓，最終可以套在出料筒上。

3 香菇菌棒撐圓裝置關(guān)鍵技術(shù)

撐圓機(jī)構(gòu)為撐圓裝置的核心，用于將包裝袋撐圓、撐大。由于撐圓機(jī)構(gòu)與包裝袋直接接觸，對(duì)撐圓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和強(qiáng)度分析尤為重要。

3.1 撐圓機(jī)構(gòu)主要尺寸設(shè)計(jì)

撐圓機(jī)構(gòu)的主視圖與俯視圖（上半邊結(jié)構(gòu)）見(jiàn)圖9。圖9a中的半圓為出料筒，其半徑為50 mm，包裝袋要完全包絡(luò)出料筒，為防止干涉，撐圓機(jī)構(gòu)弧形內(nèi)表面上方與兩側(cè)要超出出料筒3 mm。菌袋折邊后長(zhǎng)度為40 mm，為防止撐破菌袋，撐圓機(jī)構(gòu)弧形區(qū)外徑高度應(yīng)設(shè)置為38 mm。

圖7 開口裝置示意圖

圖8 撐圓裝置示意圖

當(dāng)包裝袋撐起時(shí)，出料筒會(huì)伸入撐圓裝置內(nèi)部與包裝袋接觸，進(jìn)行香菇菌棒的出料。套袋完成后，撐圓機(jī)構(gòu)需要平移出袋口復(fù)位。為避免干涉，需保證袋子覆蓋出料筒的長(zhǎng)度與撐圓機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度之和小于料筒長(zhǎng)度，同時(shí)考慮到能有效撐圓，設(shè)定總長(zhǎng)度為85 mm、有效撐圓長(zhǎng)度為30 mm，見(jiàn)圖9b。

3.2 撐圓機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析

由圖9 a可知，撐圓機(jī)構(gòu)實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離和壁厚的關(guān)系見(jiàn)式（2）。

式中：為運(yùn)動(dòng)距離；為壁厚。

從式（2）可以看出，壁厚越薄對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)距離越短，撐圓工序耗時(shí)越短，但是抵抗外應(yīng)力作用的能力也隨之下降，因此需要對(duì)撐圓機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，文中設(shè)定壁厚為4 mm進(jìn)行后續(xù)分析。

圖9 撐圓機(jī)構(gòu)主視圖與俯視圖

撐圓機(jī)構(gòu)受到包裝袋外應(yīng)力作用見(jiàn)圖10，對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)式（3）。

式中：正為包裝袋與撐圓機(jī)構(gòu)間正壓力；為撐圓后側(cè)邊壓力；為撐圓后側(cè)邊壓應(yīng)力；側(cè)為側(cè)邊與袋口接觸有效面積；為有效撐圓長(zhǎng)度；為包裝袋厚度。

側(cè)邊壓應(yīng)力與包裝袋的應(yīng)變有關(guān)，對(duì)包裝袋分析，其應(yīng)變計(jì)算式見(jiàn)式（4）。

式中：為撐圓后包裝袋袋口周長(zhǎng)；為撐圓機(jī)構(gòu)上弧半徑；為撐圓機(jī)構(gòu)上弧角度；為撐圓機(jī)構(gòu)上升高度；為撐圓機(jī)構(gòu)側(cè)邊壁厚；Δ為包裝袋形變量；為包裝袋初始袋口周長(zhǎng)；為應(yīng)變。各參數(shù)值見(jiàn)表4，將參數(shù)代入式（2）—（3）可得結(jié)果見(jiàn)表5，其中側(cè)邊壓應(yīng)力可根據(jù)應(yīng)力?變形量（圖4—5）的關(guān)系獲得。

由表5可以看出，菌袋對(duì)于撐圓機(jī)構(gòu)上表面壓力較大為60 N。利用Proe繪制的撐圓機(jī)構(gòu)3D模型見(jiàn)圖11，采用軟件測(cè)量可得上表面面積上為5 460 mm2。通過(guò)式（5）計(jì)算可得上表面受到的壓應(yīng)力為11 kPa。

表4 結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.4 Structure parameters

表5 計(jì)算結(jié)果

Tab.5 Calculation results

為保證撐圓機(jī)構(gòu)在正常使用時(shí)不會(huì)受力損傷，將三維模型導(dǎo)入Ansys軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，分析撐圓機(jī)構(gòu)所受壓應(yīng)力是否超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，撐圓機(jī)構(gòu)采用樹脂材料，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表6。

網(wǎng)格劃分精度設(shè)定為0.4 mm，撐圓機(jī)構(gòu)支架在兩邊施加固定約束，對(duì)撐圓機(jī)構(gòu)上表面施加11 kPa的壓力約束，最終得到的撐圓機(jī)構(gòu)受力分布見(jiàn)圖12—13[14-15]。

由圖12可知，撐圓機(jī)構(gòu)受到的最大壓應(yīng)力為2.48 MPa，遠(yuǎn)小于樹脂材料的彎曲強(qiáng)度67 MPa。由圖13可知，撐圓機(jī)構(gòu)最大變形量（0.175 mm）發(fā)生在前端，此變形量很小，不會(huì)影響機(jī)構(gòu)的后續(xù)動(dòng)作。綜上，文中對(duì)撐圓機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

圖11 撐圓機(jī)構(gòu)3D模型

表6 材料定義

Tab.6 Definition of material

圖12 撐圓機(jī)構(gòu)應(yīng)力圖

圖13 撐圓機(jī)構(gòu)變形圖

4 結(jié)語(yǔ)

香菇具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，是人們生活中常見(jiàn)的食物，為防止香菇水分的流失目前都采取兩層袋包裝方案。關(guān)于香菇菌棒的自動(dòng)化包裝方式研究日益增多，其中最為核心裝置為可以將包裝袋展開撐圓的撐圓裝置。

文中首先測(cè)量菌袋和保水膜的常規(guī)尺寸，對(duì)包裝袋的拉伸特性和人工香菇菌棒包裝方式進(jìn)行分析。根據(jù)人工裝袋的作業(yè)方式設(shè)計(jì)出自動(dòng)包裝環(huán)節(jié)中撐圓裝置的方案，基于此方案對(duì)撐圓裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，建立三維模型并導(dǎo)入Ansys進(jìn)行靜力學(xué)分析。結(jié)果表示，撐圓機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程中受到的最大壓應(yīng)力為2.48 MPa，遠(yuǎn)小于樹脂彎曲強(qiáng)度67 MPa；最大變形量?jī)H為0.175 mm，出現(xiàn)在撐圓機(jī)構(gòu)最前端不影響后序動(dòng)作。文中證明了撐圓裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和模型建立的準(zhǔn)確性，為同類型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的理論參考。

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Key Technology of Round Supporting Device for Lentinus Edodes Stick Packaging Bag

CHE Juan, LI Hong-bin

(Suzhou Chien-Shiung Institute of Technology, Jiangsu Taicang 215411, China)

The work aims to improve the packaging efficiency of the lentinus edodes packaging machine and improve the overall performance of the packaging machine. First, basic parameters, stretching characteristics and manual packaging methods of the packaging bag were analyzed and studied. The design scheme of the round supporting device was obtained by analogy with manual packaging. Based on this scheme, the key structural dimension parameters of the round supporting device were designed in detail. The 3D model was established and imported into ANSYS for static analysis to get the force distribution pattern. The results showed that the maximum pressure stress of the round supporting mechanism during action was 2.48 MPa, which was much smaller than the bending strength of resin 67 MPa. The maximum strain was 0.175 mm, which happened at the front end of the round supporting mechanism. It did not affect the post sequence action. The design rationality of the round supporting device and the accuracy of model established are proved. It provides a certain theoretical reference for design of similar structures.

lentinus edodes; packaging bag; sound supporting device; structure design

TB486

A

1001-3563(2022)15-0308-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.15.036

2021–10–23

江蘇省第二批職業(yè)教育教師教學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)（蘇教辦師函〔2021〕22號(hào)）；2020年江蘇省高等教育學(xué)會(huì)專項(xiàng)課題（2020NDKT050）

車娟（1986—），女，碩士，蘇州健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。

責(zé)任編輯：曾鈺嬋