雙輥式食用菌培養(yǎng)料翻堆機翻堆裝置設(shè)計與試驗*

王善文，謝秋菊，謝守勇, 2，鄧成志，黎展鵬

(1. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，重慶市，400715；2. 西南大學(xué)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)裝備重慶市重點實驗室，重慶市，400715)

0 引言

我國食用菌資源豐富，是世界上最早認識和栽培食用菌的國家，食用菌含有豐富的蛋白質(zhì)和氨基酸，是一款綠色無公害的健康型食品[1-3]。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，食用菌需求量不斷增加[4]。近10年來，我國食用菌的總產(chǎn)量不斷上升，截至2018年，我國成為全球第一大食用菌生產(chǎn)國、消費國和出口國，年產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的70%以上[5]。目前我國食用菌產(chǎn)值比重在農(nóng)業(yè)中僅次于糧、菜、果、油，居第5位，已經(jīng)成為發(fā)展經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè)之一[6]。

然而現(xiàn)階段國內(nèi)只有極少數(shù)大型食用菌廠引進國外翻堆設(shè)備，大部分的食用菌生產(chǎn)基地仍處于手工小作坊狀態(tài)，采用傳統(tǒng)的人工翻堆方式，這種翻堆方式不僅作業(yè)環(huán)境差，勞動強度大，人力成本高，并且工作效率低，物料混合不均，極大地影響了培養(yǎng)料的質(zhì)量和產(chǎn)量。為了提高食用菌培養(yǎng)料的生產(chǎn)效率，在結(jié)合食用菌的生產(chǎn)工藝和現(xiàn)有翻堆技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對食用菌培養(yǎng)料設(shè)計一種翻堆機構(gòu)并進行分析和優(yōu)化[7-10]。本文通過查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，將翻堆過程理論分析、虛擬樣機建模技術(shù)、離散元虛擬仿真技術(shù)以及樣機實地試驗等多種方法相結(jié)合對食用菌翻堆機開展設(shè)計與翻堆性能研究。

目前市面上尚無專門針對食用菌培養(yǎng)料的翻堆機，大部分翻堆機是對秸稈、污泥進行堆肥處理。其中美國和加拿大共同研制的“新遠東—圣甲蟲”翻堆機集機電液控制技術(shù)于一體，能自動控制溫濕度，大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量[11]。雖然國外翻堆機的技術(shù)較為成熟，但國外設(shè)備的價格昂貴且不適合我國國情，相比之下，我國在這領(lǐng)域起步晚，而且設(shè)備的適用性較低且對物料翻堆的研究較少。

針對以上問題，本文根據(jù)翻堆機的設(shè)計要求以及農(nóng)藝要求，提出一種雙輥式翻堆裝置，并對翻堆裝置的空間結(jié)構(gòu)布局、拋刀分布進行研究，同時利用離散元法對翻堆過程進行仿真確定最優(yōu)參數(shù)，最后通過實地試驗驗證離散元仿真分析的正確性與可行性。

1 翻堆機總體結(jié)構(gòu)與工作原理

食用菌培養(yǎng)料堆制發(fā)酵采用好氧發(fā)酵技術(shù)，通過有益微生物的生命活動將原材料轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的有機質(zhì)。該過程集復(fù)雜的物理、化學(xué)以及生物變化為一體，在此期間，需要多次翻堆達到降溫、混合、粉碎、增氧的效果，從而提高菌料發(fā)酵的效率和質(zhì)量[12-13]。

1.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)食用菌培養(yǎng)料翻堆機設(shè)計要求，對整機總體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計并利用Creo 3.0完成三維建模，如圖1、圖2所示。該機主要由機架、動力驅(qū)動裝置、行走裝置、轉(zhuǎn)向裝置、翻堆裝置以及成型裝置，覆膜裝置等組成。整機呈龍門狀，采用四輪行走結(jié)構(gòu)，后輪驅(qū)動、前輪轉(zhuǎn)彎，行走電機通過鏈傳動將動力傳輸?shù)胶筝喴则?qū)動整機前進，前輪通過電動推桿伸縮來實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向。翻堆裝置主要分為碎料刀輥和翻料刀輥，二者平行交錯布置，其動力均為單側(cè)輸入，由電機經(jīng)蝸輪蝸桿減速器再經(jīng)過鏈傳動傳遞得到[14-16]。成型裝置固定在機架后方，對翻堆裝置后拋的菌料起成型作用。

圖1 整機總體結(jié)構(gòu)

圖2 整機總體結(jié)構(gòu)三維模型圖

1.2 工作原理

翻堆機作業(yè)前，整機放置于料堆一端，橫跨在培養(yǎng)料料堆寬度方向的兩側(cè)。啟動開關(guān)，整機在行走電機的驅(qū)動下沿料堆長度方向前進，同時碎料刀輥和翻料刀輥做回轉(zhuǎn)運動。兩刀輥采用階梯狀立體空間布置方式，即在前進方向和高度方向均存在一定間距，作業(yè)時碎料刀輥首先接觸未翻菌料，碎料刀輥旋轉(zhuǎn)將上層結(jié)塊菌料打碎，并往后拋擲，翻料刀輥在碎料刀輥的基礎(chǔ)上切削更深層的菌料并將其向上翻起，使菌料上下混合均勻，如圖3所示。

分層作業(yè)可保證翻料深度的同時降低翻料刀輥的工作負荷。在刀輥不斷打碎、翻動、混合菌料的過程中，可散發(fā)水分、降低堆溫、提高料堆內(nèi)部的含氧量，滿足各類好氧微生物對氧氣的需求，從而實現(xiàn)菌料均勻發(fā)酵。

圖3 雙輥式翻堆機工作原理

2 翻堆裝置設(shè)計

2.1 雙輥空間結(jié)構(gòu)布局

翻堆裝置是翻堆機的核心，包含碎料刀輥與翻料刀輥兩部分，將翻堆裝置兩刀輥設(shè)計為一前一后，且碎料刀輥在上方、翻料刀輥在下方，呈階梯狀布置，刀軸通過軸承座與機架連接，利用螺釘固定?？紤]到零部件的通用性，將兩刀輥的回轉(zhuǎn)半徑設(shè)計為一致。如圖4所示為雙輥式翻堆裝置的側(cè)向布局簡圖，點O、O′、O″分別為主傳動軸、碎料刀輥以及翻料刀輥的回轉(zhuǎn)中心，L為兩刀輥中心軸之間的距離(簡稱軸間距)，α為中心軸連線與前進方向之間的夾角(簡稱軸線夾角)。

如圖4所示，碎料刀輥切削未翻菌料的深度

Hs=H+R1-Lsinα-R2

(1)

則翻料刀輥切削未翻菌料的深度

Hf=R2+Lsinα-R1

(2)

式中：H——料堆深度，m；

R1——碎料刀輥的回轉(zhuǎn)半徑，m；

R2——翻料刀輥的回轉(zhuǎn)半徑，m。

由式(1)、式(2)可知，保持翻料刀輥位置不變，隨著軸間距增大或軸線夾角增大，碎料刀輥切削未翻菌料的深度變小，而翻料刀輥切削未翻菌料的深度變大。

圖4 雙輥式翻堆裝置側(cè)向布局簡圖

2.2 拋刀設(shè)計

2.2.1 拋刀選型

拋刀作為翻堆過程中的觸料部件，主要用于攪拌切削菌料，將結(jié)塊菌料有效打碎、提高透氣性并實現(xiàn)菌料的均勻混合。因此，拋刀的形狀結(jié)構(gòu)會直接影響翻堆作業(yè)的質(zhì)量與功耗。目前，堆肥發(fā)酵中的槽式翻堆機拋刀類型主要分為撥板式、普通L型式、旋切式。

鑒于旋切式結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的減阻降耗性能，本文采用旋切式拋刀，其刃口是一系列連續(xù)的曲線。其中，側(cè)切刃一般為等進螺線，即阿基米德螺旋線，主要作用是切割物料，具有良好切削、撕裂以及粉碎性能。正切刃是折彎得到的一段空間曲線，主要作用是拋灑物料。旋切式拋刀制造過程較為復(fù)雜，為了降低加工制作成本，選用國標(biāo)II T245旋耕刀作為拋刀。

2.2.2 拋刀排列設(shè)計

刀軸旋轉(zhuǎn)方向分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，兩種方式各有優(yōu)劣。正轉(zhuǎn)時刀輥轉(zhuǎn)向與行走驅(qū)動輪轉(zhuǎn)向相同，與反轉(zhuǎn)相比，其牽引力較小，作業(yè)功耗也較小[17]。刀輥反轉(zhuǎn)時，刀片自下而上切削菌料，刀尖水平速度方向與前進速度方向一致，不會出現(xiàn)推料現(xiàn)象，對菌料有良好的切割破碎作用，并且可以有效掩埋上層菌料，但作業(yè)功耗相對較高[18]。由此可知，對兩刀輥旋轉(zhuǎn)方向進行配置時，既要考慮菌料打碎混合的效果，又要權(quán)衡作業(yè)功耗問題。由于料堆上層菌料較為松散，碎料刀輥采用正轉(zhuǎn)即可達到較好的破碎效果，而底層菌料相對緊實，翻料刀輥旋轉(zhuǎn)方向則通過后續(xù)仿真分析確定。圖4中刀輥旋向組合稱為正—正，即碎料刀輥與翻料刀輥均為正轉(zhuǎn)，反之，若碎料刀輥正轉(zhuǎn)、翻料刀輥反轉(zhuǎn)，則刀輥旋向組合稱為正—反。單個刀輥的三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 刀輥結(jié)構(gòu)圖

綜合分析考慮，為避免漏翻區(qū)域產(chǎn)生，合理設(shè)置軸向相鄰拋刀的安裝間距，翻堆機刀輥工作幅寬Bz、軸向相鄰拋刀的安裝間距D以及拋刀總數(shù)N(取值為偶數(shù))之間滿足以下關(guān)系

(3)

根據(jù)要求設(shè)計的翻堆機工作幅寬為1 000 mm，取拋刀安裝間距為40 mm，計算得到拋刀總數(shù)24把，相繼工作的拋刀周向夾角為15°。拋刀排列展開圖如圖6所示。

圖6 拋刀排列展開圖

3 翻堆裝置離散元模型構(gòu)建與工作過程模擬

分析可知，兩刀輥不同的空間結(jié)構(gòu)配置會影響翻堆作業(yè)后菌料的混合效果以及作業(yè)功耗。因此，在保證整機前進速度與刀輥轉(zhuǎn)速一定的前提下(前進速度為0.12 m/s，刀輥轉(zhuǎn)速為225 r/min)，取雙輥軸間距、軸線夾角為試驗因素開展虛擬仿真試驗研究。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀并綜合考慮整機尺寸、料堆尺寸等因素，確定雙輥軸間距范圍為525～625 mm，軸線夾角為20°～40°。

3.1 作業(yè)性能指標(biāo)設(shè)計

3.1.1 混合效果

翻堆作業(yè)要求菌料均勻混合，以促進菌料均勻發(fā)酵。菌料打碎混合過程較為復(fù)雜，為了定量分析翻堆作業(yè)后菌料的混合效果，采用混合系數(shù)進行評價

混合系數(shù)由變異系數(shù)衍生而來，變異系數(shù)又稱為離散度，可以比較客觀地反應(yīng)物料的混合效果。變異系數(shù)越小，顆?；旌显骄鶆?，反之混合效果越差，其范圍為0～1。為使變異系數(shù)的數(shù)值大小與混合效果呈正相關(guān)，故引入混合系數(shù)，其表達式為

Rv=1-Cv

(4)

式中：Rv——混合系數(shù)；

Cv——變異系數(shù)。

翻堆作業(yè)完畢后，利用EDEM后處理模塊中的selection功能將預(yù)先指定的分析區(qū)域劃分為6個小格，如圖7所示。統(tǒng)計每個網(wǎng)格內(nèi)墨綠色顆粒的質(zhì)量并計算其百分比，按式(5)～式(7)計算變異系數(shù)。

(5)

(6)

(7)

式中：Ns——樣本數(shù)量；

xi——各網(wǎng)格內(nèi)墨綠色顆粒的比例；

σs——墨綠色顆粒比例標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖7 顆粒統(tǒng)計區(qū)域劃分

3.1.2 作業(yè)功耗

在尋求較優(yōu)菌料混合效果的同時，應(yīng)該盡可能減少機組作業(yè)的功耗，因此選取功耗也作為試驗指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)力學(xué)原理可知，刀輥作業(yè)功耗與刀輥轉(zhuǎn)速及其所受扭矩滿足如下關(guān)系

(8)

式中：Pt——刀輥作業(yè)功率，W；

T——刀輥所受扭矩，N·m；

n——刀輥轉(zhuǎn)速，r/min。

通過前期對料堆的粒徑、含水率、堆積密度、摩擦系數(shù)等參數(shù)的測量，從而構(gòu)建仿真模型。

3.2 仿真模型構(gòu)建

建立三維尺寸(長×寬×高)為6 m×0.38 m×0.6 m的料堆，采用靜態(tài)方式生成顆粒，將料堆分為上下兩層并以不同顏色標(biāo)記。待物料穩(wěn)定后去除槽體對料堆四周的限定，長度方向上不做任何限制使物料自由坍塌，寬度方向上采用周期性邊界條件，初始時翻堆裝置位于料堆一端，如圖8所示。設(shè)置翻堆裝置前進速度以及轉(zhuǎn)速，作業(yè)時間65 s。仿真時步取Rayleith時間步長的30%，網(wǎng)格尺寸取為最小球形單元尺寸。

圖8 虛擬仿真模型

3.3 翻堆過程仿真

仿真時，確立兩刀輥的軸間距在520～530 mm范圍內(nèi)，軸線夾角在30°～40°范圍內(nèi)，然后通過Central Composite Design (CCD)試驗以混合系數(shù)和作業(yè)功耗為評價指標(biāo)，以軸間距和軸線夾角為影響因素，尋找兩刀輥軸間距和軸線夾角的最優(yōu)組合。根據(jù)CCD試驗方案開展EDEM仿真試驗，試驗方案及結(jié)果如表1所示，試驗過程如圖9所示。

表1 CCD試驗方案及結(jié)果Tab. 1 CCD test program and results

(a) 入料階段

(c) 出料階段

3.4 仿真結(jié)果分析

通過Design Expert 8.0.5軟件得到混合系數(shù)Rv、翻堆機作業(yè)功耗Pt與軸間距L和軸線夾角α的回歸模型

Rv=0.82+0.034L+0.033α-0.045αL-

0.039L2-0.036α2

(9)

Pt=1.69+0.025L+0.023α+

0.095L2+0.07α2

(10)

兩個回歸模型的方差分析如表2所示，兩回歸模型的P值都很小，表明兩回歸模型都能很好地表達響應(yīng)值與兩參數(shù)之間的關(guān)系。兩回歸模型的決定系數(shù)R2分別為0.971 9和0.956 4，說明回歸模型的擬合精度較高。按對各響應(yīng)值影響從大到小排序，對混合系數(shù)影響顯著項為軸間距L、軸線夾角α，對作業(yè)功耗影響顯著項為軸間距L、軸線夾角α。軸間距L和軸線夾角α對混合系數(shù)、翻堆機作業(yè)功耗的交互作用如圖10、圖11所示。

在Design Expert軟件中，以作業(yè)功耗Pt最小，混合系數(shù)Rv最大為優(yōu)化目標(biāo)，對二階回歸方程式(9)和式(10)進行優(yōu)化求解。解得最優(yōu)組合：軸間距L為525.17 mm，軸線夾角為35.25°，此時混合系數(shù)為0.817 5，作業(yè)功耗為1.696 kW。將最優(yōu)參數(shù)解帶入仿真試驗，其他參數(shù)均與CCD試驗中相同，進行驗證。仿真試驗結(jié)果顯示當(dāng)軸間距L為525.17 mm，軸線夾角為35.25°時，此時的混合系數(shù)為0.819 4，作業(yè)功耗為1.702 kW。仿真結(jié)果與CCD試驗結(jié)果的誤差分別為0.23%和0.35%。

所以通過EDEM仿真分析，確定兩刀輥的軸間距為525.17 mm，兩刀輥軸線夾角為35.25°。

表2 二次回歸方差分析Tab. 2 Quadratic regression analysis of variance

圖10 軸間距和軸線夾角對混合系數(shù)的影響

圖11 軸間距和軸線夾角對功耗的影響

4 實地驗證試驗

4.1 試驗準(zhǔn)備

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和設(shè)計方案的可行性，同時測試樣機的作業(yè)效果，研究該裝置在不同工作條件下的作業(yè)質(zhì)量。試驗于2020年12月在重慶市某食用菌種植有限公司開展，作業(yè)對象為雙孢菇培養(yǎng)料(玉米芯與牛糞按5∶1的比例混合而成)。試驗前，對培養(yǎng)料進行噴水處理(以手握物料指間有水浸出為宜)，攪拌均勻后將其堆砌為條垛狀，料堆規(guī)格(長×寬×高)為10 m×1 m×0.6 m。

為便于分析翻堆作業(yè)后上下層物料的混合效果，在料堆3 m、5 m、7 m處分別放入不同顏色的厘米標(biāo)記塊以區(qū)別上下層物料，下層為綠色、上層為紅色，總共放置6個截面的標(biāo)記塊[18]，每個截面間隔100 mm，即在距離地面50 mm、150 mm、250 mm、350 mm、450 mm、550 mm處，每個截面標(biāo)記塊數(shù)目為60個(10×6)，按間距100 mm×100 mm均勻擺放。建堆完畢后堆放10天，待培養(yǎng)料快速發(fā)酵后進行試驗[19-23]。料堆堆制過程如圖12所示。

圖12 料堆堆制

4.2 試驗結(jié)果

將食用菌培養(yǎng)料雙輥式翻堆機的工作參數(shù)調(diào)整至仿真值開展實地驗證試驗。即前進速度為0.12 m/s，刀輥轉(zhuǎn)速為225 r/min，對作業(yè)后的菌料混合效果和功耗進行測試，取各指標(biāo)測量結(jié)果的平均值作為試驗結(jié)果，如表3所示，實地試驗如圖13所示。

表3 試驗驗證結(jié)果Tab. 3 Test verification results

圖13 作業(yè)效果圖

由表3可知，實測混合系數(shù)為0.714，實測作業(yè)功耗為1.828 kW，相比仿真結(jié)果，二者的相對誤差分別為12.86%和7.40%?；旌舷禂?shù)的誤差主要是由建模時對仿真模型進行了一定程度上的簡化所造成的，同時標(biāo)記塊與菌料的物理特性并非完全一樣，導(dǎo)致其運動效果存在一定差異，而功耗誤差則可能是由于整機運動參數(shù)存在波動性、料堆內(nèi)菌料參數(shù)不完全一致等。但在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，該誤差是可接受的，因此，利用離散元法進行翻堆作業(yè)混合效果的研究是可行的。

5 結(jié)論

1) 本文以食用菌培養(yǎng)料為作業(yè)對象，在現(xiàn)有翻堆技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了一種雙輥式翻堆機，對翻堆機的關(guān)鍵部件進行設(shè)計，確定選用國標(biāo)Ⅱ T245旋耕刀作為拋刀，拋刀總數(shù)24把，拋刀周向夾角為15°。

2) 以兩刀輥的軸間距和軸線夾角為變量開展翻堆性能仿真試驗，仿真結(jié)果表明軸間距為525.17 mm、軸線夾角為35.25°，對應(yīng)的菌料的混合系數(shù)為0.819 4、全刀輥作業(yè)功耗為1.702 kW。

3) 試制雙輥式翻堆機樣機并進行了實地試驗，結(jié)果顯示混合系數(shù)為0.732，作業(yè)功耗為1.828 kW，與仿真值的誤差分別為12.86%、7.40%，驗證了離散元模擬翻堆作業(yè)的正確性與可行性。