黑木耳短棒擺場機(jī)研制與試驗(yàn)

摘要：針對黑木耳短棒擺場作業(yè)勞動強(qiáng)度大、擺場間距參差不齊、機(jī)械化自動化程度低等問題，結(jié)合地栽菌棒擺場的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種自動擺場機(jī)。通過對菌棒箱、推料機(jī)構(gòu)、升降平臺和扶正機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)菌棒擺場過程的自動化、機(jī)械化。為驗(yàn)證擺場機(jī)的作業(yè)性能，以扶正機(jī)構(gòu)的軟管孔徑、軟管下壓離地高度及軟管上升速度為試驗(yàn)因素，以菌棒的立正率為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)并開展三因素三水平正交試驗(yàn)。結(jié)果表明，該擺場機(jī)能達(dá)到較高的菌棒立正率，且菌棒間距均勻，菌棒橫向間距保持在260 mm左右，縱向距離保持在200～400 mm。當(dāng)軟管孔徑為150 mm、軟管下壓離地高度為100 mm、軟管上升速度為40 mm/s時(shí)，擺場機(jī)的菌棒立正率達(dá)97%以上，且在此條件下擺場效率達(dá)900棒/h。研制的菌棒自動擺場機(jī)實(shí)現(xiàn)菌棒擺場作業(yè)的自動化及機(jī)械化，減輕對人工的依賴，且擺放的菌棒間距比人工擺放更均勻、更標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：黑木耳；菌棒；擺場機(jī)；推料機(jī)構(gòu)；扶正機(jī)構(gòu)

中圖分類號：S223" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2025） 04?0186?09

Design and experiment on short stick field swing machine for black fungus

Zheng Xiongwen Yang Zhenhua Lin Jiqing Qian Chen Zhu Xianfa Du Xiaoqiang

（1. School of Mechanical Engineering， Zhejiang Sci?Tech University， Hangzhou， 310018， China;

2. Longquan Guyuan Automation Equipment Co.， Ltd.， Longquan， 323700， China; 3. Zhejiang Provincial Key Laboratory of Agricultural Intelligent Sensing and Robotics， Hangzhou， 310018， China）

Abstract： Aiming at the problems of high labor intensity， uneven spacing and low degree of mechanization and automation in the field swing operation of short black fungus sticks， an automatic field swing machine was designed and tested by combining with the agronomic requirements of field swing of ground?planted sticks. Through the design and optimization of key components such as short stick container， pushing mechanism， lifting mechanism and stabilizing mechanism， the automation and mechanization of field swing process of short black fungus sticks was realized. In order to verify the operational performance of the field swing machine， a three?factor， three?level orthogonal test was designed and carried out with the aperture diameter of the hose of the centralizer， the minimum distance of the telescoping hose from the ground and the telescoping speed of the hose as the test factors， and the upright rate of the short black fungus sticks as the test indexes. The results of the field test show that the field swing machine can achieve high upright rate and uniform spacing of short black fungus sticks， the spacing between the stick rows is maintained at about 260 mm， and the spacing in the stick rows is maintained at 200-400 mm. When the diameter of the hose is 150 mm， the minimum distance from the ground is 100 mm， and the hose telescoping speed is 40 mm/s， the upright rate of sticks realized by the field swing machine is more than 97%， and the efficiency is 900 sticks/hour. The proposed automatic stick swing machine can realize the automation and mechanization of the field swing operation， reduce the dependence on manual labor， and the spacing of the mushroom sticks is more uniform and standard than the manual labor.

Keywords： black fungus; fungal stick; swing machine; pushing mechanism; aligning mechanism

0 引言

隨著中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的不斷推進(jìn)，機(jī)械化在提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和降低勞動強(qiáng)度方面發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。黑木耳作為世界上最重要的四大人工栽培食用菌之一，富含多種人體所需氨基酸[2]，在中國擁有廣泛的種植面積和巨大的市場需求，并逐漸成為一些地區(qū)在產(chǎn)業(yè)調(diào)整轉(zhuǎn)型中的中堅(jiān)力量[3]。在傳統(tǒng)黑木耳種植環(huán)節(jié)中，已有不少針對黑木耳全過程機(jī)械化的研究，大部分環(huán)節(jié)如制料攪拌、裝袋、滅菌、接種、打口、采收及烘干等工序可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)[4， 5]，但都忽略了一個(gè)勞動力高度密集的環(huán)節(jié)——把完成刺孔的菌棒擺放到露地耳床的過程，即菌棒的擺場或排場[6]。目前菌棒的擺場大多是人工搬到地里，再擺到地面，存在勞動強(qiáng)度大、人工成本高和菌棒擺放間距不均勻等問題[7]。

目前，針對菌棒擺場作業(yè)的相關(guān)研究較少。人工擺場的操作者平均每小時(shí)只能處理菌棒約200棒，而且由于重復(fù)性勞動，操作者常出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象，不僅影響作業(yè)效率，也影響擺場菌棒間距的整齊性。此外，這種傳統(tǒng)方法的勞動強(qiáng)度和低效率很難吸引年輕勞動力，從而對黑木耳產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成挑戰(zhàn)。因此，為提高黑木耳菌棒擺場的自動化程度及作業(yè)效率，降低勞動強(qiáng)度，需要進(jìn)行短棒菌棒自動擺場裝置的研究。

綜上，本文設(shè)計(jì)開發(fā)一種黑木耳短棒自動擺場機(jī)，適用于黑木耳短棒（以下簡稱菌棒）的地栽擺場，旨在通過機(jī)械化技術(shù)提高擺場效率，并減少人工依賴。

1 菌棒擺場農(nóng)藝要求

目前的菌棒均為全自動木耳菌包裝袋機(jī)自動生產(chǎn)，菌棒重量及長度穩(wěn)定性高[8]，故對菌棒的物理特性進(jìn)行測定，以開展擺場機(jī)的設(shè)計(jì)。以“黑山15號”短菌棒為研究對象，菌棒呈圓柱形，種植時(shí)需將菌棒直立在覆蓋薄膜的土地上，每個(gè)菌棒間需要有足夠的間距，以獲得充足的光照和水分。菌棒擺場相關(guān)參數(shù)如表1所示。

菌棒的人工擺場效果如圖1所示，針對其菌棒擺放雜亂、間距參差不齊的問題，開展菌棒擺場機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

黑木耳短棒擺場機(jī)主要由菌棒箱、升降平臺、推料機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)、扶正機(jī)構(gòu)（可替換為扎孔機(jī)構(gòu)）和動力底盤組成，如圖2所示。

2.2 工作原理

擺場機(jī)工作前，需將菌棒底部朝前裝入菌棒箱中，菌棒箱下降到最低位置，此時(shí)懸掛在菌棒箱外面的推桿機(jī)構(gòu)與菌棒箱最上層對齊，外導(dǎo)軌與菌棒箱內(nèi)導(dǎo)軌相互對齊，推桿機(jī)構(gòu)沿著導(dǎo)軌行進(jìn)，進(jìn)入菌棒箱內(nèi)推動整層的菌棒前進(jìn)，菌棒箱前面的一排菌棒被推出菌棒箱，在重力的作用下沿著過渡斜坡I滑入輸送機(jī)構(gòu)；輸送機(jī)構(gòu)為帶有格子的傳送帶，能把菌棒分開一排排地往下運(yùn)輸；菌棒到達(dá)傳送帶底端，在重力作用下，沿過渡斜坡Ⅱ滑進(jìn)換向器，完成由傾斜姿態(tài)到豎直姿態(tài)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)入扶正機(jī)構(gòu)；扶正機(jī)構(gòu)在菌棒到達(dá)之前完成下降動作，在菌棒滑落作自由落體運(yùn)動的過程中護(hù)住菌棒，使得菌棒始終保持豎直狀態(tài)；在菌棒接觸地面落穩(wěn)之后，扶正機(jī)構(gòu)執(zhí)行抬起動作回歸初始位置，動力底盤驅(qū)動擺場機(jī)整體往前移動一個(gè)工位的距離。至此，一排菌棒的擺場流程完成；在推料機(jī)構(gòu)推完一層菌棒（5排）后，推桿電機(jī)執(zhí)行回歸命令，往回運(yùn)動退出菌棒箱，返回外掛在機(jī)架上的懸停平臺，等待升降平臺托著菌棒箱往上抬升一層，重復(fù)上述一層的擺場過程。直至完成整個(gè)菌棒箱中菌棒（8層）的推送作業(yè)，升降平臺下降，回歸到最低位置，即初始位置，完成整個(gè)擺場過程。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 菌棒箱

考慮到黑木耳菌棒無法承受堆疊壓力的特性，以及為確保擺場作業(yè)中菌棒的間距，菌棒箱的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。此外，菌棒箱的設(shè)計(jì)需考慮到換層和推料過程中的力學(xué)和動態(tài)平衡，確保擺場過程的連續(xù)性和效率。

菌棒箱的設(shè)計(jì)參數(shù)需要根據(jù)菌棒的尺寸和預(yù)定擺場間距進(jìn)行優(yōu)化。選取浙江省龍泉市特定種植的“黑山15號”黑木耳短棒為研究對象，以確保設(shè)計(jì)的適應(yīng)性。根據(jù)短棒擺場作業(yè)需要將菌棒窩口朝下直立在地面，且菌棒間距要滿足200～400 mm，選擇100棒菌棒進(jìn)行測量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，菌棒的直徑為100～115 mm，高度為220～230 mm。因此，菌棒箱結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足式（1）。

根據(jù)菌棒擺場的農(nóng)藝要求及整機(jī)的尺寸限制，壟面寬度為1.6 m，菌棒箱的總寬度應(yīng)小于1.6 m，且在1.6 m寬壟面均勻擺放6棒菌棒，即菌棒間距為0.266 7 m，取整為267 mm；菌棒的直徑為100～115 mm，可先取菌棒通道寬度為120 mm，最終得出設(shè)計(jì)參數(shù)：菌棒通道寬度C為120 mm，菌棒通道擋板高度H為40 mm，相鄰菌棒通道間隔距離L為267 mm。以上參數(shù)確保了菌棒箱在避免菌棒堆疊的前提下，實(shí)現(xiàn)較高的菌棒容納量。菌棒箱結(jié)構(gòu)如圖3所示。

菌棒箱設(shè)計(jì)為8層，每一層設(shè)有6個(gè)菌棒通道，每個(gè)通道可裝載5個(gè)菌棒，即整箱滿載菌棒數(shù)Q為240棒。圖3中兩根方管導(dǎo)軌為菌棒箱內(nèi)導(dǎo)軌，與懸掛在機(jī)架上的外導(dǎo)軌對接，使得懸停在外導(dǎo)軌上的推送機(jī)構(gòu)可沿著兩段對接的導(dǎo)軌進(jìn)出菌棒箱，從而完成菌棒推送作業(yè)及推桿回歸作業(yè)。

3.2 升降平臺

由于菌棒箱為8層箱體，擺場機(jī)作業(yè)時(shí)需將每層菌棒推出菌棒箱，故設(shè)計(jì)一個(gè)升降平臺來承載菌棒箱作升降運(yùn)動。考慮到菌棒箱換層的復(fù)雜性及推桿機(jī)構(gòu)進(jìn)出的精度要求，設(shè)計(jì)一種豎直方向上的絲桿升降機(jī)制[9， 10]。該平臺不僅保證換層過程的平穩(wěn)和準(zhǔn)確，而且提高整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠性和耐用性。如圖4所示，采用絲桿升降機(jī)作為驅(qū)動方式，通過電機(jī)輸出的雙向扭矩同步控制升降機(jī)的運(yùn)動，且升降平臺上設(shè)置一個(gè)槽型光電傳感器，在平臺上升的時(shí)候會遇上預(yù)先設(shè)置好的一排定距鋁制遮光片，觸發(fā)光電傳感器信號，控制系統(tǒng)讓電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)升降平臺的精準(zhǔn)上升[11]。

電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿時(shí)，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算[12]如式（2）所示。

以上是以滾珠絲桿為對象的選型計(jì)算，梯形絲桿的選型過程與之類似，區(qū)別在于滾珠絲桿比梯形絲桿的傳動效率高得多，而梯形絲桿有滾珠絲桿不具備的自鎖性?？紤]到實(shí)際使用時(shí)對精度要求較高，負(fù)載較大，需要更好的結(jié)構(gòu)自鎖性，同時(shí)為降低成本，從實(shí)用性角度出發(fā)，選擇梯形絲桿作為替代，伺服電機(jī)作為動力裝置。梯形絲桿的傳動效率大概為滾珠絲桿的25%～50%，取25%，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的效率損失較大，電機(jī)啟停時(shí)需要較大轉(zhuǎn)矩，且機(jī)構(gòu)安裝存在誤差，會增加實(shí)際負(fù)載，所以選用電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩要大于計(jì)算得到的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，取安全系數(shù)為9，則負(fù)載轉(zhuǎn)矩為15.12 [N ? m]。根據(jù)現(xiàn)有電機(jī)規(guī)格，選用110AEA15030伺服電機(jī)，加裝減速比為3.25的減速機(jī)，滿足使用要求。

3.3 推料機(jī)構(gòu)

為滿足菌棒箱逐層升降的需求，推料機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)為獨(dú)立且靈活的單獨(dú)模塊。這種設(shè)計(jì)允許推料機(jī)構(gòu)在不與菌棒箱固定連接的情況下自由進(jìn)出，從而實(shí)現(xiàn)高效率的菌棒推送。如圖5所示，推桿為左右對稱結(jié)構(gòu)，由40伺服電機(jī)驅(qū)動齒輪在齒條上行走，電機(jī)兩邊配備減速比為1∶20的減速機(jī)，底座帶槽的滾輪與底部方管導(dǎo)軌相契合，如圖5（b）所示，推桿初始懸停在固定于升降平臺外框架上的外掛方管導(dǎo)軌上，如圖5（c）所示，此時(shí)外掛方管導(dǎo)軌與菌棒箱內(nèi)方管導(dǎo)軌對齊，外掛齒條與菌棒箱內(nèi)齒條對齊，推桿機(jī)構(gòu)可沿著對接的兩端導(dǎo)軌進(jìn)入菌棒箱，達(dá)到推送菌棒的目的，并在推送結(jié)束后原路返回外掛導(dǎo)軌，菌棒箱可執(zhí)行上升換層步驟。

推料過程中，推桿需克服的主要阻力包括一層菌棒與菌棒箱底板的動摩擦力[Ff1]、推桿底座滾輪與導(dǎo)軌的滾動摩擦力[Ff2]，通過推拉力機(jī)來測量[Ff1]，在菌棒箱里裝滿菌棒，在不同的通道用推拉力計(jì)測力頭頂住每個(gè)通道的第一個(gè)菌棒，把推拉力計(jì)讀數(shù)歸0，然后沿菌棒通道方向推動菌棒，使整排菌棒發(fā)生滑動，此時(shí)記錄推拉力計(jì)峰值讀數(shù)。多次測量數(shù)據(jù)表明，單排菌棒所需推力約為20～30 N，取上限30 N，推力測量結(jié)果如表2所示。所選驅(qū)動齒輪為2模19齒直齒輪，即分度圓直徑為38 mm，則

由于[Ff2]無法直接測量，根據(jù)實(shí)際調(diào)試的數(shù)據(jù)可知，[Ff2=Ff1/3=30×6/3=60] N。代入式（3），計(jì)算得出理論所需扭矩約為4.56 N ? m，基于這些數(shù)據(jù)和機(jī)械設(shè)計(jì)原理，安全系數(shù)取3，得出電機(jī)所需輸出的扭矩為13.68 N ? m，以確保推料機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和效率。根據(jù)現(xiàn)有電機(jī)規(guī)格，選用SD40AEA10030伺服電機(jī)，加裝減速比為20的減速機(jī)，滿足使用要求。

3.4 扶正機(jī)構(gòu)

扶正機(jī)構(gòu)直接影響菌棒的立正率及最終的擺放效果。菌棒在擺場過程中處于自由落體狀態(tài)，其能否安全落地并保持直立，不僅取決于地面的平整度和松軟程度，還與菌棒底部的平整度及其與地面的撞擊角度息息相關(guān)。由于逐一分析這些變量較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)一種機(jī)械式扶正方案。該方案在菌棒下落過程中通過管道提供保護(hù)，確保菌棒在下落過程中始終保持豎直姿態(tài)，從而使菌棒在與地面碰撞時(shí)能夠穩(wěn)定直立。在菌棒平穩(wěn)落地后，扶正機(jī)構(gòu)執(zhí)行上升動作回歸初始位置，完成扶正過程。扶正機(jī)構(gòu)如圖6所示。

伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲桿直接連接，通過同步帶同步輪結(jié)構(gòu)帶動另一根絲桿，從而驅(qū)動下壓支撐平臺升降。在輸送帶往換向器輸送菌棒之前，下壓支撐平臺下降，使得風(fēng)琴管拉伸形成下落通道，然后傳送帶轉(zhuǎn)動一個(gè)步長，菌棒從傳送帶落向換向器，在換向器的作用下菌棒轉(zhuǎn)換為豎直姿態(tài)落入伸縮軟管形成的下落通道，可避免因落地沖擊導(dǎo)致的翻倒，待菌棒落穩(wěn)后下壓支撐平臺上升，擺場機(jī)整體前進(jìn)，進(jìn)入下一行菌棒的擺場流程。

3.5 底盤

擺場機(jī)所用的電動底盤為定制電動底盤，根據(jù)菌棒擺場的農(nóng)藝要求，底盤需要橫跨壟面，即輪距需大于壟面寬度1.6 m。設(shè)計(jì)底盤長度為3.8 m，寬度為2.4 m，輪距為2.2 m，底盤離地高度為0.5 m，由一塊72 V的鋰電池供電，經(jīng)過變壓器、逆變器等元件對整機(jī)的各運(yùn)動部件供電，并且配備汽油增程器，可應(yīng)對田間作業(yè)無供電環(huán)境下長時(shí)間作業(yè)的工況。

底盤作為移動平臺，需承載整個(gè)作業(yè)機(jī)構(gòu)的重量，通過三維建模軟件SolidWorks進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，并對模型進(jìn)行質(zhì)量估算，得到底盤需承載的上部機(jī)構(gòu)的總重量約為1 200 kg。近似把此負(fù)載看作施加在底盤兩根縱向支撐梁上的均布載荷，支撐梁的最大撓度計(jì)算如式（4）所示。

所選搭建底盤的鋼材尺寸為80 mm×40 mm，壁厚為3 mm的鋼管，經(jīng)計(jì)算I為5.6×10-7 m4，梁中心的最大撓度約為0.036 m。這是將底盤承重結(jié)構(gòu)簡化為兩根縱向簡支梁的結(jié)果，實(shí)際底盤結(jié)構(gòu)會增加大量支撐橫梁來提高底盤的強(qiáng)度，故實(shí)際撓度會遠(yuǎn)小于0.036 m，符合使用要求。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)采用浙江省麗水市龍泉市地區(qū)廣泛種植的黑木耳短棒“黑山15號”，自制擺場機(jī)如圖7所示。試驗(yàn)場地經(jīng)過整平，壟面到水溝高度為0.1 m，壟面寬1.6 m。

4.2 試驗(yàn)指標(biāo)

以菌棒的立正率作為擺場機(jī)的性能指標(biāo)。菌棒立正率是指菌棒直立成功數(shù)與總擺場菌棒數(shù)的百分比。菌棒直立成功定義：每次擺場菌棒數(shù)符合設(shè)定，菌棒正常直立，不倒伏，擺好的菌棒左右對齊，橫向間距與設(shè)定值（267 mm）的差值不超過30 mm。菌棒立正率Y的計(jì)算如式（5）所示。

4.3 試驗(yàn)因素

1） 軟管孔徑大小。扶正機(jī)構(gòu)中的伸縮軟管孔徑大小是影響擺場機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一?？讖匠叽缰苯雨P(guān)系到菌棒下落的順暢度以及擺放精確性?？讖竭^小可能導(dǎo)致菌棒在下落過程中遭遇阻礙，增加菌棒堵塞的風(fēng)險(xiǎn)，從而影響后續(xù)菌棒的正常下落。此外，過小的孔徑限制擺場速度，降低作業(yè)效率。相反，孔徑過大雖然能夠減少下落阻力，提高下落速度，但過大的空間使得軟管無法有效支撐和引導(dǎo)菌棒直立落地，增加了菌棒傾倒的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在地面不平整的情況下?？紤]到這些因素，試驗(yàn)設(shè)定3個(gè)孔徑水平：孔徑比菌棒直徑大20 mm、40 mm、60 mm，研究孔徑大小對菌棒立正率及擺放間距的影響。

2） 軟管下壓離地高度。軟管下壓離地高度是確定軟管在引導(dǎo)菌棒直立落地過程中有效性的重要參數(shù)。該參數(shù)影響菌棒落地的穩(wěn)定性和直立性。適當(dāng)?shù)南聣焊叨瓤梢源_保菌棒在落地時(shí)得到軟管的有效支撐，減少因地面不平引起的菌棒傾倒概率。過高的下壓離地高度可能導(dǎo)致菌棒在落地瞬間無法獲得足夠的支撐，增加傾倒風(fēng)險(xiǎn)；而過低的下壓離地高度則可能過度限制菌棒的落地動作，影響擺放效率?；谶@些考慮，試驗(yàn)選擇50 mm、100 mm和150 mm作為軟管下壓離地高度的3個(gè)試驗(yàn)水平。

3） 軟管上升速度。軟管的上升速度直接影響到菌棒擺放后的穩(wěn)定性及作業(yè)效率。上升速度過快可能會在菌棒尚未穩(wěn)定落地時(shí)就撤去支撐，從而增加菌棒傾倒的風(fēng)險(xiǎn)。相反，上升速度過慢則會降低作業(yè)效率，延長擺場作業(yè)的總時(shí)間。合理的上升速度應(yīng)保證菌棒穩(wěn)定落地并能迅速進(jìn)行下一步操作，以提高整體作業(yè)效率。因此，試驗(yàn)設(shè)定慢速（20 mm/s）、中速（40 mm/s）、快速（60 mm/s）3個(gè)不同的上升速度水平，評估其對擺場效率和菌棒立正率的影響。

通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)評估上述3個(gè)因素及其不同水平對擺場機(jī)性能的影響，特別是對菌棒立正率的影響，以便為擺場機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。通過這一試驗(yàn)，確定最佳的操作參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的菌棒擺放作業(yè)。綜上，設(shè)定3種主要試驗(yàn)因素及水平，如表3所示。

4.4 試驗(yàn)安排與結(jié)果

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)擺場機(jī)的性能，特別是在提升菌棒立正率方面的效能，采用三因素三水平正交試驗(yàn)法[13， 14]。試驗(yàn)主要目的是評估扶正機(jī)構(gòu)對菌棒立正率的影響，并通過統(tǒng)計(jì)分析來定量化效果。樣機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)為龍泉市某農(nóng)場，于2023年11月進(jìn)行試驗(yàn)。場地已按照表1的技術(shù)要求進(jìn)行平整，在保證壟面寬度、高度的前提下，對壟面進(jìn)行平整[15]，盡量減少場地因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

4.4.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：選取標(biāo)準(zhǔn)尺寸的黑木耳短棒，并在實(shí)際的田間條件下進(jìn)行擺場試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用的短棒均由同一批次生產(chǎn)，以保證尺寸和質(zhì)量的一致性。

試驗(yàn)過程：將菌棒裝填在擺場機(jī)的菌棒箱中，通過整機(jī)各部件的聯(lián)動進(jìn)行擺放。每次試驗(yàn)擺放100棒菌棒，重復(fù)3次，取平均值，以確保數(shù)據(jù)的可靠性。

數(shù)據(jù)記錄：每次試驗(yàn)后，記錄每次擺放后菌棒的立正情況，包括成功立正和未能立正的數(shù)量。

4.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3設(shè)定的三因素三水平，以菌棒的立正率為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，擺場機(jī)整機(jī)運(yùn)作穩(wěn)定，扶正機(jī)構(gòu)的3個(gè)因素均對菌棒立正率產(chǎn)生影響。在進(jìn)行的一系列試驗(yàn)中，大部分菌棒均能成功立正。

根據(jù)表4的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design—Expert 10.0得到菌棒立正率的二次多項(xiàng)式回歸模型，如式（6）所示。

回歸模型方差分析結(jié)果如表5所示。可以看出，該回歸模型的P值在0.000 1以下，表明此回歸模型顯著度高；且模型失擬項(xiàng)的P值大于0.05，說明模型失擬項(xiàng)不顯著，回歸模型擬合度高。由軟管孔徑、軟管下壓離地高度、軟管上升速度的P值可判斷，軟管孔徑對菌棒立正率有極其顯著的影響，軟管下壓離地高度和軟管上升速度對菌棒立正率有顯著的影響，軟管孔徑對菌棒立正率的影響最大，軟管下壓離地高度和軟管上升速度對菌棒立正率的影響程度接近；隨著軟管孔徑和軟管下壓離地高度的增大，菌棒立正率降低，這是由于軟管孔徑的增大使得菌棒在下落的過程中失去豎直下落的姿態(tài)或在菌棒接觸地面的瞬間彈起，菌棒得不到有效的支撐，導(dǎo)致菌棒倒伏；而軟管上升速度對菌棒立正率影響較小，菌棒在落地站穩(wěn)后，除受到軟管的直接碰撞而倒伏外，菌棒將一直保持直立狀態(tài)。

回歸模型中的Plt;0.05，表明3個(gè)回歸項(xiàng)在回歸模型中交互影響顯著；模型的決定系數(shù)R2和校正決定系數(shù)均接近于1，變異系數(shù)與精密度分別為1.62%、16.406，表明該菌棒立正率擬合回歸模型具有較高的可靠性。綜上，菌棒立正率的最優(yōu)組合為A2B2C2。

4.5 擺場機(jī)擺場效率

作業(yè)效率是衡量農(nóng)業(yè)機(jī)械性能的重要指標(biāo)。針對所研制的擺場機(jī)，在軟管孔徑為150 mm、軟管下壓離地高度為100 mm、軟管上升速度為40 mm/s的條件下，通過對整機(jī)作業(yè)過程中各個(gè)環(huán)節(jié)的時(shí)長進(jìn)行分析，從而確定最佳作業(yè)流程，并確定此條件下的最優(yōu)作業(yè)效率[16]。另外，擺場機(jī)的運(yùn)作方式為步進(jìn)式前進(jìn)，即擺場機(jī)停留在原地?cái)[放好一排菌棒后，前進(jìn)一個(gè)工位再停住，然后擺放下一排菌棒。底盤的步進(jìn)式前進(jìn)與擺場動作的配合是通過單片機(jī)來控制，整機(jī)所有的配合都按照一定的時(shí)序被編寫在單片機(jī)的程序，通過單片機(jī)統(tǒng)一控制整機(jī)的各部件聯(lián)動。

4.5.1 影響作業(yè)效率的因素

作業(yè)效率影響因素主要有6個(gè)。（1）傳送帶動作頻率：即傳送帶把菌棒往下運(yùn)送到扶正機(jī)構(gòu)的頻率。（2）推桿機(jī)構(gòu)推送頻率：推桿機(jī)構(gòu)進(jìn)入菌棒箱中，把整層菌棒往傳送帶上推送的頻率，這與傳送帶動作頻率相匹配。（3）扶正機(jī)構(gòu)軟管伸縮速度：為使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定，設(shè)定軟管下降速度與上升速度保持一致，因底盤須等軟管上升后才能前進(jìn)，故軟管伸縮速度影響底盤前進(jìn)的時(shí)間間隔。（4）底盤前進(jìn)時(shí)間間隔：從前一排菌棒落穩(wěn)，伸縮軟管上升后，底盤前進(jìn)一個(gè)工位距離（400 mm）所需的時(shí)間。（5） 推桿機(jī)構(gòu)回歸復(fù)位時(shí)間：一層菌棒推送完后，推桿機(jī)構(gòu)回歸外掛懸停平臺所需的時(shí)間。（6）菌棒箱上升一層時(shí)間：推桿機(jī)構(gòu)復(fù)位后，菌棒箱上升一層所需時(shí)間。

4.5.2 擺場效率計(jì)算與驗(yàn)證試驗(yàn)

為得到各動作所需要的時(shí)間，用秒表對各個(gè)動作進(jìn)行單獨(dú)計(jì)時(shí)，每個(gè)動作計(jì)時(shí)重復(fù)6次，取各結(jié)果的平均值為該步驟所需的理論時(shí)間，結(jié)果如表6所示，其中有些動作是可以同時(shí)進(jìn)行，如傳送帶可與底盤同時(shí)運(yùn)動，推桿回歸可與除菌棒箱上升外的其他動作同時(shí)進(jìn)行?？紤]到機(jī)器的啟停間隔等因素，估算擺場一層菌棒所需時(shí)間t1為1 min。

由于所研制的擺場機(jī)需要人工把菌棒裝填到菌棒箱，裝滿一箱菌棒所需時(shí)間約為8 min，可知擺場一箱菌棒所需時(shí)間T1為16 min。則擺場機(jī)擺場效率Y2的計(jì)算如式（7）所示。

由式（7）可得，擺場機(jī)的擺場效率Y2=900棒/h，高于人工擺場速度（200棒/h），證明所研制的擺場機(jī)在提高黑木耳栽培效率方面的顯著作用。

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)：對菌棒裝箱時(shí)間、擺場一層時(shí)間、擺場一箱時(shí)間進(jìn)行實(shí)際計(jì)算，在田間試驗(yàn)的過程中，使用秒表記錄每一項(xiàng)所需要的實(shí)際時(shí)間，每一項(xiàng)重復(fù)試驗(yàn)6次，取6次數(shù)據(jù)平均值作為最終結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，菌棒裝箱時(shí)間為8 min±10 s、擺場一層時(shí)間為1 min±5 s、擺場一箱時(shí)間16 min±2 min，符合使用要求。

4.6 擺場菌棒的縱向誤差試驗(yàn)與分析

擺場機(jī)所采用的擺場方式為間歇性擺場，即整機(jī)移動到一個(gè)工位停住，擺放一排菌棒后再前進(jìn)一個(gè)工位。由于電動底盤的驅(qū)動電機(jī)為六相永磁電機(jī)，其電機(jī)本身無編碼器，無法像步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)那樣控制其轉(zhuǎn)動固定的圈數(shù)，故采用固定驅(qū)動時(shí)間的方式，即給底盤電機(jī)發(fā)送一個(gè)運(yùn)作固定時(shí)間的命令。經(jīng)過多次調(diào)試，在底盤電機(jī)驅(qū)動時(shí)間取0.5 s時(shí)，底盤所走的距離比較均勻。由于實(shí)際擺場的場地為露天大田，地面存在不同的坡度、坑洼或突起，這些因素會影響底盤每一步所走的距離。

在擺場機(jī)正常擺場結(jié)束后，用卷尺測量相鄰兩排菌棒間的縱向間距，結(jié)果如表7所示。

由于地面的不平整等因素，擺場機(jī)每一步前進(jìn)的距離誤差較大。在底盤電機(jī)驅(qū)動時(shí)間為0.5 s的情況下，擺場機(jī)步距為0.2～0.45 m。為避免菌棒因擺場失敗而傾倒碰到相鄰排的菌棒，菌棒的縱向間距應(yīng)大于單個(gè)菌棒的高度，即大于220 mm，表7中所測數(shù)據(jù)均滿足此條件，故取平均值0.337 m為擺場機(jī)的步距。

為評估擺場機(jī)擺放菌棒時(shí)縱向行距的一致性，計(jì)算菌棒縱向行距的變異系數(shù)CV，如式（8）所示。

將表7數(shù)據(jù)代入式（8）可得CV為19.67%，表明數(shù)據(jù)有一定的變異性，但并不是特別大；表明菌棒的縱向間距在不同測量點(diǎn)之間存在一定的變異，但總體上還是比較一致。

5 結(jié)論

1） 研制一種黑木耳短棒自動擺放機(jī)，通過各部件如菌棒箱、升降平臺、推料機(jī)構(gòu)、輸送帶及扶正機(jī)構(gòu)等有效聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)短菌棒的自動擺場作業(yè)。

2） 通過對樣機(jī)設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)，建立菌棒立正率擬合回歸模型，確定擺場機(jī)的最優(yōu)工作參數(shù)，即當(dāng)軟管孔徑為150 mm、軟管下壓離地高度為100 mm、軟管上升速度為40 mm/s時(shí)，擺場機(jī)的菌棒立正率在97%以上，且在此條件下擺場效率為900棒/h。

3） 試驗(yàn)結(jié)果表明，該擺場機(jī)能保證菌棒較高的立正率，可有效減輕擺場作業(yè)的人工依賴，試驗(yàn)結(jié)果滿足菌棒擺場應(yīng)用要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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