廢棄菌棒脫袋裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：針對廢棄菌棒二次利用覆土出菇技術(shù)過程中，菌棒脫袋環(huán)節(jié)人工持刀作業(yè)效率低、費(fèi)時(shí)費(fèi)力且有一定的作業(yè)危險(xiǎn)等問題，設(shè)計(jì)一種廢棄菌棒脫袋裝置。通過對菌棒脫袋過程深入剖析，結(jié)合機(jī)械原理進(jìn)行裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，涵蓋軸向割刀、圓盤切割機(jī)鋸片、壓板夾持機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件。對裝置進(jìn)行作業(yè)性能單因素試驗(yàn)，獲得影響脫袋作業(yè)性能的主要因素（圓盤切割鋸片轉(zhuǎn)速、輸送帶速度和軸向割刀速度）的水平取值范圍。為得到最佳工作參數(shù)，以圓盤切割鋸片轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、軸向割刀速度為試驗(yàn)因素，以菌棒脫袋合格率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。結(jié)果表明：切割鋸片轉(zhuǎn)速為303 r/min、輸送帶速度為0.1 m/s、軸向割刀速度為0.48 m/s時(shí)，廢棄菌棒脫袋裝置作業(yè)效果最好，在該參數(shù)組合下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，脫袋合格率為91.8%，滿足廢棄菌棒脫袋要求，為廢棄菌棒二次利用脫袋設(shè)備的研究與優(yōu)化提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：廢棄菌棒；二次利用；脫袋裝置；單因素試驗(yàn)；多因素試驗(yàn)

中圖分類號：S226.4" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2025） 04?0218?06

Design and experiment of bag removal device for discarded mushroom sticks

Yang Mo Bi Chunhui Jin Zhongyu Chen Changhai Jin Rongrong Ma Yongcai

（1. Harbin Academy of Agricultural Sciences， Harbin， 150029， China;

2. College of Engineering， Heilongjiang Bayi Agricultural University， Daqing， 163000， China）

Abstract： Aiming at the inefficiency， time?consuming nature， and labor?intensive manual knife operations in the bag removal process of discarded mushroom sticks for mulching and secondary mushroom production， a device for automated bagging of discarded mushroom sticks was designed. The whole structure of the device is designed based on the mechanical principle， including key components such as axial cutter， disc cutter blade and clamping mechanism. The horizontal value range of the main factors affecting the operation performance of the disc?cutting saw blade， conveyor belt speed and axial cutter speed was obtained by single factor test. To optimize these parameters， a quadratic regression orthogonal rotation combination test was performed， with the de?bagging performance as the evaluation criterion. Experimental results demonstrated that the optimal operational parameters were a disc cutting saw blade speed of 303 r/min， conveyor belt speed of 0.1 m/s， and axial cutter speed of 0.48 m/s. Under these conditions， the device achieved a de?bagging qualified rate of 91.8%， thereby meeting the requirements for effective bag removal in the secondary utilization of discarded mushroom sticks. This study provides a technical foundation for further research and optimization of bag removal equipment， offering a promising solution for the efficient reuse of discarded mushroom sticks in agricultural applications.

Keywords： waste mushroom sticks; secondary use; bag removal device; single factor experiment; multifactorial experiment

0 引言

2022年，我國食用菌產(chǎn)量高達(dá)4.222×109 t，占全球總產(chǎn)量的70%以上，并且產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍在持續(xù)擴(kuò)大，食用菌已成為糧食、油料、果樹、蔬菜之后的第五大類作物[1]。伴隨而來，每年都產(chǎn)生大量的只經(jīng)過一次出菇廢棄菌棒。廢棄菌棒仍殘留一定量的菌絲和營養(yǎng)物質(zhì)[2]，目前廢棄菌棒多數(shù)被扔掉甚至焚燒掉，浪費(fèi)資源的同時(shí)對環(huán)境造成污染，廢棄菌棒二次利用覆土出菇技術(shù)可以使廢棄菌棒再次得到利用，變廢為寶，節(jié)約生產(chǎn)成本，減少塑料薄膜對環(huán)境的污染[3]。

廢棄菌棒二次利用覆土出菇技術(shù)過程中，廢棄菌棒脫袋是初始環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)是影響后續(xù)覆土出菇作業(yè)效率的因素之一。目前廢棄菌棒脫袋主要以人工持刀作業(yè)為主，脫袋效率過低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且工人長時(shí)間作業(yè)易疲勞，危險(xiǎn)程度比較高[4， 5]。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展層面看，低效率的人工脫袋成為制約食用菌企業(yè)擴(kuò)大規(guī)模的瓶頸，無法滿足現(xiàn)代化批量處理需求[6?8]。為破解這一困境，廢棄菌棒脫袋裝置的研發(fā)迫在眉睫。國外對食用菌生產(chǎn)機(jī)械化的研究大多集中在生產(chǎn)、加工、包裝等方面，對廢棄菌棒脫袋機(jī)械研究較少[9]。而國內(nèi)對于菌棒脫袋裝備的研究處于初級階段，汪飛等[10]設(shè)計(jì)一種圓盤滾輪式破袋機(jī)，滾輪表面有多個(gè)鉤齒，可以將菌棒表面塑料袋撕碎，最后需要人工輔助完成脫袋。劉靖宇等[11]設(shè)計(jì)一種香菇菌棒脫袋裝置，主要通過縱割刀片和環(huán)割刀片完成對菌棒外表塑料薄膜切割，該裝置一個(gè)作業(yè)流程只能完成單個(gè)菌棒的切割，效率有待提高。李武[12]設(shè)計(jì)一種菌棒脫袋機(jī)，菌棒通過割袋刀片和電動夾爪完成脫袋工序，目前處于試驗(yàn)階段，大規(guī)模脫袋作業(yè)效果有待考察。余和意[13]設(shè)計(jì)一種雙滾筒脫袋菌棒脫袋機(jī)械，雙滾筒外壁安裝刀片，兩個(gè)滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，刀片將菌棒外表塑料袋割碎，完成菌棒與塑料袋分離，目前該機(jī)械暫未推廣使用。

針對廢棄菌棒脫袋機(jī)械化作業(yè)的需求，本文設(shè)計(jì)一種廢棄菌棒脫袋裝置。根據(jù)廢棄菌棒脫袋機(jī)械化作業(yè)的需求，綜合運(yùn)用機(jī)械原理、自動化控制原理等，深入剖析脫袋工藝，提出解決方案，為廢棄菌棒資源化利用提供有力設(shè)備支撐，助力食用菌產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

廢棄菌棒脫袋裝置主要由機(jī)架、圓盤切割鋸片、驅(qū)動電機(jī)、紅外識別控制裝置、軸向割刀、導(dǎo)向槽、刮袋板、輸送帶、壓板夾持機(jī)構(gòu)、護(hù)板、配電箱組成，如圖1所示。輸送帶、圓盤切割鋸片分別由電機(jī)驅(qū)動，可進(jìn)行無級調(diào)速；軸向割刀安裝在紅外識別控制裝置下方，紅外識別控制裝置由配電箱及其內(nèi)部程序進(jìn)行供電和進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，可根據(jù)要求調(diào)節(jié)軸向割刀切割速度；壓板夾持機(jī)構(gòu)安裝在輸送帶上方，輸送方向圓盤切割鋸片前方，圓盤鋸片切割菌棒時(shí)，壓板夾持機(jī)構(gòu)與輸送帶配合完成對菌棒的夾持。

1.2 工作過程

工作時(shí)，菌棒從導(dǎo)向槽滑入輸送帶，輸送帶將菌棒勻速向加工區(qū)輸送。菌棒首先通過壓板夾持機(jī)構(gòu)，壓板夾持機(jī)構(gòu)與輸送帶形成對菌棒的夾持固定，同時(shí)機(jī)架兩側(cè)的圓盤切割鋸片對菌棒兩端進(jìn)行切割。切割后的菌棒進(jìn)入紅外識別控制裝置范圍，紅外識別控制裝置識別到菌棒，驅(qū)動軸向割刀對菌棒表皮塑料薄膜切割，切割時(shí)兩側(cè)的護(hù)板可以保持菌棒軸向固定不動，軸向切割后的菌棒經(jīng)輸送帶滾落至刮袋板上，刮袋板上的鉤齒將菌棒與切割后塑料袋刮掉分離，完成菌棒脫袋，脫袋后的菌棒滑落收集箱中。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

廢棄菌棒脫袋裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 輸送帶與軸向割刀

輸送帶是保證菌棒脫袋裝置能夠高效穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的前提，輸送帶的輸送能力決定菌棒脫袋的質(zhì)量和效率[14， 15]。圖2為輸送帶設(shè)計(jì)圖，輸送帶根據(jù)菌棒的尺寸設(shè)計(jì)為中間擋板結(jié)構(gòu)形式，每個(gè)擋板之間可以擺放1個(gè)菌棒。輸送帶擋板高度h和擋板間隔l影響菌棒擺放位置，如果輸送帶擋板高度過低或擋板間隔過大，菌棒在擋板內(nèi)活動空間較大，不利于壓板夾持機(jī)構(gòu)對菌棒的擠壓夾持和軸向割刀切割。如果輸送帶擋板高度過高或擋板間隔過小，容易發(fā)生卡棒、菌棒滾動不暢現(xiàn)象，也會對紅外識別控制裝置識別菌棒造成干擾。已測得菌棒平均直徑為100 mm，菌棒平均高度為170 mm，設(shè)計(jì)輸送帶擋板高度h為80 mm，擋板間隔l為110 mm。根據(jù)圓盤切割鋸片切割要求，設(shè)計(jì)輸送帶寬度w為130 mm。

如圖3所示，輸送帶速度[vd]與軸向割刀速度[vz]共同決定軸向割刀的切割軌跡。切割軌跡對軸向割刀切割效果產(chǎn)生影響，切割軌跡與菌棒軸線夾角越小，軸向割刀對菌棒表皮塑料薄膜的切割效果越好，反之，切割軌跡與菌棒軸線夾角越大，會導(dǎo)致菌棒表皮塑料薄膜切割不完全，影響軸向割刀切割質(zhì)量。為保證軸向割刀完成對菌棒軸向表皮塑料薄膜的切割，設(shè)計(jì)切割軌跡與菌棒軸線夾角不大于30°，已知輸送帶通過電機(jī)驅(qū)動，輸送速度在0～0.5 m/s內(nèi)可根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，確定軸向割刀切割速度為0～0.9 m/s。

2.2 圓盤切割鋸片

圓盤切割鋸片是菌棒脫袋裝置的關(guān)鍵部件之一，通過高速旋轉(zhuǎn)的圓盤鋸片對菌棒兩端進(jìn)行切割，完成菌棒兩端開口。鋸片采用不銹鋼材質(zhì)，鋸齒邊緣厚度為1.2 mm，較為鋒利，能避免切割時(shí)菌棒表皮塑料薄膜的纏繞。簡化鋸片切割時(shí)的工況，以菌棒為研究對象，切割時(shí)菌棒上一點(diǎn)接觸到圓盤鋸片運(yùn)動學(xué)分析如圖4所示。為減少切割阻力和切割損失，保證鋸片良好的切割效果，需要滿足式（1）。

通過查閱文獻(xiàn)[16， 17]以及預(yù)試驗(yàn)，圓盤切割鋸片線速度v為6～11 m/s時(shí)，有較好的切割性能，結(jié)合式（1）以及菌棒尺寸，設(shè)計(jì)圓盤切割鋸片半徑R為200 mm，圓盤切割鋸片轉(zhuǎn)速n為300～500 r/min。

2.3 壓板夾持機(jī)構(gòu)

壓板夾持機(jī)構(gòu)帶實(shí)現(xiàn)對菌棒的夾持和固定，使菌棒中軸線盡量保持在同一水平面，輔助圓盤切割鋸片對菌棒兩端的切割。壓片板是確保切割圓盤在工作過程中菌棒中線盡量在一個(gè)水平面上的關(guān)鍵。壓片板高度H過高，不能對接觸到的菌棒起固定作用，導(dǎo)致圓盤鋸片切割時(shí)，菌棒中線發(fā)生變化，切割后菌棒兩端面產(chǎn)生偏差。壓片板高度H過低，菌棒通過壓片板時(shí)，壓片板被頂起，過度擠壓彈簧，菌棒受到壓緊力容易發(fā)生變形，甚至在輸送帶上產(chǎn)生堆積，造成設(shè)備故障，影響切割質(zhì)量。壓片夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5所示，壓片板高度可通過上方彈簧螺紋桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)菌棒平均直徑，以及相關(guān)研究文獻(xiàn)[18]，為避免菌棒被過度擠壓變形，將壓片板高度H設(shè)計(jì)為95 mm。

3 性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證自主研制的廢棄菌棒脫袋裝置設(shè)計(jì)的合理性和最佳工作參數(shù)，2023年6月在哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)中心進(jìn)行單因素試驗(yàn)和多因素性能試驗(yàn)，試驗(yàn)材料為農(nóng)科院食用菌課題提供的廢棄菌棒，試驗(yàn)時(shí)每完成100次菌棒脫袋作業(yè)，作為一次獨(dú)立試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)選取

為研究廢棄菌棒脫袋裝置的脫袋作業(yè)性能，選取菌棒脫袋合格率為試驗(yàn)指標(biāo)。通過重復(fù)試驗(yàn)考察各因素的變化對試驗(yàn)指標(biāo)影響規(guī)律，選擇合適的工作參數(shù)。菌棒脫袋合格率計(jì)算如式（2）所示。

3.2 單因素試驗(yàn)

根據(jù)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和分析可知，圓盤切割鋸片轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、軸向割刀速度是影響廢棄菌棒脫袋裝置工作性能的主要因素。為探究圓盤切割鋸片轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、軸向割刀速度單因素對菌棒脫袋合格率的影響，開展單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)設(shè)置圓盤切割鋸片轉(zhuǎn)速為300 r/min、400 r/min、500 r/min，設(shè)置輸送帶速度為0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s，設(shè)置軸向割刀速度為0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s、0.7 m/s、0.8 m/s、0.9 m/s。單因素試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置圓盤切割鋸片轉(zhuǎn)速為400 r/min，輸送帶速度為0.2 m/s，軸向割刀速度0.3 m/s，單因素試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，圓盤切割鋸片轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí)，菌棒脫袋合格率為85%，隨著轉(zhuǎn)速增加，脫袋合格率提高；輸送帶速度在0.3 m/s時(shí)，存在脫袋合格率最大值，此時(shí)脫袋合格率為89%；軸向割刀速度在0.1～0.9 m/s時(shí)，脫袋合格率先提高后降低，在0.1 m/s和0.9 m/s時(shí)，脫袋合格率過低，其原因分別是過低的切割速度造成菌棒切割不完全，過高的切割速度容易產(chǎn)生二次甚至多次切割，破壞菌棒結(jié)構(gòu)。

3.3 多因素試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

結(jié)合裝置的設(shè)計(jì)和理論分析，影響廢棄菌棒脫袋效果的因素有圓盤切割鋸片轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、軸向割刀速度，根據(jù)菌棒單因素試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)切割鋸片轉(zhuǎn)速[x1]為300～500 r/min，設(shè)計(jì)輸送帶速度[x2]為0.1～0.3 m/s，設(shè)計(jì)軸向割刀速度[x3]為0.3～0.5 m/s，以菌棒脫袋合格率[Y]作為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平編碼如表3所示，試驗(yàn)共進(jìn)行19組，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

多因素試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。X1、X2、X3為各因素編碼值。

將多因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Design—Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到切割鋸片轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、軸向割刀速度對菌棒脫袋合格率的方差分析結(jié)果。由表5脫袋合格率的方差分析表可知，回歸模型P=0.000 6，模型極顯著，回歸方程有意義，失擬項(xiàng)P=0.621 7，不顯著，說明方程的擬合水平較高，不存在其他影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。各因素之間交互作用對脫袋合格率影響主次順序?yàn)閄1、X2、X12、X32、X3、X22、X1X2、X2X3、X1X3，其中X1、X2、X3、X12、X32影響極顯著，X1X2、X2X3、X22影響顯著，其他項(xiàng)因素不顯著。初始的因素回歸方程如式（3）所示。

3.3.3 響應(yīng)曲面分析

為更直觀地觀察各個(gè)因素對試驗(yàn)指標(biāo)的交替影響，通過Design—Expert 8.0.6軟件得到各因素交互作用對脫袋合格率的響應(yīng)曲面圖，如圖6所示。

如圖6（a）所示，輸送帶速度一定時(shí)，隨著切割鋸片轉(zhuǎn)速升高，脫袋合格率降低。切割鋸片轉(zhuǎn)速一定時(shí)，輸送帶速度升高，脫袋合格率同樣降低。其原因是切割轉(zhuǎn)速過快，對菌棒擾動較大，容易造成菌棒破損，影響脫袋效果。輸送帶速度過快，使鋸片切割阻力變大，切割時(shí)容易發(fā)生菌棒卡塞現(xiàn)象，使菌棒兩端切割不完全。由圖6（b）可知，切割鋸片轉(zhuǎn)速一定時(shí)，軸向割刀速度增加，脫袋合格率提高，其原因?yàn)檩S向割刀速度增加，軸向割刀形成的切割軌跡與菌棒軸線之間的夾角變小，有利于菌棒軸向塑料薄膜切割。由圖6（c）可知，輸送帶速度一定，軸向割刀速度增加，脫袋合格率提高。

4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

4.1 參數(shù)優(yōu)化

為獲得廢棄菌棒脫袋裝置最佳作業(yè)參數(shù)，利用Design—Expert 8.0.6軟件優(yōu)化模塊對回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解，優(yōu)化約束條件為

通過優(yōu)化求解得切割鋸片轉(zhuǎn)速為303 r/min，輸送帶速度為0.1 m/s，軸向割刀速度為0.48 m/s時(shí)，廢棄菌棒脫袋裝置作業(yè)效果最好，其模型預(yù)測脫袋合格率為92.6%。

4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

對模型預(yù)測的影響廢棄菌棒脫袋合格率最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行圓整，對裝置參數(shù)調(diào)節(jié)，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5組，取平均值，結(jié)果如表6所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，菌棒脫袋合格率為91.8%，驗(yàn)證試驗(yàn)的平均值與理論模型預(yù)測值相對誤差低于1%，說明采用最佳參數(shù)組合菌棒脫袋效果良好。

5 結(jié)論

1） 設(shè)計(jì)一種廢棄菌棒脫袋裝置，通過輸送帶對菌棒輸送，壓板夾持機(jī)構(gòu)與輸送帶配合對菌棒進(jìn)行夾持穩(wěn)固，通過高速旋轉(zhuǎn)的圓盤切割鋸片和具有紅外識別控制功能的軸向割刀完成菌棒兩端和軸向的切割，使菌棒完成脫袋作業(yè)。

2） 進(jìn)行單因素試驗(yàn)確定圓盤切割鋸片轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、軸向割刀速度的合理水平范圍。以圓盤切割鋸片轉(zhuǎn)速、輸送帶速度、軸向割刀速度為試驗(yàn)因素，菌棒脫袋合格率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出廢棄菌棒脫袋裝置最佳工作參數(shù)組合：切割鋸片轉(zhuǎn)速為303 r/min，輸送帶速度為0.1 m/s，軸向割刀速度為0.48 m/s。

3）在最佳參數(shù)組合條件下，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到菌棒脫袋合格率為91.8%，與模型預(yù)測結(jié)果相對誤差值低于1%，廢棄菌棒脫袋裝置脫袋作業(yè)效果良好。

參 考 文 獻(xiàn)

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