劉瑞林，畢 武*，周大元

(1.國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國(guó)家林業(yè)局林業(yè)機(jī)電工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086)

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研究與設(shè)計(jì)

食用菌菌包自動(dòng)灌制設(shè)備關(guān)鍵部件研究

劉瑞林1，2，畢 武1，2*，周大元1，2

(1.國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.國(guó)家林業(yè)局林業(yè)機(jī)電工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150086)

設(shè)計(jì)的菌包自動(dòng)灌制設(shè)備采用了機(jī)電液氣一體化控制，該設(shè)備主要由菌袋負(fù)壓拾取開(kāi)口總成、基質(zhì)填充總成、自動(dòng)窩眼總成、自動(dòng)插芯總成、控制總成5部分組成。重點(diǎn)介紹了食用菌栽培菌袋負(fù)壓拾取、菌袋自動(dòng)窩眼等關(guān)鍵設(shè)備，闡述了灌制設(shè)備主要零部件的材料選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

食用菌；菌袋栽培；負(fù)壓拾?。桓C眼；吸盤(pán)

食用菌栽培分為瓶栽和袋栽?xún)煞N形式，但有些食用菌品種目前還不能采用瓶栽的形式，因此袋栽食用菌仍占重要地位。食用菌袋栽的主要工藝流程如下：配料→基質(zhì)裝袋(塑料袋)→滅菌→菌株種植→培養(yǎng)。食用菌菌包制作是栽培的重要環(huán)節(jié)之一，其直接關(guān)系到食用菌栽培的質(zhì)量與產(chǎn)量，關(guān)系到食用菌栽培的成敗，同時(shí)也是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)密集型的工作。菌包灌制要求菌袋填充飽滿，不能留有空隙，菌株種植后封袋，封袋塞既要求透氣以利于菌株生長(zhǎng)，又要求雜菌不能侵入。目前食用菌菌包灌制作業(yè)的自動(dòng)化程度低，人工參與環(huán)節(jié)多，需要人工套袋、人工窩眼、人工插芯，要實(shí)現(xiàn)袋栽食用菌栽培工廠化生產(chǎn)，必須重視關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備的研究，提高食用菌菌包制作設(shè)備的自動(dòng)化水平，減少人工作業(yè)環(huán)節(jié)，從而降低作業(yè)成本。

食用菌工廠化栽培技術(shù)裝備的缺乏，嚴(yán)重制約了食用菌栽培產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)食用菌菌包自動(dòng)灌制技術(shù)進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)適應(yīng)食用菌工廠化栽培的技術(shù)裝備，實(shí)現(xiàn)食用菌工廠化生產(chǎn)，向?qū)I(yè)化、集約化的現(xiàn)代生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的迫切需求，也是林業(yè)科技發(fā)展的迫切需求[1-2]。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的菌包自動(dòng)灌制設(shè)備采用機(jī)電液氣一體化控制，該設(shè)備主要由菌袋負(fù)壓拾取開(kāi)口總成、基質(zhì)填充總成、自動(dòng)窩眼總成、自動(dòng)插芯總成、控制總成五部分組成。

1 菌袋負(fù)壓拾取開(kāi)口總成

菌袋負(fù)壓拾取開(kāi)口總成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 菌袋負(fù)壓拾取開(kāi)口總成結(jié)構(gòu)1.機(jī)架；2.固定吸盤(pán)；3.動(dòng)吸盤(pán)；4.氣缸Ⅰ；5.基質(zhì)袋(塑料袋)；6.袋箱；7.氣缸Ⅱ

1.1 負(fù)壓拾取工作原理

動(dòng)吸盤(pán)由氣缸Ⅰ帶動(dòng)，氣缸Ⅰ出桿，當(dāng)動(dòng)吸盤(pán)接觸到基質(zhì)袋時(shí)將其吸住，氣缸Ⅰ收桿，提起基質(zhì)袋，同時(shí)氣缸Ⅱ出桿將氣缸Ⅰ由垂直狀態(tài)推至水平狀態(tài)；當(dāng)氣缸Ⅰ達(dá)到水平位置后，氣缸Ⅰ出桿使動(dòng)吸盤(pán)與固定吸盤(pán)接觸，同時(shí)固定吸盤(pán)吸取基質(zhì)袋，此時(shí)固定吸盤(pán)與動(dòng)吸盤(pán)已同時(shí)吸住基質(zhì)袋，氣缸Ⅰ收桿使基質(zhì)袋(塑料袋)口打開(kāi)，再由其他裝置取走開(kāi)口基質(zhì)袋，完成食用菌基質(zhì)袋自動(dòng)拾取開(kāi)口操作。

1.2 吸盤(pán)選擇

1.2.1 吸盤(pán)材料選擇

吸盤(pán)材料的選擇關(guān)系到吸取的菌袋是否平整，本設(shè)備吸取的菌袋為塑料袋，一般普通吸盤(pán)吸取塑料袋時(shí)容易出現(xiàn)皺褶，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)研究最終篩選出溫度穩(wěn)定性好、耐磨性強(qiáng)及彈性良好的硅橡膠薄膜吸盤(pán)作為本研究的吸盤(pán)。普通吸盤(pán)與硅橡膠薄膜吸盤(pán)的吸附效果如圖2、圖3所示。

圖2 普通吸盤(pán)吸附效果

圖3 硅橡膠薄膜吸盤(pán)吸附效果

1.2.2 吸盤(pán)吸力確定及直徑計(jì)算

菌袋采用聚乙烯塑料袋，折疊尺寸為340 mm×60 mm，經(jīng)測(cè)定其質(zhì)量為45 g。

(1)吸盤(pán)吸力的計(jì)算公式為：

F=PWn

(1)

式中：F為吸盤(pán)吸力(N)；P為真空壓力(kgf/cm2)；W為吸盤(pán)吸附面積(cm2)；n為吸盤(pán)數(shù)量(個(gè))。

吸盤(pán)吸起菌袋需要克服菌袋自身的重力G，為使吸取菌袋的動(dòng)作平穩(wěn)，吸盤(pán)采用6個(gè)兩行均勻布置，若提起菌袋則需滿足條件F≥G。

F=PWn=G=0.045×9.8=0.441 N，即提取菌袋的最小吸力為0.441 N。

(2)吸盤(pán)直徑的計(jì)算公式為：

(2)

式中：D為需要的吸盤(pán)直徑(mm)；M為吸附物質(zhì)量(kg)；S為安全系數(shù)，水平起吊時(shí)S=4，垂直起吊時(shí)S=8；n為吸盤(pán)個(gè)數(shù)(個(gè))；P為真空壓力(kPa)。

真空壓力P不可能達(dá)到完全的真空狀態(tài)，國(guó)際上一般以0.5標(biāo)準(zhǔn)大氣真空狀態(tài)為準(zhǔn)，所以式中P=0.5 kgf/cm2，式中安全系數(shù)S取8，吸盤(pán)個(gè)數(shù)n取6，真空壓力為真空度50即P取50.66 kPa。

經(jīng)計(jì)算得D=3.85 mm，即吸盤(pán)直徑D≥3.85 mm的情況下均可吸取菌袋。

2 自動(dòng)窩眼總成

2.1 菌袋窩眼工作原理

窩眼總成結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 窩眼總成結(jié)構(gòu)1.夾持機(jī)構(gòu)；2.電機(jī)；3.調(diào)整滑塊；4.三角帶；5.氣缸Ⅰ；6.連桿；7.氣缸Ⅱ；8.沖桿；9.轉(zhuǎn)子Ⅰ；10.轉(zhuǎn)子Ⅱ；11.抓爪；12.菌袋；13.傳輸機(jī)構(gòu)；14.機(jī)架

裝滿基質(zhì)的菌袋由傳輸機(jī)構(gòu)輸送至工作位置并由夾持機(jī)構(gòu)夾緊固定，沖桿在氣缸驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)到指定位置，3～4個(gè)抓爪由氣缸驅(qū)動(dòng)同時(shí)閉合抓取菌袋口使菌袋口聚合在沖桿周?chē)?，并由氣?dòng)馬達(dá)通過(guò)三角帶、轉(zhuǎn)子Ⅰ及轉(zhuǎn)子Ⅱ驅(qū)動(dòng)抓爪旋轉(zhuǎn)使菌袋口纏繞在沖桿上，由氣缸再次驅(qū)動(dòng)沖桿下移插入菌袋基質(zhì)內(nèi)，沖桿的臺(tái)階式設(shè)計(jì)使菌袋口一并插入基質(zhì)內(nèi)，氣缸回位帶動(dòng)沖桿從菌袋中拔出并回到原始位置，完成菌袋窩眼作業(yè)。

2.2 窩眼轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

窩眼轉(zhuǎn)子部件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

轉(zhuǎn)子是自動(dòng)窩眼總成的核心部件，定子及轉(zhuǎn)子采用LY9硬質(zhì)鋁合金材料為主體材料，該材料質(zhì)量輕，加工性能好，強(qiáng)度也能滿足結(jié)構(gòu)需求，抓爪的原始張角可在150°～ 180°的范圍內(nèi)調(diào)整，以滿足抓握菌袋袋口的需要。

窩眼沖桿選用表面鍍鉻的235-A材料，為減輕質(zhì)量及保證剛度，窩眼沖桿采用了中空結(jié)構(gòu)。

圖5 窩眼轉(zhuǎn)子部件結(jié)構(gòu)1.底蓋；2.定子；3.轉(zhuǎn)子；4.軸承；5.銅套；6.窩眼沖桿；7.內(nèi)嵌轉(zhuǎn)子；8.隨動(dòng)轉(zhuǎn)子；9.彈簧；10.卡簧；11.軸承；12.抓爪

3 應(yīng)用前景分析

食用菌菌包自動(dòng)灌制技術(shù)裝備市場(chǎng)需求迫切，袋栽食用菌以黑木耳為主要代表，僅黑龍江省黑木耳工廠化生產(chǎn)所需求的現(xiàn)代生產(chǎn)裝備市場(chǎng)就非常可觀。黑木耳栽培產(chǎn)業(yè)是黑龍江省優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，尤其是東寧縣，年培育黑木耳20億袋，約占黑龍江省年產(chǎn)量的一半，全國(guó)的五分之一，是全國(guó)黑木耳第一縣，與本項(xiàng)目合作的亞布力林業(yè)局每年培育黑木耳也達(dá)到2.7億袋，黑龍江全省年培育黑木耳近40億袋[3-4]。本項(xiàng)目研發(fā)的技術(shù)，每條黑木耳工廠化栽培生產(chǎn)線按10 000袋/h生產(chǎn)率計(jì)算，可供給2 000萬(wàn)袋菌包，目前亞布力林業(yè)局沒(méi)有菌包廠，僅亞布力林業(yè)局就需要10條黑木耳工廠化栽培生產(chǎn)線。目前，黑龍江省共有菌包生產(chǎn)線不到30條，而這30條生產(chǎn)線僅日產(chǎn)菌包5萬(wàn)包，大部分都需要技術(shù)改造，僅按黑龍江省年產(chǎn)40億袋一半計(jì)算，需要本項(xiàng)目研發(fā)的生產(chǎn)線就達(dá)100條。我國(guó)黑木耳培育地區(qū)還有福建、吉林、遼寧、河北等多個(gè)省市，本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)研發(fā)的食用菌菌包自動(dòng)灌制技術(shù)裝備將有力促進(jìn)黑木耳培育產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

[1] 陳杰，徐沖.食用菌加工產(chǎn)業(yè)研究現(xiàn)狀與前景[J].微生物學(xué)雜志，2013，33(3)：94-96.

[2] 胡清秀，曾希柏，王安.我國(guó)食用菌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀及建議[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)資源與區(qū)劃，2001，22(6)：31-35.

[3] 李佳琳，張芳芳，馬現(xiàn)成，等 黑龍江省伊春興安森林公園大型菌類(lèi)資源調(diào)查研究及分析[J].森林工程，2015，31(5)：40-43.

[4] 劉彤軍，白廣利.黑龍江省黑木耳資源價(jià)值與開(kāi)發(fā)利用[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2015，43(12)：44-47.

(責(zé)任編輯 張雅芳)

Study on Key Components of Automatic Edible Fungus Bag Filling Equipment

LIU Rui-lin1，2，BI Wu1，2*，ZHOU Da-yuan1，2

(1.Harbin Research Institute of Forestry Machinery，the State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China；2.Key Lab of Forestry Electromechanical Engineering，State Forestry Administration，Harbin Heilongjiang 150086，China)

In the design of mechanical equipment for automatic fungus filling，electromechanical and air-hydraulic integration-based control is adopted.This equipment mainly consists of 5 parts，i.e.fungus bag pickup assembly under negative pressure，matrix filling assembly，automatic nest eye assembly，automatic core inserting assembly and control assembly.Such key equipment as edible fungus cultivation bag pickup under negative pressure and automatic nest eyes of fungus bags is introduced and the material selection and structure design of main components of filling machinery are stated.

edible fungus；bacteria bag cultivation；pickup under negative pressure；nest eyes；sucker

2017-05-03

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目“食用菌菌包自動(dòng)灌制技術(shù)研究”(CAFYBB2014MB005)

劉瑞林(1964-)，男，黑龍江哈爾濱人，國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樯止こ?，E-mail：lrl2100@126.com。

*通訊作者：畢 武(1961-)，男，黑龍江哈爾濱人，國(guó)家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樯址阑鸸こ獭?/p>