艾鴻濱，肖智艷,于曉波，陳海霞

(1.黑龍江省畜牧機(jī)械化研究所，黑龍江 齊齊哈爾 161005；2.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車技術(shù)系，南寧 530226)

0 引言

黑龍江省是全國最大食用菌生產(chǎn)基地，分布一大批具有一定規(guī)模的食用菌場。2015年，全省食用菌的種植規(guī)模達(dá)70億袋多，產(chǎn)量近70萬t。其中，黑木耳產(chǎn)量占全國50%，而且每年以15%～20%的速度遞增。在食用菌主產(chǎn)區(qū)，僅黑龍江省東部的東寧縣，每年生產(chǎn)黑木耳15億袋，純產(chǎn)量大約為0.75億kg。食用菌采摘后廢棄菌糠袋數(shù)量巨大，大多數(shù)種植戶都以集中堆放或燃燒處理掉，既浪費(fèi)了資源又污染了環(huán)境，如何對其進(jìn)行有效收集、處理和再利用成了制約食用菌產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的瓶頸。近年來, 畜禽養(yǎng)殖業(yè)也得到快速發(fā)展，在提高居民經(jīng)濟(jì)收入和生活水平的同時(shí), 也存在著畜禽糞便任意堆放、污染環(huán)境及生活用水等重大問題，如何利用好畜禽糞便，將其制成廄肥等有機(jī)肥再次利用，也是將廢棄物資源化處理的一種方式，可大大降低對水生生態(tài)環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了食用菌糠有機(jī)肥料混合機(jī)，以解決資源浪費(fèi)及環(huán)境污染問題。

該機(jī)主要把廢棄菌糠袋的菌糠與薄膜分離后的廢棄菌糠通過與有機(jī)肥、廄肥等混合制作成燃料、新型有機(jī)肥、飼料、食用菌料、發(fā)酵床用料、覆土材料等，這樣既有效利用廢棄資源，使其變廢為寶，又克服了廢棄菌糠袋亂扔堆放或燃燒對環(huán)境造成的污染問題，使食用菌種植戶降低了生產(chǎn)成本，增加了經(jīng)濟(jì)收益。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

該機(jī)由手推架、機(jī)架箱體、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、離合機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、螺旋攪拌機(jī)構(gòu)、拋料裝置組成，如圖1所示。

1.手推架 2.機(jī)架箱體 3.離合機(jī)構(gòu) 4.電機(jī) 5.驅(qū)動(dòng)輪 6.支撐輪 7.螺旋攪拌機(jī)構(gòu) 8.拋料裝置 9.弧形護(hù)板

在作業(yè)時(shí)，將機(jī)器調(diào)整好位置，打開啟動(dòng)按鈕，通過離合機(jī)構(gòu)控制機(jī)器前進(jìn)，通過螺旋攪拌機(jī)構(gòu)中的攪拌桿和攪拌葉片在軸向螺旋線方向上的旋轉(zhuǎn)將廢棄菌糠和有機(jī)肥進(jìn)行破碎、攪拌；在弧形護(hù)板及底部安裝的柔性擋料板的作用下，將攪拌之后的混合料向后輸送至螺旋攪拌機(jī)構(gòu)中的送料盤總成處，再由送料葉片和橡膠板將混合料送入到集料箱前的集料板處，形成一個(gè)反“L”形的送料路線，實(shí)現(xiàn)充分混合、攪拌過程。該機(jī)前進(jìn)時(shí)，在集料板和柔性擋料板作用下，混合料全部進(jìn)入集料箱內(nèi)，在拋料裝置的擋料盤和拋料葉片的高速旋轉(zhuǎn)離心力作用下將混合料從集料箱的拋料口拋出，可以通過調(diào)節(jié)拉桿調(diào)節(jié)擋料罩的角度控制混合料拋出的距離和方向，完成廢棄菌糠破碎與廄肥等有機(jī)物混合、攪拌及翻料等作業(yè)過程。

2 螺旋攪拌機(jī)構(gòu)的研究

2.1 方案設(shè)計(jì)

螺旋攪拌機(jī)構(gòu)主要由支撐圓盤軸頭、筒體、攪拌桿及攪拌葉片焊合而成，如圖2所示。其中，筒體為一定直徑尺寸長度的厚壁圓管，在筒體主體外圓表面沿其環(huán)繞螺旋線的走向上，按照一定間距焊合數(shù)個(gè)攪拌桿，攪拌葉片與筒體軸心線方向呈一定角度焊接在攪拌桿頂端，在螺旋攪拌機(jī)構(gòu)外面設(shè)置有弧形護(hù)板，并且弧形護(hù)板下邊緣安裝有柔性擋料板。

螺旋攪拌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要綜合考慮其攪拌葉片的設(shè)計(jì)、筒體長度、轉(zhuǎn)速、功率等因素及筒體危險(xiǎn)截面的校核。

1.軸頭 2.支撐圓盤 3.筒體 4.攪拌桿 5.攪拌葉片 6.連接板 7.軸承座 8.軸承 9.軸頭 10.支撐圓盤

2.2 攪拌葉片的設(shè)計(jì)

攪拌葉片是食用菌糠有機(jī)肥料混合機(jī)的主要工作部件之一, 需要承受混合料在旋轉(zhuǎn)、輸送時(shí)產(chǎn)生的力[1], 主要作用是在將混合料向后輸送同時(shí)對其進(jìn)行破碎和攪拌, 從而達(dá)到充分混合的目的。因此, 攪拌葉片的設(shè)計(jì)與安裝對于廢棄菌糠和有機(jī)肥混合起著決定性的作用。攪拌葉片的設(shè)計(jì)需要考慮結(jié)構(gòu)形式、葉片加工、葉片選材及安裝角度等因素[2]。

2.2.1 結(jié)構(gòu)形式

根據(jù)食用菌糠有機(jī)肥料混合機(jī)設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，螺旋攪拌機(jī)構(gòu)主要是將廢棄菌糠和有機(jī)肥進(jìn)行攪拌、混合的同時(shí)向后輸送物料，采用右旋單線結(jié)構(gòu)形式的葉片式形狀即可滿足本機(jī)需求。

2.2.2 葉片加工

單個(gè)的葉片需要與筒體軸心線方向呈一定角度焊接在筒體主體外圓表面，沿其環(huán)繞螺旋線的走向上按照一定間距焊接數(shù)個(gè)攪拌桿頂端，才能實(shí)現(xiàn)螺旋輸送的要求。葉片加工可以單片下料后，按照整個(gè)螺旋葉片的節(jié)距鍛壓成所需的形狀，也可以按照螺旋軸整體葉片展開圖尺寸進(jìn)行下料；整體加工后拉伸至所需的的節(jié)距，然后將其剪開成單個(gè)葉片，按其右旋單線結(jié)構(gòu)焊接在攪拌桿上，即可完成整個(gè)葉片加工。

2.2.3 葉片厚度

葉片材料選擇在滿足強(qiáng)度和耐磨性的同時(shí)，還要考慮其成本。相比較而言，選A3鋼即可，價(jià)格較低,且具有較好的韌性和鍛造性, 適合食用菌糠有機(jī)肥料混合機(jī)的工作環(huán)境。

攪拌葉片一般都是采用薄鋼板沖壓或切割而成,其厚度的選取可參考水平螺旋輸送技術(shù)參數(shù)(見表1)。 綜合考慮,此設(shè)計(jì)選δ=4mm的A3鋼板。

表1 水平螺旋輸送技術(shù)參數(shù)表Table 1 Horizontal spiral transmission technical parameters table

2.2.4 葉片安裝角度

物料單元受力圖如圖3所示。圖3中，α角為攪拌葉片安裝角[3]，是攪拌機(jī)構(gòu)的主要工作參數(shù)之一，對攪拌質(zhì)量、效率和功耗都有著直接的影響[4]。

圖3 物料單元受力圖Fig.3 Materials unit force diagram

攪拌機(jī)構(gòu)工作時(shí)，混合料在攪拌葉片沿其右旋螺旋線的走向上向后輸送的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)縱向和軸向運(yùn)動(dòng)，完成物料的混合。

圖3中：當(dāng)α變小時(shí)，攪拌葉片主要帶動(dòng)混合料圍繞攪拌軸轉(zhuǎn)動(dòng)，混合料向后輸送量減少；當(dāng)α=0時(shí)，攪拌葉片變成和軸平行的一塊平板，只起攪拌作用，輸送量變?yōu)榱?；?dāng)α過大時(shí)，葉片推動(dòng)混合料的縱向運(yùn)動(dòng)就很弱；當(dāng)α=90°時(shí)，葉片就變成了與攪拌軸垂直的平板，也失去攪拌功能。因此，攪拌葉片一定要相對于攪拌軸成一定的角度安裝。為了使混合料的縱向和軸向運(yùn)動(dòng)都較大，目前國內(nèi)外葉片安裝角的常用值為α=45°[2-12]。

將葉片對混合料的受力簡化，如圖4所示。由圖4可以看出：要使混合料能夠沿?cái)嚢栎S縱向和軸向運(yùn)動(dòng)，必須滿足F1-Fj≥0，即F·tanα-F·f≥0，得到條件式為[2-12]

α≥arctgf

(1)

式中F—驅(qū)動(dòng)力，可在葉片表面分解為F1=F·tgα和F2=F/cosα；

Fj—廢棄菌糠與廄肥的混合物與葉片表面間的摩擦力，F(xiàn)j=F·f；

f—為廢棄菌糠與廄肥的混合物對葉片A3鋼的摩擦系數(shù)，f=0.4。

對于廢棄菌糠與廄肥的混合物，若取f=0.4時(shí)，α≥22°，即該攪拌葉片與筒體軸心線方向呈22°角焊接在攪拌桿頂端。

2.3 筒體長度

筒體長度是螺旋攪拌機(jī)構(gòu)輸送能力的主要參數(shù)之一,對螺旋攪拌機(jī)構(gòu)的輸送量和結(jié)構(gòu)尺寸起著決定性作用。螺旋攪拌機(jī)構(gòu)直徑一般根據(jù)預(yù)混料的顆粒大小決定，螺旋攪拌機(jī)構(gòu)直徑與給料塊的尺寸比為1.2～5。該機(jī)中螺旋攪拌機(jī)構(gòu)直徑設(shè)計(jì)為D=490mm。螺旋攪拌機(jī)構(gòu)直徑與筒體長度之比值一般為0.7～2，物料沖擊力較強(qiáng)時(shí)應(yīng)取較大的比值。

(2)

因此，取筒體長度L=400mm。

2.4 螺旋攪拌機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速

螺旋攪拌機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速是該攪拌機(jī)構(gòu)的重要工作參數(shù)，它影響著攪拌機(jī)構(gòu)的混合效率、混合比及生產(chǎn)能力[13-14]。

(3)

式中v—轉(zhuǎn)子的圓周速度(m/s)；

D—螺旋攪拌機(jī)構(gòu)直徑(m)。

2.5 功率的計(jì)算

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，攪拌機(jī)構(gòu)功率計(jì)算公式[15]為

P=f·ρ·n3·D5

(4)

式中f—結(jié)構(gòu)修正系數(shù)，當(dāng)攪拌器為葉片式攪拌器時(shí)，一般f≈1.2；

ρ—攪拌物的密度，ρ=0.6k/m3；

n—攪拌機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速，n=1.2r/s；

D—攪拌機(jī)構(gòu)的直徑，D=0.49。

2.6 筒體危險(xiǎn)截面圖的校核

筒體是旋轉(zhuǎn)部件，主要針對其抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行校核。由于在筒體上加工了通孔，危險(xiǎn)截面如圖4所示。其計(jì)算方法參考圓環(huán)形極慣性矩的計(jì)算公式[16-18]。

圖4 筒體危險(xiǎn)截面圖Fig.4 Diagram of the dangerous section of the tube

截面的極慣性矩為

(5)

式中IP—筒體截面的極慣性矩(m4)；

D—筒體的外徑，D=0.102m；

d—筒體的內(nèi)徑,d=0.09m；

d1—通孔的直徑，d1=0.0213m。

代入數(shù)值計(jì)算得

抗扭截面系數(shù)為

(6)

式中wt—抗扭截面系數(shù)(m3)。

根據(jù)螺旋軸所承受的扭矩可以計(jì)算最大剪應(yīng)力，從而校核軸的抗剪切強(qiáng)度[19]，即

τmax=T/wt

(7)

式中τmax—筒體危險(xiǎn)截面的最大剪應(yīng)力(MPa)；

T—作用在筒體上的扭矩(N·m)。

(8)

式中P—攪拌機(jī)構(gòu)功率(kW)；

n—攪拌機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速，n=72r/min。

T=9549·p/n=4.66N·m，則τmax=T/wt=69.55MPa；[τ]=(0.5～0.6)[σωn]=76～106.2MPa，τmax=69.55MPa<[τ]=76～106.2MPa,滿足抗剪切強(qiáng)度要求。

3 試驗(yàn)分析

整機(jī)樣機(jī)在黑龍江省齊齊哈爾市梅里斯區(qū)天錦食用菌養(yǎng)殖場進(jìn)行了現(xiàn)場作業(yè)試驗(yàn)。天錦食用菌養(yǎng)殖場的檢測人員按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在化驗(yàn)室用化學(xué)方法測量示蹤劑量值，并進(jìn)行樣機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)，測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 性能測試數(shù)據(jù)表Taleb 2 The performance test data tables

試驗(yàn)結(jié)果表明：在混合機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速72r/min時(shí)，混合均勻度滿足設(shè)計(jì)要求，整機(jī)也達(dá)到生產(chǎn)率要求，且運(yùn)行平穩(wěn)，未出現(xiàn)任何故障及異響。

4 結(jié)論

螺旋攪拌機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中,需要綜合考慮其攪拌葉片的設(shè)計(jì)、筒體長度、轉(zhuǎn)速、功率等因素，并從筒體危險(xiǎn)截面圖的校核等多方面進(jìn)行綜合考慮、比較、計(jì)算才能確定，才能達(dá)到最初的設(shè)計(jì)要求。該機(jī)具有操作簡便、成本較低及易于日常維護(hù)等特點(diǎn),極其具有推廣價(jià)值。