朱加繁，趙玉清，楊陸強(qiáng)，高志超，張汝坤

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201)

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三七溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的設(shè)計(jì)

朱加繁，趙玉清，楊陸強(qiáng)，高志超，張汝坤

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201)

為了解決三七工廠化育苗中的基質(zhì)消毒問題，設(shè)計(jì)了一種適用于溫室育苗槽的基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)，闡述了該機(jī)的基本工作原理、總體結(jié)構(gòu)組成及關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)，并采用有限元分析軟件對(duì)消毒機(jī)的核心工作部件拋土刀片進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。通過靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)拋土刀片工作過程中，其應(yīng)力主要集中在刀柄根部與刀盤接觸的部位，應(yīng)力最大值為118.62MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度355MPa；應(yīng)力較集中的部位也是應(yīng)力較大的部位，應(yīng)變最大值為0.596 48mm；刀片變形量最大的部位是刀片頂端與基質(zhì)接觸的部分，最大變形量為1.637 5mm；通過模態(tài)分析，得到刀片前6階模態(tài)的振頻和振型，刀片的干擾頻率為5Hz遠(yuǎn)小于前6階模態(tài)的振頻，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性。

三七；基質(zhì)；蒸汽消毒機(jī)；分析

0 引言

三七是云南獨(dú)具特色的優(yōu)勢(shì)生物資源，它的根是著名傳統(tǒng)中藥材[1]。育苗是三七栽培中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，而三七育苗基質(zhì)的消毒處理在其育苗過程中起著關(guān)鍵作用。未經(jīng)消毒處理的基質(zhì)中可能存在許多病菌、蟲卵、害蟲和雜草種子，如不及時(shí)處理，會(huì)使育苗的產(chǎn)量和品質(zhì)下降，甚至造成大面積病菌的傳播以致整個(gè)育苗過程的失敗。因此，三七育苗前必須對(duì)其基質(zhì)進(jìn)行消毒處理，以達(dá)到防止病蟲害傳播的目的。

土壤高溫蒸汽消毒法首先由德國(guó)人Frank于1888年發(fā)現(xiàn)，1893年由美國(guó)人Rudd首次商業(yè)化使用，從此，高溫蒸汽消毒法在溫室和苗床消毒中得到應(yīng)用。采用蒸汽消毒可以使基質(zhì)形成團(tuán)粒狀，提高土壤的通透性，與甲基溴等化學(xué)熏蒸劑相比，蒸汽消毒有高效、清潔、無殘留、處理后短期內(nèi)即可播種等優(yōu)點(diǎn)[2]。英國(guó)在20世紀(jì)50年代就對(duì)蒸汽消毒設(shè)備進(jìn)行了研究并統(tǒng)計(jì)了較詳細(xì)的研究數(shù)據(jù)[3]。美國(guó)、以色列、荷蘭等國(guó)在基質(zhì)消毒方面的研究基本已形成了完整的技術(shù)體系。我國(guó)對(duì)基質(zhì)消毒裝備的研究起步較晚,現(xiàn)有的消毒機(jī)械規(guī)格少，性能不穩(wěn)定,大多數(shù)基質(zhì)消毒設(shè)備還處于試制階段。目前，我國(guó)三七育苗基質(zhì)消毒基本上還是人工操作，工作環(huán)境差且勞動(dòng)強(qiáng)度比較大，國(guó)內(nèi)機(jī)械化基質(zhì)消毒設(shè)備發(fā)展還不完善，設(shè)備整體性能還有待提高[4]。因此，開發(fā)簡(jiǎn)便易行、經(jīng)濟(jì)適用的輕型育苗基質(zhì)消毒設(shè)備，對(duì)三七育苗基質(zhì)進(jìn)行消毒，可有效解決三七育苗過程中的病蟲害防治問題，對(duì)云南三七產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)組成

三七溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)主要由機(jī)架、行走輪、限位輪、消毒箱、拋土刀片、蒸汽管和刀軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，如圖1所示。

1.基質(zhì)入口 2.消毒箱 3.消毒箱支撐板 4.消毒箱出口插銷 5.消毒箱出口蓋 6.限位輪 7.行走輪 8.機(jī)架 9.扶手 10.電機(jī)支撐板 11.拋土刀軸驅(qū)動(dòng)電機(jī) 12.齒輪 13.蒸汽管圖1 三七溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

消毒機(jī)的行走輪安裝在軸的兩端，限位輪通過螺栓連接安裝在機(jī)架上，消毒箱與其支撐板通過螺栓連接安裝在機(jī)架的正上方；支撐板由4根立柱支撐，4根立柱直接焊接在機(jī)架上；拋土刀軸通過軸承配合安裝在消毒箱上，拋土刀片與其對(duì)應(yīng)的刀盤通過螺栓連接，每個(gè)刀盤上安裝3把刀片，分別呈120°角對(duì)稱安裝，刀盤與刀軸采用鍵連接；蒸汽管則直接焊接安裝在消毒箱的頂部，拋土刀軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過螺栓聯(lián)接安裝在其支撐板上，支撐板與機(jī)架通過兩根方形立柱相連，消毒機(jī)的把手直接焊接在機(jī)架上，與水平面呈45°角。

1.2 消毒原理及工作過程

三七溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的工作原理是高溫蒸汽消毒。工作時(shí)，通過熱傳遞的方式將高溫蒸汽的熱量傳遞給育苗基質(zhì)，將基質(zhì)的溫度升高到一定數(shù)值，然后保溫一段時(shí)間，進(jìn)而殺死基質(zhì)中的有害病菌和蟲卵等，達(dá)到對(duì)基質(zhì)消毒的目的[5-7]。其工作過程為：通過消毒箱頂部的入口把基質(zhì)倒入其內(nèi)腔中，關(guān)閉其入口蓋，此時(shí)消毒箱就形成了一個(gè)全封閉的工作空間，有利于基質(zhì)升溫后的保溫；然后啟動(dòng)電機(jī)，通過齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)消毒機(jī)拋土刀片高速旋轉(zhuǎn)，拋土刀片就會(huì)將消毒箱內(nèi)的育苗基質(zhì)拋起并分散在其內(nèi)腔中。與此同時(shí)，通過蒸汽管向消毒箱內(nèi)噴入高溫蒸汽， 被拋起的基質(zhì)就能和高溫蒸汽快速而充分地接觸，從而達(dá)到對(duì)基質(zhì)進(jìn)行消毒的目的。一段時(shí)間后，打開消毒箱底部的下蓋，經(jīng)消毒后的育苗基質(zhì)就從消毒箱內(nèi)直接落到基質(zhì)育苗槽內(nèi)。消毒機(jī)工作示意圖，如圖2所示。

1.基質(zhì) 2.拋土刀片 3.消毒箱支撐板 4.電機(jī)支撐板 5.扶手 6.立柱 7.行走輪 8.行走輪軸 9.基質(zhì)槽 10.軸限位輪 11.消毒箱底蓋 12.刀盤 13.拋土刀軸 14.高溫蒸汽 15.蒸汽管 16.基質(zhì)入口圖2 三七溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)工作示意圖如圖

2 主要工作部件的設(shè)計(jì)

三七溫室育苗槽基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括機(jī)架、行走裝置、消毒裝置、動(dòng)力機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，行走裝置主要由行走輪和限位輪組成，消毒裝置主要由消毒箱、拋土刀片和蒸汽管組成，動(dòng)力機(jī)構(gòu)為拋土刀軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)，動(dòng)力傳輸方式采用齒輪傳動(dòng)。為了滿足消毒機(jī)的設(shè)計(jì)要求，必須對(duì)消毒機(jī)拋土刀片等主要工作部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和強(qiáng)度校核。

2.1 拋土裝置

2.1.1 刀片的設(shè)計(jì)

拋土刀片是拋土裝置的核心，目的是將消毒箱中的育苗基質(zhì)向上拋起，使其均勻分散在消毒箱的內(nèi)腔中；與此同時(shí)，向蒸汽管中通入高溫高壓蒸汽，使得基質(zhì)與高溫蒸汽快速充分的接觸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)基質(zhì)的消毒處理。因此，根據(jù)消毒機(jī)箱桶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將消毒機(jī)拋土刀片的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成如圖3所示的鏟形結(jié)構(gòu)。其厚度為3mm，最大回轉(zhuǎn)半徑為300mm，刀片通過螺栓聯(lián)接安裝在對(duì)應(yīng)的刀盤上。為了使刀盤受力均勻，每個(gè)刀盤上安裝3把刀片，分別呈120°角對(duì)稱安裝，刀盤則采用線性排列方式安裝在刀軸上，每?jī)蓚€(gè)刀盤之間的距離為150mm。刀軸與消毒箱的安裝位置也有一定要求，即刀軸旋轉(zhuǎn)過程中，拋土刀片工作位置的最低點(diǎn)剛好與消毒箱的內(nèi)壁相切，這樣刀片才能將消毒箱底部的基質(zhì)全部拋起。拋土刀片的結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

1.拋土刀軸 2.刀盤 3.拋土刀片圖3 拋土刀片結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.2 刀軸的設(shè)計(jì)

(1)

拋土刀片所受土壤阻力為

(2)

刀片對(duì)刀軸產(chǎn)生的扭矩為：

T=F·R=84.71N·m

(3)

(4)

查表得，A0=126，故

(5)

式中 τT—扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力(MPa)；

p—驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率(kW)；

A0—軸的材料系數(shù)；

d—拋土刀軸的直徑。

為了安全起見，將軸徑放大5%，所以拋土刀軸的直徑設(shè)計(jì)為40mm。

2.2 蒸汽管

蒸汽管的作用是將高溫鍋爐產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽輸入到消毒箱體內(nèi)，再通過其管壁上開設(shè)的噴氣孔將高溫蒸汽噴到消毒箱內(nèi)腔中，使得高溫蒸汽與被拋起的基質(zhì)快速充分地接觸，從而將蒸汽中的熱量傳遞給基質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)基質(zhì)進(jìn)行加熱和消毒的目的。

蒸汽管結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 蒸汽導(dǎo)管結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 行走裝置

消毒機(jī)的行走裝置由行走輪和限位輪組成，行走輪通過鍵槽配合安裝在其軸上。限位輪則通過焊接聯(lián)接安裝在機(jī)架上，如圖5所示。消毒機(jī)工作時(shí)，行走輪與基質(zhì)槽的上表面接觸，限位輪與基質(zhì)槽的內(nèi)側(cè)面接觸，使消毒機(jī)能夠沿著基質(zhì)槽表面平穩(wěn)的前進(jìn)和后退。根據(jù)三七育苗槽的實(shí)際尺寸，消毒機(jī)的行走輪的直徑設(shè)計(jì)為200mm厚度為20mm，限位輪的直徑為60mm、厚度為15mm。

1.行走輪 2.行走輪軸 3.基質(zhì)槽 4.限位輪圖5 行走裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 消毒箱

消毒箱作為基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的主要組成部件，其作用主要是為機(jī)器的工過程提供一個(gè)密閉的工作環(huán)境，使基質(zhì)升溫更快、保溫效果更好，同時(shí)也在一定程度上保障了操作人員的安全。消毒箱的制作材料應(yīng)該具有質(zhì)量輕、耐高溫及防銹蝕等特點(diǎn)，本文根據(jù)消毒機(jī)的設(shè)計(jì)要求，選擇厚度為3mm的不銹鋼作為消毒箱的制作材料，基本尺寸：直徑為1 000mm、總長(zhǎng)為2 000mm。

2.5 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架是消毒機(jī)整個(gè)機(jī)身質(zhì)量的承載體，工作過程中要承受部分沖擊載荷，還會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)，受力情況較為復(fù)雜。因此，機(jī)架的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足一定的強(qiáng)度、剛度等性能要求，否則可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形甚至損壞。本文設(shè)計(jì)的消毒機(jī)機(jī)架部分采用厚度為5mm的鋼板焊接而成。

3 拋土刀片有限元分析

拋土刀片是消毒機(jī)的主要受力部件，將基質(zhì)拋起的同時(shí)要承受基質(zhì)的反作用力，在工作過程中會(huì)發(fā)生一定的形變。因此，需要采用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)的合理性。本研究采用ANSYS Workbench對(duì)消毒機(jī)的拋土刀片進(jìn)行分析。

3.1 模型的建立與網(wǎng)格劃分

本設(shè)計(jì)采用SolidWorks建立拋土刀片的三維模型，然后將其導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中，并對(duì)其添加一些參數(shù)控制來對(duì)刀片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到刀片的有限元網(wǎng)格模型如圖6所示。根據(jù)刀片工作的實(shí)際情況，將其在x、y、z軸方向的位移限制為0mm，在刀盤內(nèi)孔上施加無摩擦支撐約束，并在鍵槽位置施加相應(yīng)的載荷，最后給分析對(duì)象施加300r/min的初始轉(zhuǎn)速。

圖6 有限元網(wǎng)格劃分圖

3.2 靜力學(xué)分析結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算求解，得到刀片在工作時(shí)的等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D、總變形量云圖，如圖6～圖8所示。圖6中可以看出：刀片的應(yīng)力主要集中在刀柄的根部與刀盤接觸部位，最大值為118.62MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度355MPa。由圖7中可以看出：應(yīng)力較集中的部位也是應(yīng)力較大的部位，應(yīng)變的最大值為0.596 48mm。由圖8中可以看出：變形量最大的位置是刀片邊緣，最大位移1.637 5mm。

圖7 等效應(yīng)力圖

圖8 等效應(yīng)變圖

圖9 總變形量云圖

3.3 預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析結(jié)果

在模態(tài)分析中，隨著階數(shù)的不斷增大，模態(tài)分析結(jié)果的誤差將會(huì)變大[9]。根據(jù)需要，采用Block lanczos法提取了刀片的前6階模態(tài)，分析結(jié)果如表1所示。振型云圖如圖10～圖13所示。

表1 前6階模態(tài)分析結(jié)果

圖10 刀片1階振型云圖

圖11 刀片3階振型云圖

圖12 刀片4階振型云圖

圖13 刀片5階振型云圖

從刀片的模態(tài)分析結(jié)果中可以看出：刀片的1階模態(tài)和2階模態(tài)振動(dòng)頻率比較相近，5階模態(tài)和6階模態(tài)振動(dòng)頻率也比較相近，分別是振動(dòng)方程的兩個(gè)二重根。這種情況出現(xiàn)在對(duì)稱結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析中是正常的，它們的振型也是相似的，只是共振時(shí)有一個(gè)相位差[9]。從刀片的各階振形云圖中可以看出：越是遠(yuǎn)離刀盤中心的位置，刀片的位移量越大，刀片的最大位移出現(xiàn)在其最外邊緣處。

拋土刀片的干擾頻率與刀軸的轉(zhuǎn)速有關(guān)，干擾頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系為n=60f,n為轉(zhuǎn)速，f為干擾頻率；拋土刀軸的轉(zhuǎn)速為300r/min，由公式可得刀片的干擾頻率為5Hz遠(yuǎn)小于前6階模態(tài)的振頻，說明刀片工作過程中不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

4 結(jié)論

根據(jù)三七溫室育苗槽的基本尺寸及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種小型三七育苗基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)。闡述了該機(jī)的基本工作原理、總體配置及主要部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并采用工程有限元的方法對(duì)消毒機(jī)的拋土刀片進(jìn)行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析。

通過靜力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)拋土刀片工作過程中：應(yīng)力主要集中在刀柄根部與刀盤接觸的部位，應(yīng)力最大值為118.62MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度355MPa；應(yīng)力較集中的部位也是應(yīng)力較大的部位，其應(yīng)變最大值為0.596 48mm；刀片變形量最大的部位是刀片頂端與基質(zhì)接觸的部分，最大變形量為1.637 5mm。通過模態(tài)分析，得到刀片前6階模態(tài)的振頻和振型，刀片的干擾頻率為5Hz遠(yuǎn)小于前6階模態(tài)的振頻。這說明刀片工作過程中不會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)的合理性。

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Design of Matrix Steam Sterilizing Machine of Panax Notoginseng Greenhouse Seedling Trough

Zhu Jiafan， Zhao Yuqing, Yang Luqiang, Gao Zhichao, Zhang Rukun

(School of mechanical and electrical engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201，China)

In order to solve the problem of the matrix disinfection in Panax notoginseng factory nursery，a kind of matrix steam sterilizing machine suitable for greenhouse seedling trough was designed，its basic working principle，overall configuration，the structure of main component were elaborated，and the finite element analysis software was used to conduct static analysis and modal analysis of core working part of disinfection machine—soil throwing blade，through static analysising，we found in the working process of blade，the stress mainly concentrated in the contact parts of the roots of handle and cutter，the maximum stress is 118.62MPa，which is less than the yield strength of material-355Mpa，and the concentration part of stress is also the greater part，the maximum strain is 0.59648mm，the largest part of the deformation of the blade is the contact part of blade tip and matrix，the maximum deformation is 1.6375mm.Through modal analysising，we obtained front six modal frequencies and modes of the blade，the interference frequency is 50Hz，which is not equal to the frequency of front six modal，and the rationality of the machine was proved.

panax notoginseng； matrix； stream sterilizing machine； analysis

2016-05-17

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB1004 06)

朱加繁(1989-)，男，云南曲靖人，碩士研究生，(E-mail)973189583@qq.com。

張汝坤(1960-)，男，云南大理人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)zhangrukun8918@aliyun.com。

S625.3

A

1003-188X(2017)03-0079-05