戴　飛，楊　杰，趙武云※，李志剛，辛尚龍，張鋒偉

（1. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100083；3. 蘭州科泰現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司 蘭州 730070）

0　引　言

雙孢蘑菇（Agaricus bisporus）為草腐生真菌，又名白蘑菇、洋蘑菇等，簡稱雙孢菇，是世界上生產(chǎn)量最大、栽培范圍最廣的食用菌品種之一[1-3]。近年來，隨著人們生活水平與科學(xué)膳食意識的逐步提高，使得雙孢蘑菇市場發(fā)展?jié)摿Σ粩嗵嵘?，雙孢蘑菇規(guī)?；?、工廠化的生產(chǎn)已成為未來雙孢蘑菇產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的必然趨勢與手段[4-6]。

目前，國外雙孢蘑菇進(jìn)行工廠化生產(chǎn)主要集中在以荷蘭、法國、愛爾蘭等為代表的歐美國家，相關(guān)生產(chǎn)專業(yè)化程度高，應(yīng)用的栽培技術(shù)及其配套作業(yè)裝備居于世界領(lǐng)先水平[7-9]。國外先進(jìn)菇場普遍采用單區(qū)制，即從制種、堆料、播種、覆土、出菇管理至采收等全部采用機(jī)械化、智能化，工廠化，雙孢蘑菇栽培中堆肥的二次發(fā)酵、發(fā)菌、出菇 3個(gè)階段均在出菇室中完成。但是，該類栽培模式在相關(guān)菌種制作、培養(yǎng)料發(fā)酵、覆土材料制備等過程分別由不同的專業(yè)化公司完成，中國雙孢菇栽培行業(yè)還未形成相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈[10-11]。雙孢蘑菇二區(qū)制栽培時(shí)，培養(yǎng)料二次發(fā)酵在隧道內(nèi)進(jìn)行，而覆土、催菇、出菇在出菇室中完成。因此，雙孢蘑菇單區(qū)制栽培與二區(qū)制栽培相比栽培周期長、栽培次數(shù)少，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)能低[11]。基于上述原因，雙孢蘑菇單區(qū)制栽培不符合中國中小規(guī)模栽培，使得中國多數(shù)地區(qū)仍采用雙孢蘑菇二區(qū)制栽培[10-11]。

中國的食用菌工廠化生產(chǎn)與歐美發(fā)達(dá)國家相比起步較晚，國內(nèi)雙孢蘑菇生產(chǎn)主要以傳統(tǒng)季節(jié)栽培為主、工廠化周年生產(chǎn)為輔進(jìn)行，且對于工廠化生產(chǎn)技術(shù)與裝備的研究相對滯后；由于全套引進(jìn)歐美雙孢蘑菇生產(chǎn)線的投資高，國內(nèi)不少大型公司做了部分引進(jìn)和模仿，但效果皆不如意，大部分雙孢蘑菇生產(chǎn)仍舊停留在以家庭小規(guī)模人工栽培為主，配套設(shè)備嚴(yán)重不足，雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)技術(shù)水平低已成為制約中國雙孢蘑菇生產(chǎn)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)成長的主要瓶頸[12-15]。

為此，針對雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)過程中有關(guān)二次發(fā)酵培養(yǎng)料裝盤-碼盤，托盤在育菇床架收布及雙孢蘑菇采摘 3個(gè)關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)適宜于上述雙孢蘑菇工廠化二區(qū)制栽培生產(chǎn)部分相關(guān)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵配套裝置，以期為雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)裝備的研發(fā)提供參考。

1　配套裝置組成及工作原理

1.1　雙孢蘑菇二區(qū)制生產(chǎn)工藝

雙孢蘑菇二區(qū)制生產(chǎn)工藝如圖1所示，在發(fā)酵室內(nèi)，當(dāng)二次發(fā)酵好的培養(yǎng)料在連續(xù)裝盤-碼盤裝置的作用下經(jīng)過裝盤、壓實(shí)后，由叉車將制備好的培養(yǎng)料托盤運(yùn)送至育菇房門口；其次由培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置將載料托盤運(yùn)送至育菇床架相應(yīng)位置進(jìn)行提升擺放；隨后由人工在各培養(yǎng)料托盤內(nèi)順次完成雙孢蘑菇播種、覆土及發(fā)菌管理；待第 1潮菇產(chǎn)出后，在移動(dòng)式采菇滑車的配合下完成采摘工作；最后完成雙孢蘑菇的稱量、裝袋工作。

圖1　試驗(yàn)工藝流程圖Fig.1　Flow diagram of test process

為此，針對雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)過程中有關(guān)二次發(fā)酵培養(yǎng)料裝盤-碼盤，托盤在育菇床架收布及雙孢蘑菇采摘3個(gè)關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)行配套裝置的設(shè)計(jì)研究。

1.2　裝置結(jié)構(gòu)組成

結(jié)合二區(qū)制雙孢蘑菇栽培過程中，培養(yǎng)料二次發(fā)酵后至育菇房內(nèi)采摘階段部分關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)需求，設(shè)計(jì)工廠化生產(chǎn)配套裝置，能夠快速為培養(yǎng)料機(jī)械化裝盤-碼盤，托盤在育菇床架準(zhǔn)確收布及輔助人工高效移動(dòng)采摘雙孢蘑菇 3個(gè)關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)提供保障。工廠化生產(chǎn)配套裝置主要由二次發(fā)酵培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-布盤裝置（主要包括空盤供給、自動(dòng)上料、可控壓實(shí)、自動(dòng)碼盤4個(gè)工位），培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置（具有布盤、收盤功能），與機(jī)械式育菇床架配合使用的移動(dòng)式采菇滑車，室外叉車等組成，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示[16-19]。

圖2　雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)關(guān)鍵配套裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2　Structure of key assorted device based on factory production of Agaricus bisporus

基于雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)部分作業(yè)環(huán)節(jié)配套裝置技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　配套裝置技術(shù)參數(shù)Table 1　Technical parameters of accessory device

1.3　工作原理

如圖 2所示，設(shè)計(jì)的適宜于雙孢蘑菇工廠化二區(qū)制栽培生產(chǎn)的配套裝置主要服務(wù)于二次發(fā)酵培養(yǎng)料裝盤-碼盤、托盤在育菇床架收布及雙孢蘑菇采摘 3個(gè)關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)。在第 1作業(yè)環(huán)節(jié)中，當(dāng)空托盤由叉車運(yùn)送至二次發(fā)酵培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置右側(cè)時(shí)，叉車可將空托盤直接放置于空盤提升機(jī)上，隨著空盤提升機(jī)內(nèi)、外撐架及油缸的共同作用下完成空盤提升作業(yè)，空盤提升機(jī)上移將空托盤準(zhǔn)確降落至傳動(dòng)架的滾輪上，并將其水平輸送至第二工位（上料位處）。當(dāng)空托盤位于上料提升機(jī)上方時(shí)，為保證二次發(fā)酵培養(yǎng)料均勻疏松、且無損失準(zhǔn)確下落，上料提升機(jī)將空托盤升運(yùn)至指定高度，此時(shí)培養(yǎng)料通過上料裝置運(yùn)送至出料口并在疏料裝置轉(zhuǎn)動(dòng)作用下快速下落至空托盤內(nèi)。裝好定量料的托盤再由傳動(dòng)架運(yùn)送至第三工位，依據(jù)培養(yǎng)料壓塊工藝與其緊實(shí)度要求，通過壓實(shí)裝置完成對托盤內(nèi)培養(yǎng)料的合理鎮(zhèn)壓作業(yè)；再由傳動(dòng)架傳送至第四工位，在碼盤提升機(jī)的作用下完成卸盤、碼盤作業(yè)。隨后進(jìn)入第 2作業(yè)環(huán)節(jié)，裝好培養(yǎng)料的托盤由叉車輸送至育菇房門口，經(jīng)托盤收布裝置運(yùn)送至育菇床架的指定位置，并在倍速驅(qū)動(dòng)裝置的作用下準(zhǔn)確放置于育菇床不同層架。此外，設(shè)計(jì)的與機(jī)械式育菇床架配合使用的移動(dòng)式采菇滑車可輔助進(jìn)行雙孢蘑菇菌種接種、覆土管理等作業(yè)，且主要用于配合完成雙孢蘑菇的人工便捷采摘作業(yè)（第3作業(yè)環(huán)節(jié)）。

2　關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1　二次發(fā)酵培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置

如圖3所示，二次發(fā)酵培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置主要由空盤供給裝置、自動(dòng)裝料裝置、可控壓實(shí)裝置及自動(dòng)碼盤裝置組成，并構(gòu)成4個(gè)作業(yè)工段。上述4個(gè)工段均需有提升機(jī)的配合使用，其中空盤供給段和自動(dòng)碼盤段都需要有相應(yīng)的叉車輔助完成；自動(dòng)裝料段主要由上料裝置、上料提升機(jī)及疏料裝置共同配合作業(yè)實(shí)現(xiàn)；可控壓實(shí)段由壓實(shí)提升機(jī)、與托盤匹配的壓實(shí)裝置完成，能夠使料盤中雙孢蘑菇培養(yǎng)料達(dá)到適宜的鋪料厚度（250～280 mm）與栽培緊實(shí)程度（450～500 kg/m3）[20-21]。從培養(yǎng)料空盤供給至自動(dòng)碼盤方向上均布有傳動(dòng)裝置，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)和鏈條共同帶動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在各工段提升機(jī)自行升落的配合下將托盤降落至傳動(dòng)裝置的滾輪上，并由滾輪傳送至指定的相應(yīng)工作段。

圖3　二次發(fā)酵培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Structure of continuous full plate-put plate device with second-phase compost

為保證培養(yǎng)料托盤在裝置各個(gè)工段運(yùn)行平穩(wěn)，單個(gè)托盤裝料量設(shè)計(jì)控制在200～210 kg；設(shè)定從空盤供給至自動(dòng)碼盤作業(yè)過程中二次發(fā)酵培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置水平運(yùn)輸速度為0.20～0.25 m/s；依據(jù)發(fā)酵室空間大小對連續(xù)裝盤-碼盤裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，且為避免裝料托盤空中滑落，各工段提升機(jī)提升作業(yè)高度距裝置傳動(dòng)架的縱向距離控制在400～600 mm之間為宜，托盤尺寸為1 440 mm × 1 100 mm × 450 mm（其中托盤支架高度為 170 mm，托盤槽深度為280 mm）。培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置總體長度為8 000 mm（其中，空盤供給段長1 700 mm、自動(dòng)裝料段長1 620 mm、可控壓實(shí)段長1 560 mm、自動(dòng)碼盤段長1 665 mm）、寬度為3 725 mm、高度為2 615 mm，安裝在育菇房旁的培養(yǎng)料二次發(fā)酵室，便于叉車對托盤運(yùn)送。

2.1.1空盤供給裝置與自動(dòng)碼盤裝置

培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置作業(yè)過程中，在空盤供給裝置與自動(dòng)碼盤裝置的作用下先后經(jīng)歷空托盤提升裝料、裝料托盤下降碼盤工序，兩裝置結(jié)構(gòu)及工作原理相同，如圖4所示。

圖4　自動(dòng)碼盤裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Structure of automatic put plate device

空盤供給裝置與自動(dòng)碼盤裝置均依靠其上框架與下框架間連接的內(nèi)、外撐架在垂直方向伸縮完成托盤提升、下降作業(yè)工序；同時(shí)，依據(jù)單個(gè)托盤及其裝料質(zhì)量，在中置液壓油缸的作用下裝置初始提升力設(shè)計(jì)為5 000 N，最大提升力設(shè)計(jì)為15 000 N。其中，空盤供給裝置與自動(dòng)碼盤裝置的最低高度不得高于350 mm，最大提升高度設(shè)計(jì)達(dá)到1 100 mm，即在中置液壓油缸的驅(qū)動(dòng)下空盤供給裝置與自動(dòng)碼盤裝置的有效行程為750 mm。

2.1.2自動(dòng)裝料裝置

在培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置作業(yè)過程中，托盤在自動(dòng)裝料裝置處的裝料時(shí)間是影響該裝備總體工作效率的關(guān)鍵因素。當(dāng)裝料時(shí)間過短，托盤內(nèi)的培養(yǎng)料量較少，在經(jīng)過壓實(shí)工段處理后其厚度、緊實(shí)度可能達(dá)不到雙孢蘑菇播種等后續(xù)作業(yè)要求；如若裝料時(shí)間過長，則托盤內(nèi)裝料量過大，造成培養(yǎng)料損失浪費(fèi)。因此，需確定上料裝置中刮板式升運(yùn)器的升運(yùn)量。

自動(dòng)裝料裝置中的輸料裝置結(jié)構(gòu)如圖5a、b所示，培

養(yǎng)料經(jīng)上料斗由刮板式升運(yùn)器輸送帶向上傾斜移動(dòng)，在升運(yùn)器最高端下落至出料口的過程中經(jīng)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的疏料裝置作用使結(jié)塊的培養(yǎng)料變得松散、勻稱，最終下落至出料口，并進(jìn)入下端托盤內(nèi)[16]。

圖5　輸料裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5　Structure of loading elevator

式中h為裝料提升機(jī)刮板式升運(yùn)器高度，m；L為裝料提升機(jī)刮板式升運(yùn)器長度，m，取1.60 m；β為刮板式升運(yùn)器傾角，(°)，取45°；由式（1）計(jì)算可得h=1.13 m。

式中 Q1為裝料提升機(jī)刮板式升運(yùn)器升運(yùn)量，kg/s；B為裝料提升機(jī)刮板式升運(yùn)器寬度，m，取0.80 m；h為裝料提升機(jī)刮板式升運(yùn)器高度，m，為1.13 m；ε為輸送培養(yǎng)料緊實(shí)度，kg/m3，二次發(fā)酵雙孢蘑菇培養(yǎng)料平均緊實(shí)度為300 kg/m3[21]；v 為刮板升運(yùn)速度，m/s，取0.25 m/s；ψ為充滿系數(shù)，取0.97[22]；k為傾斜系數(shù)，取0.40[22]。

由式（2）計(jì)算可得Q1=26.31 kg/s。

式中Q為托盤裝料量，kg；取206 kg；T為提升機(jī)裝料時(shí)間，s。

由式（3）計(jì)算可得，T =7.83 s；考慮在輸料裝置作業(yè)過程中，其刮板式升運(yùn)器為間歇式開機(jī)、停機(jī)，且四工段內(nèi)，各提升機(jī)對托盤縱向輸送時(shí)間均按照10 s計(jì)算。因此，設(shè)定托盤在自動(dòng)裝料裝置處的裝料時(shí)間相對延長，共需要18 s。

為能夠?qū)⒍伟l(fā)酵培養(yǎng)料中的結(jié)塊進(jìn)行有效破碎，且滿足裝入托盤中的培養(yǎng)料疏松、均勻，同時(shí)確保在后續(xù)壓實(shí)過程中托盤培養(yǎng)料各部分保持緊實(shí)度一致，依據(jù)開展的培養(yǎng)料撥動(dòng)輸送效果試驗(yàn)，通過參考已有相關(guān)裝置技術(shù)參數(shù)選取的基礎(chǔ)上[23]，在上料裝置頂部設(shè)計(jì)了桿齒式疏料裝置，如圖 6所示。其中，設(shè)計(jì)撥料軸長度為800 mm，由左、右機(jī)架固定且能夠逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，撥料軸上設(shè)置有13組撥料指，為直徑16 mm、長度600 mm的桿齒元件，相互垂直交錯(cuò)排列安裝，兩撥料指的安裝間隔距離為210 mm。前期單因素試驗(yàn)表明，疏料裝置的轉(zhuǎn)速w需控制在280～320 r/min時(shí)能夠?qū)⑴囵B(yǎng)料及其結(jié)塊破碎、疏松，且基本保證無培養(yǎng)料慣性飛濺。

圖6　疏料裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6　Structure of opening material device

2.1.3可控壓實(shí)裝置

如圖7所示，可控壓實(shí)裝置主要由鏈輪、壓實(shí)裝置、內(nèi)撐架、壓實(shí)架、外撐架、上框架和驅(qū)動(dòng)鏈條等組成。其中，壓實(shí)裝置工作面為矩形，長度L1為1 400 mm，寬度B1為1 060 mm。

圖7　可控壓實(shí)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.7　Structure of controllable compaction device

托盤內(nèi)培養(yǎng)料的緊實(shí)度是影響發(fā)菌速度、出菇時(shí)間及其產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一，在裝置可控壓實(shí)段需保證壓實(shí)裝置作業(yè)后托盤內(nèi)培養(yǎng)料各處厚薄均勻、松緊一致且床面平整。受疏料裝置作用，初始裝入托盤內(nèi)培養(yǎng)料的緊實(shí)度約為200 kg/m3，依據(jù)培養(yǎng)料壓塊工藝與其緊實(shí)度要求，壓實(shí)后托盤內(nèi)培養(yǎng)料的緊實(shí)度控制為500 kg/m3[21]；則依據(jù)式（4）可計(jì)算并設(shè)定出可控壓實(shí)裝置工作壓強(qiáng)為：

式中 p為可控壓實(shí)裝置工作壓強(qiáng)，Pa；Fy為可控壓實(shí)裝置工作壓力，N；Sy為壓實(shí)裝置工作面積，m2；ε1為壓實(shí)后培養(yǎng)料目標(biāo)緊實(shí)度，kg/m3；為500 kg/m3[21]；ε2壓實(shí)前培養(yǎng)料緊實(shí)度，kg/m3；為 200 kg/m3[21]；V為培養(yǎng)料體積，m3；為確保培養(yǎng)料壓塊工藝與其緊實(shí)度要求，忽略壓縮前后培養(yǎng)料的體積變化，均按照托盤體積計(jì)算，為0.44 m3；g為重力加速度，N/kg，取10 N/kg；

由式（4）計(jì)算可得Sy=1.484 m2，p=889.5 Pa，因此設(shè)定可控壓實(shí)裝置的最大工作壓強(qiáng)為900 Pa。

2.2　培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置

如圖8a、b所示，培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置安裝于育菇房中間導(dǎo)軌上，能夠?qū)崿F(xiàn)與前進(jìn)方向垂直方位育菇床架上的布盤、收盤作業(yè)，導(dǎo)軌寬度為650 mm[17,24-25]。布盤時(shí)，托盤在育菇房門口由叉車輔助配合放置于培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置，通過托盤收布裝置上滑架將培養(yǎng)料托盤舉起，經(jīng)過其提升、行走機(jī)構(gòu)運(yùn)送至育菇床架的要求位置和高度（其中行走速度為23.7 m/min，提升速度為9.1 m/min）[12]，再由倍速驅(qū)動(dòng)架向兩側(cè)輸送至育菇床架托盤擺放位置（轉(zhuǎn)運(yùn)速度為8.9 m/min[12]）；隨后提升裝置下降至行走架底部，并后退完成布盤作業(yè)；收盤工序則與此作業(yè)工序相反。

圖8　培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.8　Structure of compost pallet putting and recycling device

托盤收布裝置上滑架與倍速驅(qū)動(dòng)裝置均采用了倍速驅(qū)動(dòng)原理，能夠?qū)崿F(xiàn)倍速驅(qū)動(dòng)架在水平垂直導(dǎo)軌方向伸出一半時(shí)（水平位移750 mm），上滑架相對機(jī)架完全伸出（水平位移1 500 mm），其承載能力高，可用于托盤遠(yuǎn)距離橫向輸送，培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置具體控制原理見文獻(xiàn)[12]。該裝置能夠替代培養(yǎng)料裝盤、收盤過程中所采用的叉車，可實(shí)現(xiàn)托盤收布裝置直線行走、無需轉(zhuǎn)向，有效避免育菇房有限空間內(nèi)不利于大型運(yùn)輸設(shè)備轉(zhuǎn)向調(diào)整、叉車尾氣排放污染育菇房內(nèi)環(huán)境等問題，有助于實(shí)現(xiàn)真正意義上的工廠化。

2.3　機(jī)械式育菇床架

為達(dá)到雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)產(chǎn)量效果，解決傳統(tǒng)單層托盤放置所帶來占地面積大、放置托盤數(shù)量少以及對菇房光照、溫度等造成的浪費(fèi)，并為配合移動(dòng)式采菇滑車作業(yè)，設(shè)計(jì)了機(jī)械式育菇床架，其具體結(jié)構(gòu)及在育菇房內(nèi)的布置如圖9a、b、c所示[18,26-27]。

圖9　機(jī)械式育菇床架結(jié)構(gòu)與布置圖Fig.9　Structure and arrangement of mechanical nurture bed frame of Agaricus bisporus

設(shè)計(jì)的機(jī)械式育菇床架共有 5層組成，采用角鋼焊接而成，并應(yīng)用地腳螺栓與菇房地面固定連接，床架高度為2 380 mm（依據(jù)育菇房高度進(jìn)行調(diào)整），寬度設(shè)為1 500 mm，床架長度以育菇房具體室內(nèi)面積為依據(jù)而定，育菇床架支撐板之間距離為550 mm，底層離地面間距為180 mm。機(jī)械式育菇床架頂層、底層分別設(shè)有滾輪導(dǎo)軌且保證能夠與采菇滑車上、下滾輪相配合，通過人工拽拉、推搡實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)作業(yè)。同時(shí)，育菇房固定式噴水系統(tǒng)可在菇床各擋板、支撐板上進(jìn)行安裝。

為保障培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置、移動(dòng)式采菇滑車能夠自如進(jìn)入機(jī)械式育菇床架之間，兩育菇床架之間的導(dǎo)軌布置區(qū)域距離設(shè)定為2 100 mm，育菇床架側(cè)部離育菇房墻體距離為1 100 mm，其端部距離為1 000 mm[28]。

2.4　移動(dòng)式采菇滑車

為解決傳統(tǒng)高架菇床較多配套應(yīng)用的可移動(dòng)梯車和手搖式升降機(jī)在采摘過程中不穩(wěn)定、采摘高度與載物臺位置不可調(diào)、無專一菇箱及籃筐過大等所帶來的費(fèi)時(shí)耗力、菇傘擠壓損傷、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，設(shè)計(jì)了與機(jī)械式育菇床架配套使用的移動(dòng)式采菇滑車，車體具體結(jié)構(gòu)如圖10a所示[19]。移動(dòng)式采菇滑車高為2 200 mm（需與育菇床架支撐板總高相匹配），寬為900 mm。采菇滑車車架下部設(shè)置有提升板，提升板端部安裝了與育菇床架下滾輪導(dǎo)軌對應(yīng)的下滾輪，車架頂板端部同設(shè)有上滾輪。移動(dòng)式采菇滑車縱向作業(yè)動(dòng)力由其頂板固定安裝的提升電機(jī)為動(dòng)力源。提升電機(jī)的動(dòng)力通過驅(qū)動(dòng)鏈傳動(dòng)在滑輪組、吊環(huán)組的共同配合作用下完成提升板不同作業(yè)高度的控制，適宜于不同身高采菇工作業(yè)，可提高雙孢蘑菇采摘效率。

圖10　移動(dòng)式采菇滑車示意圖Fig.10　Structure of picking Agaricus bisporus movable trolley

依據(jù)式（5）可計(jì)算出移動(dòng)式采菇滑車頂板固定安裝的提升電機(jī)功率：

式中P為提升電機(jī)功率，W；F為采菇滑車鋼繩拉力，N；v1為采菇滑車提升板上升速度，m/s，取0.10 m/s；η為傳動(dòng)機(jī)械效率，取0.80；m1為采菇滑車提升板質(zhì)量，kg，取10 kg；m2為采菇工及其采摘工具等總質(zhì)量，kg，取150 kg；g為重力加速度，N/kg，取10 N/kg。

由式（5）計(jì)算可得提升電機(jī)功率P=200 W。

如圖 10b所示，當(dāng)移動(dòng)式采菇滑車作業(yè)時(shí)，采菇滑車由上滾輪和下滾輪固定在育菇床架的上、下滑輪導(dǎo)軌上，在人工自行手拉作用下可沿著育菇床架滑動(dòng)到水平欲采摘位置。雙孢蘑菇采摘后放入菇箱的下落高度是影響其貯藏品質(zhì)的顯著因素，為此在移動(dòng)式采菇滑車機(jī)架兩側(cè)設(shè)有一對長方體采菇箱（尺寸為360 mm× 360 mm ×600 mm），可沿采菇箱滑槽上下靈活移動(dòng)，且由鎖緊桿固定在設(shè)置于機(jī)架上的采菇箱固定槽處，箱底板可通過手柄自動(dòng)打開，方便采摘雙孢蘑菇簡單分級與卸料。作業(yè)機(jī)提升板通過鋼繩由提升電機(jī)控制其升降，便于采菇工在不同育菇層（3～5層）進(jìn)行采摘作業(yè)。

此外，移動(dòng)式采菇滑車還可以在雙孢蘑菇生產(chǎn)覆土、播種、催菇等環(huán)節(jié)為采菇工進(jìn)行覆土、覆土后調(diào)水、耙土及播種等作業(yè)提供輔助支持。

3　性能試驗(yàn)與分析

3.1　試驗(yàn)材料與方法

設(shè)計(jì)的基于雙孢蘑菇二區(qū)制栽培工廠化生產(chǎn)配套裝置作業(yè)性能試驗(yàn)在蘭州科泰現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技發(fā)展有限公司車間內(nèi)完成。試驗(yàn)前預(yù)先準(zhǔn)備二次發(fā)酵好的培養(yǎng)料（培養(yǎng)料成分為干麥秸質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%、干牛糞質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù) 2%、過磷酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%、石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù) 1%）。試驗(yàn)播種前對育菇房進(jìn)行消毒，待培養(yǎng)料溫度降至28 ℃后進(jìn)行上料播種；采用一次覆土，覆土厚度為30 mm；發(fā)菌期育菇房內(nèi)溫度維持在20～27 ℃，相對濕度控制在70%～75%，保證育菇房內(nèi)充足通風(fēng)量；出菇期間，育菇房內(nèi)溫度維持在 15～22 ℃，相對濕度控制在85%～90%，后期按常規(guī)方法進(jìn)行覆土管理及出菇管理等工作[2,29]。

試驗(yàn)性能測試主要從設(shè)計(jì)裝置作業(yè)后雙孢蘑菇托盤栽培培養(yǎng)料的壓實(shí)效果、裝置涉及工段生產(chǎn)效率及其產(chǎn)量效應(yīng)進(jìn)行分析測定。其中，托盤培養(yǎng)料的壓實(shí)效果主要從托盤內(nèi)培養(yǎng)料壓實(shí)厚度、壓實(shí)緊實(shí)度、壓實(shí)均勻性3個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評價(jià)測定[21,30]。

式中J為托盤內(nèi)培養(yǎng)料壓實(shí)均勻性，%；ε1為壓實(shí)后培養(yǎng)料目標(biāo)緊實(shí)度，kg/m3，為500 kg/m3；εc為托盤內(nèi)培養(yǎng)料測定的緊實(shí)度均值，kg/m3。

裝置涉及工段生產(chǎn)效率主要以相關(guān)工段生產(chǎn)時(shí)間體現(xiàn)，試驗(yàn)過程中對培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置、培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置各工段作業(yè)時(shí)間的測定均以單個(gè)托盤為單位進(jìn)行測定；移動(dòng)式采菇滑車以其在機(jī)械式育菇床架上的往復(fù)升降時(shí)間進(jìn)行測定。裝置產(chǎn)量效應(yīng)主要以雙孢蘑菇產(chǎn)量、雙孢蘑菇子實(shí)體農(nóng)藝性狀進(jìn)行比較。同時(shí)，觀察設(shè)計(jì)裝置在各作業(yè)過程中的配合連續(xù)、穩(wěn)定程度。

3.2　結(jié)果與分析

3.2.1托盤培養(yǎng)料的壓實(shí)效果

隨機(jī)抽取經(jīng)培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置作業(yè)后的不同托盤（選取6個(gè)），在矩形托盤內(nèi)隨機(jī)進(jìn)行不同位置培養(yǎng)料壓實(shí)厚度、培養(yǎng)料緊實(shí)度測定（每盤測定重復(fù)3次），評價(jià)托盤內(nèi)培養(yǎng)料壓實(shí)均勻性。托盤培養(yǎng)料的壓實(shí)效果試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由設(shè)計(jì)裝置壓實(shí)效果試驗(yàn)結(jié)果可以看出，培養(yǎng)料壓實(shí)厚度保持在269.8～281.5 mm，培養(yǎng)料緊實(shí)度均值達(dá)到491.4 kg/m3，培養(yǎng)料壓實(shí)均勻性穩(wěn)定在97.38%～99.62%之間，各試驗(yàn)指標(biāo)皆能夠確保雙孢蘑菇后續(xù)工廠化生產(chǎn)需求[21,31]。

表2　壓實(shí)效果試驗(yàn)結(jié)果Table 2　Test results of compaction effect

3.2.2裝置涉及工段生產(chǎn)時(shí)間

由裝置涉及工段生產(chǎn)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果可以看出，設(shè)計(jì)的培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置作業(yè)連貫、有序，在叉車的輔助下，空托盤僅在2 min內(nèi)便可完成由空盤提升至下降碼盤的各項(xiàng)作業(yè)工序。

表3　涉及工段生產(chǎn)時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果Table 3　Test results of involves section time of production

同時(shí)，在叉車配合作用下能夠快速將裝料托盤運(yùn)送至育菇房門口并在培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置的作用下準(zhǔn)確放置于機(jī)械式育菇床架各層的相應(yīng)位置，每次轉(zhuǎn)運(yùn)周期控制在2 min內(nèi)完成。移動(dòng)式采菇滑車與機(jī)械式育菇床架相配合作業(yè)性能良好，在其提升電機(jī)的作用下能夠使采菇工在不同高度育菇層架上進(jìn)行快捷的選擇性采摘作業(yè)，使其在1 min中內(nèi)實(shí)現(xiàn)采菇工在育菇床架頂?shù)字g的往復(fù)升降，避免了傳統(tǒng)可移動(dòng)梯車、手搖式升降機(jī)采摘高度不可調(diào)、升降勞動(dòng)強(qiáng)度大的弊端。

3.2.3裝置產(chǎn)量效應(yīng)

裝置產(chǎn)量效應(yīng)試驗(yàn)以第 1潮菇的子實(shí)體達(dá)采收標(biāo)準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行，以每托盤1 m2為一個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取30個(gè)子實(shí)體，用游標(biāo)卡尺分別測量子實(shí)體菌蓋直徑、菌蓋厚度、菌柄長度，并用百分之一電子天平稱量不同雙孢菇子實(shí)體單菇鮮質(zhì)量；待第 1潮菇出菇結(jié)束后，對其小區(qū)產(chǎn)量均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。試驗(yàn)設(shè)置傳統(tǒng)人工栽培對比試驗(yàn)組（即培養(yǎng)料裝盤-碼盤，托盤在育菇床架收布及雙孢蘑菇采摘 3個(gè)關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)均不借助本設(shè)計(jì)裝置，由人工自行完成），測定試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4　裝置產(chǎn)量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果Table 4　Test results of yield effect with device

由裝置產(chǎn)量效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用設(shè)計(jì)的配套裝置進(jìn)行雙孢蘑菇栽培后，第 1潮菇的子實(shí)體的菌蓋直徑、菌蓋厚度、菌柄長度及單菇質(zhì)量較傳統(tǒng)人工栽培組對比均有所增加。配套裝置產(chǎn)量效應(yīng)極為顯著（P＜0.01），主要表現(xiàn)在配套裝置栽培雙孢蘑菇的小區(qū)產(chǎn)量較傳統(tǒng)人工栽培提高了5.79 kg/m2，其原因可能是培養(yǎng)料經(jīng)過連續(xù)裝盤-碼盤裝置作業(yè)后，其緊實(shí)度增加、厚度均勻合理，使得營養(yǎng)物質(zhì)更為致密，能量傳遞和物質(zhì)轉(zhuǎn)移所需距離縮短，從而提高了菌絲對培養(yǎng)料中營養(yǎng)成分的利用效率，致使雙孢蘑菇小區(qū)產(chǎn)量有較大提升。同時(shí)，在移動(dòng)式采菇滑車的輔助作用下，保障采菇工高質(zhì)量完成播種、覆土、催菇及采摘作業(yè)也是提高雙孢蘑菇小區(qū)產(chǎn)量的重要因素。

4　結(jié)　論

1）基于雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)過程中有關(guān)二次發(fā)酵培養(yǎng)料裝盤-碼盤，托盤在育菇床架收布及雙孢蘑菇采摘三個(gè)關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，分別配套設(shè)計(jì)了培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置、培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置及與機(jī)械式育菇床架配合使用的移動(dòng)式采菇滑車作業(yè)裝置。

2）結(jié)合現(xiàn)有發(fā)酵室、育菇房空間結(jié)構(gòu)尺寸，分別設(shè)計(jì)確定了培養(yǎng)料連續(xù)裝盤-碼盤裝置、培養(yǎng)料托盤機(jī)械化收布裝置及與機(jī)械式育菇床架配合使用的移動(dòng)式采菇滑車的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。依據(jù)雙孢蘑菇栽培過程需求，計(jì)算確定了配套裝置關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；其中，裝料提升機(jī)刮板式升運(yùn)器升運(yùn)量為26.31 kg/s，可控壓實(shí)裝置的最大工作壓強(qiáng)保證在 900 Pa，移動(dòng)式采菇滑車提升電機(jī)功率達(dá)到200 W時(shí)，能夠確保雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)相關(guān)作業(yè)環(huán)節(jié)的可行性。

3）應(yīng)用設(shè)計(jì)的基于雙孢蘑菇二區(qū)制栽培工廠化生產(chǎn)有關(guān)配套裝置進(jìn)行初步作業(yè)性能試驗(yàn)，分別以托盤培養(yǎng)料的壓實(shí)效果、裝置涉及工段生產(chǎn)時(shí)間、裝置產(chǎn)量效應(yīng)為測試目標(biāo)，通過各目標(biāo)對應(yīng)試驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行評價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的相關(guān)作業(yè)環(huán)節(jié)配套裝置運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，培養(yǎng)料壓實(shí)厚度保持在269.8～281.5 mm，緊實(shí)度均值達(dá)到 491.4 kg/m3，壓實(shí)均勻性保持在 97.38%～99.62%之間，壓實(shí)效果滿足雙孢蘑菇后續(xù)工廠化生產(chǎn)需求；涉及3個(gè)工段的裝置基本運(yùn)行生產(chǎn)時(shí)間不超過5 min，提高了雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)效率；設(shè)計(jì)裝置產(chǎn)量效應(yīng)顯著，配套裝置栽培雙孢蘑菇的小區(qū)產(chǎn)量均值可達(dá)17.61 kg/m2，較傳統(tǒng)人工栽培提高了5.79 kg/m2。

雙孢蘑菇工廠化生產(chǎn)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本設(shè)計(jì)裝置僅針對培養(yǎng)料裝盤-碼盤、托盤在育菇床架收布、雙孢蘑菇采摘 3個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，同時(shí)需要人工、叉車輔助作業(yè)。因此，本裝置控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其余工廠化生產(chǎn)環(huán)節(jié)配套作業(yè)裝置的研發(fā)仍需繼續(xù)完善。

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