自走式温室育苗槽基质蒸汽消毒机的设计

朱加繁，张汝坤，杨陆强，高志超，喻自荣，赵玉清

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)



自走式温室育苗槽基质蒸汽消毒机的设计

朱加繁，张汝坤，杨陆强，高志超，喻自荣，赵玉清

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)

为了解决设施农业生产中育苗基质消毒问题，设计了一种适用于温室育苗槽的自走式温室育苗基质蒸汽消毒机，并阐述了其总体配置及主要部件的结构。该机主要由机架、行走装置、消毒装置、动力机构和传输装置等组成，能直接对基质槽中的育苗基质进行消毒，且不用人工把基质搬运到消毒机箱体内，既减轻了劳动强度又缩短了消毒时间。此研究结果可为小型育苗基质消毒机械的设计提供参考。

温室；基质；蒸汽消毒机

0 引言

育苗基质是作物育苗的基础，是决定幼苗根系生长环境的重要因素，也是作物育苗期病虫害传播的媒介和繁殖场所。基质中存在许多病菌、虫卵、害虫和杂草种子，如果不及时处理，会使育苗的产量和品质下降，甚至造成大面积病菌的传播，以致整个育苗过程的失败。因此，作物育苗前必须对育苗基质进行消毒处理，从而达到防止病虫害和杀灭基质中杂草种子的目的。

欧美等发达国家对基质消毒装备的研究起步较早。英国在20世纪50年代就对蒸汽消毒设备进行了研究并统计了较详细的研究数据[1-2]。美国、以色列、荷兰等国在基质消毒方面的研究基本已形成了完整的技术体系，VISSER型移动式高温蒸汽介质消毒机是荷兰较成熟的基质消毒设备。日韩等国也对基质消毒设备进行了大量的研究，其中日本研发的热水消毒设备，通过对基质灌注90℃以上的热水能够杀灭60cm土层内的大部分病原菌[3-4]，消毒效果明显。

国内对基质消毒装备的研究起步较晚,现有的消毒机械规格少，性能不稳定,大多数基质消毒设备还处于试制阶段。浙江大学蒋焕煜、王竣设计了一种移动式基质蒸汽消毒机，其原理主要是采用基质输送带将基质输送至移动小车，然后再将蒸汽锅炉产生的高温高压蒸汽通过蒸汽导管通入移动小车内，达到对基质进行高温消毒的目的。浙江工业大学欧长劲等开发了一种蒸汽—热风混流消毒设备，让基质与蒸汽—热风混流气体进行充分的热交换,使基质达到高温状态，从而实现对栽培基质的消毒[5-6]。包应时、吴晓莲设计制造了一种移动式基质消毒设备，并对该样机进行了试验，结果表明：该设备可杀死当地设施园艺基质中的大部分病菌和虫卵，能满足当地设施园艺种植的要求[7]。然而,从整体来看, 我国育苗基质消毒基本上还是人工操作，机械化基质消毒设备发展水平较低，设备整体性能有待提高。因此，开发简便易行、经济适用的育苗基质消毒设备，有利于提高育苗的产量和品质，对作物工厂化育苗的快速发展具有重要意义。

1 总体结构与工作原理

1.1 主要结构与各组成部件间的联接关系

自走式温室育苗基质蒸汽消毒机主要由行走轮轴、限位轮、行走轮、链条、抛土刀轴、抛土刀片、喷气管1、橡胶盖板、机架、进气管、罩壳、喷气管2、抛土刀轴驱动电机及行走轮驱动电机组成，如图1所示。消毒机的行走轮轴通过轴承安装在机架上，行走轮安装在轴的两端，限位轮通过焊接固定的机架上；抛土刀轴通过轴承安装在机架上，抛土刀轴驱动链轮通过键槽配合安装的刀轴的一端；抛土刀片通过螺栓联接安装在对应的刀盘上，每个刀盘上安装3把刀片，分别呈120°角对称安装，刀盘与刀轴采用螺栓联接；喷气管1与进气管通过焊接安装的机架上，橡胶盖板通过螺栓联接安装在机架的前后两端，罩壳通过螺栓联接安装在机架的上方；喷气管2直接通过焊接安装在罩壳的顶部；抛土刀轴驱动电机和行走轮驱动电机分别通过螺栓联接安装的机架的前端，其输出轴的顶端分别装有链轮，一根链条安装在抛土刀轴驱动电机链轮和抛土刀轴驱动链轮上，另一根链条安装在行走轮驱动电机链轮与行走轮轴驱动链轮上。

1.行走轮轴 2.限位轮 3.行走轮 4.链条 5.抛土刀轴 6.抛土刀片 7.喷气管1 8.橡胶盖板 9.机架 10.进气管 11.罩壳 12.喷气管2 13.抛土刀轴驱动电机 14.行走轮驱动电机

1.2 消毒原理及工作过程

高温蒸汽消毒原理是将高温蒸汽通入待消毒的土壤中，通过热传递使土壤温度迅速升高到一定数值，然后保温一段时间，从而杀死土壤中的有害病菌和虫卵等，达到对土壤消毒的目的[8-9]。

自走式温室育苗基质蒸汽消毒机工作工程中，行走轮与基质槽的上表面接触，限位轮与基质槽的内侧面接触，使消毒机能够沿着基质槽表面平稳的前进和后退；行走轮驱动电机提供消毒机作业过程中前进与后退所需动力，抛土刀轴驱动电机通过链传动控制抛土刀轴的正转与反转；电机启动后,抛土刀轴带动抛土刀片高速旋转，抛土刀片旋转的同时能把育苗槽中的基质向上抛起，与此同时向罩壳顶部与机架底部的蒸汽管中通入高温高压蒸汽，从而使得基质与高温蒸汽充分的接触。蒸汽的温度在短时间之内传递给基质，使得基质温度不断升高。由于罩壳安装在机架的正上方，与机架前后两端的橡胶盖板形成了一个相对密闭的空间，有利于基质升温后的保温，从而实现了杀灭基质中有害病菌的目的。自走式温室育苗基质蒸汽消毒机工作示意图如图2所示。

2 主要工作部件的设计

自走式温室育苗基质蒸汽消毒机主要包括机架、行走装置、消毒装置、动力机构和传动机构。其中，行走装置主要由行走轮和限位轮组成，消毒装置主要由抛土刀片和蒸汽导管组成；动力机构由行走轮驱动电机和抛土刀轴驱动电机，传动机构采用链传动。为了实现对基质进行消毒的目的，也为了满足消毒机的设计要求，必须对消毒机的主要组成部件进行结构分析和强度校核。

1.基质槽 2.限位轮 3.抛土刀片 4.基质 5.机架 6.行走轮 7.链条 8.进气管 9.喷气管 10.罩壳 11.高温蒸汽 图2 自走式温室育苗槽基质蒸汽消毒机工作示意图

2.1 抛土装置

抛土刀片是抛土装置的核心，一台消毒机有两组刀片，每组刀片由21把抛土刀和7个刀盘按一定的排列方式安装而成。刀片的安装方式在消毒机的设计过程中是一项重要内容，因为刀片和刀盘的排列及配置方式会直接影响刀轴的受力情况，同时也会影响消毒机的消毒质量。本文设计的消毒机每个刀盘上安装3把刀片，采用螺栓联接，分别呈120°角对称安装，刀盘在刀轴上呈线性排列，每两个刀盘之间的距离为170mm，两根抛土刀轴之间的距离为450mm，抛土刀片的最大回转半径为260mm。抛土刀片的排列方式如图3所示。本文设计的消毒机抛土刀片工作原理与微耕机的旋耕刀有相似之处,但其需要实现的功能却有很大的差异：旋耕刀的目的是使得板结的土地变得疏松,将田地里较大的土块击碎,为农作物的种植做好准备工作；而消毒机抛土刀片需要实现的功能是将基质槽中的基质向上抛起,使其均匀地分散在消毒机罩壳的内腔中,然后与高温蒸汽快速、充分地接触,实现对基质进行消毒的目的。

1.抛土刀片 2.刀盘 3.刀轴

抛土刀轴是抛土装置的主要组成部件，消毒机工作过程中，刀轴需承受来自刀盘的反作用力和电机的驱动力矩，会产生扭曲、弯曲等组合变形，同时会产生强烈的冲击和振动。所以，刀轴的材料应当满足强度、刚度、耐磨性和耐高温等设计要求。设计刀轴时应该按照经济、合理、实用的原则，根据具体情况合理选用轴的材料。由于碳钢的价格比合金钢便宜，对应力集中的敏感性较低，必要时可以用热处理或化学处理的方法提高其耐磨性和抗疲劳强度[10]。所以，消毒机的抛土刀轴选用45号优质碳素钢，热处理方式选择正火，刀轴的直径为45.9mm，长度为1 800mm。

2.1.1 抛土刀片及刀轴的强度校核

1)刀片边缘的线速度及所受基质阻力。根据基质槽中基质的深度，可将刀片的回转半径设计为250mm，刀轴的转速为n=200r/min，抛土刀轴驱动电机功率为3kW。根据公式，可计算得出刀片边缘的线速度及所受基质阻力，即

=5.23m/s

(1)

链传动的机械效率取0.96，则抛土刀轴的功率为

p1=3×0.96=2.88kW

(2)

抛土刀片所受土壤阻力为

(3)

2)抛土刀轴的直径和所受的扭矩。刀片在作业过程中会受到来自基质的反作用力，该作用力会以扭矩的形式作用在刀轴上。依据刀片的旋转半径和刀片所受阻力的大小，可计算其扭矩为

T1=F1·R1=550.67×0.25=137.67N·m

(4)

(5)

(6)

轴的安全系数取1.5，所以抛土刀轴的直径设计为45.9mm。

刀盘是将刀片固定在刀轴上的零件，本文设计的刀盘是圆形，其半径为R=80mm，在刀盘上有3条凹槽用来固定刀片，尺寸由刀片宽度决定。其中，槽长为d1=60mm，槽宽d2=30mm。

2.1.2 抛土刀片运动分析

消毒机工作过程中，抛土刀一面旋转，一面随消毒机前进。刀片的绝对运动是刀轴旋转和消毒机前进两种运动的合成，其运动轨迹是摆线，如图4所示。

图4 抛土刀片的运动轨迹图

设刀轴旋转中心为坐标系原点，x轴正向与消毒机前进方向一致,y轴正向垂直向下，开始时刀片端点位于前方水平位置与x轴正向重合，则抛土刀端点运动方程为

x=Rcoswt+vmt

(7)

y=Rsinwt

(8)

式中 R—抛土刀片端点回转半径；

w—刀轴旋转角速度；

vm—消毒机前进速度；

t—时间。

刀片端点在x轴与y轴方向的分速度为

(9)

(10)

刀片端点绝对速度为

(11)

由于 λ=Rw/vm，则

vx=vm-Rwsinwt=vm(1-λsinwt)

(12)

1)当λ<1时，即vp0。即刀片端点的水平分速度始终与消毒机前进方向相同，其运动轨迹是短摆线。这时抛土刀不能向上抛土，而出现刀片端点向前推土的现象，使消毒机不能正常工作。

2)当λ=1时，即vp=vm，此时刀片端点的运动轨迹为标准摆线。这时，刀片只能刺入基质中而不能将基质抛起，同样不能达到对基质消毒的目的。

3)当λ>1时，此时vp>vm，即刀片端点绝对运动的水平分速度与消毒机前进方向相反，其运动轨迹为余摆线，抛土刀片能够向上抛土。只要刀片在开始切土时，整个抛土过程刀刃上切土部分各点的运动轨迹都是余摆线。即只有当消毒机抛土刀片的圆周速度大于其前进速度时，消毒机才能正常工作。

2.2 喷气管

喷气管在消毒机作业过程中发挥着重要作用，蒸汽发生装置产生的高温高压蒸汽通过喷气管的气孔进入到消毒机罩壳内腔中，实现对基质的加热升温。本文设计的消毒机喷气管在机体内部呈两种布置方式：一是喷气管直接焊接安装在消毒机罩壳顶部，呈水平方向排列，喷气孔向下垂直于基质表面，抛土刀片将基质向上抛起的同时高温蒸汽由气孔向下喷出，使得蒸汽与基质快速充分接触；二是喷气管垂直于基质表面并插入到基质内部，喷气管的顶端设计有松土锥。松土锥的作用主要是防止消毒机工作过程中基质堵塞蒸汽孔，同时也起到疏松基质的作用。蒸汽孔设置在喷气管的底端，方向朝后，这样就能将蒸汽直接通入基质内部，更利于基质的升温。蒸汽管结构示意图如图5所示。

1.松土锥 2.喷汽孔 3.蒸汽导管

2.3 行走装置

消毒机的行走装置由行走轮和限位轮组成。行走轮通过键槽配合安装在其轴上，靠近电机一端的两个轮是驱动轮，另一端的是从动轮，限位轮则通过焊接联接安装在机架上，如图6所示。消毒机工作时，行走轮与基质槽的上表面接触，限位轮与基质槽的内侧面接触，使消毒机能够沿着基质槽表面平稳前进和后退[11]。根据消毒机的工作环境和设计要求，行走轮的直径为200mm，厚度为20mm，限位轮的直径为60mm，厚度为15mm。

(13)

取链传动的机械效率为0.96，可得行走轮驱动轴的功率为

p2=4×0.96=3.84kW

(14)

行走轮所受的阻力为

(15)

根据行走轮所受的阻力和行走轮的外圆半径，可得行走轮驱动轴承受的扭矩为

T2=F2·R2=6114.65×0.3=1834.4N·m

(16)

行走轮驱动轴的直径计算公式为

(17)

(18)

安全系数取1.5，可将行走轮驱动轴的直径设计为87.07mm。

2.4 动力机构与传输装置

本文设计的消毒机选取电机作为机器行走和消毒工作的动力装置，其动力传输方式采用链传动，行走轮驱动电机控制消毒机的前进与后退，抛土刀轴驱动电机控制抛土刀片的正转与反转。

2.5 机架的设计

机架作为消毒机整体结构的主体部件，是整个消毒机质量的承载部分，受力情况较为复杂，有来自于电机、罩壳和链条等零部件的重力作用，也有来自于抛土刀轴、行走轮轴的反作用力。消毒机工作过程中，会使机体受到强烈的冲击和振动，而这些作用力很大部分会由机架来承担。因此，机架的设计应该满足一定的强度、刚度等性能要求，避免工作过程中可能会出现不同程度的变形甚至是损坏。本文设计的消毒机，其机架部分是采用厚度为7mm的钢板焊接而成的。

2.6 罩壳

罩壳在消毒机中的作用主要是为消毒机工作过程提供一个相对密闭的空间，也在一定程度上保障了操作人员的安全。罩壳所用材料应该具有质量轻、耐高温、不易生锈等特点[12]，本文根据消毒机的工作性质及设计要求，选择轻质铝合金作为罩壳的制作材料。罩壳的基本尺寸为长1 750mm，宽1 600mm，高450mm，厚度为3mm。

3 结论

1)根据温室育苗槽的基本尺寸及结构特点，设计了一种自走式温室育苗基质蒸汽消毒机。其结构简单、操作方便，能直接对基质槽中的育苗基质进行消毒，不用人为地把基质搬运到消毒机箱体内，既减轻了劳动强度，又缩短了基质消毒时间。

2)该消毒机通过抛土刀片直接将基质抛起，使之与高温蒸汽快速充分的接触，在对基质进行消毒的同时可有效改善基质状态，将其松散均匀地填充到基质育苗槽中，有利于作物育苗后续工作的开展。高温蒸汽消毒是一种高效、清洁、卫生的土壤消毒方式，不会对环境造成污染，是一种有望在作物栽培基质消毒工艺中大力推广应用的消毒方式。

4 讨论

1)消毒机工作过程中，抛土刀片在承受基质反作用力的同时还要随消毒机前进或后退，插入基质内部的喷气管在随机体移动的过程中也要承受来自基质的阻力，故而消毒机在工作过程中其电机的驱动力受多方面因素影响，这些参数的选取还需要田间试验数据与理论设计相结合才能优化和改进。

2)消毒机作业过程中所需的高温蒸汽由蒸汽锅炉产生，蒸汽由锅炉出口输送至消毒机蒸汽管入口这一过程中必然存在能量的损失，具体表现为蒸汽温度的降低和压强的减小；而蒸汽的温度、压力和进气量等参数是影响消毒机工作效果的重要因素。因此，在对消毒机进行优化设计过程中，与蒸汽相关的参数还需进一步的测试与计算。

3)消毒机工作过程中，高温蒸汽与基质接触的过程是一个复杂的热交换过程，蒸汽对基质加热的充分与否，会直接影响基质消毒机的作业效果。因此，为了保证消毒机设计的合理性，还需要采用试验的方法对基质与蒸汽的传热过程进行详细的分析。

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Design of a Self-propelled Greenhouse Nursery Substrates Steam Sterilization Machine

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

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650202, China)

A self-propelled greenhouse nursery substrates steam sterilization machine is designed to solve the problem of substrate disinfection facilities agriculture, this paper describes the overall configuration and the structure of the main components of the machine. This machine is mainly composed of frame, walking device, disinfection device, the motor and transmission device, Substrate can be directly disinfected and don't need to be manual handed in the disinfection machine, therefore, the labor intensity is reduced and the disinfection time is shortened, the research results can provide reference for the design of small seedling substrate sterilization machine.

greenhouse; substrate; steam sterilizer

2016-04-25

云南农业大学第五批"百名"青年学术和技术带头人培养计划项目(2016)；云南农业大学科研发展基金项目(K2410015；K2410016)

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

赵玉清(1985-)，男，云南大理人，副教授，(E-mail)331863839@qq.com。

S625.3

A

1003-188X(2017)04-0078-05