种苗栽培基质在线混合装置设计与试验

胡俊生，夏红梅，辜 松，初 麒，谢忠坚，黎 波，吕亚军，杨艳丽，冯军礼

(1.华南农业大学 a.工程学院;b.南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室, 广州 510642； 2.广州实凯机电科技有限公司，广州 510642；3. 广州大观农化科技有限公司，广州 510375)

0 引言

设施园艺生产中种苗生产离不开基质混合处理，基质成分混合均匀程度直接影响种苗生长状况[1]。种苗基质主要由草炭、椰糠、蛭石、珍珠岩中2～3种混合而成。目前，国内基质生产少部分采用基质混合装置，但主要依靠人工混合，人工生产率低、劳动强度大、混合质量差，因此需采用专业基质混合装置来提升基质生产质量与效率。对基质混合装置的研制国外起步较早，按混合模式分，主要分为批量混合和在线混合。批量混合装置单位产能低，适合小批量基质生产；在线混合设备产能高，适合规模化、产业化基质生产，但目前国内所开发的基质混合装置属批量混合，关于在线混合基质装置的报道及文章很少见到。

针对以上问题，本文提出了一种高效的在线基质混合装置，通过混合试验优化在线基质混合装置结构参数。

1 基质在线混合装置设计方案

1.1 设计条件

种苗栽培基质成分为泥炭、椰糠、蛭石、珍珠岩。基质在线混合系统主要构成如图1所示。其中，微、中、大斗提供混合基质成分原料，重载输送带将待混合原料送入在线混合装置进行混合。本研究针对基质在线混合系统中在线混合装置的关键部件进行设计与试验研究。

1.基质混合装置 2.重载输送带 3.微料斗 4.中料斗 5.大料斗

1.2 在线混合装置总体设计

基质在线混合，国外常见的有滚筒式与螺旋输送机式两大类：图2(a)是荷兰Logitec Plus公司的滚筒式基质混合装置，依靠滚筒旋转翻动基质混合，需要一定的工作空间与混合长度；图2(b)是美国Agrinomix公司的螺旋输送式基质混合装置，使用推进螺旋叶片推翻基质进行混合，也需要一定混合长度。以上两种混合装置整机尺寸大、结构复杂，且混合时间较长[2-4]。针对以上基质在线混合装置的不足，本研究提出在线基质混合装置如图3所示。

(a) 滚筒式 (b) 螺旋输送机式

1.原料入口 2.旋转混合轮 3.横向层 4.纵向层 5.基质出口 6.壳体

1.3 固定混合机构设计

固定混合机构指网格混合层，该机构在基质混合过程中处于静止状态，网格混合层由图3中的横、纵两层混合杆组成，混合杆是固定在混合装置壳体上。网格混合层目的是对从旋转混合轮上落下的待混合原料，进行更进一步扰动混合，使基质各成分混合均匀。横向层与纵向层之间有间距，以防待混合原料堆积在网格混合层，阻塞后续待混合原料流动。横向层混合杆轴向与搅拌杆轴向互相垂直，也构成一个动态网格混合层，使基质在线混合装置拥有两个网格混合层。

1.4 旋转混合机构设计

旋转混合机构是指旋转混合轮，为混合装置的主动机构，如图4所示。本研究采用的旋转混合轮带搅拌杆，搅拌杆杆间距与横、纵向层的混合杆杆间距相同，规格型号一样。旋转混合轮的中心轴上焊有4排搅拌杆，相邻排夹角为90°，相邻两排搅拌杆交错布置，增强旋转混合轮的混合效果。

图4 旋转混合轮

2 混合机构混合试验

2.1 固定混合机构阻挡试验

为确定待混合原料在旋转混合轮与网格混合层上的通过效果，考察种苗栽培基质能否在网格混合层上顺利通过，对基质成分中流动性最差的椰糠和泥炭进行通过性试验。试验因素为：杆间距L、泥炭与椰糠含水率S、待混合原料距混合杆垂直距离H。

2.1.1 阻挡试验材料与方法

本研究通过性定义为：泥炭与椰糠从一定高度自由下落时，不堆积在网状混合层上视为通过，试验中每组试验中通过次数占该组试验总次数的比值为通过率。

杆间距L如图5所示，考虑到基质原料冲击性以及混合杆(搅拌杆)对块状基质原料的破散效果，本研究采用外径20mm钢棒作为混合杆(搅拌杆)。L值是影响基质原料通过概率一重要因素：L越小通过概率越小；若杆间距过大，则对块状原料破散效果越差(常态下泥炭和椰糠易呈块状)、结合搅拌杆的直径考虑杆间距，L最小值取25mm，最大值取35mm，中间值为最大、最小值的平均数，故L选择25、30、35mm3个水平。

图5 混合杆杆间距示意图

本研究使用DHG-9070A电热鼓风干燥箱对椰糠进行烘干处理,对椰糠进行8h、120℃[5]烘干处理，得常态椰糠含水率为15%；取中含水率为45%，高含水率为75%， 因此含水率取15%、45%、75%这3个水平。

将长期堆放干泥炭的含水率定义为低含水率；对长期堆放干泥炭加水湿润，待用手轻轻挤压能感觉有水溢出时，将此含水率定义为高含水率。在向泥炭加水让其变成高含水率过程中，记下所需水量，取这个值的1/2加到长期堆放干泥炭中，作为中含水率。因此，泥炭含水率选低、中、高3个水平。

待混合原料距混合杆垂直距离H。垂直距离H影响泥炭(椰糠)下落时撞击混合杆时的动能，泥炭(椰糠)速度越高，混合杆将对泥炭(椰糠)破散效果越好。据试验台高度，将下落位置与撞击位置的垂直高度定义为：小距离300mm，中距离616mm，大距离为933mm。因此，H取300、616、933mm 3个水平。

2.1.2 阻挡试验结果与讨论

选用L9(33)正交表安排试验，每个试验条件组合进行30次试验，椰糠通过性试验结果如表1所示。

表1 椰糠正交试验结果

泥炭试验结果如表2所示。

对照组中，4例恶心患者，3例呕吐患者，3例腹痛患者，2例皮疹患者，1例腹泻患者，并发症发生率是12.03%；研究组中，有1例恶心患者，2例呕吐患者，无腹痛、皮疹及腹泻患者，并发症发生率为2.78%，研究组较对照组更低，差异有统计学意义（P＜0.05）。

结合表1、表2数据，对试验结果采用极差分析法，由表1得RL>RS>RH，所以影响椰糠通过性主次因素顺序为杆间距、含水率、垂直距离。平均效果k取最大值时为最优组合，因此对椰糠而言最优水平为A3B1C3或A3B2C3，即杆间距L为35mm、垂直距离H为300mm(或616mm)、椰糠含水率S为75%。由表2得：RS=RL>RH，所以影响泥炭通过性的主次因素顺序为泥炭含水率与杆间距、垂直距离。本试验最优水平为A2B3C1或A3B3C1，即杆间距L为30mm(或35mm)、垂直距离H为933mm、含水率S为低时。

表2 泥炭正交试验结果

由表1知：杆间距L对椰糠通过性影响最显著，杆间距L为35mm时，通过性达89%，而间距为25mm与30mm时，通过性分别为11%和55%。原因是间距越大，相邻杆间隙能包容更大尺寸的块状椰糠。含水率对椰糠通过性影响要比垂直距离大，含水率对通过性影响可达55%，垂直距离仅为11%。这是因为干燥椰糠的容重小[6-7]，造成等体积下质量小，致椰糠虽处较高位置时，所获得重力势能小，使椰糠在通过混合杆时不能获得足够得动能。如表1第6组试验当垂直距离为933mm时，但在含水率为15%条件下，通过性为0。当含水率增加，椰糠总重增大，即使垂直距离较小，椰糠也能获得大重力势能，因此通过性大幅提高，所以在表1中编号为3、5、7组试验中椰糠通过性分别为33%、100%、100%。此时，椰糠依靠大重力势能获得足够让其通过混合杆的动能，动能越大，椰糠与混合杆碰撞时，受到反作用力越大，有利于块状椰糠破散；此外，椰糠的惯性大，破散的椰糠能迅速挣脱椰丝束缚，快速通过混合杆。含水率对椰糠通过性影响为22%、55%、78%，可发现椰糠存在含水率越高椰糠通过性就越强的趋势。

结合表2知：最显著因素为含水率与杆间距,因泥炭中有机质有很强的亲水性[8-9]。当含水率低时，泥炭通过性为55%；而在含水率为中、高时，泥炭通过性为22%和11%。在杆间距为30mm与35mm时，泥炭通过性为44%。因泥炭含有大量有机质，且孔隙比较大，泥炭比较湿润时，颗粒间的连接力也随之增加[10]，泥炭易挤压成块状难以通过搅拌杆，所以含水率低时，泥炭通过性为55%；而在含水率增加到中、高水平时通过性仅为22%与11%。据此，知泥炭存在含水率越低，通过性越高的趋势。垂直距离对泥炭通过性影响为：垂直距离越大，通过性越高。因垂直距离越大给予泥炭重力势能越大，在与混合杆发生碰撞时，受到反作用力越大，有利于块状泥炭破散。

综上，设计出杆间距合理值，据试验结果确定杆间距为35mm，重载输送带出口距旋转混合轮之间垂直距离为616mm，含水率方面椰糠含水率宜高，泥炭含水率宜低。

2.2 固定混合与转轮机构复式混合试验

为确定基质在线混合装置的混合效果，考察基质在线混合装置性能，对混合后基质进行均匀度测定。试验因数为：旋转混合轮转速W、原料横截面高Q。

2.2.1 混合试验材料与方法

本研究从在线混合装置输出基质流中截取多段，做为样本。旋转混合轮动力由三相电机提供，功率为0.37kW，减速器为NMRV040，减速比40∶1，转速调节由EDS1000-2S0037变频器控制。

图6 照片区域划分与域内珍珠岩分布

旋转混合轮转速高会导致待混合原料与搅拌杆碰撞剧烈，使待混合原料飞溅影响混合均匀度，所以转速W不宜高。经过探究试验发现，若取W中间水平为30Hz，高、低水平与中间水平差的绝对值为10Hz时，带混合原料不会出现剧烈飞溅。综上，转速W的3个水平为20、30、40Hz。原料横截面高Q指在输送带上泥炭(椰糠)的厚度，模拟不同的产能，Q值越大产能越高。本研究中Q取30、60、90mm3个水平。

2.2.2 混合试验结果与讨论

本研究采用的机器视觉基于Cognex相机的系统，样本表面珍珠岩数量判断，软件是Insight Explorer，利用珍珠岩与椰糠(泥炭)色差大[11-12]，计算出珍珠岩数量。对每个因素组合下进行10组重复试验，并求取变异系数平均值，结果如表3所示。

表3 基质混合装置混合效果

结合表3，原料横截面高60mm、旋转混合轮转速是20Hz时，基质混合最均匀，变异系数为34%。转速高，旋转混合轮对基质原料冲击力越大，待混合原料受撞击飞溅越剧烈，所以试验号为5、6对应的变异系数值分别为36%和51%。而试验号1、2、3组的变异系数分别为59%、66%和58%，是由于待混合原料量小，受到搅拌杆冲击后飞溅剧烈，导致均匀性变差。当原料横截面增大时，下落惯性大，搅拌杆对待混合原料扰动效果较差，所以试验号为 7、8、9的变异系数为53%、57%和48%。

本研究对国内基质生产企业基质混合均匀程度测算，得变异系数如表4所示。

由表4可知：现在企业产出的种苗栽培基质变异系数最优范围为25%～35%，结合表3中试验组4中本研究的变异系数为34%，本研究的在线混合装置能达到最优水平。

表4 现有基质混合装置混合质量

3 结论

1)本文提出的基质在线混合装置能够快速高质量地混合基质，是现有批量混合装置产能的4～5倍。

2)本文研发的基质混合设备，在搅拌杆间距为30mm、重载输送带出口距旋转混合轮之间垂直距离616mm、旋转混合轮的转速为20Hz、待混合原料横截面高60mm时，基质混合均匀度编译系数为34%。本研究可垂直流基质在线混合设备的开发提供理论依据。

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