双孢菇工厂化生产中自走式搔菌机的设计与试验

史瑞杰，戴飞，赵武云，李志刚，谢贤谋，李伊合

(1.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃金沃森生物科技有限公司，甘肃 平凉 744400)

双孢蘑菇(Agaricusbisporus)又称双孢菇，也叫圆蘑菇、洋蘑菇，中低温性菇类，属草腐菌，起源于法国，至今已有300多年的栽培历史，是目前世界上人工栽培最广泛、产量最高、消费量最大的食用菌，也是中国目前最大宗的出口创汇食用菌，其肉质鲜嫩，味道鲜美，富含蛋白质、氨基酸，享有“植物肉”的美誉[1-3].近年来，随着规模化和集约化养殖场数量的逐年递增[4]，双孢菇市场行情逐渐转好，我国双孢菇的栽培模式开始由小家小户栽培的传统模式逐步向工厂化栽培模式过渡，规模化、工厂化的生产已成为未来双孢蘑菇产业高速发展的必然趋势与手段[5-10].

目前，国外双孢菇进行专业工厂化生产的国家主要是荷兰、法国、爱尔兰、美国等欧美国家[8-10]，以荷兰为代表的欧洲食用菌机械化生产强国，其搔菌机工作原理简单，操作方便，搔菌效率高，故障率低.而我国的食用菌机械行业起步较晚，经历了从引进国外先进机械设备，再到自主生产的过程，其中宣景勤、莫丹君、叶明等设计的搔菌机逐步实现了搔菌作业由人工到机械的转变，基本采用电动机驱动，结构较为简单，但国内其他类型的搔菌机鲜见报道[11-13].由于双孢菇工厂化生产快速增长，国产机械陆续出现生产可靠性差、工作不稳定等现象，严重影响了双孢菇工厂化的产量.所以，开展高水平的双孢菇工厂化生产技术研究及装备研发已成为当务之急[14-15].

“搔菌”是双孢菇生产过程中的重要作业环节，即使用搔菌机或手工将老菌种块和菌皮去除，是双孢菇生产中促使菌丝发生原基的重要措施，通过搔菌可使子实体从培养基表面整齐发生，否则上层老化的菌丝或者菌皮菌膜，将阻碍空气和相对湿度与内部菌丝的接触，出菇时间延长，出菇不整齐，产量和品质下降等危害，严重影响双孢菇工厂化生产效率[16-17].本研究针对双孢菇工厂化生产中的实际问题，提出了一种携有菱形拨齿的自走式搔菌机，采用变频控制，能够实现搔菌深度、镇压强度以及整机行进速度的可调运行，以期为双孢菇工厂化生产设备的后续设计提供一定的参考.

1 整机结构设计

1.1 结构设计及技术参数

本研究所设计的搔菌机共有4个行走轮，采用电动机后轮驱动，前后行走轮在双孢菇床架轨道上行走，在行走轮外径设置有接触槽，接触槽上部设置有去堵塞齿，机架前部是拨料系统，中部是控制系统，后部是镇压系统(图1).其中拨料系统包括拨料齿、电动机、前传动轴、链轮和链条；控制系统包括控制面板和控制按钮；镇压系统包括镇压轮、后传动轴、链轮和链条.拨料齿和镇压轮的高度可根据实际工作的要求进行调整，控制系统可根据作业要求匹配前进速度和拨料齿转速，整机尺寸及技术参数见表1.

1：机架；2：后行走轮防堵齿；3：电动机；4：链条Ⅰ；5：轴承座；6：链条Ⅱ；7：前行走轮防堵齿；8：前行走轮；9：拨料齿连接件；10：拨料齿；11：前行走轮；12：前行走轮防堵齿；13：拨料齿调节螺母；14：镇压轮；15：镇压轮连接件；16：镇压轮刻度尺；17：链条Ⅲ；18：后行走轮；19：后行走轮防堵齿；20：电位器操作手柄；21：控制面板.1：back；2：rear walking wheel anti-plugging teeth；3：motor；4：chain Ⅰ；5：housing；6：chainⅡ；7：front walking wheel anti-plugging teeth；8：front walking wheel；9：dial tooth connector；10：stirring tooth；11：front walking wheel；12：front walking wheel anti-plugging teeth；13：dial tooth adjustment nut；14：repression wheel；15：suppression of wheel connectors；16：repression wheel scale；17：chainⅢ；18：rear walking wheel；19：rear walking wheel anti-plugging teeth；20：potentiometer operation handle；21：control panel.图1 双孢菇工厂化生产中自走式搔菌机结构Figure 1 Schematic diagram of self-walking ruffling machine in factory production of Agaricus bisporus

1.2 工作原理

搔菌机工作时先调节拨料齿和镇压轮的高度，将搔菌机安放在双孢菇培养架的轨道内，接通电源，在控制面板中有绿色开始、红色停止、正转和反转按钮，控制面板右侧有电位器操作手柄，使用电位器操作手柄可任意调节搔菌机运行速度.调节好搔菌机的前进速度之后，按下绿色开始按钮，电动机开始工作并将动力传递至拨料轮、镇压轮和后行走轮，在后行走轮的驱动下搔菌机开始前进.拨料齿将双孢菇培养料上表面覆土及培养料表面翻起混匀，破坏旧菌块或菌皮，利于双孢菇的发菌生长.在搔菌机完成1次搔菌工作后到达育菇床架另一端时，按下红色停止按钮，再次旋转电位器操作手柄设置搔菌机电动机反转速度，调节拨料齿、镇压轮高度，按下绿色开始按钮，搔菌机开始回程作业，在回程作业完成后按下红色按钮停止工作，检查搔菌作业效果，到达要求后即可进行下次搔菌作业.

表1 双孢菇工厂化生产中自走式搔菌机技术参数

2 关键部件设计

2.1 菱形拨齿

搔菌机的主要作用是除去培养料或覆土表面的老旧菌皮和菌种块，而完成这些工作的关键部件是搔菌机的拨料齿，本研究所设计的搔菌机拨料齿为菱形拨齿，截面为菱形，其表面的锥度为4°(图2)，菱形及表面锥度使得拨料齿工作时能有效的切割破碎老旧菌皮和菌种块，同时减少了培养料或覆土的损失.拨料齿轴长1 569.4 mm，拨料齿长100 mm，拨料齿由两排组成，错位相间排列布置在拨料齿轴上，相邻拨料齿间距为50 mm，夹角为36°，拨料齿打击疏松工作幅宽为1 320 mm，拨料齿轴转速范围为100～200 r/min.

A：正视图；B：左视图；1：拨料齿；2：拨料齿轴.A：front view；B：left view；1：dial teeth；2：dial teeth shaft.图2 拨料齿结构Figure 2 Structure diagram of dial tooth

拨料齿在工作时需要打击培养料表面或者覆土表面，拨料齿轴需要承受自身重力G和外部扭矩M，而拨料齿前端需要承受瞬时较大的反作用力F(图3)，该作用力可分解为不同方向上的2个分力F1和F2，F1为F沿拨料齿截面方向的分力；F2为F沿拨料齿轴心方向的分力.其中力F1对拨料齿的工作影响最大，力F2影响较小，拨料齿为菱形设计，从而减小了力F1对拨料齿的影响.拨料齿工作时长期处在培养料与覆土内部，而培养料与覆土均是湿度较大、腐蚀性较强的介质，在设计拨料齿时需考虑拨料齿的受力情况及工作环境，所以该搔菌机拨料齿采用不锈钢材质，同时满足搔菌工作强度和抗腐蚀性的要求.

2.2 高度调节装置

搔菌机拨料齿和镇压轮的高度可调，调节装置由连接件和调节螺母组成(图4).连接件一端分别连接拨料齿轴和镇压轮轴，一端分别连接前置传动轴和后置传动轴，连接件可以绕前置传动轴和后置传动轴旋转，用以调节工作高度，待工作高度调节至适当位置时旋进调节螺母，保证拨料齿和镇压轮工作时高度不再改变.一个行程工作结束后旋出调节螺母，再次调节拨料齿和镇压轮工作高度，重复之前操作步骤，旋紧拨料齿和镇压轮调节螺母之后方可再次工作，进行下一个行程作业.

图3 拨料齿力学模型Figure 3 Mechanical model of dial teeth

A：俯视图；B：正视图；1：拨料齿轴；2：连接件；3：机架；4：刻度尺；5：调节螺母；6：轴承座；7：前置传动轴；8：拨料齿.A：vertical view；B：front view；1：dial teeth shaft；2：connectors；3：back；4：scale；5：adjusting nuts；6：housings；7：front drive shaft；8：dial teeth.图4 拨料齿高度调节装置结构Figure 4 Structure diagram of the height adjusting device of dial teeth

2.3 传动系统

搔菌机采用电动机驱动，电动机布置在整机腹部，电动机输出轴通过链传动将动力分别传递至前置传动轴和后置传动轴，再由前置传动轴和后置传动轴将动力分别传递至拨料齿轴和镇压轮，镇压轮再将动力传递至后行走轮，完成整个动力的传递任务，并由后行走轮驱动搔菌机前进或后退(图5).

为保证搔菌机运行速度、拨料齿转速、镇压强度在正常工作范围内，同时减轻变频器工作负担，需要将各轴传动比进行分配.

该机所选减速电机额定功率为1.5 kW，额定转速为1 400 r/min，传动比为4.根据搔菌作业要求及搔菌机工作需求，经计算后拨料齿转速n1=180.9 r/min，前置传动轴转速n2=266 r/min，后置传动轴转速n3=175 r/min，镇压轮转速n4=72.9 r/min，后行走轮转速n5=72.9 r/min.

1：前行走轮；2：拨料齿轴；3：前置传动轴；4：电动机；5：镇压轮轴；6：后置传动轴；7：后行走轮轴；8：后行走轮.1：front walking wheel；2：stirring teeth shaft；3：front drive shaft；4：motor；5：suppression of axles；6：rear drive shaft；7：rear walking axle；8：rear walking wheel.图5 自走式双孢菇工厂化生产搔菌机传动简图Figure 5 Transmission diagram of self-walking ruffling machine in factory production of Agaricus bisporus

2.4 控制系统

变频器在现代工业中得到了广泛的应用，它完美的将工作频率转化为各种频率的交感电源，以保证变速电动机的正常运行，变频器既可以通过对电动机电压和频率的调节，达到速度在一定范围内无限调节的效果，又可以节能节电，提高生产的自动化水平[18-19].本研究采用三菱FR-D700通用变频器来实现电动机的启动、正转、反转、停止和调速，进而实现对搔菌机前进、后退和拨料齿转速的调节(图6).将该变频器运行模式选为PU模式，将M旋钮作为电位器使用，通过引线将M旋钮固定在控制面板右侧，旋转M旋钮可将频率调制任意值，将Pr.1上限频率设定为50 Hz，Pr.2下限频率设定为0 Hz，Pr.7加速时间设定为1.5 s，Pr.8减速时间设定为2 s，Pr.160扩展功能显示设定为0，Pr.161频率设定/键盘锁定操作选择变更为1，Pr.295频率变化率

图6 使用变频器的搔菌机调速控制系统Figure 6 Speed control system of ruffling machine using frequency converter

设定为10 Hz，即可完成变频器设定.

3 搔菌试验

3.1 试验材料

搔菌机作业性能试验在甘肃金沃森科技有限公司双孢菇工厂化生产育菇房内进行，该育菇房施行完全封闭式远程智能控制，内有2排育菇床架，每排床架有6层可用于培育双孢菇，栽培面积450 m2，单层育菇床架长为28.5 m，宽1.34 m，试验所选的12号育菇房为覆土发菌第3天，覆土厚度为50～60 mm[22]，床面有明显的老菌种块和菌皮生产，需要进行搔菌作业，以保证底层双孢菇菌丝的生长和出菇整齐.按照双孢菇工厂化生产的最佳技术要求，对搔菌机的作业性能进行验证.

3.2 试验方法

按照双孢菇工厂化实际生产需求和作业标准[20-21]，将搔菌机调整至最佳状态后，开始计时，直至完成整个育菇房内全部搔菌作业时停止计时，使用电位器操作手柄控制搔菌机不同前进、后退速度，以不同速度状态下的搔菌效果作为计算搔丝机最佳搔菌速度的依据，完成整个育菇房搔菌作业后检查其效果.搔菌作业后的床面覆土要求完全打散，培养料表面应向下疏松10 mm，搔菌深度在60～70 mm为最佳，镇压高度差不超过20～30 mm.试验完成后测量搔菌深度、搔菌后床面老旧菌块或菌皮是否有残留、搔菌速度、工作效率和镇压后高度差，试验结果取各参数平均值.现场试验及效果见图7.

A：试验机作业现场；B：试验机作业后效果.A：test machine operation site；B：effect after operation of test machine.图7 现场试验Figure 7 Field test

3.3 试验结果

结合双孢菇工厂化种植要求，试验标准中搔菌深度合格率≥95%、搔菌后床面老旧菌块或菌皮残留率≤5%、镇压后高度差≤5%，将各参数计算后取平均值作为试验结果.试验过程中发现作业机前进用时79.17 s时搔菌效果最佳，后退用时40.71 s时搔菌效果最佳，计算可得搔菌机最佳前进速度为0.36 m/s，后退速度为0.7 m/s.作业机运行平稳，无故障，动力强劲，无打滑、堵塞和脱轨现象，拨料齿调节范围满足双孢菇工厂化生产要求，适应不同覆土厚度的搔菌作业，镇压后覆土表面平整松弛，高度差保持在20～30 mm，育菇床架横切面显示覆土层已完全打散，覆土层以及培养料表面已混合均匀，利于双孢菇菌种发育及生长，覆土与培养料之间连接性能较好，利于双孢菇吸收的水分获取，作业效果满足双孢菇工厂化生产要求.试验结果见表2.

4 结论

1) 为提高工厂化双孢菇生产的生产效率及覆土发菌的程度，本研究设计了一种采用变频控制、菱形拨齿式搔菌机，实现了搔菌深度、镇压强度及整机前进速度之间的匹配运行，并进行了搔菌试验.

表2 试验结果

2) 试验结果表明：搔菌机最佳前进速度为0.36 m/s，后退速度0.7 m/s，完成一个育菇房内的搔菌作业仅用时1.3 h，搔菌深度合格率为98.3%、搔菌后床面老旧菌块或菌皮残留率2.1%、镇压后高度差合格率93.32%、作业期间故障率0%.

3) 该搔菌机符合双孢菇工厂化生产要求，可以作为双孢菇工厂化生产中搔菌机使用，本研究为双孢菇工厂化生产设备的设计与试验提供一定的参考.