育苗基质搅拌机的研制

牛祥永 汪超 林康

摘要：针对工厂化育苗的需求和传统搅拌方式的弊端，设计并研制了一种新型基质搅拌机，研发的基质搅拌机旨在把各种育苗基质充分搅拌，且不破坏基质的内部结构。对搅拌的目的和类型进行了概述，对基质搅拌机的组成特点进行阐述，同时也对一些重要的技术参数的选取进行分析，包括箱体的设计、机构动力的设计、叶片数量、安装角以及速度的设计，得到结论为搅拌箱箱体的长为1.35m，宽为0.7m，高为0.55m;机构动力为4 kW，能够保证机器在满负荷甚至超负荷运载时也能正常运转一段时间;搅拌机设计两组叶片，每组螺旋叶片中分别有5个叶片，共10个叶片;叶片安装角的取值范围在31°-40°;旋转轴的转速为160 r/mm，经过合理设计后，搅拌机能够快速地将基质搅拌均匀。

关键词：基质;搅拌机;参数设计

中图分类号：S223

文献标志码：A

文章编号：1009-9492f 2022）02-0051-04

0 引言

工厂化育苗指的是在人造环境下，应用规范化的技术措施和技术方法，采用工业化的生产手段进行批量优质育苗的一种先进方式。随着工厂化育苗的蓬勃发展，育苗基质的用量也逐渐增大，育苗基质即育苗用的营养物质是影响幼苗生长质量的关键因素之一，只有经科学配比及均匀搅拌的育苗基质才能培育出茁壮优质的幼苗。

近些年，虽然我国工厂化育苗产业正在飞速发展，但仍存在一些制约我国工厂化育苗发展的关键技术，其中之一就是在基质方面研究比较薄弱，内容相对单一，研究多是围绕各类基质选用、基质配比和营养物研发等内容，对生产工艺以及配套的生产机械等缺少系统研究[1-2]。传统的基质制备方式基本采用铲车混拌、人工混拌和一定环节的机械混拌，生产效率较低，缺乏统一的质量标准，生产水平和产品难以满足目前日益提高的市场需求[3-4]。目前，虽然基质搅拌设备已有部分公司研发销售，但是大多存在工艺不完整、效率低下等问题。育苗基质在工厂化育苗生产中起着决定性作用，只有选材合理、配比合理、质量均匀的基质才能培育出茁壮优质的幼苗。国内基质产业相对落后，而直接采购国外先进设备不仅成本过高，而且不能和我国基质生产模式相适应。针对这些问题，本文研发了一种基质搅拌机，旨在把育苗基质搅拌均匀，且不破坏基质的内部结构。

1 搅拌的目的和概念

1.1 搅拌的目的

（1）使混合物中各组分均匀分布，不仅仅在宏观层面均匀混合，也要在微观层面均匀混合。

（2）提高混合物各组分之间的相对运动次数和轨迹交叉频率，能够使其加速达到均匀化。

（3）搅拌过程中不破坏基质的结构和内在基质，不造成基质的营养流失，起到较好的育苗效果。

1.2 搅拌过程中的运动

根据混合物中各组分颗粒产生的运动方式不同，可在搅拌过程中产生如下基本运动。

（1）对流运动。对流运动是混合物在搅拌的过程中，受到外力作用，具有不同的运动轨迹和运动速度，从而使混合物各组分在宏观范围内循环流动、趋于均匀化的现象。

（2）扩散运动。扩散运动是混合物中各组分在微观范围内互相渗透、互相扩散、力求趋于稳定状态的现象。

（3）剪切运动。剪切运动是混合物各组分沿某一方向相对滑移、逐渐均匀化的现象，该运动可以克服混合物的惯性、黏滞性和摩擦力等，能够有利于各组分的均匀混合[5-6]。

根据混合物在实际搅拌过程中产生的实际运动，可归纳为如下运动。

（1）混合物料在搅拌箱中的循环运动。在搅拌箱中的叶片作用下，混合物料在搅拌箱中按照一定的运动轨迹产生大范围的运动，使得各组分能够在空间中达到宏观层面的均匀化。由于混合物料在空间中不断地循环运动，使得物料可能会运动到搅拌箱的任何一个区域范围内，从单次搅拌来说，这种循环运动是间歇性的、局限性的运动，但是搅拌是不断进行的，从整体来看，这种循环运动是连续性的。

（2）混合物料间互相碰撞、翻滚的运动。在搅拌过程中，物料在强制作用下会产生一定的速度，使得物料之间会产生相互作用，互相阻碍运动。由于物料存在流动性，所以，具有动能的物料会“流进”其他物料中，在互相穿插过程中，混合物料颗粒之间会发生互相研磨、翻滚和挤压。这些运动一般发生在特定的区域内，但由于物料是不断运动更替的，经过这样运动之后，混合物料会更快均匀化[7]。

这两种运动是互相影响的，在两种运动的共同作用下，能够提高搅拌的效率和质量。

1.3 搅拌的基本类型

（1）自落式搅拌。旋转搅拌箱中的叶片将混合物料抛向高处，物料依靠自身重力下落进行搅拌。在工作过程中，物料被装在搅拌筒内壁的叶片提升到高处，受到自身重力而下落。因为混合物中各种物料颗粒的大小和质量各不相同，所以在旋转过程中，物料颗粒下落的时间、位置、高度、速度各不相同，各种物料颗粒在搅拌过程中发生碰撞、研磨、扩散、渗透最后混合趋于均匀化。自落式搅拌机的结构相对简单，能耗也较低，但是其搅拌效率不高，一次搅拌的物料也较少，多适用于易于混合、质量较轻的物料搅拌[8-9]。

（2）强制式搅拌。物料通过多个处于不同角度和位置的旋转叶片强制改变其运动方向，从而产生物料颗粒之间多方向的相对运动而进行搅拌。相对于自落式搅拌机，强制式搅拌机的搅拌作用明显，搅拌效率更高，但相對于的消耗的功率也更大，对于搅拌筒和搅拌叶片的磨损也更大。强制式搅拌多适用于不易于混合，质量较大的物料搅拌[10-11]。

2 主要结构组成和特点分析

育苗基质搅拌机在设计时需要尽可能使搅拌机具备以下的条件：（1）能对育苗基质各组分进行均匀地搅拌;（2）能够在较短的时间内完成搅拌和出料;（3）占地面积较小，不适用时不会占用较大的空间;（4）搅拌后，混合物料能够均匀地卸出，不过多地粘连在搅拌箱中，方便搅拌箱清洗。

根据设计要求，设计了一款能够满足工业化育苗生产要求的基质搅拌机。这款育苗基质搅拌机的主要结构由搅拌装置、传输装置以及动力装置3部分构成。具体结构组成如图1所示，本搅拌机由搅拌箱1、链板式提升机7、搅拌电机8、放料口11、底板12、出料口13、端板14、侧板15、箱盖16、出料门17以及转轴21等结构组成，搅拌箱内还设有两组运动方向相反的螺旋叶片和若干搅拌杆。

混合物料搅拌是搅拌机的最主要功能，所以本搅拌机的主体部分是搅拌箱，箱体上开设了进料口和出料口，使用人员能够通过进料口将各类基质倒入箱体内，基质受到搅拌机中螺旋方向相反的两组搅拌叶片以及搅拌杆的多重作用，使其在搅拌箱内能够进行轴向运动、径向运动和周向运动，此外，基质中不同物料颗粒之间还能进行对流、扩散和剪切等复杂运动，确保基质能够快速搅拌均匀。等到搅拌完成之后，通过出料口将混合均匀的基质排出。为了保证机器的持续正常运转，箱体内的搅拌叶片和搅拌杆被均匀安装在搅拌轴上，搅拌轴与箱体外的驱动件连接，驱动件能够驱动并控制搅拌轴进行转动。

箱体的一侧还设有传送装置，传送装置与箱体是分体式设置，能够使得搅拌机存放更方便，在不需要使用时，能够将箱体和传送装置拆开放置，减少空间的占用。传送装置包括架体和传送板，传送板上能够安装传送带，传送带安装后能够输送物料，以保证混合完毕的基质通过传送带输送至储存的容器内，以达到快速出料的目的。此外，传送板的一侧板面上还安装了若干铰接板，使传送板能够通过铰接板与架体之间进行铰接，在一些不符合使用要求的地面上使用本搅拌机时，能通过传送板带动传送带绕着铰接点进行转动调整自身与地面之间的角度，保证输送装置在一些不水平的地面上也能保证传送带与箱体上的出料口对准。

3 技術参数设计分析

3.1 箱体的设计

根据基质的实际加工要求和加工效益，确定搅拌机一次加工的投料量Q为400-500 kg，根据对常用几类基质的密度测试，考虑温度、湿度等外在因素，确定基质的密度为p=1.7x10 3_1.9x10 3 kg/m3。根据经验数据以及搅拌机的性能试验，确定了能够保证混合质量的最佳容料率A为0.5-0.6。箱体体积V的计算公式为：

V= Q/A.p

取各系数的平均值计算可得，箱体体积约为0.45 m3，综合考虑箱体内部转轴的位置、螺旋叶片、搅拌杆的尺寸和排布、搅拌机的工艺性能、箱体的厚度等因素，确定箱体的长为1.35 m，宽为0.7 m，高为0.55 m。

3.2 机构动力的设计

目前，对于搅拌机配套动力的计算尚未有精确的公式。通过对现有的国内外搅拌机系列进行探究，根据搅拌机的机构动力和生产率，可以提取出经验公式进行近似计算，公式如下：

P= Kv式中：v为搅拌机的生产率，t/h;K为功率系数，一般为1.5-2.50

取v= 1.5 t th、K= 2.5，则P= 3.75 kW。根据此数据确定机构动力为4 kW，保证机器在满负荷甚至超负荷运载时也能正常运转一段时间。

3.3 搅拌叶片的数量

搅拌轴和搅拌叶片称为转子，转子在搅拌过程中起着重要的作用。搅拌叶片的数量一方面对物料的均匀度非常重要，另一方面，搅拌叶片的数量也直接影响着搅拌杆的数量。本实验设计有两组搅拌叶片，每组叶片都由多个叶片组成，且搅拌杆将叶片与转轴相连。在设计叶片数量时不能太多，太多会使物料的传输距离加长;叶片数量增多，叶片面积也需要相应减小，否则容易使物料流通不畅降低搅拌效果[12];同时，叶片的数量也不能过少，如果叶片数量过少，叶片间距会过大，前一个叶片搅拌的物料难以推入下一个叶片的搅拌区域，导致循环运动不畅，此外，叶片数量如果过少，单位时间内叶片与物料之间、搅拌杆与物料之间的互相作用也会减少，最终影响搅拌的质量。因此，搅拌叶片的数量需要在一个合理的范围内。

叶片数量的确定还需要考虑几个相关因素：（1）单个转轴上相邻叶片的轴向阴影需有一定重叠，以此保证物料的流动顺畅;（2）在搅拌结束卸料后可保证桶内残余物料少，给箱体清洗带来便利;（3）转轴旋转一周，物料沿轴向行程应大于360°，若叶片数量用h表示，相邻搅拌杆之间的相位差用β表示，则h.β≥360°。综合以上因素，结合实验结果，该搅拌机确定了每组螺旋叶片中分别有5个叶片，两组共10个叶片。

3.4 搅拌叶片的安装角

搅拌叶片的安装角主要有两个，一个是轴向安装角，用α表示;另一个是径向安装角，用b表示。轴向安装角指的是搅拌叶片面内搅拌轴的轴线与搅拌杆的垂线之间的夹角。径向安装角指的是搅拌杆的轴线与搅拌叶片叶面之间的夹角。搅拌叶片的大小对搅拌效率、搅拌质量和整体机构的能耗都有不小的影响。当搅拌叶片的角度在合适的范围时，可以使得物料与叶片之间的运动以及物料之间的运动达到一个较好的配合。以受到叶片作用的物料为研究对象。经过受力分析，物料受到的轴向作用力而产生螺旋作用，物料受到径向作用力为沿搅拌箱径向的对流运动。

（1）α角的确定：物料在不同方向上的运动主要分为横向运动和纵向运动，当叶片安装α角过小时，物料缺少纵向运动搅拌，当叶片安装α角过大时，物料缺少横向对流。当α>55°时，物料难以产生较强的搅拌。（2）b角的确定：b角过小时，物料缺少径向运动搅拌，物料倾向于形成圆周运动;b角过大时，围绕搅拌杆的圆周运动减弱;当b角接近90°时，物料仅仅受到了叶片侧立面和搅拌杆的剪切作用，搅拌效果很差[13]。因此，合适的α、b角对于保证物料在径向和轴向两个方向的最佳运动效果起着重要的作用。经过理论分析和经验调研认为，α和b值的取值范围在31°-40°较为合适。

3.5 搅拌速度的确定

在搅拌的过程中，混合物料主要受到叶片的作用，发生推移、碰撞及翻滚等运动。由于叶片都是安装在旋转轴上的，它们一起发生同轴运动，所以叶片的转速与旋转轴的转速相同。物料在叶片上主要发生两类运动，一类是受到叶片圆周运动的影响，物料叶发生圆周运动。另一类运动为摩擦运动，物料在叶片上时始终受到叶片的摩擦运动。根据受力分析，物料在叶片的法线方向上发生偏移并产生一个摩擦角，从而加强物料之间的运动而加快搅拌。想到混拌效果达到比较理想的效果，旋转轴的转速应在一个合理的范围内Nmin≤N≤Nmax。其中：式中：d为搅拌叶片的直径，根据设计要求取0.2 m;A为摩擦因数，其范围为0.2 - 0.3，取中值为0.25;θ为螺旋升角，取65°。

经过计算可得，Nmin≈105 min -1，Nmax≈215 min-1，根据最大值和最小值确定旋转轴转速N=160 min -1。经过合理设计后，螺旋方向相反的双搅拌叶片配合搅拌杆能够使基质在搅拌箱内快速搅拌均匀。

本文所研制的搅拌机不仅具有效率高、稳定性好、搅拌均匀等优点;在使用过程中，用户还可以根据地理位置和季节不同，在搅拌过程中对基质湿度、肥料成分进行调节。能够广泛应用于工厂化育苗领域，应用该搅拌机能够有效提高搅拌速度，还能解决无土基质育苗基质混配不均匀，以及基质结块影响装盘质量和后期育苗质量的难题。从而大大降低用户人工成本，显著提高生产效益和竞争力，有效提升育苗的水平。该搅拌机的研制符合国家发展的需要，具有很好的推广应用前景。

4 结束语

本文针对工廠化育苗中存在的问题，设计并研制了育苗基质搅拌机。通过对基质搅拌机设计分析对搅拌机的一些重要技术参数进行合理选择，包括箱体的设计、机构动力的设计、叶片数量、安装角以及速度的设计。本文设计的基质搅拌机具有结构简单紧凑、设计合理、操作简便、能耗低、成本低、搅拌混合效果良好、适用性强等特点。该搅拌机的研制可以为用户降低成本，提高效益和竞争力，提升育苗的水平，有效促进农业机械化，也符合国家农业发展的需要。

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