基于食用菌工厂化生产的注菌器设计

高 超，杨晓东*,刘 昊

(1. 吉林工程技术师范学院，吉林 长春 130052; 2. 吉林吉隆科技开发有限责任公司，吉林 吉林 132001)

食用菌是指子实体硕大、可供食用的蕈菌，通称蘑菇。因自然生长数量有限，人工栽培占绝大部分。我国是食用菌最早栽培国家之一，2018 年我国食用菌占世界总产量的70% 以上[1-2]。但作为食用菌生长体的菌包，在我国主要是由分散农户以半手工、半机械化方式生产，工作效率和合格率低，工作环境易导致从业者呼吸道、皮肤、生育系统等受到损害。工厂化食用菌生产在20 世纪50 年代从日本兴起，当前我国食用菌工厂化率不到10%[3]，与发达国家相比有很大的发展空间。目前制约菌包工厂化生产主要因素是生产设备自动化程度低，因此应加大菌包自动化生产线和自动化接菌机的研发力度[1]。食用菌菌包接菌系统智能装备中，接菌系统由翻筐、注菌、筛选绵球、塞绵球等装置组成，本文主要介绍注菌装置中的关键器件菌液注菌器的设计。

1 总体思路

接菌是指将配备好的食用菌菌液注射到装有栽培基料菌包的过程。为提高生产效率，本设计要求同时给3*4共12个菌包同时注菌，如图1所示。为保证注菌量的一致和可重复性，采用单向蠕动注射原理[4]，设计了一种基于自动生产线的食用菌菌液注菌器。该注菌器工作时菌液只接触管壁不接触器体，可保证注菌环境一致，避免菌液的二次污染，提高液态菌丝注菌成活率和质量，有效衔接到自动化生产线中，具备注射精度、重复精度、稳定性高等优点，且采用一个驱动单元，一次完成多个菌包注射，极大提高生产效率。

图1 注菌原理方案简图

2 注菌器结构及工作原理

2.1 结构组成

该注菌器主要由17个零部件组成，如图2所示。其中螺母与定套筒螺纹连接，定套筒与螺母配合使定套筒固定在机架上，注射针嘴与注射针头螺纹连接，弹簧(2)与不锈钢球在注射针嘴与注射针头形成的腔体内，弹簧(2)顶着不锈钢球，使不锈钢球与注射针头管径端部紧密接触形成密闭空间，当有菌液通过注射针头时，需要一定压强使菌液推动不锈钢球，使弹簧(2)被压缩，从而通过注射针嘴达到注射的功能，可通过调整垫片厚度改变弹簧(2)的长度实现不锈钢球压力大小的调整，从而调整注射压力。软管(1)紧固在注射针头后端，压轮压在软管(1)上，软管螺丝分别连接软管(1)与软管(2)，当压轮处于工作状态段时，软管(1)与注射针头形成一个密闭空间，向左运动一段距离后，可推动软管(1)里的菌液，使密闭容腔体积变小产生压力，迫使容腔内菌液推动不锈钢球，使菌液通过注射针嘴，从而达到注射功能。这里注射针头外径与定套筒内径间隙配合，弹簧(1)套在注射针头外径，两端分别顶在定套筒内端面与泵体左端，注射针头与泵体螺纹连接，软管(1)在泵体内分别连接注射针头与软管螺丝，软管螺纹与泵体螺纹连接，压轮通过压轮轴安装在泵体凹槽中，压轮轴安装在动套筒的导轨槽中，其中动套筒内壁与泵体间隙配合，导槽螺纹通过定套筒导槽与动套筒螺纹连接，同时导槽螺丝顶端与泵体中导槽间隙配合，定套筒内壁与动套筒外壁间隙配合，弹簧(3)装配在动套筒内，两端分别顶在泵体右端面与顶盖，顶盖与动套筒螺纹固连。

1.螺母 2.定套筒 3.弹簧(1) 4.注射针嘴 5.弹簧(2) 6.不锈钢球 7.调整垫片 8.注射针头 9.泵体 10.软管(1)11.压轮 12.弹簧(3)13.导槽螺丝 14.动套筒 15.软管螺丝 16.顶盖 17.软管(2)图2 注菌器结构图

2.2 工作原理

工作时，软管(2)与原料箱连接，原料箱液位高度大于注菌器高度，注菌器连续运动几次，把其中的空气排出，直到注射针嘴有菌液溢流时，方可正常工作，定套筒通过螺母固定在机架上，动套筒后端法兰盘固定在动力执行装置上。工作时动力执行部件推动动套筒，使其向下运动，因弹簧(3)的弹力大于弹簧(1)，当动套筒工作时，弹簧(3)推动泵体使其向下运动，使弹簧(1)压缩，注射针头被推出插入菌包中，起到定位作用，动套筒继续向下运动，弹簧(3)被压缩，压轮压紧软管(1)，把软管(1)中菌液推出，达到注射功能。当动套筒回程时，弹簧(3)首先回位，推动动套筒带动压轮回位，此时压轮向上运动，软管(1)压力减小，由于软管具有弹性内壁会产生间隙，使菌液流向软管(1)内部，随后弹簧(1)带动注射针头与泵体回位，从而保证往复运动时软管(1)始终充满菌液，达到重复使用且每次注射剂量一致的效果[5]。

2.3 压轮力学和工作状态图例验证与分析

压轮工作原理如图3所示，A、B表示动套筒14导轨槽两侧槽面，它与铅垂方向有一定角度，C为泵体导轨槽上端面，当注菌器不工作时，压轮轴位于泵体导轨槽最右端，即动套筒导轨槽的最上端。假定泵体不动，当动套筒向左运动时，压轮轴与动套筒导轨槽A槽面接触、泵体导轨槽C槽面接触，推动压轮轴向下运动，使压轮挤压软管(1)，当压轮轴运动时，动推套筒继续向左运动，由于压轮(1)与软管(1)接触面积较大，会产生一个向右的阻力作用在压轮轴上，其反作用力作用在动套筒导轨槽A槽面上，由于A槽面与铅垂方向有一定角度，压轮轴会产生一个向下力F1，使压轮完全压实软管(1)(注：这里压轮轴直径小于泵体导轨槽宽度)。当动套筒回程时，动力由弹簧提供，此时压轮处于压实软管(1)状态，当动套筒没有向左的推力时，压轮由软管(1)的弹力使压轮轴与泵体导轨槽C槽面接触，使软管(1)内壁产生间隙让菌液通过，由于压轮还处于半接触软管(1)状态，回程时，也会产生一个向左的阻力，反作用力作用在动套筒导轨槽B槽面上，因B槽面与铅垂方向有一定角度，压轮轴会产生一个向上的力F2，辅助压轮轴向上运动，与泵体导轨槽C槽面接触，直到压轮回到泵体导轨槽的最左端，完成一个工作循环。经试验验证该结构可以达到设计要求，即达到预定效果。

图3 压轮工作原理

3 结语

本注菌器的设计解决了自动注菌环节中菌液二次污染、注射剂量不准确等问题，为菌包工厂化生产提供了前沿技术，可极大提高木耳菌包生产质量，降低从业者劳动强度，具有较好市场应用前景和社会经济效益。