食用菌糠有机肥料混合机螺旋搅拌机构设计

艾鸿滨，肖智艳,于晓波，陈海霞

(1.黑龙江省畜牧机械化研究所，黑龙江 齐齐哈尔 161005；2.广西职业技术学院 机械与汽车技术系，南宁 530226)

0 引言

黑龙江省是全国最大食用菌生产基地，分布一大批具有一定规模的食用菌场。2015年，全省食用菌的种植规模达70亿袋多，产量近70万t。其中，黑木耳产量占全国50%，而且每年以15%～20%的速度递增。在食用菌主产区，仅黑龙江省东部的东宁县，每年生产黑木耳15亿袋，纯产量大约为0.75亿kg。食用菌采摘后废弃菌糠袋数量巨大，大多数种植户都以集中堆放或燃烧处理掉，既浪费了资源又污染了环境，如何对其进行有效收集、处理和再利用成了制约食用菌产业健康发展的瓶颈。近年来, 畜禽养殖业也得到快速发展，在提高居民经济收入和生活水平的同时, 也存在着畜禽粪便任意堆放、污染环境及生活用水等重大问题，如何利用好畜禽粪便，将其制成厩肥等有机肥再次利用，也是将废弃物资源化处理的一种方式，可大大降低对水生生态环境的污染，实现了清洁生产，有利于农业生产的可持续发展。本文设计了食用菌糠有机肥料混合机，以解决资源浪费及环境污染问题。

该机主要把废弃菌糠袋的菌糠与薄膜分离后的废弃菌糠通过与有机肥、厩肥等混合制作成燃料、新型有机肥、饲料、食用菌料、发酵床用料、覆土材料等，这样既有效利用废弃资源，使其变废为宝，又克服了废弃菌糠袋乱扔堆放或燃烧对环境造成的污染问题，使食用菌种植户降低了生产成本，增加了经济收益。

1 整机结构及工作原理

该机由手推架、机架箱体、动力传动系统、离合机构、行走机构、螺旋搅拌机构、抛料装置组成，如图1所示。

1.手推架 2.机架箱体 3.离合机构 4.电机 5.驱动轮 6.支撑轮 7.螺旋搅拌机构 8.抛料装置 9.弧形护板

在作业时，将机器调整好位置，打开启动按钮，通过离合机构控制机器前进，通过螺旋搅拌机构中的搅拌杆和搅拌叶片在轴向螺旋线方向上的旋转将废弃菌糠和有机肥进行破碎、搅拌；在弧形护板及底部安装的柔性挡料板的作用下，将搅拌之后的混合料向后输送至螺旋搅拌机构中的送料盘总成处，再由送料叶片和橡胶板将混合料送入到集料箱前的集料板处，形成一个反“L”形的送料路线，实现充分混合、搅拌过程。该机前进时，在集料板和柔性挡料板作用下，混合料全部进入集料箱内，在抛料装置的挡料盘和抛料叶片的高速旋转离心力作用下将混合料从集料箱的抛料口抛出，可以通过调节拉杆调节挡料罩的角度控制混合料抛出的距离和方向，完成废弃菌糠破碎与厩肥等有机物混合、搅拌及翻料等作业过程。

2 螺旋搅拌机构的研究

2.1 方案设计

螺旋搅拌机构主要由支撑圆盘轴头、筒体、搅拌杆及搅拌叶片焊合而成，如图2所示。其中，筒体为一定直径尺寸长度的厚壁圆管，在筒体主体外圆表面沿其环绕螺旋线的走向上，按照一定间距焊合数个搅拌杆，搅拌叶片与筒体轴心线方向呈一定角度焊接在搅拌杆顶端，在螺旋搅拌机构外面设置有弧形护板，并且弧形护板下边缘安装有柔性挡料板。

螺旋搅拌机构设计中需要综合考虑其搅拌叶片的设计、筒体长度、转速、功率等因素及筒体危险截面的校核。

1.轴头 2.支撑圆盘 3.筒体 4.搅拌杆 5.搅拌叶片 6.连接板 7.轴承座 8.轴承 9.轴头 10.支撑圆盘

2.2 搅拌叶片的设计

搅拌叶片是食用菌糠有机肥料混合机的主要工作部件之一, 需要承受混合料在旋转、输送时产生的力[1], 主要作用是在将混合料向后输送同时对其进行破碎和搅拌, 从而达到充分混合的目的。因此, 搅拌叶片的设计与安装对于废弃菌糠和有机肥混合起着决定性的作用。搅拌叶片的设计需要考虑结构形式、叶片加工、叶片选材及安装角度等因素[2]。

2.2.1 结构形式

根据食用菌糠有机肥料混合机设计的实际需求，螺旋搅拌机构主要是将废弃菌糠和有机肥进行搅拌、混合的同时向后输送物料，采用右旋单线结构形式的叶片式形状即可满足本机需求。

2.2.2 叶片加工

单个的叶片需要与筒体轴心线方向呈一定角度焊接在筒体主体外圆表面，沿其环绕螺旋线的走向上按照一定间距焊接数个搅拌杆顶端，才能实现螺旋输送的要求。叶片加工可以单片下料后，按照整个螺旋叶片的节距锻压成所需的形状，也可以按照螺旋轴整体叶片展开图尺寸进行下料；整体加工后拉伸至所需的的节距，然后将其剪开成单个叶片，按其右旋单线结构焊接在搅拌杆上，即可完成整个叶片加工。

2.2.3 叶片厚度

叶片材料选择在满足强度和耐磨性的同时，还要考虑其成本。相比较而言，选A3钢即可，价格较低,且具有较好的韧性和锻造性, 适合食用菌糠有机肥料混合机的工作环境。

搅拌叶片一般都是采用薄钢板冲压或切割而成,其厚度的选取可参考水平螺旋输送技术参数(见表1)。 综合考虑,此设计选δ=4mm的A3钢板。

表1 水平螺旋输送技术参数表Table 1 Horizontal spiral transmission technical parameters table

2.2.4 叶片安装角度

物料单元受力图如图3所示。图3中，α角为搅拌叶片安装角[3]，是搅拌机构的主要工作参数之一，对搅拌质量、效率和功耗都有着直接的影响[4]。

图3 物料单元受力图Fig.3 Materials unit force diagram

搅拌机构工作时，混合料在搅拌叶片沿其右旋螺旋线的走向上向后输送的同时，实现纵向和轴向运动，完成物料的混合。

图3中：当α变小时，搅拌叶片主要带动混合料围绕搅拌轴转动，混合料向后输送量减少；当α=0时，搅拌叶片变成和轴平行的一块平板，只起搅拌作用，输送量变为零；当α过大时，叶片推动混合料的纵向运动就很弱；当α=90°时，叶片就变成了与搅拌轴垂直的平板，也失去搅拌功能。因此，搅拌叶片一定要相对于搅拌轴成一定的角度安装。为了使混合料的纵向和轴向运动都较大，目前国内外叶片安装角的常用值为α=45°[2-12]。

将叶片对混合料的受力简化，如图4所示。由图4可以看出：要使混合料能够沿搅拌轴纵向和轴向运动，必须满足F1-Fj≥0，即F·tanα-F·f≥0，得到条件式为[2-12]

α≥arctgf

(1)

式中F—驱动力，可在叶片表面分解为F1=F·tgα和F2=F/cosα；

Fj—废弃菌糠与厩肥的混合物与叶片表面间的摩擦力，Fj=F·f；

f—为废弃菌糠与厩肥的混合物对叶片A3钢的摩擦系数，f=0.4。

对于废弃菌糠与厩肥的混合物，若取f=0.4时，α≥22°，即该搅拌叶片与筒体轴心线方向呈22°角焊接在搅拌杆顶端。

2.3 筒体长度

筒体长度是螺旋搅拌机构输送能力的主要参数之一,对螺旋搅拌机构的输送量和结构尺寸起着决定性作用。螺旋搅拌机构直径一般根据预混料的颗粒大小决定，螺旋搅拌机构直径与给料块的尺寸比为1.2～5。该机中螺旋搅拌机构直径设计为D=490mm。螺旋搅拌机构直径与筒体长度之比值一般为0.7～2，物料冲击力较强时应取较大的比值。

(2)

因此，取筒体长度L=400mm。

2.4 螺旋搅拌机构转速

螺旋搅拌机构转速是该搅拌机构的重要工作参数，它影响着搅拌机构的混合效率、混合比及生产能力[13-14]。

(3)

式中v—转子的圆周速度(m/s)；

D—螺旋搅拌机构直径(m)。

2.5 功率的计算

根据相关文献，搅拌机构功率计算公式[15]为

P=f·ρ·n3·D5

(4)

式中f—结构修正系数，当搅拌器为叶片式搅拌器时，一般f≈1.2；

ρ—搅拌物的密度，ρ=0.6k/m3；

n—搅拌机构的转速，n=1.2r/s；

D—搅拌机构的直径，D=0.49。

2.6 筒体危险截面图的校核

筒体是旋转部件，主要针对其抗剪切强度进行校核。由于在筒体上加工了通孔，危险截面如图4所示。其计算方法参考圆环形极惯性矩的计算公式[16-18]。

图4 筒体危险截面图Fig.4 Diagram of the dangerous section of the tube

截面的极惯性矩为

(5)

式中IP—筒体截面的极惯性矩(m4)；

D—筒体的外径，D=0.102m；

d—筒体的内径,d=0.09m；

d1—通孔的直径，d1=0.0213m。

代入数值计算得

抗扭截面系数为

(6)

式中wt—抗扭截面系数(m3)。

根据螺旋轴所承受的扭矩可以计算最大剪应力，从而校核轴的抗剪切强度[19]，即

τmax=T/wt

(7)

式中τmax—筒体危险截面的最大剪应力(MPa)；

T—作用在筒体上的扭矩(N·m)。

(8)

式中P—搅拌机构功率(kW)；

n—搅拌机构转速，n=72r/min。

T=9549·p/n=4.66N·m，则τmax=T/wt=69.55MPa；[τ]=(0.5～0.6)[σωn]=76～106.2MPa，τmax=69.55MPa<[τ]=76～106.2MPa,满足抗剪切强度要求。

3 试验分析

整机样机在黑龙江省齐齐哈尔市梅里斯区天锦食用菌养殖场进行了现场作业试验。天锦食用菌养殖场的检测人员按相关标准在化验室用化学方法测量示踪剂量值，并进行样机现场试验，测试数据如表2所示。

表2 性能测试数据表Taleb 2 The performance test data tables

试验结果表明：在混合机构转速达到设计转速72r/min时，混合均匀度满足设计要求，整机也达到生产率要求，且运行平稳，未出现任何故障及异响。

4 结论

螺旋搅拌机构设计中,需要综合考虑其搅拌叶片的设计、筒体长度、转速、功率等因素，并从筒体危险截面图的校核等多方面进行综合考虑、比较、计算才能确定，才能达到最初的设计要求。该机具有操作简便、成本较低及易于日常维护等特点,极其具有推广价值。