作物設(shè)施栽培基質(zhì)消毒機(jī)的設(shè)計(jì)與研究

趙玉清，高彥玉,朱加繁,楊陸強(qiáng),張汝坤

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201；2.紅云紅河集團(tuán)會(huì)澤卷煙廠，云南 曲靖 654200)

0 引言

設(shè)施栽培是指采用一些工程技術(shù)手段，再加上一部分人為條件和控制措施，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐漸脫離自然氣候條件的控制，從而使植物獲得最適宜的生長(zhǎng)條件，延長(zhǎng)生產(chǎn)季節(jié)，獲得最佳產(chǎn)出的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[1]。作物栽培基質(zhì)消毒技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容?；|(zhì)作為栽培的核心及影響根系生長(zhǎng)的關(guān)鍵要素，也屬于植物病蟲(chóng)害傳播的主要媒介及繁殖場(chǎng)所，存在著大量的病菌、蟲(chóng)卵及害蟲(chóng)，若是未能有效處理，則會(huì)導(dǎo)致作物實(shí)際的產(chǎn)量以及品質(zhì)顯著降低，極端情況下會(huì)導(dǎo)致絕收[2]。因此，栽培基質(zhì)使用前，必須對(duì)其進(jìn)行消毒處理，防止病蟲(chóng)害的滋生與擴(kuò)散，從而保證作物的產(chǎn)量與質(zhì)量。

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)基質(zhì)消毒裝備的研究起步較早，在基質(zhì)消毒方面的分析演變?yōu)檩^為完善的技術(shù)架構(gòu)；而我國(guó)使用的基質(zhì)消毒方案及技術(shù)較為落后，當(dāng)前的各項(xiàng)消毒設(shè)備并不完善，性能存在不穩(wěn)定的特征，不能滿足現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)集約化、高效率的生產(chǎn)要求[2]。為此，設(shè)計(jì)了一種自走式作物栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)，通過(guò)對(duì)消毒機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，找出了消毒機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和不足。

1 整體方案

1.1 整體設(shè)計(jì)

自走式作物栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)，包括限位輪、鏈條、機(jī)架、罩殼，以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等多個(gè)方面的基礎(chǔ)要素[3]。消毒機(jī)具體的主、俯視圖，如圖1和圖2所示。

(a) 消毒機(jī)主視圖

(b) 消毒機(jī)俯視圖 1.限位輪 2.行走輪 3.鏈條 4.拋土刀軸 5.拋土刀片 6.噴氣管1 7.橡膠蓋板 8.機(jī)架 9.進(jìn)氣管 10.罩殼 11.噴氣管2 12.拋土刀軸驅(qū)動(dòng)電機(jī) 13.行走輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖1 消毒機(jī)主、俯視圖Fig.1 The main，top view of sterilizing machine

設(shè)備中的行走輪軸依靠配套的軸承安置到相關(guān)的機(jī)架中，行走輪則位于軸的兩側(cè)，配套的限位輪依靠焊接的方式固定于對(duì)應(yīng)的機(jī)架上；系統(tǒng)中的拋土刀軸依靠配套的軸承安放到基礎(chǔ)的機(jī)架中，刀軸驅(qū)動(dòng)鏈輪依靠配套的鍵槽而安放到刀軸的一側(cè)[3]。拋土刀片依靠螺栓安放到相關(guān)的刀盤(pán)中，刀盤(pán)及刀軸使用對(duì)應(yīng)的螺栓進(jìn)行聯(lián)接。噴氣管和進(jìn)氣管焊接在對(duì)應(yīng)的機(jī)架中，其中的橡膠蓋板依靠配套的螺栓安放到機(jī)架的前后位置，罩殼依靠螺栓安放機(jī)架之上。噴氣管焊接在罩殼頂部的位置，拋土刀軸及行走輪的配套驅(qū)動(dòng)電機(jī)，放機(jī)架前方。輸出軸存在對(duì)應(yīng)的鏈輪，一根鏈條安裝到拋土刀軸對(duì)應(yīng)的電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)鏈輪中，另一根則安裝到行走輪的對(duì)應(yīng)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)鏈輪之中[3]。

1.2 工作過(guò)程

自走式作物栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)，在實(shí)際的運(yùn)轉(zhuǎn)中，行走輪和基質(zhì)槽對(duì)應(yīng)的上表面存在對(duì)應(yīng)的接觸，限位輪和基質(zhì)槽對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)面存在接觸，從而使得消毒機(jī)可以順著表面平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，而對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以提供作業(yè)中需求的動(dòng)力。拋土刀軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)依靠配套的鏈條實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)。實(shí)際開(kāi)啟之后，帶動(dòng)刀片快速地旋轉(zhuǎn)，將基質(zhì)向上拋起，并向罩殼頂及機(jī)架底對(duì)應(yīng)的蒸汽管輸入相關(guān)的高溫高壓蒸汽，進(jìn)而令基質(zhì)和高溫蒸汽實(shí)現(xiàn)有效的接觸；蒸汽溫度可以在短暫時(shí)間中傳輸?shù)交|(zhì)，令基質(zhì)溫度得以持續(xù)提升。因?yàn)檎謿ぐ惭b到機(jī)架上方，和機(jī)架兩端相關(guān)的蓋板組成較為密閉的特殊空間，有助于基質(zhì)升溫之后進(jìn)行有效的保溫處理，提升了殺滅有害病菌的效果[4]。

2 主要零部件有限元分析

2.1 拋土機(jī)構(gòu)有限元分析

拋土機(jī)構(gòu)是消毒機(jī)的主要工作部件，將基質(zhì)拋起的同時(shí)要承受基質(zhì)的反作用力，在工作過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定的形變。因此，需要采用有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，通過(guò)觀察拋土機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力應(yīng)變圖和總變形云圖，找出消毒機(jī)工作過(guò)程中拋土刀片應(yīng)力集中的主要部位及最大變形量等參數(shù)，為拋土機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2.1.1 模型的建立與網(wǎng)格劃分

在具體的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，使用SolidWorks軟件建立關(guān)于拋土機(jī)構(gòu)的模型，傳輸至相關(guān)的ANSYS軟件，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將拋土機(jī)構(gòu)的材料屬性添加后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到了拋土機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格模型，如圖2所示。

2.1.2 靜力學(xué)分析結(jié)果

依靠理論分析的方式，獲得拋土機(jī)構(gòu)在具體運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)中的等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D、總變形云圖，如圖3～圖5所示。從等效應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)：拋土刀片在具體的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)中，應(yīng)力最集中的位置屬于刀片根部以及刀盤(pán)的具體接觸，最大值為291.36MPa。從應(yīng)變?cè)茍D發(fā)現(xiàn)：應(yīng)力相對(duì)集中的位置即屬于應(yīng)力較高的位置，應(yīng)變極限值屬于0.155mm，分析總變形量能夠得出，變形量最高的地方屬于刀片邊緣，存在的極限位移為1.689mm。

圖2 拋土機(jī)構(gòu)的網(wǎng)格模型Fig.2 Mesh model of soil throwing mechanism

圖3 拋土機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)力圖Fig.3 Equivalent stress diagram of soil throwing mechanism

圖4 拋土機(jī)構(gòu)的等效應(yīng)變圖Fig.4 Equivalent strain diagram of soil throwing mechanism

圖5 拋土機(jī)構(gòu)的總變形圖Fig.5 The total deformation Figure of soil throwing mechanism

2.2 機(jī)架有限元分析

消毒機(jī)工作過(guò)程中，機(jī)架不僅承載著源自電機(jī)及罩殼等元件的基礎(chǔ)重力，也會(huì)負(fù)擔(dān)源自拋土刀軸以及行走輪軸的基礎(chǔ)作用力。由于機(jī)器工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)，這些周期性載荷都會(huì)作用在機(jī)架上，如果機(jī)架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度不夠，則容易產(chǎn)生變形和損壞。因此，通過(guò)對(duì)機(jī)架添加相應(yīng)的約束條件和載荷，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析可以初步判斷機(jī)架最容易發(fā)生變形的部位和大致的變形程度，通過(guò)模態(tài)分析可以對(duì)比機(jī)架工作過(guò)程中的振動(dòng)頻率與其本身的固有頻率是否接近，然后對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免消毒機(jī)工作過(guò)程中出現(xiàn)共振現(xiàn)象而對(duì)機(jī)架造成損壞。

2.2.1 靜力學(xué)分析結(jié)果

采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格的方法對(duì)機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過(guò)計(jì)算求解，得到消毒機(jī)工作過(guò)程中機(jī)架的等效應(yīng)力云圖、等效應(yīng)變?cè)茍D及總變形量云圖，如圖6～圖8所示。從等效應(yīng)力云圖中可得到：應(yīng)力最集中的部位為機(jī)架的左端部分，行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)和拋土刀軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝的位置，最大值為62.344MPa。從應(yīng)變?cè)茍D能夠得出：應(yīng)力相對(duì)集中的位置也屬于應(yīng)力較高的部位，應(yīng)變的極限參數(shù)為0.317mm。

圖6 機(jī)架等效應(yīng)力圖Fig.6 Equivalent stress diagram of frame

圖7 機(jī)架的等效應(yīng)變圖Fig.7 Equivalent strain diagram of frame

圖8 機(jī)架的總變形圖Fig.8 Total deformation of frame

由總變形量云圖可得出：最高的位置是機(jī)架左端支撐板最薄弱的位置，最大變形量為1.233mm，這可能是由于消毒機(jī)工作過(guò)程中驅(qū)動(dòng)電機(jī)震動(dòng)較為強(qiáng)烈而引起的。

2.2.2 模態(tài)分析

由于消毒機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接安裝在機(jī)架上，工作過(guò)程中振動(dòng)較為強(qiáng)烈，加上基質(zhì)對(duì)拋土刀片的反作用力也會(huì)傳遞到機(jī)架上，形成沖擊性載荷，所以消毒機(jī)在行走過(guò)程中機(jī)架也會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)。因此，在對(duì)機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析之后，還需要對(duì)機(jī)架進(jìn)行模態(tài)分析，得到機(jī)架前6階模態(tài)振型云圖，在此只給出第1階和第6階云圖，如圖9和圖10所示。

圖9 機(jī)架1階振型云圖Fig.9 First order vibration pattern of frame

圖10 機(jī)架6階振型云圖Fig.10 Six order vibration pattern of frame

從機(jī)架的各階振型云圖中可以看出：機(jī)架兩端的變形量相對(duì)較大，振動(dòng)變形最大的部位為機(jī)架的左端，位于行走輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)和拋土刀軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝的位置。

3 樣機(jī)試制及田間性能試驗(yàn)

3.1 樣機(jī)試制

本文設(shè)計(jì)的自走式作物栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)使用SolidWorks軟件開(kāi)展相關(guān)的三維建模，進(jìn)行了整機(jī)的加工、裝配及仿真，依靠對(duì)方案的反復(fù)修改，進(jìn)而確定了自走式作物栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)的機(jī)構(gòu)，并完成了樣機(jī)的試制。自走式作物栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)如圖11所示，其技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)如表1所示。

圖11 自走式作物栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)樣機(jī)Fig.11 Prototype of self propelled crop cultivation substrate steam sterilizer表1 消毒機(jī)的技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)Table 1 Technical parameters and performance indexes of disinfection machine

項(xiàng)目單位參數(shù)Dmm1600×1580×500T1℃130～140

續(xù)表1

3.2 田間性能試驗(yàn)

田間試驗(yàn)是檢查自走式作物栽培基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)工作性能的關(guān)鍵流程，屬于檢驗(yàn)相關(guān)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可否實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求的關(guān)鍵方式，也屬于發(fā)現(xiàn)樣機(jī)問(wèn)題、針對(duì)樣機(jī)開(kāi)展優(yōu)化的關(guān)鍵要素[4]。此次田間試驗(yàn)為正交試驗(yàn)，目的是分析綜合架構(gòu)的可靠性和方案設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)通過(guò)對(duì)消毒機(jī)設(shè)置不同的工作參數(shù),尋找消毒機(jī)工作參數(shù)的最優(yōu)組合，為消毒機(jī)下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

試驗(yàn)在昆明市尋甸縣大河橋三七工廠化育苗基地進(jìn)行，消毒機(jī)在田間試驗(yàn)過(guò)程中影響其消毒效果的因素主要有蒸汽出口壓力、消毒機(jī)行走速度和拋土刀軸轉(zhuǎn)速。因此，消毒機(jī)田間性能測(cè)試正交試驗(yàn)選取蒸汽出口壓力、消毒機(jī)行走速度和拋土刀軸轉(zhuǎn)速作為影響因子，各個(gè)因子取3個(gè)水平，具體信息如表2所示。

表2 基質(zhì)蒸汽消毒機(jī)田間性能試驗(yàn)因子水平表Table 2 Disinfection machine test factor level Table

由消毒機(jī)田間性能測(cè)試正交試驗(yàn)測(cè)試可知：各個(gè)因子對(duì)于作業(yè)效應(yīng)構(gòu)成影響的實(shí)際排序?yàn)檎羝隹趬骸緳C(jī)行走速度→拋土刀軸轉(zhuǎn)速。根據(jù)主要因素?fù)駜?yōu)選、次要因素適當(dāng)選取的原則，綜合考慮消毒機(jī)工作過(guò)程中機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性等因素，得出該消毒機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合為：蒸汽出口壓力0.32MPa，消毒機(jī)行走速度3m/min，拋土刀軸轉(zhuǎn)速150r/min。

表3 消毒機(jī)田間性能測(cè)試正交試驗(yàn)結(jié)果分析Table 3 Analysis of orthogonal test results of disinfection machine

D為外形尺寸(長(zhǎng)、寬、高，mm)；T1蒸汽出口溫度(℃)；F為蒸汽出口壓力(MPa)；P1為行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率(kW)；P2為拋土刀軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率(kW)；V為消毒機(jī)行走速度(m/min)；R為拋土刀軸轉(zhuǎn)速(r/min)；B為工作幅寬(mm)；T2為消毒后的基質(zhì)溫度(℃)；Y為評(píng)分。

4 結(jié)論

1)應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)消毒機(jī)的拋土機(jī)構(gòu)及機(jī)架開(kāi)展配套的靜力學(xué)及模態(tài)分析，結(jié)果表明：拋土刀片在具體的運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)中，應(yīng)力最為集中的位置屬于刀片和刀盤(pán)的接觸位置，極限值參數(shù)屬于291.36MPa，低于實(shí)際的屈服強(qiáng)度355MPa；變形量最大的位置是刀片邊緣，最大變形量為1.689mm；機(jī)架的應(yīng)力較集中部位為其左端部分，即行走輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)和拋土刀軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝的位置，最大值為62.344MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度235MPa。從機(jī)架的總變形量云圖中可以看出：變形量最大的位置機(jī)架左端支撐板最薄弱的位置，最大變形量為1.233mm。

2)在完成消毒機(jī)樣機(jī)制造的基礎(chǔ)上，采用正交試驗(yàn)的方法，選取蒸汽出口壓力、消毒機(jī)行走速度和拋土刀軸轉(zhuǎn)速作為主要影響因子，每個(gè)影響因子取3個(gè)水平，完成了消毒機(jī)田間性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：各因子對(duì)消毒機(jī)作業(yè)效果影響的大小排序依次為蒸汽出口壓、消毒機(jī)行走速度及拋土刀軸的轉(zhuǎn)速。綜合考慮消毒機(jī)工作過(guò)程中機(jī)器運(yùn)行的穩(wěn)定性等因素，得出該消毒機(jī)工作的最優(yōu)參數(shù)組合：蒸汽出口壓0.32MPa，消毒機(jī)行走速度3m/min，拋土刀軸轉(zhuǎn)速150r/min。