木腐菌宜機(jī)栽培筐及系列采菇機(jī)創(chuàng)設(shè)研究與應(yīng)用

高攀宏 劉偉麗 楊碩林

（1.昂磐智能裝備（山東）有限公司，濟(jì)寧 金鄉(xiāng) 272200；2. 山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，濟(jì)南 歷城 250100）

0 引言

近年來，隨著比較效益的逐年降低及國家環(huán)保政策的日益嚴(yán)格，我國東部地區(qū)很多曾經(jīng)的食用菌專業(yè)生產(chǎn)村鎮(zhèn)已不再從事食用菌生產(chǎn)。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《農(nóng)民工監(jiān)測調(diào)查報(bào)告》，外出農(nóng)民工月均收入由2009年的1 417元增長到2020年的4 549元［1-2］。專家預(yù)測，隨著人口出生率的降低及人口老齡化的加劇，人工成本增長趨勢仍將持續(xù)，農(nóng)法食用菌栽培的比較效益將持續(xù)走低，食用菌會由小農(nóng)、手工、分散式生產(chǎn)加速向合作社、機(jī)械化、基地化方向演進(jìn)［3-4］。歐美日韓等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，菌業(yè)機(jī)械化可降低勞動強(qiáng)度和人工成本，提高生產(chǎn)效率和人均產(chǎn)出。諸多生產(chǎn)機(jī)械化程度低的食用菌種類，如我國最大宗的香菇，因在歐美地區(qū)生產(chǎn)成本較高，已淪為小眾產(chǎn)品，生產(chǎn)占比較低。參考國外金針菇、雙孢菇等工廠化食用菌種類的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，必須繼續(xù)提升我國大宗食用菌的機(jī)械化生產(chǎn)水平，做到包含采收在內(nèi)的全程機(jī)械化高效生產(chǎn)，如此才能提高我國食用菌類產(chǎn)品在國際市場上的競爭力［5-6］。

1 人工栽培食用菌生產(chǎn)情況

常見的食用菌按栽培基質(zhì)可分為木腐菌、草腐菌、糞生菌及土生菌。根據(jù)中國食用菌協(xié)會發(fā)布的2020年食用菌細(xì)分品類生產(chǎn)情況數(shù)據(jù)，我國食用菌栽培以木腐菌為主，產(chǎn)量占比高達(dá)94%（見表1）［7-8］。

表1 2020年我國食用菌分品種生產(chǎn)情況

木腐菌的栽培主要有兩種模式。一種是源自日韓的瓶栽模式，主要應(yīng)用于工廠化的金針菇、真姬菇等“帽小柄長”的叢生菌栽培。該模式機(jī)械化程度較高，但初始投資較大、出菇方向單一、栽培品種受限，尤其不適用于我國產(chǎn)量合計(jì)占比50%以上的香菇、黑木耳、毛木耳生產(chǎn)。另一種就是我國比較流行的袋栽模式。該模式初始投資低、適用范圍廣，與我國小農(nóng)、分散的發(fā)展?fàn)顩r比較契合，近年來袋栽機(jī)械化發(fā)展迅速［9-10］。但塑料袋為軟體結(jié)構(gòu)，難以進(jìn)行定位裝夾，生產(chǎn)時(shí)存在填料效率低、設(shè)備故障率高、不易機(jī)械化采收等一系列問題。因此，急需以包含采菇在內(nèi)的全程機(jī)械化生產(chǎn)為目標(biāo)，以我國大宗食用菌工廠化生產(chǎn)為應(yīng)用場景，開發(fā)新的食用菌栽培容器及采菇機(jī)械。

2 創(chuàng)設(shè)內(nèi)容

2.1 兩種筐栽容器設(shè)計(jì)

在目前機(jī)械化程度略高的木腐菌栽培應(yīng)用中，通常是先將培養(yǎng)料裝填到塑料袋（瓶），再將填滿培養(yǎng)料的塑料袋（瓶）放入塑料筐，然后將塑料筐正疊堆放進(jìn)行滅菌、接種、培養(yǎng)，最后是上架進(jìn)行出菇管理。整個(gè)生產(chǎn)過程以塑料筐為單位，機(jī)械化地進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)、操作，其中硬質(zhì)的塑料筐是承受機(jī)械夾持和定位的核心器件。因此，如果能夠?qū)λ芰峡疬M(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其直接具有裝填料功能，那么就可省掉塑料袋（瓶）；若能進(jìn)一步控制其出菇方向、位置和一致性，那么機(jī)械化采菇就成為可能［11-12］。按照這個(gè)研究方向，根據(jù)出菇方向的不同，團(tuán)隊(duì)成員通過使用Solidworks進(jìn)行三維建模，初步設(shè)計(jì)出以下兩種筐栽容器，并根據(jù)出菇方向，將其命名為“上出筐”和“側(cè)出筐”（見圖1、圖2）。

圖1 上出筐

圖2 側(cè)出筐

上出筐和側(cè)出筐均通過隔板將其內(nèi)部空間分成若干置料空間，以便出菇時(shí)營養(yǎng)供給更均勻，子實(shí)體大小更一致?？鸬自O(shè)有環(huán)形凸緣和密封圈，環(huán)形凸緣可插入下層筐的筐口并與筐口在密封圈和重力的作用下緊密接合，如此上筐的底就可作為下筐的蓋，對下筐進(jìn)行封閉，從而實(shí)現(xiàn)與外界有菌環(huán)境的有效隔離。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)瓶栽透氣蓋的換氣作用，筐底部設(shè)有與側(cè)邊連通的三角形透氣結(jié)構(gòu)。三角形壓蓋將無紡布或海綿壓在側(cè)壁透氣孔上，可給下部被封閉的筐提供食用菌栽培過程中所必需的氧氣，與袋栽相比，既減少了刺孔通氧的工序，又降低了污染風(fēng)險(xiǎn)。

如圖3所示，為實(shí)現(xiàn)對最頂層栽培筐里的培養(yǎng)料的密封隔離，可將混凝土或石塊裝填到一個(gè)空的同種栽培筐中做成配重筐，然后將配重筐正疊在最頂層的筐上面，對其下相鄰的栽培筐形成封閉。如圖4所示，栽培筐和托盤之間的位置是相對固定的。

圖3 托盤培養(yǎng)

圖4 側(cè)出菇培養(yǎng)

2.2 針對兩種側(cè)出菇方式分別配套設(shè)計(jì)采菇機(jī)

根據(jù)栽培種類的不同，側(cè)出菇又細(xì)分為孔蓋側(cè)出菇和敞口側(cè)出菇兩種不同的出菇模式，并分別配套設(shè)計(jì)采菇機(jī)。在側(cè)出菇時(shí)，生產(chǎn)過程不僅省掉了瓶（袋）裝填料工序，還省掉了網(wǎng)格架上架工序，使食用菌生產(chǎn)效率得到了明顯提升。

2.2.1 孔蓋側(cè)出菇模式，對應(yīng)設(shè)計(jì)啟蓋式采菇機(jī)。如圖5所示，部分食用菌種類如毛木耳，為使子實(shí)體更大更好看，常采用小孔出菇模式，同時(shí)為兼容敞口出菇模式，在開啟封閉的側(cè)蓋后會增加一個(gè)有出菇孔的出菇蓋。毛木耳等食用菌沿出菇孔生長發(fā)育，達(dá)到采摘標(biāo)準(zhǔn)后，利用機(jī)械設(shè)備將整托栽培筐叉放到采菇機(jī)上。在傳輸機(jī)構(gòu)的帶動下，托盤和栽培筐一起運(yùn)動，卡槽式啟蓋機(jī)會將出菇蓋連同毛木耳一同取下，然后進(jìn)行菇蓋分離，從而實(shí)現(xiàn)對毛木耳的啟蓋式采收。

圖5 啟蓋式采菇機(jī)采摘爪

2.2.2 敞口側(cè)出菇模式，對應(yīng)設(shè)計(jì)搖擺式采菇機(jī)。搖擺式采菇機(jī)如圖6所示。以平菇栽培為例，介紹側(cè)向敞口出菇模式及采收。將側(cè)向出菇達(dá)到采收標(biāo)準(zhǔn)的平菇，整體通過搖擺式采菇機(jī)的采收通道，每層的采收卡爪會卡住平菇菌柄根部，在偏心軸承搖擺系統(tǒng)的帶動下不停擠壓晃動，仿人手將平菇從培養(yǎng)基上晃動分離。分離后的平菇沿著滑板滑落到輸送帶上或周轉(zhuǎn)筐內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對平菇整托的機(jī)械化采收。

圖6 搖擺式采菇機(jī)

2.3 針對頂向出菇方式，設(shè)計(jì)出菇承筐架及采菇機(jī)

對于香菇、金針菇、長根菇等向上出菇的食用菌種類，為便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化轉(zhuǎn)運(yùn)、上架及采收，設(shè)計(jì)了頂向不定位出菇承筐架、頂向環(huán)筒出菇承筐架及香菇疏蕾承筐架3種出菇承筐架。同時(shí)，對后兩種可實(shí)現(xiàn)定向定位出菇的承筐架配套設(shè)計(jì)采菇機(jī)，實(shí)現(xiàn)了以托盤為單位進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)、出菇及采收。

2.3.1 針對頂向不定位出菇模式，配套具有視頻識別功能的采菇機(jī)。近年來比較受歡迎的長根菇常采用頂向不定位出菇模式進(jìn)行栽培（見圖7、圖8）。長根菇采用托盤培養(yǎng)及后熟完成后，將頂向不定位出菇承筐架放置到上下相鄰的兩個(gè)栽培筐中間，形成出菇空間。這樣既減少了層架的使用，又便于在出菇完成后對出菇棚進(jìn)行整體清理，有效減少污染源。如果需要覆土，則可適當(dāng)降低栽培筐的填料高度，留出覆土空間。

圖7 頂向不定位出菇承筐架

圖8 頂向不定位出菇

因頂向不定位出菇無法控制出菇的具體位置及一致性，同一茬次的菇需要分多次進(jìn)行采摘，所以需要配套具有視頻識別功能的采菇機(jī)對食用菌子實(shí)體的成熟度進(jìn)行識別及定位。如果食用菌子實(shí)體達(dá)到采收標(biāo)準(zhǔn)，則調(diào)動機(jī)械手進(jìn)行采摘。

2.3.2 針對頂向環(huán)筒出菇模式，對應(yīng)設(shè)計(jì)環(huán)筒采菇機(jī)。頂向叢生的金針菇常采用頂向環(huán)筒出菇模式進(jìn)行栽培（見圖9、圖10）。金針菇采用托盤培養(yǎng)模式培養(yǎng)完成后，在上下兩個(gè)栽培筐放入頂向環(huán)筒出菇承筐架前，需要先對栽培筐環(huán)筒對應(yīng)位置的栽培料進(jìn)行搔菌，以保證出菇的一致性。搔菌后，按照一層栽培筐一層環(huán)筒出菇承筐架順序向上堆疊，然后使用叉車轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)出菇棚進(jìn)行出菇管理。

圖9 頂向環(huán)筒出菇承筐架

圖10 頂向環(huán)筒出菇

出菇培養(yǎng)完成后，整托地使用叉車叉運(yùn)到環(huán)筒采菇機(jī)的輸送線上進(jìn)行機(jī)械化校正并輸送到采收工位（見圖11）。在采收過程中，豎向伺服電機(jī)通過絲杠副帶動環(huán)筒采菇機(jī)械手上下運(yùn)動，以采摘不同層筐的金針菇，水平伺服電機(jī)通過絲杠副帶動環(huán)筒采菇機(jī)械手前后運(yùn)動，以采摘每層不同位置的金針菇（見圖12）。采摘時(shí)采用氣缸驅(qū)動夾板，夾住金針菇的菌柄底部，然后豎向伺服電機(jī)驅(qū)動絲杠副帶動環(huán)筒采菇機(jī)械手上行，將整叢金針菇從培養(yǎng)基上進(jìn)行分離，水平伺服電機(jī)通過絲杠副帶動環(huán)筒采菇機(jī)械手回到暫存?zhèn)}入口處松開采菇夾板，使金針菇落入暫存?zhèn)}，完成一個(gè)采摘循環(huán)。重復(fù)上述動作，直至整托采收完成。

圖11 環(huán)筒采菇機(jī)

圖12 環(huán)筒采菇機(jī)械手

2.3.3 香菇疏蕾出菇模式，對應(yīng)設(shè)計(jì)香菇采菇機(jī)。香菇是我國第一大食用菌栽培品種，根據(jù)香菇出蕾需要光照的特性，設(shè)計(jì)了如圖13所示的香菇疏蕾承筐架，以期實(shí)現(xiàn)香菇的定位定量出菇。香菇出菇形式如圖14所示。

圖13 香菇疏蕾承筐架

圖14 香菇疏蕾出菇

采菇時(shí)，將環(huán)筒采菇機(jī)的環(huán)筒采菇機(jī)械手替換為雙聯(lián)采菇機(jī)械手（見圖15）或水口夾采菇機(jī)械手（見圖16），按照環(huán)筒采菇機(jī)的運(yùn)行步驟實(shí)現(xiàn)香菇的機(jī)械化采收。

圖15 雙聯(lián)采菇機(jī)械手

圖16 水口夾采菇機(jī)械手

3 瓶、袋、筐生產(chǎn)模式對比分析

由表2可知，筐栽集瓶栽、袋栽優(yōu)點(diǎn)于一身，既具有瓶栽的全氧發(fā)菌、全程宜機(jī)特性，又具有袋栽出菇孔位靈活、適栽種類多的特性。但是，與傳統(tǒng)的袋栽模式相比，瓶和筐的初始投資較高。因此，瓶和筐主要適用于“時(shí)間產(chǎn)量”較高的工廠化食用菌生產(chǎn)模式，通過提高瓶（筐）的周轉(zhuǎn)率來降低使用成本，通過機(jī)械替代人工來降低人工成本。

表2 指標(biāo)對比情況

與源自日韓的瓶栽食用菌工廠化生產(chǎn)模式相比，筐栽模式除滅菌一致性較差外，其他多方面均具有顯著優(yōu)勢。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)發(fā)揮筐栽適宜種類多，出菇方向、位置靈活的特性，栽培瓶栽無法生產(chǎn)的種類，如頂向單生的香菇、長根菇等。也可利用側(cè)向出菇“空間產(chǎn)量”高的優(yōu)勢栽培適宜側(cè)向出菇的食用菌，如平菇、榆黃蘑、灰樹花等［14-17］。

4 結(jié)語

近年來，“機(jī)器代人”、智慧工廠在各行各業(yè)如火如荼地推進(jìn)。全程機(jī)械化是食用菌智慧工廠化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是食用菌產(chǎn)業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵所在。以包含采收在內(nèi)的機(jī)械化為目標(biāo)創(chuàng)設(shè)的筐栽模式及配套的系列采菇機(jī)，打破了傳統(tǒng)農(nóng)法袋栽食用菌在工廠化、智慧化提升上的界限，是對現(xiàn)有袋栽和瓶栽工廠化體系的底層突破，為我國大宗食用菌的智慧化、工廠化生產(chǎn)提供了一條可供參考的路徑。

實(shí)踐證明，相較于傳統(tǒng)農(nóng)法袋栽模式，工廠化生產(chǎn)食用菌，其“時(shí)間產(chǎn)量”和“空間產(chǎn)量”提高了數(shù)十倍。以工廠化金針菇為例，667 m2均產(chǎn)量300余t，是農(nóng)法金針菇的80倍，相比其他蔬菜，其產(chǎn)量也有數(shù)十倍提升。期待更多食用菌品種應(yīng)用筐栽模式，實(shí)現(xiàn)工廠化生產(chǎn)，為保障我國食物安全做出貢獻(xiàn)。