菌棒培养料装瓶及打孔装置的结构设计-2024.3.5

.绪论1.1课题研究的背景及意义1.1.1课题研究背景菌棒(菌包)培养是现代食用菌培养的通用方法。类似于一、二年生的生花卉草本花卉、粮食作物和蔬菜的生产是基于种子。食用菌的生产是基于菌棒。菌棒(菌包)是用袋装的培养基植料(如麦麸、棉籽壳等)接入菌种在经过大棚培养和温度控培养做成的。近年来广东省食用菌的栽培规模在不断扩大，据估计，我省1年用12,000t原料种植食用菇，大约生产10,000t废弃菌棒(菌包)，这些废菌棒90%直接作为废料被丢弃，利用率很低，而且对环境造成严重的污染。而废弃的菌棒中含有大量未利用的原料、壮健的菌丝和菌丝转化的营养物质。因此废弃的菌棒拥有巨大的再利用潜力和开发价值。随着我国菌菇行业的发展壮大，相关的机械也发生翻天覆地的改变。目前很多大的菌菇产区，制棒环节已经进入流水线，大大提升了工作效率。无论从雇工还是成本上，流水线制棒的优势都非常明显。虽然目前各地依旧有很多小型制棒存在，但随着流水线制棒的冲击，小型制棒将逐渐被淘汰出局，这是我们不可否认的事实，也是未来5年内就会发生的现状。菌菇菌棒无人装瓶机来袭，菇农下岗已成定局！目前虽然菇菌棒流水线加工在各地开花，但目前流水线制棒还需要很大的人工，比起以前小型制棒，只能在上料、装锅、出锅和批量灭菌上占据优势，在装瓶环节依旧要人工完成。而经过对目前我国食用菌机械更新情况的了解，香菇菌棒装瓶机已经进入到了无人阶段，套袋、扎口环节已经被取消，只需一个按钮，就可以完成。据对无人装袋机的工作效率了解，目前无人装瓶机可以实现套瓶、装瓶、扎口、冲孔等操作，无论是大直径瓶和小直径瓶，都可以完成，而且可以自由切换，满足不同地区的不同需求。图1.1菌棒(菌包)培养室香菇菌棒从手动装瓶到机械装瓶，又在机械装瓶的基础上不断的提升速度，截止目前，又实现了无人装瓶时代，这更新的速度让我们菇农感到惊讶，同时也感到了恐惧，按这样的发展速度，无人装瓶机将在最近几年大批的进入市场，走进每个菌棒(菌包)产区。1.1.2课题研究的目的及意义菌种是用于发酵过程作为活细胞催化剂的微生物,包括细菌、放线菌、酵母菌和霉菌四大类。来源于自然界大量的微生物,从中经分离并筛选出有用菌种,再加以改良,贮存待用于生产。硒和锌是人体必须的微量元素。世界上有40多个国家的土壤缺硒和锌。我国有72%的地区属于缺硒缺锌地区,势必导致大量低硒低锌植物的产生,造成恶性低硒低锌水平食物链,致使人畜食物源低硒低锌化,严重影响人和动物的健康。近年来国内外的研究发现,有些食用菌具有较强的富硒富锌能力。以香菇、蘑菇为载体,将无机硒和无机锌转化为有机硒和有机锌,使之成为对人类较为理想的富硒富锌保健品。香菇、蘑菇具有特殊的香味和很高的药用价值,是国内外分认的绿色保健食品。对于菌种的制造有多道工序,其中一道是将菌种的培养料进行装瓶,原先一直采用人工手动装瓶,相当的麻烦,不仅浪费大量的人力和时间资源,而且装瓶效率低,如何设计一种装瓶机,提高装瓶的效率,是一个待解决的问题菌棒培养料是一种用于微生物培养的重要工具，它提供了适宜的营养条件和环境，以促进微生物的生长和繁殖。在现代生物科技研究和工业生产中，菌棒培养料的使用非常广泛。然而，传统的菌棒培养料装瓶方式存在一些问题，例如操作繁琐、易污染、难以控制培养条件等。菌棒培养料装瓶及打孔装置的课题背景源于微生物学研究中对菌种培养和分离的需求。在微生物学研究中，培养菌种是进行实验和研究的基础。传统的装瓶和打孔方式存在一些问题，如操作繁琐、易发生交叉污染、浪费等。因此，设计一种结构合理、操作简便的装瓶及打孔装置能够提高菌种培养的效率和准确性。传统的装瓶和打孔过程中，需要手动将培养料装入瓶中，操作繁琐且容易发生交叉污染。而新设计的装瓶及打孔装置可以实现自动装瓶和打孔，大大减少了操作时间和劳动强度，提高了操作的准确性和稳定性。同时，装瓶装置还可以通过控制装料量，避免浪费和过量装入的问题，提高了资源利用效率。此外，装瓶及打孔装置的设计还考虑了实验室安全和环境保护的因素。传统的装瓶和打孔过程中，容易发生菌种泄露和溅洒，增加了实验室环境污染和实验人员的安全风险。而新设计的装瓶及打孔装置通过优化结构和添加安全防护措施，可以有效防止菌种泄露和溅洒，保护实验室环境和实验人员的安全。因此，研发一种高效的菌棒培养料装瓶及打孔装置，对于提高微生物培养的质量和效率具有重要意义。1.2国内外菌棒培养料工艺设备研究现状与发展趋势1.2.1国外菌棒培养料制作工艺设备发展现状从生产方式来看，袋栽是我国的主要栽培方式，其中散户居多，产量占全国的70%以上，这部分以人工为主，瓶栽产量占比约为8.5%，瓶栽方式均为工厂化生产，目前国内食有菌工厂化的方式有半人工半机械化和主要环节机械化和全程机械化三种方式。食用菌全程机械化通常要通过以下的流程：制料、装瓶（装袋）、消毒、打孔、育菌、接种、搔菌、洗菌、采收、挖瓶、烘干等流程，工厂化生产大多数环节已经完全实现机械化、智能化和全程可视化，以下的几种设备是比较关键的设备，并且有可能是能进入农机补贴目录的产品。 图1.2菌棒(菌包)培养案例1、菌棒生产机个体散户对菌棒的需求量很大，这种设备使用率也最高，通常情况下一个菌棒厂可以满足几十甚至上百家个体散户的生产需求。这类设备主要功能是粉碎、搅拌、压缩、装料、封口等工序，技术含量并不高，目前完全实现了国产化。2、装瓶、装袋机全自动水平袋装机整机的功能包括取袋机构，开袋机构，吹气机构，充填机构，顶封，麻点封，冷封等机构，可以大大减轻人工的劳动，比人工效率提高20-30倍，节约大量的人工成本，此类设备国内已经能生产，国产设备性价比突出。装瓶机主要完成上料、装瓶、打孔、盖盖等功能，装瓶是食用菌生产上劳动量较大的环节，使用机器可以提高效率30-50倍，在金针菇、香菇种植工厂大量使用。装瓶机国内销售最多的是韩国和台湾的设备，一般情况下，大型的食有菌厂首套设备使用进口的，但二期工程和后续将使用国产设备，食用菌生产设备上，装瓶机国产设备性能稳定，价格有很大的优势，现在已经可以替换韩国和台湾进口设备了。 图1.3常见菌棒(菌包)培养瓶3、挖瓶机食用菌收获之后，瓶子通常要循环使用，所以要将老的培养基质挖出来，但食用菌的基质通常情况下已经和瓶体粘到一起，人工挖瓶工作量很大，并且往往将瓶体挖破，而气动式挖瓶机是利用高空气体将基质吃出来，不但吹的干净，效率高，还不会损伤瓶体，所以工厂化生产一是离不开装瓶机，二是离不开挖瓶机，国产的挖瓶机一小时可以清理5000-6000瓶，一个工厂通常配置一台就可以满足生产需要了。4、食用菌培养箱食用菌培养箱也叫做生化恒温培养箱，具有加湿、调光、调温功能，是决定后期大规模生产产量大小的关键设备，这种设备适用于各类食用菌和各类微生物品种的菌种培养，通过小环境的营造来改善菌种的生长环境，现有的设备都是通过电脑全程化自动调控。该设备是食用菌工厂化生产的必备设备，国产设备技术已经成熟，产品自动化、智能化、标准化程度高，有望进入农机补贴目录。5、食用菌烘干机食用菌分为鲜食和干食两种，近几年以香菇、灵芝、牛肝菌、黑木耳等菌类为原料的食品、营养品、保健品的开发越来越多，相应的对食用菌烘干设备的需求量越来越大。当前市场上有各种各样的烘干类设备，从有煤、电、柴等多种加热方式，粮食烘干机已经成为农机的一个大产业，年销售额将近200亿元，但当前竞争非常激烈，现在已经有很多烘干机企业开始向果蔬烘干、中药材烘干、花卉烘干转移，预计随着食用菌设备进入国家农机购置补贴目录，许多烘干机企业也将进入食用菌烘干领域。1.2.3菌棒培养料制作工艺的主要发展趋势1.拌料选好配方后，按照配方的要求加水拌料。在配料的过程中，要注意以下几点：①锯木屑要经过2-3目筛，除掉木块、木条、木片、霉料团等硬物。按照配方要求配料，用机器或人工充分拌匀。将糖类物质溶于水中，随水均匀拌入料内。要做到主、辅料均匀，干湿均匀，酸碱度适宜，无生料团。②搞好环境卫生，拌料的场地最好是水泥地面，使用前要用水冲刷干净，尽量减少污染。③灵活掌握含水量，对干料、细料加水宜多一些；对湿料、粗料加水宜少一些。在水泥场地拌料加水宜少一些，在干泥渗水场地拌料加水宜多一些，具体加水量以拌好料堆闷半小时后，用手紧握料有水从指缝渗出、但不成滴下落即可。④操作要迅速，在气温高时（28℃以上时），如拌料至灭菌时间过长，则料易变酸。轻者影响发菌，重则不发菌。因此，要合理安排好生产量，保证在高温期从拌料到灭菌不超过4小时，在低温期从拌料至灭菌不要过夜。2.装瓶所用菌种瓶要提前刷洗干净，控干后备用。木屑或棉子壳培养料装瓶，装料至瓶颈可用木棒压实、压平、料面须在瓶肩以下。然后要在料中间扎直径为1.5—2厘米的孔，将瓶口内外壁擦净。取一块完整、略大于掌心的棉絮卷成棉塞，棉塞要比瓶口略粗，稍用力即可旋入瓶口为宜。塞入瓶口2/3、外露1/3，棉塞头部,与瓶颈的底口平，要松紧适度。如过紧，会影响通气，发菌慢；过松不但棉塞易脱落，且起不到过滤杂菌的目的，容易引起杂菌的感染。塞好棉塞后，盖上牛皮纸或双层报纸，用皮筋扎紧。3.灭菌采用高压灭菌或常压灭菌。高压灭菌的压力通常为1.5—2千克/平方厘米，灭菌时间为2—2.5小时。常压灭菌需8小时以上。4.接种接种前必须使瓶温降至30℃以下，这样做可以防止高温接种时烫死菌种，有冷却室的在冷却室冷却，没有冷却室的可以直接在冷却室冷却。每支试管母种一般可以转接3-4瓶原种。接种前首先要把接种室或接种箱打扫干净，喷洒30倍的“菇老爷”牌金星消毒液或使用“随缘100烟雾弹杀菌剂”进行熏蒸处理，再把已经灭菌后的菌种瓶及其它用具都全部搬进去，然后按常规对接种室或接种箱进行严格的消毒处理。为了保证菌种的成活率，接种时一定要严格按照无菌操作进行。具体操作方法是：接种者手持母种试管，用酒精棉球将试管内外擦干净后，拔出面色，试管口对准酒精灯火焰上方，用火焰烧一下管口，把烧过的接种勾迅速插入试管内壁冷却，将试管斜面前端1厘米长的菌丝块挖去，剩余的斜面分成3—4段，另外一个人在酒精灯的火焰上方，在接种者取好菌种块的同时拔开原种瓶棉塞，接种者将菌种块取出，快速接入原种瓶的接种穴内，棉塞过火焰后塞好。如此一支试管可接3-4瓶原种。每接完一支试管，接种勾要重新过火消毒，防止交叉感染。接完种后，立即将台面收拾干净，将各种残物如试管、洒落的培养基、棉塞等均需清理出室外，照前述方法进行第二轮接种。5.培养原种或栽培种培养时需要注意的事项：首先要提前几天打扫培养室，对水泥地面、墙壁等进行清洗，并严格消毒处理后才可使用。培养室要求保持空气干燥、清洁、避强光，留有能启闭的通风口，要保证空气流通无死角。将接种后的原种、栽培瓶或菌袋拌入培养室，保持温度在25℃左右，保持空气相对湿度在55%-65%。一般3-5天菌丝即可吃料，7-10天菌丝即可封面。待菌丝封面后，要加强通风换气，保持室内空气新鲜，一般培养25-35天菌丝即可长满瓶或袋。培养期间要随时检查菌袋，发现有污染杂菌应及时采取措施。瓶或袋内杂菌滋生部位不同，其污染的原因也不同：如棉塞受潮，空气湿度过大时，瓶或袋口部位极易滋生红色或白色的链孢霉。如瓶或袋内上下均发生绿霉或毛霉等杂菌，则可能是灭菌不彻底。如随机发现接种块四周发生杂菌，则可能是接种操作不熟练或棉塞过松所致。如紧邻几瓶或袋的种块部位全部滋生杂菌，可能是母种带杂菌或接种工具灼烧不严所致。不管哪种情况，一旦发现杂菌危害后，必须及早清除，以防蔓延导致大批菌袋发生杂菌感染。初期污染的菌种瓶或菌袋可重新彻底灭菌，重新接种，不可延误。菌袋除污染杂菌外，有时也会出现种块也不萌发的现象。其原因是：一是接种工具灼烧后未冷却就开始去挖取菌种块，菌丝被烫死或菌丝过火焰时被烧死。二是母种干缩、老化，失去了萌发力。三是培养温度不适宜，菌种瓶灭菌后未冷却，致使菌种受热而死。有的菌种块虽能萌发，但却不吃料，其原因是：菌种块与培养料结合不紧密；培养料偏干；培养料的酸碱度不适宜；培养料内添加了过量的抗杂菌药物如多菌灵等。因此，接种时要使菌种块与培养料紧密结合；坚持随拌料随装瓶，及时灭菌防止培养料变酸；选用培养料木屑时要严防混入松柏类的木屑；配料时不要随意添加或过量添加一些抑菌药物，以防止菌丝生长受到抑制；要保持室内空气湿度为55%-65%；要远离热源，使种瓶受热均匀。 图1.4常见菌棒(菌包)瓶装培养案例2.菌棒培养料装瓶及打孔结构研发可行性分析2.1菌棒培养料装瓶可行性概述 图2.1菌棒(菌包)装瓶生产线据了解，适合瓶装的菌类品种容易实现工厂化，有一些形状不规则的食用菌、容易碰伤的品种，以及不适合瓶栽的品种还得人工栽培。虽然大工厂也可以人工栽培，但是成本会比较高，所以一些价格高的小众产品反而是在个体农户家里种植。通过查阅资料不同规模的工厂和农户，，工厂化是个大趋势，目前国内食用菌工厂化生产工艺流程学习的是日本和韩国的技术，通用的流程有：备料—预处理—原料配比搅拌—装瓶—灭菌—冷却—接种—培养—出菇管理—采收包装—清库挖瓶—烘干（保鲜）。按工艺流程看，工厂化生产食用菌有六大步骤：基质装备、装瓶灭菌、接菌、出菇管理、清库挖瓶、烘干（保鲜）。工厂里先把备好后的原料进行预湿、浸泡处理，然后将预湿后的原料按配比至自动搅拌机中充分搅拌与混合。经过1.5小时后原料搅拌完毕，接着是装瓶灭菌，装瓶现在能实现用自动装瓶机装瓶，装完之后用自动封盖机封盖，用自动手臂机装入灭菌车，用灭菌周转车送到灭菌炉，使用蒸汽锅炉灭菌方式。灭菌结束后，将灭菌好的培养瓶拉炉放冷室进行放冷，放冷后接菌。接种环节现在也能实现自动化了。冷却后在培养瓶进行接种，接种室经过百万级空气净化，操作人员要按严格的无菌操作进行接种，接种完后用自动手臂机将培养瓶装上栈板送入培养室进行培养。接下来的出菇管理环节就比较愉快了，因为这是收获的过程。一是使用自动搔菌机搔菌；二是催蕾，这一步关键是要调节适宜的光、温、湿、气等，促使菌种在培养基的表面现蕾，以便及时出菇；三是包菇，包菇长度高于瓶口2厘米才可包菇；四是采收和包装，凡是适合工厂化的品种在这个环节都可以实现机械化作业；最后一个环节是烘干和保鲜，近几年工厂开始了食用菌的初、深加工，所以烘干和保鲜成为新的生产工艺。装瓶机。全自动水平瓶装机整机的功能包括分瓶机构、输送瓶机构、充填机构、料体搅拌机构，可以大大减轻人工的劳动，比人工效率提高20~30倍，节约大量的人工成本，此类设备国内已经能生产，国产设备性价比突出。装用机器可以提高效率30~50倍，在金针菇、香菇种植工厂大量使用。装瓶机国内销售最多的是韩国和中国台湾的设备。一般情况下，大型食用菌厂首套设备使用进口的，但二期工程和后续将使用国产设备。装瓶机国产设备性能稳定，价格有很大的优势，现在已经可以替换进口设备了。2.2菌棒培养料打孔可行性概述夏季气温较高，瓶装立体栽培菌棒往往会产生严重污染，甚至造成栽培失败。能否闯过发菌关，是夏季平菇栽培的关键，同时也是菌农最担心的问题。实践证明，打孔通气增氧，是解决夏季栽培菌棒行之有效的方法。一、打孔时间一般在加料装瓶后并开始向培养料预留打孔。如果打孔过浅，菌丝还未萌动，易污染杂菌；打孔过深，菌丝在发育期缺氧，会影响菌丝的生长发育。二、打孔部位打孔部位应严格控制在菌种层上或菌丝延伸处。尤其是菌种用量少、菌丝延伸慢时，更不能在菌棒培养瓶上到处乱打孔，以免引起杂菌污染和虫害。三、打孔的大小和数量打孔时用大头针即可(在筷子上绑3-4根大头针)。打孔数量为每次每瓶围绕发菌层打1-3个，以后随着菌丝的发育和延伸。四、打孔通气增氧方法的优点1.促使发菌出菇快，缩短栽培周期。2.防止杂菌污染，提高夏季栽培平菇成功率，大大降低投资风险。3.实现平菇周年生产，弥补了夏季菌棒鲜品的短缺问题，从而大大提高菇农的经济效益。 图2.2菌棒装瓶打孔发育完成2.2菌棒培养料装瓶及打孔结构的概述2.2.1菌棒培养料装瓶及打孔结构的预期功能为了克服现有的菌料装瓶打孔机的不足,设计提供一种食用菌菌种装瓶打孔机,，结构设计新颖合理,极大的提高了装瓶的效率和质量,节约了人力和时间资源。菌料装瓶打孔机的特征是:具有分瓶和打孔双重功能，提高功效40%~50%，解决了人工装瓶浪费菌料、装瓶混乱或装瓶不均现象;分瓶打孔器的结构设计也能有效防缠、防堵，打孔速度加快具有一定的定位作用，装瓶结构设计将培养料装瓶混合均匀;输料挤压螺旋的结构能有效地控制袋内培养料松紧度，无残留培养料的现象;输料速度加快，无黏附现象。针对输料挤压螺旋的端部易磨损、影响工作质量和寿命的问题，设计过程中采取了一定的措施，使其耐磨增加其使用寿命。经过生产试验表明，该机械适合各种培养料配方工艺要求，生产率得到显著提高，工作质量好，经济效益较高。2.2.2菌棒培养料装瓶及打孔结构的工作原理当接通电动机的电源进行工作时，菌料培养瓶进入传送装置，电动机的动力经齿轮传动系统，将菌料培养瓶传送至第一装瓶工位，当进入分瓶卡位器，开始进行装瓶操作，菌棒培养料处于料仓中，电机带动搅拌装置时刻对菌棒培养料进行搅拌防止菌棒培养料黏连。搅拌后送入到机简内。培养料被机筒内的输料挤压螺旋输送和挤压到螺旋套筒内，从而不断进入菌料培养瓶内，保证一定的培养料密度或孔隙度，并且可以通过螺旋套筒控制加料量，装满菌料培养瓶后，传送带将上一组装瓶完毕，菌料培养瓶进行内部打孔，保证发菌出菇快，缩短栽培周期。然后进行循环重复地工作。2.2.3菌棒培养料装瓶及打孔结构主要组成本设计解决其技术问题所采用的新技术方案是:由机架、电动机、出料管、胶龙、分瓶器、轴、料仓、拔料页、轴承、齿轮组成的食用菌菌种装瓶打孔机。所述的设计有益效果是,分瓶器灵活、出料均匀、速度快,装的菌种瓶出菌速度快、出菌率高。 图2.3菌棒合理装瓶打孔发育良好3.菌棒培养料装瓶及打孔结构总体方案及原理设计3.1加工对象-菌棒培养料介绍3.1.1菌棒培养料的主要参数与形态菌棒培养料工厂化栽培使用的主要原料为玉米芯粉、棉籽皮、米糠、农作物秸秆粉末等，在食用菌生产上将这些原料称为培养基:将各种培养基按一定的比例，再加入少量的水，用专用的搅拌机搅拌均匀。玉米芯粉农作物秸秆粉末 图3.1菌棒培养料经传送设备送到装瓶机上方的入料口后，装瓶设备将培养基均匀地、上紧下松地装入筐子内的16个瓶子里，压紧、第一次打孔，然后再经过旋转打孔设备第二次打孔，同时在中心大孔的周围再四个小孔，将来用于金针菇接种。然后再经过装瓶机上的盖瓶装置将装好培养基、打好孔的瓶子盖上瓶盖，准备送入灭菌锅内高压灭菌至此，装瓶工序结束， 图3.1菌棒培养料人工控制温度、湿度的环境下周年生产食用菌的专用农业设备。使用的塑料瓶的中部直径是90mm，高度250mm容积280ml。选用椭圆形腰部增大形状瓶身，更有利于菌棒培养料保温，培育出优良菌棒，并且依据此瓶身设计装瓶打孔装置更有利于对目前菌棒培养使用不规则菌棒培养瓶的适用性。3.2菌棒培养料装瓶及打孔总体结构方案设计3.2.1菌棒培养料装瓶及打孔结构方案分析当接通电动机的电源进行工作时，菌料培养瓶进入传送装置，电动机的动力经齿轮传动系统，将菌料培养瓶传送至第一装瓶工位，当进入分瓶卡位器，开始进行装瓶操作，菌棒培养料处于料仓中，电机带动搅拌装置时刻对菌棒培养料进行搅拌防止菌棒培养料黏连。搅拌后送入到机简内。培养料被机筒内的输料挤压螺旋输送和挤压到螺旋套筒内，从而不断进入菌料培养瓶内，保证一定的培养料密度或孔隙度，并且可以通过螺旋套筒控制加料量，装满菌料培养瓶后，传送带将上一组装瓶完毕，菌料培养瓶进行内部打孔，保证发菌出菇快，缩短栽培周期。然后进行循环重复地工作。图3.4总体方案示意草图3.3主传输装置设计3.3.1传输装置电机选型3.1.1电动机的类型和结构形式按工作要求和工作条件，选用一般用途的Y(IP44)系列三相异步电动机。它为卧式封闭结构。3.1.2确定电动机容量（1）冲针的输出功率PW根据设计要求和原始数据及实验分析可知：F=2500N，设定冲针的速度为0.7m/s，则冲针的输出功率为：PW===1.77KW（2）电动机的输出功率Pd传动装置的总效率：η=η1η23η3η4η52(3-1)式中，η1，η2，η3，η4，η5为电动机至冲针的各传动机构的效率；由机械设计课程设计手册：表1-7查得：V带传动：η1=0.96，滚子轴承η2=0.98，锥齿轮传动η3=0.95，齿式联轴器η4=0.99，槽摩擦轮传动η5=0.89，故η=η1η23η3η4η52=0.96ⅹ0.983ⅹ0.95ⅹ0.99ⅹ0.892=0.666所以Pd=2.66KW(3-2)（3）电动机的额定功率Ped由机械设计手册表12-1选取电动机的额定功率为Ped=3KW3.1.3确定电动机转速为了便于选择电动机的转速，先推算电动机转速的可选范围，V带轮传动常用传动比范围i=2～5，则电动机转速的可选范围为nd=284～710r/min，可见同步转速750r/min的电动机符合。3.3.2菌棒培养料装瓶及打孔结构钢架受力分析与稳定性校核菌棒培养料装瓶及打孔结构钢架的受力主要来自1钢架自身重量，2电机重量，3打孔设备，4传输设备、5装瓶以及打孔运动过程中所带来的惯性力。这些都属于菌棒培养料装瓶及打孔结构钢架结构的重量所带来的受力，当机构处于复杂环境中，也必须考虑结构会出现晃动、震动的变力作用。所以钢结构框架受力载荷种类比较多，不稳定力较多，受力分析与校核较复杂。所以必须经过受力分析将各种载荷进行在受力点的简化，在钢结构框架上的受力形式主要分为集中载荷和均布载荷，当这些力作用到框架结构上时，就必须对框架结构进行受力分析，稳定性校核。本次菌棒培养料装瓶及打孔结构设计，钢架结构主要支撑结构为立柱，立柱型号为30×30×750(GB/T3094-2000)，主要特点是正方形截面，有利于受力均匀，并且其有力的截面形状有利于焊接连接。材料为普通碳素钢Q235REF_Ref26183\r\h[14]。主要受力为压力，以及极小的剪切力（这里可忽略不计）。因此钢架结构的主要受力点为立柱，并且立柱主要受压力。即在汽车存取过程中容易引起的变形就是失稳。因此对立柱进行压杆稳定性校核。图3.5立柱受压应力简图当选定了立柱的材料以后，确定其是通用标准件，则通过机械设计手册查阅对应型号下的有关参数：方形钢横截面积：A=93.42cm2方形钢惯性矩：I=8841.87cm4方形钢惯性半径：i=8.83cmREF_Ref26598\r\h[15]所以立柱的压杆柔度可由如下公式（1.1）计算λ=μli式中：l——框架支撑型材长度，为750cm；μ——框架支撑型材的长度系数，因为每根框架支撑型材的一端固定，一端自由，所以取μ=2。查阅数据手册框架支撑型材的横截面的相关参数，可得框架支撑型材的压杆柔度为:λ=μ又因为当其临界应力达到材料的比例极限时的柔度值可由公式（1.2）计算：λ=πEσp（式中：E为弹性模量，而对于这种结构型钢材，多为Q235号钢制造因此E=200GPaσp=200MPa。讲查阅的数据带入公式REF_Ref26719\r\h[16]λ=πEσ则方形钢的压杆柔度λ≥λp，整个筒形立体车库框架结构支撑的方形钢材为大柔度杆，即可使用欧拉公式（1.3）临界应力FpcrFcr=nw2π2式中：nw——框架结构支撑的方形钢材的安全系数，nw的值可取1.93。计算出的临界应力为REF_Ref26719\r\h[16]:FcrF=方形钢稳定安全系数计算：n=FpcrF=7.13×1061.9×n=3.75菌棒培养料装瓶及打孔结构结构是整个菌棒培养料装瓶及打孔的承载系统，必须经过严格的稳定性校核，以及真实的实验测算，才能投入使用，经过以上稳定性计算，计算出的安全系数完全大于额定的安全系数，所以菌棒培养料装瓶及打孔架结构满足稳定性要求。3.4分瓶器设计分瓶装置设计主要作用是当装瓶或者打孔是时，避免不同菌棒培养料瓶交叉碰撞，或者发生交叉感染，导致菌棒培养料无法发育。图3.6装瓶分瓶装置设计 图3.6打孔分瓶装置设计3.5可调节加料口设计菌棒培养料装瓶加料时由于加工对象多为玉米芯粉、棉籽皮、米糠、农作物秸秆粉末等，在食用菌生产上将这些原料称为培养基:将各种培养基按一定的比例，再加入少量的水，用专用的搅拌机搅拌均匀的培养料，所以避免在加料装瓶过程中出现培养料外溢情况本设计采用可调节加料装置，保证在加料装瓶过程中菌棒培养料能够均匀完全加入菌棒培养瓶中。 图3.6可调节加料结构设计3.6联轴器、轴承和键的选择3.6.1.联轴器的选择(1)载荷计算公称转矩TPwT由表查得KA=1.5，故得计算转矩为：T(2)型号选择本次设计采用无弹性原件的挠性联轴器，采用普通螺栓连接，依靠两半联轴器的摩擦力来传递扭矩。型号为YL13联轴器，联轴器最大许用转矩为T=2500N∙m许用最大转速为n=2600(r/min)，轴孔直径90mm3.6.2键的选择和校核对于键的选择，因为升降牵引装置必须通过滑轮来连接牵引绳，所以主要是对主传动轴上键的选择：该处选用普通平键尺寸为：b×h×l=25mm×14mm×120mm，接触长度:l=120-25=95mm，则键联接所能传递的转矩为：TT故键满足强度要求。3.6.3轴承的校核选用深沟球轴承，由参考资料REF_Ref27548\r\h[20]选轴承型号为6318由参考资料REF_Ref27548\r\h[20]校核公式为：L初步计算当量动载荷P:因该轴承只受径向力，查文献得径向动载荷系数X和轴向动载荷系数Y分别为：X=1，Y=0所以P查表知c=253KN对于球轴承∈=L由参考资料REF_Ref27548\r\h[20]表11-9，间断使用的机械Lℎ'=30004.菌棒培养料装瓶及打孔结构三维建模4.1菌棒培养料装瓶打孔结构三维实体建模的要求和标准4.1.1设计要求装瓶结构设计要求：装瓶的结构和尺寸应满足菌棒培养料装瓶完成作业任务提出的工作空间要求。工作空间的位置和加料空间、范围密切相关。根据菌棒培养料的特点，合理选择截面形状和高强度轻质材料，如采用空心的薄壁矩形框体或保温材质以保证菌棒培养料温度。尽量减少菌棒培养料瓶和相对其运输传动装置的传动惯量和偏重力矩，以减小驱动装置的负荷；减少运转的动载荷与冲击，提高传送运动的响应速度。要设法减小机械间隙引起的运动误差，提高运动的精确性和运动刚度，采用缓冲和限位装置提高定位精度。打孔结构设计要求要有足够大打孔操作空间，以保证打孔时装置工作时的稳定性。机座承受机器人全部重量和工作载荷，应保证足够的强度、刚度和承载能力。打孔轴系及传动链的精度和刚度对末端执行器的运动精度影响最大。因此打孔与分瓶器的联接要有可靠的定位基准面，要有调整轴承间隙和传动间隙的调整机构。4.1.2设计标准在菌棒培养料装瓶打孔结构的零件设计环节，根据标准件（螺栓、轴承等）的尺寸设计并调整孔、轴的尺寸。尽可能的使用标准件，而标准件可以从SolidWorks的设计库中直接导入，可以节约建模时间，规范建模过程，也符合机械设计的基本思路。在随后的生产使用中，一是可以减少生产成本，提高生产效率；二可以方便进行整机组装和拆卸维护。4.2由前至后的装瓶打孔顺序三维实体建模过程4.2.1菌棒培养料装瓶打孔结构建模思路零件装配体标准件建模过程中，充分考虑焊接机器人的设计要求，在各个主要部件的设计中，多采用空心的薄壁矩形框体，加以外壳进行防尘封闭，既满足设计要求，同时便于安装与拆卸，有利于后期的维护。4.3完成菌棒培养料装瓶打孔结构的总体装配图完成所有零件的建模，确定需要的标准件（螺栓、轴承）并导出模型，将所有零件装配成实体。最后的装配体三维模型及其爆炸视图如图4-1。图4-1菌棒培养料装瓶打孔结构装配体图参考文献林静。食用菌培养料理化特性与仿生装袋机的试验研究[D].沈阳:沈阳农业大学，2020.王刚,费焱,钱钰斌，等.食用菌菌棒培养料混合机设计[J].农业开发与装备,2016,(12):77+71.李伶俐,应国华,吕明亮,等.培养料配方、含水量对黑木耳菌棒保存率的影响[J].中国食菌,2015,34(05):17-19.DOI:10.13629/ki.53-1054.2015.05.005.吴宗泽.机械设计实用手册[M].北京：机械工业出版社，2002.张文远.木耳菌棒打孔装置设计与试验研究[D].吉林农业大学,2023.DOI:10.27163/ki.gjlnu.2023.000611.王丽萍.一种菌棒打孔机.广西壮族自治区,广西壮族自治区亚热带作物研究所,2019-02-15.郭洪恩，李寅男，杨化伟，等.袋栽食用菌打孔增氧注水装置研制[J].农业装备与车辆工程,2022,60(06):24-27.覃守银.蜜环菌装瓶机的简易制作[J].食用菌,2010,32(01):70.吴丽丽,徐名汉,申文龙,等.食用菌培养基料装瓶设备研制[J].农业工程,2018,8(12):11-13.袁国强.菌种制作干料装瓶方法[J].食用菌,1999,(05):23.一种塑料制造用打孔装置[J].橡塑技术与装备,2021,47(