秸秆营养生长基成型装置的设计与试验

　　摘 要: 针对干旱区因水肥不足导致修复物种难以成活的问题，研发了营养生长基及其成型装置。以 农 作 物 废 弃物为主要原料，采用三级螺旋挤压工艺，设计了相应的成型装置，并通过对主要原料牛粪有机肥和秸秆成分进 行二次正交旋转组合试验，筛选最适宜成分配比。试验研究表明: 生长基原料牛粪有机肥与秸秆按 15 : 1 的 比 例 混合，物料的含水率在 15% 左右，成型率最高达 98% ，且成型装置自动化连续切断中空的营养生长基时能够不 影响营养生长基紧实度，降低了生长基的使用破损率，生 产 效 率 高，制 作 成 本 低，为高效批量生产营养生长基奠 定了基础。

　　关键词: 农作物废弃物; 秸秆; 生长基; 成型装置

　　0 引言

　　为提高作物成活率和产量，无土育苗、扦插育苗、 容器育苗等育苗技术不断兴起。其中，容器育苗由于 具有育苗时间短、成活率高、不受季节限制、无缓苗 期、减少病虫害及有利于实现机械化育苗等优点成为 研究热点[1 - 4]，育苗盘、育苗钵、育苗基等不同形状和 材质的可降解育苗容器不断被研发和改进[5 - 6]。

　　由于 我国秸秆资源丰富，每年总产量达 7. 26 亿 t [7]，秸秆 除还田外[8 - 9]，制作秸秆育苗容器是其可持续利用的 重要途径。国内外学者从农作物秸秆类型、粘结剂类 型、成分配比、生产工艺及其参数等方面对生物质育 苗容器开展研究，通过测试育苗容器的成型质量、成 品强度、育苗效果，筛选最佳原料与配比; 同时，以成 型温度、成型压力为试验因素，为挤压成型、冷压模塑 旋压成型、热压成型、二次干法热压成型等不同制作 工艺寻求最佳工艺参数[10 - 21]。

　　由于制作育苗容器所用的秸秆物料具有很强的 回弹性，因此多数工艺将秸秆等原材料进行粉碎、筛 分或碱处理打浆[22]，形成稠糊状的秸秆纤维原料后制 备，但程序复杂、能耗高且制作成本增加。热压成型、 挤压成 型 等 工 艺 需 对模具进行预加热，压 力 达 到 6MPa，温度需达到 100℃ ，此时育苗容器的成型及性能最优[3]，但压力达不到时易变形、开裂，无法正常使 用。育苗容器的生产制作多是人工操作，效率低，劳 动强度 大，不能满足现代育苗对营养钵的大量需 求[6]。

　　考虑到秸秆育苗容器制备不仅要成型率高、使用 过程中不易分散崩解[23]，而且需要具有锁水保肥作 用，因此探究了牛粪有机肥与秸秆不同配方营养生长 基制备，研发了一种能够提高营养生长基的紧实度和 成型率、降低生长基的使用破损率、成本低、结构简单 且具有锁水保肥功能的秸秆营养生长基制备装置，优 选出营养基配置比例，为营养生长基在育苗相关产业 上的高效利用和推广提供依据。

　　1 试验材料与方法

　　1. 1 材料与设备

　　生长基制备机主要包括机架、电气控制箱、进料 机构、挤压机构、成型机构及切断机构。 初步混合原料由提升机送入进料机构，并在连续三级 混合螺旋挤压机构挤压下进入成型机构，旋转挤压成 型后进入随动切断装置; 随动切断装置根据生产需要 确定生长基长度，采用调频变速自动化切割，以降低 营养生长基破损率。

　　1. 2 技术要点

　　成型装置采用三级混合旋转挤压成型技术，改变 原有单向单个旋压成型方法，每级混合挤压都经过成 型物料打散、混合、再挤压成型的过程，且每级混合挤 压之间成型物料的输送方向不断改变，提高了营养生 长基的紧实度和成型率，生产出来的营养生长基可以经受泡水、淋浴而不会开裂、破损。 三级旋转挤压方法可在常温条件下合成营养生 长基，改变了已有加温成型方法，降低了制作生长基 能耗，且一次成型，成型时间短，成型数量多，效率高。

　　三级混合挤压方式对秸秆的破碎程度没有特别要求， 更不需要经过特别的破碎筛分处理，普通的联合收割 机处理过的秸秆即可作为初始物料。 成型机构设置方式简化了常规模具，无需单独设 置用于形成营养生长基内部空腔的型芯，所形成的内 部空腔的截面可以为圆形、方形、六边形等适于苗木 生长的形状，能实现一机多用，生产多种类型的营养 生长基。

　　营养生长基的随动切割装置能够保证切割时切 断机构主动跟随或被动跟随营养生长基一起移动，防 止营养生长基在切断过程中的破损、变形，也能够防 止切割锯片的变形、折断，节省人力，并可根据生态修 复所用苗木的需求切割成预定的长度。

　　1. 3 设备工作原理

　　锁水保肥营养生长基制备设备包括机架、电气控 制箱、进 料 机 构、螺 旋 挤 压 机 构、成 型 机 构 及 切 断 机构。 1) 进料机构包括搅拌电机、输料搅龙、圆柱形外 壳、进料口及出料口。搅拌电机与输料搅龙连接，驱动输料搅龙旋转，输料搅龙设置在外壳 形成的腔室中，将进料口处的物料输送至出料口。2) 螺旋挤压机构包括第 1 螺旋挤压机构、第 2 螺 旋挤压机构、第 3 螺旋挤压机构，各级螺旋挤压机构 相互呈角度交叉布置。

　　出料口与第 1 螺旋挤压机构的进料口相连，第 1 螺旋挤压机构的进料口设置在螺旋挤压器壳体上靠 近螺旋挤压器的物料输入端。混合物料经进料机构 的进料口通过输送搅龙的旋转输送至出料口，经由第 1 螺旋挤压机构的进料口输送到螺旋挤压机构中; 第 1 螺旋挤压机构的进料口上设置有料仓，料仓设置在 出料口的正下方，盛接进料机构输送的经初步混合的 物料。

　　料仓设有挡板，挡板的高度高于料仓其他壁板 的高度，用于防止混合物料洒溅到料仓外。 三级螺旋挤压机构均设有相应的电机、减 速 机 构、螺旋挤压器、螺旋挤压器壳体，多个电机和减速机 构的设置便于根据各级螺旋挤压器所需的扭矩配置 适合的电机和减速机构，减轻了单一电机驱动的压 力，通过电机功率与减速机构减速比的配合获得最经济的动力输出方式，电机不易损毁、烧坏，同时使得营 养生长基制备装置结构更加紧凑。

　　混合物料经过第 1 螺旋挤压机构的螺旋挤压器 的搅拌混合、输送、挤压，进行一级混合挤压; 经一级 混合挤压的混合物料改变输送方向进入第 2 螺旋挤 压机构的壳体中，在螺旋挤压器的作用下重新打散混 合、输送、挤压，进行二级混合挤压; 经二级混合挤压 的混合物料改变输送方向进入第 3 螺旋挤压机构的 壳体中，在螺旋挤压器的作用下重新打散混合、输送、 挤压，进行三级混合挤压。

　　由于经过三级混合挤压， 则物料在进入进料机构之前无需特别充分搅拌混合。 同时，三级混合挤压破坏了秸秆的回弹力，多级混合 挤压后的物料紧实度限制了秸秆的回弹力，成型的营 养生长基不会因为秸秆的回弹力而破损。 螺旋挤压器采用浮动设置，挤压部抵近下一级螺 旋挤压器，一方面防止两个部件相互干涉，特别是在 壳体内的情况下优势更为明显; 另一方面也能够在两 部件之间形成一定的空间，使得经挤压成型的物料充 分打散、混合。

　　成型机构与第 3 螺旋挤压机构的螺旋挤压器壳 体相连接，第 3 螺旋挤压机构的螺旋挤压器末端的挤 出部，部分伸出螺旋挤压器壳体，挤出部部分地穿入 成型机构的腔体内，与成型机构部分重合; 这种设置 方式简化了成型机构的结构，成型机构的内腔用以形 成营养生长基的外周面，挤出部用于形成营养生长基 的内部空腔，无需单独设置用以形成营养生长基内部 空腔的型芯。 第 1 螺旋挤压器、第 2 螺旋挤压器、第 3 螺旋挤压 器端部的花键分别浮动嵌入相应的减速机构键槽内， 与其相应的减速机构浮动连接。

　　减速器的输出轴与 螺旋挤压器的输入端浮动连接，能够避免两部件之间 的连接部承担过大的偏心压力，在挤压混合物料时特 别是在开始挤压物料时，螺旋挤压器受到的挤压力并 非完全与其轴的方向相一致，往往螺旋挤压器被挤压 到偏向壳体一侧，减速器的输出轴与螺旋挤压器的输 入轴固定连接常导致因承受过大偏心压力而损坏，一 旦损坏则需要更换整个螺旋挤压器，耗费大量的人 力、物力。在现有技术公开的螺旋挤压器与减速器的 输出轴固定连接的情况下，这种损害常常发生却从未 发现原因。

　　本设备通过研究发现: 螺旋挤压器经常损 坏的原因在于其与减速器的输出端固定连接，承受了 过大的偏转力矩。因此，将两部件采用浮动连接，依 靠所挤压混合物料自身的挤压力变化来实现螺旋挤 压器在螺旋挤压器壳体中心线附近旋转。

　　3) 切断机构包括切割锯、切割锯旋转轴、双向气 动马达、驱动轮及支撑座。切割锯固定 在切割锯旋转轴上，随旋转轴一起旋转，切割生长基; 旋转轴一端设置有带轮，驱动电机通过皮带驱动带 轮，从而驱动旋转轴带动切割锯旋转。旋转轴的两端 由支撑座支撑旋转，支撑座固定在机架上，双向气动 马达一端固定在机架上，另一端固定在支撑座上，通 过双向气动马达的气压杆的伸长和收缩动作控制切 割锯往复运动，穿过横梁之间的间隔或狭槽切断营养 生长基; 切断后，气压杆的伸长运动带动切割锯向下 运动，远离营养生长基。

　　电器控制机构为全自动装置，提供可控制面板， 控制面板上设置电机开关按钮和马达调节按钮。其 中，电机开关按钮控制电机的启动和关闭，马达调节 按钮可按照修复物种所需生长基长度，定时启动双向 气动马达，将生长基按照需求切割为预定的长度，由 输送轮输送到营养生长基成品车中。

　　1. 4 成型设备主要参数确定

　　根据苗木生长需求，该设备台时生产量≥500 个; 生长基规格: 设备可同时兼备底部直径 8 ～ 30cm、高 12 ～ 25cm 的多种规格型号的生产; 营养生长基一次 模塑成型率平均达到 98% 以上; 破损率≤1% ; 制钵质 量: 外光内螺旋纹。根据同类型机型对比，常温条件 下，利用三级螺旋挤压成型，选用 5. 5kW 4 级电机，转 速 1440r / min，螺旋减速机速比 1: 10，能耗较低，每班 3 人操作，用工较少。

　　2 试验方法

　　2. 1 基质配比试验

　　取玉米秸秆和小麦秸秆分别进行粉碎，对玉米秸秆使用粉碎机粉碎，粉碎后的玉米秸秆成细丝状，长 度不超过 2cm。细丝状玉米秸秆增加了粘结的韧性， 吸湿后不易破损，粉碎成本较粉末状秸秆低，可将稻 草秸秆粉碎成 1 ～ 5cm 不等的秸秆丝。有机质废物常 被作为作物生长营养基来增加肥力[24 - 27]，本研究选 用牛粪，并对牛粪进行堆腐发酵 1 个月，每隔 4 天进 行翻堆，调整含水率，堆肥腐熟。食品级粘结剂 CMC ( 羧甲基纤维素钠) 粘结力强，具有一定的保水性。物 料初步混合，由提升机将物料输送到进料机构，混料 机进行原料初步搅拌混合; 充分混合后，经螺旋挤压 机构、成型机构旋压成型，按照要求采用随动切断装 置进行切断制作成品，完成整个作业过程。

　　3 结果分析与评价

　　将其他因素固定到零水平上，按照秸秆和牛粪的 不同因素水平质量比分析这两种因素的交互作用下 生长基的成型率。电动机带动三级螺旋挤压机构，转速为 1440r / min，使秸秆、有机肥、CMC 更为充分地混合、挤压成 型，提高了物料混合的均匀程度和营养生长基的紧实 度。测验结果表明: 当秸秆和牛粪的水平相同时，即 按牛粪: 秸秆质量比为 15: 1 混合，添加 CMC 溶液，控 制 CMC 溶液浓度为 1‰，物料的含水率为 15% 左右 时，一次模塑成型率最高为 98% ; 而已有研究的旋压 制钵机成型率为 96. 2% ，普通的冲压式制钵机一次成 型率为 75. 4%[28]。

　　采用相同的试验条件进行制备生长基，待生长基 干燥后测其破损率。试验结果表明: 采用三级螺旋挤 压制备的生长基干燥后在 1m 高度处自由落体的破损 率为 1% ; 而已有研究的旋压制钵机合成的秸秆育苗 钵干燥后在 1m 高度处自由落体的破损率为 3. 1% ， 普通的冲压式制钵机在 1m 高度处由落体的破损率为 15. 2% 。

　　农业论文投稿刊物：农作物秸秆综合利用技术及推广

　　4 结论

　　1) 采用三级螺旋挤压技术，对营养生长基制备设 备进行了合理的设计，解决了现有合成秸秆育苗钵的 机器热压成型时温度和压力难以控制导致秸秆育苗 钵成型效果差且易成型失败的问题。常温下，旋转压 制提高了秸秆育苗钵的强度，且简化了工艺过程，降 低了成本。

　　2) 采用旋压压制的营养生长基外表光滑，内壁呈 现螺纹形状，提高了其吸水和保水能力，具有加工简 单、操作方便的优点，且螺纹形状使生长基灌浆后更容易带土移植。

　　3) 综合考虑作物生长情况与生产效率，三级螺旋 挤压成型较热压成型能耗低。同时，由于成型率高， 生长基成品无需在机器中干燥，采用自然风干即可。 另外，生产效率 500 个/ h，是已有的生物质育苗容器 成型设备生产效率 240 个/ h[29]的两倍。本研究下一 步将在该装置研发的基础上，加强自动摆放设计装 置[30]，进一步提高育苗自动化水平。

　　参考文献:

　　[1] PETRE S N，PELE M，DRAGHICI E M. Influence of perlite and jiffy substrates on cucumber fruit productivity and quality [J]. Journal of agricultural science，2015，7( 8) : 185 - 196.

　　[2] SALVADOR E D，HAUGEN L E，GISLEROD H R. Compressed coir as substrate in ornamental plants growing. - part I: Physical analysis[J]. Acta Horticulturae，2005，96( 3) : 753 - 755.

　　[3] 白晓虎，李芳，张祖立，等. 秸秆挤压成型育苗钵的试验研 究[J]. 农机化研究，2008( 2) : 136 - 138.

　　作者：田美荣1 ，高吉喜2 ，梁 会1 ，牛建辉3