摘 要: 針對(duì)干旱區(qū)因水肥不足導(dǎo)致修復(fù)物種難以成活的問(wèn)題，研發(fā)了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基及其成型裝置。以 農(nóng) 作 物 廢 棄物為主要原料，采用三級(jí)螺旋擠壓工藝，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的成型裝置，并通過(guò)對(duì)主要原料牛糞有機(jī)肥和秸稈成分進(jìn) 行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，篩選最適宜成分配比。試驗(yàn)研究表明: 生長(zhǎng)基原料牛糞有機(jī)肥與秸稈按 15 : 1 的 比 例 混合，物料的含水率在 15% 左右，成型率最高達(dá) 98% ，且成型裝置自動(dòng)化連續(xù)切斷中空的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基時(shí)能夠不 影響營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基緊實(shí)度，降低了生長(zhǎng)基的使用破損率，生 產(chǎn) 效 率 高，制 作 成 本 低，為高效批量生產(chǎn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基奠 定了基礎(chǔ)。

　　關(guān)鍵詞: 農(nóng)作物廢棄物; 秸稈; 生長(zhǎng)基; 成型裝置

　　0 引言

　　為提高作物成活率和產(chǎn)量，無(wú)土育苗、扦插育苗、 容器育苗等育苗技術(shù)不斷興起。其中，容器育苗由于 具有育苗時(shí)間短、成活率高、不受季節(jié)限制、無(wú)緩苗 期、減少病蟲(chóng)害及有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化育苗等優(yōu)點(diǎn)成為 研究熱點(diǎn)[1 - 4]，育苗盤(pán)、育苗缽、育苗基等不同形狀和 材質(zhì)的可降解育苗容器不斷被研發(fā)和改進(jìn)[5 - 6]。

　　由于 我國(guó)秸稈資源豐富，每年總產(chǎn)量達(dá) 7. 26 億 t [7]，秸稈 除還田外[8 - 9]，制作秸稈育苗容器是其可持續(xù)利用的 重要途徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從農(nóng)作物秸稈類(lèi)型、粘結(jié)劑類(lèi) 型、成分配比、生產(chǎn)工藝及其參數(shù)等方面對(duì)生物質(zhì)育 苗容器開(kāi)展研究，通過(guò)測(cè)試育苗容器的成型質(zhì)量、成 品強(qiáng)度、育苗效果，篩選最佳原料與配比; 同時(shí)，以成 型溫度、成型壓力為試驗(yàn)因素，為擠壓成型、冷壓模塑 旋壓成型、熱壓成型、二次干法熱壓成型等不同制作 工藝尋求最佳工藝參數(shù)[10 - 21]。

　　由于制作育苗容器所用的秸稈物料具有很強(qiáng)的 回彈性，因此多數(shù)工藝將秸稈等原材料進(jìn)行粉碎、篩 分或堿處理打漿[22]，形成稠糊狀的秸稈纖維原料后制 備，但程序復(fù)雜、能耗高且制作成本增加。熱壓成型、 擠壓成 型 等 工 藝 需 對(duì)模具進(jìn)行預(yù)加熱，壓 力 達(dá) 到 6MPa，溫度需達(dá)到 100℃ ，此時(shí)育苗容器的成型及性能最優(yōu)[3]，但壓力達(dá)不到時(shí)易變形、開(kāi)裂，無(wú)法正常使 用。育苗容器的生產(chǎn)制作多是人工操作，效率低，勞 動(dòng)強(qiáng)度 大，不能滿(mǎn)足現(xiàn)代育苗對(duì)營(yíng)養(yǎng)缽的大量需 求[6]。

　　考慮到秸稈育苗容器制備不僅要成型率高、使用 過(guò)程中不易分散崩解[23]，而且需要具有鎖水保肥作 用，因此探究了牛糞有機(jī)肥與秸稈不同配方營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng) 基制備，研發(fā)了一種能夠提高營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基的緊實(shí)度和 成型率、降低生長(zhǎng)基的使用破損率、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 且具有鎖水保肥功能的秸稈營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基制備裝置，優(yōu) 選出營(yíng)養(yǎng)基配置比例，為營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基在育苗相關(guān)產(chǎn)業(yè) 上的高效利用和推廣提供依據(jù)。

　　1 試驗(yàn)材料與方法

　　1. 1 材料與設(shè)備

　　生長(zhǎng)基制備機(jī)主要包括機(jī)架、電氣控制箱、進(jìn)料 機(jī)構(gòu)、擠壓機(jī)構(gòu)、成型機(jī)構(gòu)及切斷機(jī)構(gòu)。 初步混合原料由提升機(jī)送入進(jìn)料機(jī)構(gòu)，并在連續(xù)三級(jí) 混合螺旋擠壓機(jī)構(gòu)擠壓下進(jìn)入成型機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)擠壓成 型后進(jìn)入隨動(dòng)切斷裝置; 隨動(dòng)切斷裝置根據(jù)生產(chǎn)需要 確定生長(zhǎng)基長(zhǎng)度，采用調(diào)頻變速自動(dòng)化切割，以降低 營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基破損率。

　　1. 2 技術(shù)要點(diǎn)

　　成型裝置采用三級(jí)混合旋轉(zhuǎn)擠壓成型技術(shù)，改變 原有單向單個(gè)旋壓成型方法，每級(jí)混合擠壓都經(jīng)過(guò)成 型物料打散、混合、再擠壓成型的過(guò)程，且每級(jí)混合擠 壓之間成型物料的輸送方向不斷改變，提高了營(yíng)養(yǎng)生 長(zhǎng)基的緊實(shí)度和成型率，生產(chǎn)出來(lái)的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基可以經(jīng)受泡水、淋浴而不會(huì)開(kāi)裂、破損。 三級(jí)旋轉(zhuǎn)擠壓方法可在常溫條件下合成營(yíng)養(yǎng)生 長(zhǎng)基，改變了已有加溫成型方法，降低了制作生長(zhǎng)基 能耗，且一次成型，成型時(shí)間短，成型數(shù)量多，效率高。

　　三級(jí)混合擠壓方式對(duì)秸稈的破碎程度沒(méi)有特別要求， 更不需要經(jīng)過(guò)特別的破碎篩分處理，普通的聯(lián)合收割 機(jī)處理過(guò)的秸稈即可作為初始物料。 成型機(jī)構(gòu)設(shè)置方式簡(jiǎn)化了常規(guī)模具，無(wú)需單獨(dú)設(shè) 置用于形成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基內(nèi)部空腔的型芯，所形成的內(nèi) 部空腔的截面可以為圓形、方形、六邊形等適于苗木 生長(zhǎng)的形狀，能實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，生產(chǎn)多種類(lèi)型的營(yíng)養(yǎng) 生長(zhǎng)基。

　　營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基的隨動(dòng)切割裝置能夠保證切割時(shí)切 斷機(jī)構(gòu)主動(dòng)跟隨或被動(dòng)跟隨營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基一起移動(dòng)，防 止?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)基在切斷過(guò)程中的破損、變形，也能夠防 止切割鋸片的變形、折斷，節(jié)省人力，并可根據(jù)生態(tài)修 復(fù)所用苗木的需求切割成預(yù)定的長(zhǎng)度。

　　1. 3 設(shè)備工作原理

　　鎖水保肥營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基制備設(shè)備包括機(jī)架、電氣控 制箱、進(jìn) 料 機(jī) 構(gòu)、螺 旋 擠 壓 機(jī) 構(gòu)、成 型 機(jī) 構(gòu) 及 切 斷 機(jī)構(gòu)。 1) 進(jìn)料機(jī)構(gòu)包括攪拌電機(jī)、輸料攪龍、圓柱形外 殼、進(jìn)料口及出料口。攪拌電機(jī)與輸料攪龍連接，驅(qū)動(dòng)輸料攪龍旋轉(zhuǎn)，輸料攪龍?jiān)O(shè)置在外殼 形成的腔室中，將進(jìn)料口處的物料輸送至出料口。2) 螺旋擠壓機(jī)構(gòu)包括第 1 螺旋擠壓機(jī)構(gòu)、第 2 螺 旋擠壓機(jī)構(gòu)、第 3 螺旋擠壓機(jī)構(gòu)，各級(jí)螺旋擠壓機(jī)構(gòu) 相互呈角度交叉布置。

　　出料口與第 1 螺旋擠壓機(jī)構(gòu)的進(jìn)料口相連，第 1 螺旋擠壓機(jī)構(gòu)的進(jìn)料口設(shè)置在螺旋擠壓器殼體上靠 近螺旋擠壓器的物料輸入端。混合物料經(jīng)進(jìn)料機(jī)構(gòu) 的進(jìn)料口通過(guò)輸送攪龍的旋轉(zhuǎn)輸送至出料口，經(jīng)由第 1 螺旋擠壓機(jī)構(gòu)的進(jìn)料口輸送到螺旋擠壓機(jī)構(gòu)中; 第 1 螺旋擠壓機(jī)構(gòu)的進(jìn)料口上設(shè)置有料倉(cāng)，料倉(cāng)設(shè)置在 出料口的正下方，盛接進(jìn)料機(jī)構(gòu)輸送的經(jīng)初步混合的 物料。

　　料倉(cāng)設(shè)有擋板，擋板的高度高于料倉(cāng)其他壁板 的高度，用于防止混合物料灑濺到料倉(cāng)外。 三級(jí)螺旋擠壓機(jī)構(gòu)均設(shè)有相應(yīng)的電機(jī)、減 速 機(jī) 構(gòu)、螺旋擠壓器、螺旋擠壓器殼體，多個(gè)電機(jī)和減速機(jī) 構(gòu)的設(shè)置便于根據(jù)各級(jí)螺旋擠壓器所需的扭矩配置 適合的電機(jī)和減速機(jī)構(gòu)，減輕了單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)的壓 力，通過(guò)電機(jī)功率與減速機(jī)構(gòu)減速比的配合獲得最經(jīng)濟(jì)的動(dòng)力輸出方式，電機(jī)不易損毀、燒壞，同時(shí)使得營(yíng) 養(yǎng)生長(zhǎng)基制備裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊。

　　混合物料經(jīng)過(guò)第 1 螺旋擠壓機(jī)構(gòu)的螺旋擠壓器 的攪拌混合、輸送、擠壓，進(jìn)行一級(jí)混合擠壓; 經(jīng)一級(jí) 混合擠壓的混合物料改變輸送方向進(jìn)入第 2 螺旋擠 壓機(jī)構(gòu)的殼體中，在螺旋擠壓器的作用下重新打散混 合、輸送、擠壓，進(jìn)行二級(jí)混合擠壓; 經(jīng)二級(jí)混合擠壓 的混合物料改變輸送方向進(jìn)入第 3 螺旋擠壓機(jī)構(gòu)的 殼體中，在螺旋擠壓器的作用下重新打散混合、輸送、 擠壓，進(jìn)行三級(jí)混合擠壓。

　　由于經(jīng)過(guò)三級(jí)混合擠壓， 則物料在進(jìn)入進(jìn)料機(jī)構(gòu)之前無(wú)需特別充分?jǐn)嚢杌旌稀?同時(shí)，三級(jí)混合擠壓破壞了秸稈的回彈力，多級(jí)混合 擠壓后的物料緊實(shí)度限制了秸稈的回彈力，成型的營(yíng) 養(yǎng)生長(zhǎng)基不會(huì)因?yàn)榻斩挼幕貜椓Χ�破損。 螺旋擠壓器采用浮動(dòng)設(shè)置，擠壓部抵近下一級(jí)螺 旋擠壓器，一方面防止兩個(gè)部件相互干涉，特別是在 殼體內(nèi)的情況下優(yōu)勢(shì)更為明顯; 另一方面也能夠在兩 部件之間形成一定的空間，使得經(jīng)擠壓成型的物料充 分打散、混合。

　　成型機(jī)構(gòu)與第 3 螺旋擠壓機(jī)構(gòu)的螺旋擠壓器殼 體相連接，第 3 螺旋擠壓機(jī)構(gòu)的螺旋擠壓器末端的擠 出部，部分伸出螺旋擠壓器殼體，擠出部部分地穿入 成型機(jī)構(gòu)的腔體內(nèi)，與成型機(jī)構(gòu)部分重合; 這種設(shè)置 方式簡(jiǎn)化了成型機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，成型機(jī)構(gòu)的內(nèi)腔用以形 成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基的外周面，擠出部用于形成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基 的內(nèi)部空腔，無(wú)需單獨(dú)設(shè)置用以形成營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基內(nèi)部 空腔的型芯。 第 1 螺旋擠壓器、第 2 螺旋擠壓器、第 3 螺旋擠壓 器端部的花鍵分別浮動(dòng)嵌入相應(yīng)的減速機(jī)構(gòu)鍵槽內(nèi)， 與其相應(yīng)的減速機(jī)構(gòu)浮動(dòng)連接。

　　減速器的輸出軸與 螺旋擠壓器的輸入端浮動(dòng)連接，能夠避免兩部件之間 的連接部承擔(dān)過(guò)大的偏心壓力，在擠壓混合物料時(shí)特 別是在開(kāi)始擠壓物料時(shí)，螺旋擠壓器受到的擠壓力并 非完全與其軸的方向相一致，往往螺旋擠壓器被擠壓 到偏向殼體一側(cè)，減速器的輸出軸與螺旋擠壓器的輸 入軸固定連接常導(dǎo)致因承受過(guò)大偏心壓力而損壞，一 旦損壞則需要更換整個(gè)螺旋擠壓器，耗費(fèi)大量的人 力、物力。在現(xiàn)有技術(shù)公開(kāi)的螺旋擠壓器與減速器的 輸出軸固定連接的情況下，這種損害常常發(fā)生卻從未 發(fā)現(xiàn)原因。

　　本設(shè)備通過(guò)研究發(fā)現(xiàn): 螺旋擠壓器經(jīng)常損 壞的原因在于其與減速器的輸出端固定連接，承受了 過(guò)大的偏轉(zhuǎn)力矩。因此，將兩部件采用浮動(dòng)連接，依 靠所擠壓混合物料自身的擠壓力變化來(lái)實(shí)現(xiàn)螺旋擠 壓器在螺旋擠壓器殼體中心線(xiàn)附近旋轉(zhuǎn)。

　　3) 切斷機(jī)構(gòu)包括切割鋸、切割鋸旋轉(zhuǎn)軸、雙向氣 動(dòng)馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)輪及支撐座。切割鋸固定 在切割鋸旋轉(zhuǎn)軸上，隨旋轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)，切割生長(zhǎng)基; 旋轉(zhuǎn)軸一端設(shè)置有帶輪，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)皮帶驅(qū)動(dòng)帶 輪，從而驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)切割鋸旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)軸的兩端 由支撐座支撐旋轉(zhuǎn)，支撐座固定在機(jī)架上，雙向氣動(dòng) 馬達(dá)一端固定在機(jī)架上，另一端固定在支撐座上，通 過(guò)雙向氣動(dòng)馬達(dá)的氣壓桿的伸長(zhǎng)和收縮動(dòng)作控制切 割鋸?fù)鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，穿過(guò)橫梁之間的間隔或狹槽切斷營(yíng)養(yǎng) 生長(zhǎng)基; 切斷后，氣壓桿的伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)切割鋸向下 運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基。

　　電器控制機(jī)構(gòu)為全自動(dòng)裝置，提供可控制面板， 控制面板上設(shè)置電機(jī)開(kāi)關(guān)按鈕和馬達(dá)調(diào)節(jié)按鈕。其 中，電機(jī)開(kāi)關(guān)按鈕控制電機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)閉，馬達(dá)調(diào)節(jié) 按鈕可按照修復(fù)物種所需生長(zhǎng)基長(zhǎng)度，定時(shí)啟動(dòng)雙向 氣動(dòng)馬達(dá)，將生長(zhǎng)基按照需求切割為預(yù)定的長(zhǎng)度，由 輸送輪輸送到營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基成品車(chē)中。

　　1. 4 成型設(shè)備主要參數(shù)確定

　　根據(jù)苗木生長(zhǎng)需求，該設(shè)備臺(tái)時(shí)生產(chǎn)量≥500 個(gè); 生長(zhǎng)基規(guī)格: 設(shè)備可同時(shí)兼?zhèn)涞撞恐睆?8 ～ 30cm、高 12 ～ 25cm 的多種規(guī)格型號(hào)的生產(chǎn); 營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基一次 模塑成型率平均達(dá)到 98% 以上; 破損率≤1% ; 制缽質(zhì) 量: 外光內(nèi)螺旋紋。根據(jù)同類(lèi)型機(jī)型對(duì)比，常溫條件 下，利用三級(jí)螺旋擠壓成型，選用 5. 5kW 4 級(jí)電機(jī)，轉(zhuǎn) 速 1440r / min，螺旋減速機(jī)速比 1: 10，能耗較低，每班 3 人操作，用工較少。

　　2 試驗(yàn)方法

　　2. 1 基質(zhì)配比試驗(yàn)

　　取玉米秸稈和小麥秸稈分別進(jìn)行粉碎，對(duì)玉米秸稈使用粉碎機(jī)粉碎，粉碎后的玉米秸稈成細(xì)絲狀，長(zhǎng) 度不超過(guò) 2cm。細(xì)絲狀玉米秸稈增加了粘結(jié)的韌性， 吸濕后不易破損，粉碎成本較粉末狀秸稈低，可將稻 草秸稈粉碎成 1 ～ 5cm 不等的秸稈絲。有機(jī)質(zhì)廢物常 被作為作物生長(zhǎng)營(yíng)養(yǎng)基來(lái)增加肥力[24 - 27]，本研究選 用牛糞，并對(duì)牛糞進(jìn)行堆腐發(fā)酵 1 個(gè)月，每隔 4 天進(jìn) 行翻堆，調(diào)整含水率，堆肥腐熟。食品級(jí)粘結(jié)劑 CMC ( 羧甲基纖維素鈉) 粘結(jié)力強(qiáng)，具有一定的保水性。物 料初步混合，由提升機(jī)將物料輸送到進(jìn)料機(jī)構(gòu)，混料 機(jī)進(jìn)行原料初步攪拌混合; 充分混合后，經(jīng)螺旋擠壓 機(jī)構(gòu)、成型機(jī)構(gòu)旋壓成型，按照要求采用隨動(dòng)切斷裝 置進(jìn)行切斷制作成品，完成整個(gè)作業(yè)過(guò)程。

　　3 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

　　將其他因素固定到零水平上，按照秸稈和牛糞的 不同因素水平質(zhì)量比分析這兩種因素的交互作用下 生長(zhǎng)基的成型率。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)三級(jí)螺旋擠壓機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)速為 1440r / min，使秸稈、有機(jī)肥、CMC 更為充分地混合、擠壓成 型，提高了物料混合的均勻程度和營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基的緊實(shí) 度。測(cè)驗(yàn)結(jié)果表明: 當(dāng)秸稈和牛糞的水平相同時(shí)，即 按牛糞: 秸稈質(zhì)量比為 15: 1 混合，添加 CMC 溶液，控 制 CMC 溶液濃度為 1‰，物料的含水率為 15% 左右 時(shí)，一次模塑成型率最高為 98% ; 而已有研究的旋壓 制缽機(jī)成型率為 96. 2% ，普通的沖壓式制缽機(jī)一次成 型率為 75. 4%[28]。

　　采用相同的試驗(yàn)條件進(jìn)行制備生長(zhǎng)基，待生長(zhǎng)基 干燥后測(cè)其破損率。試驗(yàn)結(jié)果表明: 采用三級(jí)螺旋擠 壓制備的生長(zhǎng)基干燥后在 1m 高度處自由落體的破損 率為 1% ; 而已有研究的旋壓制缽機(jī)合成的秸稈育苗 缽干燥后在 1m 高度處自由落體的破損率為 3. 1% ， 普通的沖壓式制缽機(jī)在 1m 高度處由落體的破損率為 15. 2% 。

　　農(nóng)業(yè)論文投稿刊物：農(nóng)作物秸稈綜合利用技術(shù)及推廣

　　4 結(jié)論

　　1) 采用三級(jí)螺旋擠壓技術(shù)，對(duì)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基制備設(shè) 備進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，解決了現(xiàn)有合成秸稈育苗缽的 機(jī)器熱壓成型時(shí)溫度和壓力難以控制導(dǎo)致秸稈育苗 缽成型效果差且易成型失敗的問(wèn)題。常溫下，旋轉(zhuǎn)壓 制提高了秸稈育苗缽的強(qiáng)度，且簡(jiǎn)化了工藝過(guò)程，降 低了成本。

　　2) 采用旋壓壓制的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)基外表光滑，內(nèi)壁呈 現(xiàn)螺紋形狀，提高了其吸水和保水能力，具有加工簡(jiǎn) 單、操作方便的優(yōu)點(diǎn)，且螺紋形狀使生長(zhǎng)基灌漿后更容易帶土移植。

　　3) 綜合考慮作物生長(zhǎng)情況與生產(chǎn)效率，三級(jí)螺旋 擠壓成型較熱壓成型能耗低。同時(shí)，由于成型率高， 生長(zhǎng)基成品無(wú)需在機(jī)器中干燥，采用自然風(fēng)干即可。 另外，生產(chǎn)效率 500 個(gè)/ h，是已有的生物質(zhì)育苗容器 成型設(shè)備生產(chǎn)效率 240 個(gè)/ h[29]的兩倍。本研究下一 步將在該裝置研發(fā)的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)自動(dòng)擺放設(shè)計(jì)裝 置[30]，進(jìn)一步提高育苗自動(dòng)化水平。

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　　作者：田美榮1 ，高吉喜2 ，梁 會(huì)1 ，牛建輝3