摘 要: 針對干旱區(qū)因水肥不足導致修復物種難以成活的問題，研發(fā)了營養(yǎng)生長基及其成型裝置。以 農 作 物 廢 棄物為主要原料，采用三級螺旋擠壓工藝，設計了相應的成型裝置，并通過對主要原料牛糞有機肥和秸稈成分進 行二次正交旋轉組合試驗，篩選最適宜成分配比。試驗研究表明: 生長基原料牛糞有機肥與秸稈按 15 : 1 的 比 例 混合，物料的含水率在 15% 左右，成型率最高達 98% ，且成型裝置自動化連續(xù)切斷中空的營養(yǎng)生長基時能夠不 影響營養(yǎng)生長基緊實度，降低了生長基的使用破損率，生 產 效 率 高，制 作 成 本 低，為高效批量生產營養(yǎng)生長基奠 定了基礎。

　　關鍵詞: 農作物廢棄物; 秸稈; 生長基; 成型裝置

　　0 引言

　　為提高作物成活率和產量，無土育苗、扦插育苗、 容器育苗等育苗技術不斷興起。其中，容器育苗由于 具有育苗時間短、成活率高、不受季節(jié)限制、無緩苗 期、減少病蟲害及有利于實現(xiàn)機械化育苗等優(yōu)點成為 研究熱點[1 - 4]，育苗盤、育苗缽、育苗基等不同形狀和 材質的可降解育苗容器不斷被研發(fā)和改進[5 - 6]。

　　由于 我國秸稈資源豐富，每年總產量達 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。國內外學者從農作物秸稈類型、粘結劑類 型、成分配比、生產工藝及其參數(shù)等方面對生物質育 苗容器開展研究，通過測試育苗容器的成型質量、成 品強度、育苗效果，篩選最佳原料與配比; 同時，以成 型溫度、成型壓力為試驗因素，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的 回彈性，因此多數(shù)工藝將秸稈等原材料進行粉碎、篩 分或堿處理打漿[22]，形成稠糊狀的秸稈纖維原料后制 備，但程序復雜、能耗高且制作成本增加。熱壓成型、 擠壓成 型 等 工 藝 需 對模具進行預加熱，壓 力 達 到 6MPa，溫度需達到 100℃ ，此時育苗容器的成型及性能最優(yōu)[3]，但壓力達不到時易變形、開裂，無法正常使 用。育苗容器的生產制作多是人工操作，效率低，勞 動強度 大，不能滿足現(xiàn)代育苗對營養(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肥與秸稈不同配方營養(yǎng)生長 基制備，研發(fā)了一種能夠提高營養(yǎng)生長基的緊實度和 成型率、降低生長基的使用破損率、成本低、結構簡單 且具有鎖水保肥功能的秸稈營養(yǎng)生長基制備裝置，優(yōu) 選出營養(yǎng)基配置比例，為營養(yǎng)生長基在育苗相關產業(yè) 上的高效利用和推廣提供依據(jù)。

　　1 試驗材料與方法

　　1. 1 材料與設備

　　生長基制備機主要包括機架、電氣控制箱、進料 機構、擠壓機構、成型機構及切斷機構。 初步混合原料由提升機送入進料機構，并在連續(xù)三級 混合螺旋擠壓機構擠壓下進入成型機構，旋轉擠壓成 型后進入隨動切斷裝置; 隨動切斷裝置根據(jù)生產需要 確定生長基長度，采用調頻變速自動化切割，以降低 營養(yǎng)生長基破損率。

　　1. 2 技術要點

　　成型裝置采用三級混合旋轉擠壓成型技術，改變 原有單向單個旋壓成型方法，每級混合擠壓都經過成 型物料打散、混合、再擠壓成型的過程，且每級混合擠 壓之間成型物料的輸送方向不斷改變，提高了營養(yǎng)生 長基的緊實度和成型率，生產出來的營養(yǎng)生長基可以經受泡水、淋浴而不會開裂、破損。 三級旋轉擠壓方法可在常溫條件下合成營養(yǎng)生 長基，改變了已有加溫成型方法，降低了制作生長基 能耗，且一次成型，成型時間短，成型數(shù)量多，效率高。

　　三級混合擠壓方式對秸稈的破碎程度沒有特別要求， 更不需要經過特別的破碎篩分處理，普通的聯(lián)合收割 機處理過的秸稈即可作為初始物料。 成型機構設置方式簡化了常規(guī)模具，無需單獨設 置用于形成營養(yǎng)生長基內部空腔的型芯，所形成的內 部空腔的截面可以為圓形、方形、六邊形等適于苗木 生長的形狀，能實現(xiàn)一機多用，生產多種類型的營養(yǎng) 生長基。

　　營養(yǎng)生長基的隨動切割裝置能夠保證切割時切 斷機構主動跟隨或被動跟隨營養(yǎng)生長基一起移動，防 止營養(yǎng)生長基在切斷過程中的破損、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 復所用苗木的需求切割成預定的長度。

　　1. 3 設備工作原理

　　鎖水保肥營養(yǎng)生長基制備設備包括機架、電氣控 制箱、進 料 機 構、螺 旋 擠 壓 機 構、成 型 機 構 及 切 斷 機構。 1) 進料機構包括攪拌電機、輸料攪龍、圓柱形外 殼、進料口及出料口。攪拌電機與輸料攪龍連接，驅動輸料攪龍旋轉，輸料攪龍設置在外殼 形成的腔室中，將進料口處的物料輸送至出料口。2) 螺旋擠壓機構包括第 1 螺旋擠壓機構、第 2 螺 旋擠壓機構、第 3 螺旋擠壓機構，各級螺旋擠壓機構 相互呈角度交叉布置。

　　出料口與第 1 螺旋擠壓機構的進料口相連，第 1 螺旋擠壓機構的進料口設置在螺旋擠壓器殼體上靠 近螺旋擠壓器的物料輸入端。混合物料經進料機構 的進料口通過輸送攪龍的旋轉輸送至出料口，經由第 1 螺旋擠壓機構的進料口輸送到螺旋擠壓機構中; 第 1 螺旋擠壓機構的進料口上設置有料倉，料倉設置在 出料口的正下方，盛接進料機構輸送的經初步混合的 物料。

　　料倉設有擋板，擋板的高度高于料倉其他壁板 的高度，用于防止混合物料灑濺到料倉外。 三級螺旋擠壓機構均設有相應的電機、減 速 機 構、螺旋擠壓器、螺旋擠壓器殼體，多個電機和減速機 構的設置便于根據(jù)各級螺旋擠壓器所需的扭矩配置 適合的電機和減速機構，減輕了單一電機驅動的壓 力，通過電機功率與減速機構減速比的配合獲得最經濟的動力輸出方式，電機不易損毀、燒壞，同時使得營 養(yǎng)生長基制備裝置結構更加緊湊。

　　混合物料經過第 1 螺旋擠壓機構的螺旋擠壓器 的攪拌混合、輸送、擠壓，進行一級混合擠壓; 經一級 混合擠壓的混合物料改變輸送方向進入第 2 螺旋擠 壓機構的殼體中，在螺旋擠壓器的作用下重新打散混 合、輸送、擠壓，進行二級混合擠壓; 經二級混合擠壓 的混合物料改變輸送方向進入第 3 螺旋擠壓機構的 殼體中，在螺旋擠壓器的作用下重新打散混合、輸送、 擠壓，進行三級混合擠壓。

　　由于經過三級混合擠壓， 則物料在進入進料機構之前無需特別充分攪拌混合。 同時，三級混合擠壓破壞了秸稈的回彈力，多級混合 擠壓后的物料緊實度限制了秸稈的回彈力，成型的營 養(yǎng)生長基不會因為秸稈的回彈力而破損。 螺旋擠壓器采用浮動設置，擠壓部抵近下一級螺 旋擠壓器，一方面防止兩個部件相互干涉，特別是在 殼體內的情況下優(yōu)勢更為明顯; 另一方面也能夠在兩 部件之間形成一定的空間，使得經擠壓成型的物料充 分打散、混合。

　　成型機構與第 3 螺旋擠壓機構的螺旋擠壓器殼 體相連接，第 3 螺旋擠壓機構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 成型機構的腔體內，與成型機構部分重合; 這種設置 方式簡化了成型機構的結構，成型機構的內腔用以形 成營養(yǎng)生長基的外周面，擠出部用于形成營養(yǎng)生長基 的內部空腔，無需單獨設置用以形成營養(yǎng)生長基內部 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嵌入相應的減速機構鍵槽內， 與其相應的減速機構浮動連接。

　　減速器的輸出軸與 螺旋擠壓器的輸入端浮動連接，能夠避免兩部件之間 的連接部承擔過大的偏心壓力，在擠壓混合物料時特 別是在開始擠壓物料時，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，減速器的輸出軸與螺旋擠壓器的輸 入軸固定連接常導致因承受過大偏心壓力而損壞，一 旦損壞則需要更換整個螺旋擠壓器，耗費大量的人 力、物力。在現(xiàn)有技術公開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。

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

　　3) 切斷機構包括切割鋸、切割鋸旋轉軸、雙向氣 動馬達、驅動輪及支撐座。切割鋸固定 在切割鋸旋轉軸上，隨旋轉軸一起旋轉，切割生長基; 旋轉軸一端設置有帶輪，驅動電機通過皮帶驅動帶 輪，從而驅動旋轉軸帶動切割鋸旋轉。旋轉軸的兩端 由支撐座支撐旋轉，支撐座固定在機架上，雙向氣動 馬達一端固定在機架上，另一端固定在支撐座上，通 過雙向氣動馬達的氣壓桿的伸長和收縮動作控制切 割鋸往復運動，穿過橫梁之間的間隔或狹槽切斷營養(yǎng) 生長基; 切斷后，氣壓桿的伸長運動帶動切割鋸向下 運動，遠離營養(yǎng)生長基。

　　電器控制機構為全自動裝置，提供可控制面板， 控制面板上設置電機開關按鈕和馬達調節(jié)按鈕。其 中，電機開關按鈕控制電機的啟動和關閉，馬達調節(jié) 按鈕可按照修復物種所需生長基長度，定時啟動雙向 氣動馬達，將生長基按照需求切割為預定的長度，由 輸送輪輸送到營養(yǎng)生長基成品車中。

　　1. 4 成型設備主要參數(shù)確定

　　根據(jù)苗木生長需求，該設備臺時生產量≥500 個; 生長基規(guī)格: 設備可同時兼?zhèn)涞撞恐睆?8 ～ 30cm、高 12 ～ 25cm 的多種規(guī)格型號的生產; 營養(yǎng)生長基一次 模塑成型率平均達到 98% 以上; 破損率≤1% ; 制缽質 量: 外光內螺旋紋。根據(jù)同類型機型對比，常溫條件 下，利用三級螺旋擠壓成型，選用 5. 5kW 4 級電機，轉 速 1440r / min，螺旋減速機速比 1: 10，能耗較低，每班 3 人操作，用工較少。

　　2 試驗方法

　　2. 1 基質配比試驗

　　取玉米秸稈和小麥秸稈分別進行粉碎，對玉米秸稈使用粉碎機粉碎，粉碎后的玉米秸稈成細絲狀，長 度不超過 2cm。細絲狀玉米秸稈增加了粘結的韌性， 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。有機質廢物常 被作為作物生長營養(yǎng)基來增加肥力[24 - 27]，本研究選 用牛糞，并對牛糞進行堆腐發(fā)酵 1 個月，每隔 4 天進 行翻堆，調整含水率，堆肥腐熟。食品級粘結劑 CMC ( 羧甲基纖維素鈉) 粘結力強，具有一定的保水性。物 料初步混合，由提升機將物料輸送到進料機構，混料 機進行原料初步攪拌混合; 充分混合后，經螺旋擠壓 機構、成型機構旋壓成型，按照要求采用隨動切斷裝 置進行切斷制作成品，完成整個作業(yè)過程。

　　3 結果分析與評價

　　將其他因素固定到零水平上，按照秸稈和牛糞的 不同因素水平質量比分析這兩種因素的交互作用下 生長基的成型率。電動機帶動三級螺旋擠壓機構，轉速為 1440r / min，使秸稈、有機肥、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養(yǎng)生長基的緊實 度。測驗結果表明: 當秸稈和牛糞的水平相同時，即 按牛糞: 秸稈質量比為 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，一次模塑成型率最高為 98% ; 而已有研究的旋壓 制缽機成型率為 96. 2% ，普通的沖壓式制缽機一次成 型率為 75. 4%[28]。

　　采用相同的試驗條件進行制備生長基，待生長基 干燥后測其破損率。試驗結果表明: 采用三級螺旋擠 壓制備的生長基干燥后在 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在 1m 高度處由落體的破損率為 15. 2% 。

　　農業(yè)論文投稿刊物：農作物秸稈綜合利用技術及推廣

　　4 結論

　　1) 采用三級螺旋擠壓技術，對營養(yǎng)生長基制備設 備進行了合理的設計，解決了現(xiàn)有合成秸稈育苗缽的 機器熱壓成型時溫度和壓力難以控制導致秸稈育苗 缽成型效果差且易成型失敗的問題。常溫下，旋轉壓 制提高了秸稈育苗缽的強度，且簡化了工藝過程，降 低了成本。

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

　　3) 綜合考慮作物生長情況與生產效率，三級螺旋 擠壓成型較熱壓成型能耗低。同時，由于成型率高， 生長基成品無需在機器中干燥，采用自然風干即可。 另外，生產效率 500 個/ h，是已有的生物質育苗容器 成型設備生產效率 240 個/ h[29]的兩倍。本研究下一 步將在該裝置研發(fā)的基礎上，加強自動擺放設計裝 置[30]，進一步提高育苗自動化水平。

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　　作者：田美榮1 ，高吉喜2 ，梁 會1 ，牛建輝3