4HB—480型黃、紅麻剝皮機(jī)的研究與試驗(yàn)示范

龍超海，呂江南，馬蘭，王志軍，田先明，何宏彬，劉佳杰

(1．中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長(zhǎng)沙410250;2．湖南省農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣站，長(zhǎng)沙410004)

1 引言

作為一種可再生的天然纖維資源，黃、紅麻的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。近年來(lái)，黃、紅麻除了用來(lái)制造傳統(tǒng)包裝材料之外，還與其他材料混紡，生產(chǎn)合成纖維織品或制成復(fù)合板材，在汽車、家具、床上用品以及家庭裝飾等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著各種新用途的開(kāi)辟，黃、紅麻的收獲剝制加工作業(yè)已成為阻礙其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“瓶頸”之一越來(lái)越凸顯出來(lái)。目前，我國(guó)黃、紅麻的收獲作業(yè)仍以手工為主，生產(chǎn)工效低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)上對(duì)機(jī)械化收獲有著迫切需求。

為此，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所開(kāi)展了黃、紅麻剝皮機(jī)的研究。已研制出4HB—480型黃、紅麻剝皮機(jī)樣機(jī)，該機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，操作安全，剝皮效率高等特點(diǎn)，方便田間移動(dòng)或在場(chǎng)地進(jìn)行黃、紅麻剝皮作業(yè)，能大大地減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，剝皮漚麻可減少水源污染，有效改善生產(chǎn)生活環(huán)境。

2 研究依據(jù)、總體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

2.1 研究依據(jù)

黃、紅麻是一種韌皮纖維作物，從黃、紅麻莖稈的橫截面看，它是由一些不同的環(huán)狀分布組織所構(gòu)成的，按其不同的物理性質(zhì)可分為二大部分［1］:一是帶有纖維的韌皮層即麻皮;二是木質(zhì)部與髓，即麻骨。麻皮具有柔軟強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度高的特點(diǎn)，但不能承受壓力;而麻骨則相反，承受拉伸不及承受壓縮。在麻骨與麻皮之間則為強(qiáng)度不大的形成層。根據(jù)黃、紅麻莖稈物理機(jī)械特性的差異，試驗(yàn)表明，采用橫向擠壓和彎曲便能有效的破壞莖稈皮與骨之間的聯(lián)系，將麻皮與麻骨分離開(kāi)來(lái)。此為研究黃、紅麻剝皮機(jī)的依據(jù)。

2.2 總體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

2.2.1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)黃、紅麻莖稈的物理特性和以往的研究基礎(chǔ)，以一對(duì)壓輥進(jìn)行輾壓、二對(duì)剝皮滾筒進(jìn)行分離的設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了第一代樣機(jī)試驗(yàn)［2］，性能指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在此基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)了第二代樣機(jī)，設(shè)計(jì)了二對(duì)壓輥和二對(duì)剝皮滾筒及麻皮輸送裝置，樣機(jī)試驗(yàn)表明，剝皮性能有了明顯提高。通過(guò)繼續(xù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、完善設(shè)計(jì)，研制出了4HB－480型黃、紅麻剝皮機(jī)。

4HB－480型黃、紅麻剝皮機(jī)主要由喂入與夾持壓輥、剝皮滾筒、麻皮輸送帶裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、行走裝置及機(jī)架等組成。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 4HB－480型黃、紅麻剝皮機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure diagram of jute/kenaf peeling machine 4HB －480

該機(jī)首次應(yīng)用二次碾壓、二次分離的多滾筒設(shè)計(jì)方案。黃紅麻剝皮機(jī)的剝皮效果主要由分離與梳理兩大機(jī)構(gòu)來(lái)完成，麻莖首先通過(guò)喂入與夾持裝置碎莖后再進(jìn)入剝皮滾筒進(jìn)行梳理，喂入與夾持裝置的碎莖效果好壞對(duì)剝皮質(zhì)量起著十分關(guān)鍵的作用。為了達(dá)到理想的碎莖效果，本方案創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了一種差速運(yùn)動(dòng)與夾持的喂入機(jī)構(gòu)。即在喂入與夾持機(jī)構(gòu)中設(shè)計(jì)二對(duì)線速度不同、嚙合間隙不同的碎莖輥，通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)诙?duì)碎莖輥與第一對(duì)碎莖輥的線速度差達(dá)到0．29m/s左右時(shí)能夠保證理想的皮骨初步分離效果，皮骨分離率達(dá)到60%左右;同時(shí)，二對(duì)碎莖輥設(shè)計(jì)成不同的嚙合間隙，且第二對(duì)碎莖輥上方安裝壓力彈簧保證麻莖第二次的充分分離。本方案第一對(duì)碎莖輥嚙合間隙為6～8mm時(shí)，能夠保證大小不同的麻莖順利喂入與碾壓，第二對(duì)碎莖輥嚙合間隙為2～6mm時(shí)，在壓力彈簧的作用下，既能保證第一次碾壓后的麻莖再次分離，又能使第一次未被碾壓徹底的麻莖再次揉搓，達(dá)到二次分離的效果，為剝皮滾筒對(duì)麻骨梳理和麻皮有效分離提供了有力保證。

該機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用5．5kwY132S－4型三相異步電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，皮帶傳動(dòng)到剝皮滾筒4，再分別采用鏈傳動(dòng)和帶傳動(dòng)，把動(dòng)力傳動(dòng)到各個(gè)工作部件。傳動(dòng)示意圖如圖2所示。

圖2 4HB－480型黃、紅麻剝皮機(jī)傳動(dòng)示意圖Fig．2 Power driven diagram of jute/kenaf peeling machine 4HB －480

2.2.2 主要技術(shù)參數(shù)

表1 4HB－480型紅麻剝皮機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)Tab．1 Main technical parameters and performance indices of jute/kenaf peeling machine 4HB －480

3 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

3.1 喂料裝置

喂料裝置由喂料斗及其附件裝置組成。喂料斗可以使麻莖順利進(jìn)入壓輥并支托麻稈。喂料斗由鋼板制作。喂料斗口尺寸與機(jī)器的工作寬度、生產(chǎn)效率、功率大小、安全性和麻莖能否順利進(jìn)入壓輥等因素有關(guān)，喂料斗離地高度與操作的舒適性有關(guān)，因此，設(shè)計(jì)必須合理。經(jīng)過(guò)反復(fù)論證和試驗(yàn)，喂料斗口尺寸設(shè)計(jì)為280mm×80mm，喂料斗離地高度設(shè)計(jì)為820mm。喂料斗附件裝置，用來(lái)支撐和固定喂料斗。

3.2 壓輥組

壓輥組分為大壓輥組和小壓輥組兩部分。大壓輥組是由一對(duì)相互嚙合的波齒形壓輥組成，按照規(guī)定的速度相互嚙合，對(duì)麻莖進(jìn)行初步碾壓，使麻皮和麻骨產(chǎn)生相對(duì)位移，處于易分離狀態(tài)。大壓輥組設(shè)計(jì)為雙主動(dòng)輥，保證麻莖順暢可靠強(qiáng)制喂入;大壓輥組采用空心鑄造結(jié)構(gòu)，減輕機(jī)重，節(jié)約成本，并保證了強(qiáng)度，其嚙合間隙為5mm，能使麻莖順暢強(qiáng)制喂入，并得到初步碾壓。小壓輥組是由一對(duì)有一定嚙合深度的凹型齒壓輥組成，對(duì)莖稈進(jìn)行進(jìn)一步碾壓，并起到初步折斷麻骨的作用，為后續(xù)剝皮滾筒較劇烈的彎曲折打做準(zhǔn)備，防止纖維在彎折過(guò)程中斷裂。小壓輥結(jié)構(gòu)采用4mm厚的空心鑄造圓筒，表面凸齒選用直徑為8mm的圓鋼焊接在圓筒上，上小壓輥設(shè)計(jì)有可調(diào)隙的彈簧壓緊裝置，適當(dāng)?shù)膲狠侀g隙和壓緊力可避免麻莖卡塞和麻皮損傷。小壓輥組上下壓輥都為主動(dòng)輥，使麻莖按照規(guī)定的速度進(jìn)入剝皮滾筒區(qū)。大小壓輥組結(jié)構(gòu)圖分別如圖3、圖4 所示。

圖3 大壓輥組結(jié)構(gòu)圖Fig．3 Structure diagram of the big press rollers

圖4 小壓輥組結(jié)構(gòu)圖Fig．4 Structure diagram of the small press rollers

兩對(duì)壓輥組對(duì)麻莖進(jìn)行充分碾壓，即麻莖的木質(zhì)部在壓扁的同時(shí)，順軸向破裂，而并不損傷纖維，第二對(duì)壓輥組在碾壓的同時(shí)，對(duì)麻莖有一定的折斷作用。大壓輥組線速度約為2m/s，小壓輥組線速度約為3m/s，其線速度逐步增大，使麻莖順暢喂入剝皮滾筒。

3.3 剝皮滾筒組

根據(jù)所加工黃紅麻莖稈的物理機(jī)械特性，麻莖經(jīng)過(guò)壓輥組碾壓以后，木質(zhì)部與韌皮得到了基本分離，進(jìn)入分離梳理滾筒區(qū)后，要使麻骨折斷，脫落，要求剝皮滾筒有適當(dāng)?shù)膰Ш蠌澤疃?，才能保證麻骨折斷，而麻皮纖維不被折斷。第一對(duì)剝皮滾筒主要是使麻莖中的纖維與麻骨及部分非纖維物質(zhì)分離，第二對(duì)剝皮滾筒對(duì)麻莖進(jìn)一步梳理分離，使麻屑與麻纖維完全脫離。剝皮滾筒裝有8塊均勻分布的打板;打板數(shù)量是根據(jù)剝麻質(zhì)量和以往經(jīng)驗(yàn)確定的。為了解決打板磨損問(wèn)題，我們采用了超高分子聚乙烯材料的打板;打板與打板支座螺栓聯(lián)接，打板磨損后可以更換。打板支座與滾筒盤(pán)焊接。剝皮滾筒直徑定為280mm，滾筒直徑太大，機(jī)型笨重，滾筒過(guò)小，易發(fā)生纏麻;剝皮滾筒直徑和滾筒轉(zhuǎn)速，與剝皮滾筒打擊麻莖的次數(shù)有關(guān)。剝皮滾筒具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖5 剝皮滾筒結(jié)構(gòu)圖Fig．5 Diagram of the peeling cylinders

上下剝皮滾筒嚙合深度是25mm，使麻莖的折彎角度為40°，這樣剝皮滾筒工作時(shí)，麻莖被折彎，麻骨被折斷，麻皮與麻莖分離剝落，并從第二對(duì)滾筒間飛出(見(jiàn)圖6)。剝皮滾筒和壓輥之間有一定的線速度差，使麻莖在剝皮區(qū)處于拉緊狀態(tài)，可以充分受到剝皮滾筒的作用，清除附在麻皮上的麻骨、麻葉等雜質(zhì)，起到很好的分離和梳理效果。

3.4 麻皮輸出裝置

麻皮輸出裝置的主要作用是將已剝制出的麻皮及時(shí)整齊地送至機(jī)外。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要保證麻皮不打滑滯留或纏繞。2010年—2011年采用聚酯帶式輸送裝置，但經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)，聚酯帶式輸送裝置仍然容易造成輸送帶跑偏，且不易調(diào)整和修復(fù)，影響了正常的輸送作業(yè)。2012年改進(jìn)設(shè)計(jì)鏈?zhǔn)捷斔脱b置，結(jié)構(gòu)由上、下輸送鏈輪、鏈條、輸送橫桿、護(hù)板和軸等組成，經(jīng)試驗(yàn)與試用效果較好，能保證麻皮的正常輸送。輸送帶兩側(cè)裝有護(hù)板，防止麻皮纏繞上下輸送鏈輪和軸。輸送裝置結(jié)構(gòu)圖如圖7 所示。

研究設(shè)計(jì)的4HB－480型黃、紅麻剝皮機(jī)樣機(jī)外形圖如圖8所示。

圖6 上下剝皮滾筒剝麻示意圖Fig．6 Diagram of fiber being stripped between the cylinders

圖7 輸送裝置結(jié)構(gòu)圖Fig．7 Diagram of the conveying structure

圖8 4HB－480型黃、紅麻剝皮機(jī)樣機(jī)外形圖Fig．8 Prototypes of jute/kenaf peeling machine 4HB －480

4 樣機(jī)性能試驗(yàn)與生產(chǎn)示范

本文所述樣機(jī)于2010年、2011年和2012年的紅麻收獲季節(jié)，在我所試驗(yàn)基地和紅麻主產(chǎn)區(qū)分別進(jìn)行了性能試驗(yàn)與生產(chǎn)示范。2012年10月中旬，湖南省農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定站在中國(guó)農(nóng)科院麻類研究所望城試驗(yàn)基地，對(duì)我所研究設(shè)計(jì)的4HB－480型黃紅麻剝皮機(jī)樣機(jī)進(jìn)行了綜合性能檢測(cè)，測(cè)定了剝凈率、鮮皮含骨率、樣機(jī)噪聲、鮮皮生產(chǎn)率等技術(shù)指標(biāo)。測(cè)試用麻的鮮莖株高平均值為507．63cm，最大值為560cm，最小值為440cm;鮮莖直徑平均值為29．05mm，最大值為38．77mm，最小值為20．32mm。檢測(cè)結(jié)果如表2所示，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足樣機(jī)計(jì)劃任務(wù)書(shū)的要求。

表2 4HB－480型黃紅麻剝皮機(jī)樣機(jī)性能檢測(cè)結(jié)果Tab．2 Property testing results of jute/kenaf peeling machine 4HB －480

5 結(jié)論

4HB－480型黃、紅麻剝皮機(jī)是一種用于黃、紅麻鮮皮剝制加工的機(jī)械，該機(jī)主要應(yīng)用于黃、紅麻鮮莖的剝離，通過(guò)壓輥的碾壓和剝皮滾筒的折彎、刮剝?nèi)サ袈楣?，分離出干凈的鮮麻皮。

該機(jī)設(shè)計(jì)的兩級(jí)壓輥機(jī)構(gòu)，可有效地壓扁麻莖并分離皮骨而不傷麻皮，兩級(jí)速度遞進(jìn)的剝皮滾筒可有效地刮剝麻骨，輸送出干凈的麻皮。該機(jī)經(jīng)在河南、湖南、浙江、廣西、福建等省(區(qū))示范與推廣應(yīng)用表明，機(jī)型結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)合理、性能可靠、操作安全、剝皮均勻、剝皮效率高，方便田間移動(dòng)或在場(chǎng)地作業(yè)，能大大減輕黃、紅麻剝皮勞動(dòng)強(qiáng)度，減少漚麻造成的水源污染，有效改善生產(chǎn)生活環(huán)境。

當(dāng)紅麻莖稈直徑大于40mm，且?guī)Ц谷霑r(shí)，該機(jī)剝制效果不理想。

圖9 4HB－480型黃、紅麻剝皮機(jī)樣機(jī)性能試驗(yàn)Fig．9 Property testing of jute/kenaf peeling machine 4HB －480

圖10 4HB－480型黃、紅麻剝皮機(jī)剝皮示范Fig．10 Peeling demonstration of jute/kenaf peeling machine 4HB －480

圖11 4HB－480型黃紅麻剝皮機(jī)樣機(jī)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)Fig．11 Testing scenes of jute/kenaf peeling machine 4HB －480

［1］王紹文，宋貽則．麻類作物生產(chǎn)機(jī)械［M］．北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，1997．

［2］龍超海，呂江南，王志軍，等．黃、紅麻剝皮機(jī)的研究與設(shè)計(jì)［J］．中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2010，5:83－86．

［3］農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)試驗(yàn)方法［S］(GB5667－2008)．

［4］熊和平．2010—2011國(guó)家麻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展報(bào)告［M］．北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2012．