苧麻莖稈機(jī)械分離過程力學(xué)建模與試驗分析

鄒舒暢+蘇工兵+邵運(yùn)果+孟力

摘要：現(xiàn)有苧麻莖稈機(jī)械分離技術(shù)主要核心工作部件是剝麻輥結(jié)構(gòu)，試驗以該核心工作部件為基礎(chǔ)，構(gòu)建了新型莖稈分離臺架。苧麻莖稈分離過程是由折斷和麻皮麻骨分離瞬時完成的，以此推導(dǎo)了輥齒對麻稈作用的折斷能和分離能的關(guān)系表達(dá)式，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對莖稈分離的影響；在此基礎(chǔ)上，對主要部件剝麻輥以輥轉(zhuǎn)速、輥半徑、輥齒數(shù)、嚙合深度為試驗因素，設(shè)置了L9（34）正交試驗。結(jié)果表明，各因素對剝凈率影響的高低排序為剝麻輥轉(zhuǎn)速、嚙合深度、剝麻輥齒數(shù)、剝麻輥半徑，較優(yōu)組合為剝麻輥轉(zhuǎn)速900 r/min、嚙合深度5 mm、剝麻輥齒數(shù)20個、剝麻輥半徑120 mm，此時剝凈率為98.42%。試驗揭示了苧麻莖稈機(jī)械分離的機(jī)理，優(yōu)化了剝麻技術(shù)的工藝參數(shù)，為剝麻技術(shù)的開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：苧麻莖稈；機(jī)械分離；剝麻輥齒；結(jié)構(gòu)參數(shù)；正交試驗；剝凈率

中圖分類號：TS122.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）02-0348-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.02.035

苧麻纖維是一種天然的紡織纖維，可大量用于紡織行業(yè)[1]，苧麻莖稈分離技術(shù)一直是苧麻原麻生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在現(xiàn)有各種形式的機(jī)械分離設(shè)備中，直喂式剝麻機(jī)和反拉式剝麻機(jī)是主要的剝麻機(jī)械，其關(guān)鍵部位剝離裝置是剝麻輥齒結(jié)構(gòu)。目前許多研究者通過改變剝離設(shè)備結(jié)構(gòu)對苧麻莖稈分離設(shè)備進(jìn)行研究分析[2-5]。其中龍超海等[2]對4BM-260型苧麻剝麻機(jī)通過正交試驗，分析了剝麻機(jī)滾筒直徑、滾筒轉(zhuǎn)速、剝麻間隙等主要技術(shù)參數(shù)對剝麻效率的影響，認(rèn)為剝麻滾筒的最優(yōu)技術(shù)參數(shù)為嚙合深度5 mm、滾筒轉(zhuǎn)速900 r/min、喂入角度20°、滾簡直徑260 mm。蘇工兵等[3]采用速差分離原理研制出了全自動苧麻莖稈分離機(jī)，通過不同速差的匹配，分析了苧麻尾部剝離過程。呂江南等[4]對研制的雙滾筒反拉式苧麻剝麻機(jī)在正交試驗和性能分析基礎(chǔ)上，確定了主要技術(shù)參數(shù)，樣機(jī)初步性能試驗結(jié)果表明，鮮莖出麻率為5%左右，苧麻含雜率≤1.5%，苧麻含膠率為30%左右，苧麻單纖維強(qiáng)力為51～54 cN。張龍云等[5]研制的FL-235型復(fù)刮式苧麻剝麻機(jī)試制了雙滾軋刀互向可調(diào)式齒輪裝置，并通過反復(fù)試驗和結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到了整機(jī)設(shè)計合理、運(yùn)行效果良好、無故障、生產(chǎn)效率高的目的。不過國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)ζr麻剝麻機(jī)的研究主要集中于苧麻機(jī)械剝離機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗研究方面[6-12]，尚未從機(jī)械設(shè)備與苧麻纖維剝離相互作用上建立力學(xué)方程來分析苧麻莖稈分離機(jī)理?，F(xiàn)有研究表明[13-15]，苧麻莖稈在沖擊載荷作用下，木質(zhì)部沖擊斷裂韌性較小，最先破裂，韌皮纖維卻有較好的韌性，這種結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的差異是苧麻莖稈機(jī)械剝離的力學(xué)基礎(chǔ)。為此，試驗采用剛體動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)及正交試驗分析方法，建立了苧麻莖稈分離過程的力學(xué)方程，研究了機(jī)械設(shè)備輥齒結(jié)構(gòu)與苧麻莖稈相互作用之間的關(guān)系，這對于揭示苧麻莖稈機(jī)械分離機(jī)理和研究設(shè)計剝離機(jī)械具有重要的指導(dǎo)意義。

1 莖稈分離臺架結(jié)構(gòu)及工作原理

按照現(xiàn)有苧麻莖稈剝離輥齒結(jié)構(gòu)原理，試驗設(shè)計并試制了新型莖稈分離試驗臺架，其工藝流程為苧麻莖稈喂入→壓麻輥壓碎→高速輥齒剝離→分離輥齒→拉麻輥高速拉出麻皮。試驗臺架結(jié)構(gòu)見圖1，其工作原理是苧麻莖稈從2個壓麻輥的嚙合口喂入，壓碎的莖稈以壓麻輥切向速度進(jìn)入剝麻輥，在剝麻輥的高速旋轉(zhuǎn)下，被壓扁的麻骨折斷并從麻皮中剝離打飛，大部分的麻骨與麻皮分離；去掉大部分麻骨的麻稈以麻皮順序進(jìn)入分離輥齒和拉麻輥，其中拉麻輥的轉(zhuǎn)速大于分離輥齒的轉(zhuǎn)速，在拉麻輥的作用下，剩余麻骨強(qiáng)行與麻皮分開，從而實現(xiàn)麻稈尾端的麻骨與麻皮分離，該設(shè)計解決了莖稈尾端分離不清的問題。根據(jù)試制的新型分離臺架以及現(xiàn)有的機(jī)械分離設(shè)備（包括直喂式剝麻機(jī)和反拉式剝麻機(jī)）研究可知，其關(guān)鍵剝離裝置是剝麻輥齒結(jié)構(gòu)。為此，試驗以剝麻輥齒結(jié)構(gòu)為研究對象，分析了莖稈分離過程中剝麻輥齒結(jié)構(gòu)與苧麻纖維剝離之間的相互作用機(jī)理，從而優(yōu)化剝麻技術(shù)有關(guān)參數(shù)。

2 莖稈分離過程的力學(xué)分析

2.1 建立莖稈折斷過程力學(xué)方程

在新型莖稈分離試驗臺架上，被壓扁的麻稈以緩慢的速度進(jìn)入2個剝麻輥之間后，受到高速旋轉(zhuǎn)的剝麻齒瞬時沖擊而迅速折彎，麻骨因質(zhì)硬而脆被折斷，麻皮因柔韌性好而未斷。為了研究分析莖稈分離機(jī)理，選取苧麻莖稈在輥齒剝離某一時刻靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)行受力分析，其受力情況見圖2。在圖2中，F(xiàn)為輥齒齒端力，該力以莖稈受力點為坐標(biāo)點，沿著莖稈折斷方向和與之垂直方向分解，其中沿莖稈垂直方向力為N，沿莖稈運(yùn)動方向力為Q；N的作用使莖稈折斷，Q則剝離莖稈，γ為2個剝麻輥齒之間的夾角，？琢為輥齒對莖稈的剝離角。為了分析苧麻受力變化過程，假設(shè)取2次碰撞之間的長度為麻稈研究對象，其質(zhì)量為m稈。則苧麻莖稈的受力為：

式中，N為輥齒對莖稈的折斷力，Q為輥齒對莖稈的剝離力。設(shè)輥齒數(shù)為Z，則2個輥齒對輥筒軸心的夾角為：

由此可知，苧麻莖稈剝離過程主要與剝麻輥和壓麻輥轉(zhuǎn)動速度、剝麻輥半徑及剝麻輥齒數(shù)有關(guān)， v剝與v喂的差值越大，剝麻輥半徑R越小及剝麻輥齒數(shù)Z越大，則剝離能E0越大，剝離效果越好。

通過上述研究苧麻莖稈與輥齒結(jié)構(gòu)作用分離過程，建立了莖稈分離過程中折斷能量和剝離能量的關(guān)系表達(dá)式，由表達(dá)式（14）、（19）可知，莖稈分離效果不僅與苧麻自身材料屬性（彈性系數(shù)、阻尼系數(shù)、固有角頻率）有關(guān)，還與莖稈分離臺架的結(jié)構(gòu)參數(shù)（剝麻輥半徑、齒數(shù)、嚙合深度）及各對輥齒轉(zhuǎn)速大小有關(guān)。根據(jù)以上理論研究結(jié)果，并結(jié)合試驗臺架結(jié)構(gòu)部分參數(shù)，進(jìn)行莖稈分離與輥齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的正交試驗。

3 莖稈分離與輥齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的L9（34）正交試驗

3.1 因素、指標(biāo)選擇

剝麻輥是苧麻剝麻機(jī)的最主要部件，通過上述力學(xué)分析可知：①剝麻齒對麻稈的沖擊力F越大，則麻稈瞬時變形也越大，使折斷效果越好，而剝麻輥的轉(zhuǎn)速直接影響沖擊力F，所以提高剝麻輥的轉(zhuǎn)速可使麻稈折斷效果更好；但考慮到能耗的影響，還是應(yīng)選擇合適的轉(zhuǎn)速。為此，以剝麻輥轉(zhuǎn)速700、800、900 r/min為3個水平進(jìn)行正交試驗。②增大嚙合深度b或減小剝麻齒半徑R可以提高麻稈折斷效果，但嚙合過深會損傷麻皮纖維，同時受到結(jié)構(gòu)制約。因此分別以剝麻輥半徑120、140、160 mm以及嚙合深度3、5、7 mm為正交試驗的3個水平進(jìn)行正交試驗。③由試驗可知，增多剝麻輥齒數(shù)Z，折斷麻稈長度變短，可減少剝離麻骨所需能量Q；但過多會損傷纖維，同時受到結(jié)構(gòu)的限制。因此以剝麻輥齒數(shù)16、20、24個為3個水平進(jìn)行正交試驗。

3.2 試驗設(shè)計

試驗用麻于2016年6月中旬取自湖北省咸寧市苧麻試驗站試驗田種植的華苧4號頭麻，每組試驗重復(fù)5次，結(jié)果取平均值，其試驗臺架工作狀態(tài)見圖3。脫凈率Y的計算公式為：

式中，Y為樣品中剝掉麻骨后的百分率，w是剝麻后麻皮與殘余麻骨的總重量，W是剝麻后麻皮的重量。試驗里各因素、水平構(gòu)成見表1，正交試驗方案見表2。

3.3 結(jié)果與分析

苧麻莖稈分離L9（34）正交試驗結(jié)果見表3。從表3可見，通過對剝麻輥正交試驗結(jié)果運(yùn)算分析，各因素對脫凈率的影響高低排序為剝麻輥轉(zhuǎn)速、嚙合深度、剝麻輥齒數(shù)、剝麻輥半徑；較優(yōu)組合為剝麻輥轉(zhuǎn)速900 r/min、嚙合深度5 mm、剝麻輥齒數(shù)20個、剝麻輥半徑120 mm，此時剝凈率為98.42%。

3.4 其他參數(shù)分析

苧麻莖稈分離過程分為麻稈破裂折斷過程和麻骨剝離飛出過程，這2個過程所需要的能量都是由轉(zhuǎn)動的剝麻輥提供的，由此按照麻稈沖擊斷裂能與麻稈沖擊剝離能之和，粗略估算出剝麻輥單次傳遞給單根苧麻莖稈的最小能量W0。假設(shè)一次性喂入麻稈數(shù)量為10根，而剝麻輥能量由電機(jī)提供，依據(jù)正交試驗分析結(jié)果，取最優(yōu)條件剝麻輥轉(zhuǎn)速900 r/mi4 討論

1）苧麻莖稈分離過程由折斷和分離瞬時同步完成，試驗對2個過程分別進(jìn)行力學(xué)分析，描述了輥齒對莖稈分離的影響。其中采用靜態(tài)動力學(xué)和動態(tài)瞬時響應(yīng)理論的分析方法，建立了折斷能的關(guān)系表達(dá)式，該關(guān)系式表明莖稈分離效果不僅與苧麻自身材料屬性（彈性系數(shù)、阻尼系數(shù)、固有角頻率）有關(guān)，還與莖稈分離臺架的結(jié)構(gòu)參數(shù)（剝麻輥半徑、齒數(shù)、嚙合深度）及電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)。各因素對分離效果的影響為較復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，所以在滿足莖稈分離要求的前提下，應(yīng)選擇合適的參數(shù)大小，以達(dá)到能耗低、效率高的效果；試驗采用能量守恒原理和沖量定理的理論方法，建立了分離能的關(guān)系表達(dá)式，該關(guān)系式表明，剝麻輥和壓麻輥轉(zhuǎn)動速度、剝麻輥半徑及剝麻齒齒數(shù)是主要影響因素，v剝與v喂的差值越大，剝麻輥半徑R越小及剝麻齒齒數(shù)Z越多，剝離能E0越大，剝離效果越好。試驗通過建立輥齒對麻稈作用的折斷能和分離能的關(guān)系表達(dá)式，揭示了機(jī)械輥齒與莖稈分離的機(jī)理，為苧麻分離機(jī)械設(shè)計參數(shù)的選擇提供了技術(shù)指導(dǎo)。

2）采用L9（34）正交試驗方法分析了影響莖稈分離效果的主要因素，即苧麻莖稈分離臺架的最主要部件剝麻輥，結(jié)果表明，對莖稈分離效果的影響高低排序為剝麻輥轉(zhuǎn)速，嚙合深度，剝麻輥齒數(shù)，剝麻輥半徑。苧麻莖稈分離較優(yōu)組合為剝麻輥轉(zhuǎn)速900 r/min、嚙合深度5 mm，剝麻輥齒數(shù)20個、剝麻輥半徑120 mm，此時剝凈率為98.42%，同時粗略估計電機(jī)所需最小功率為2.2 kW。

3）除此之外，苧麻莖稈的含水量影響較為顯著。當(dāng)含水量過高時，剝離開的麻皮容易纏繞在剝麻輥上；而含水量過低時，麻稈逐漸干枯，韌皮部與木質(zhì)部粘連程度提高，剝麻效果不佳。另外麻稈粗細(xì)均勻度也有一定的影響，莖稈粗細(xì)差異過大的最好分級，這有利于各對輥齒牽引，否則細(xì)者牽拉不住，清不掉麻骨。同時一次性喂入麻稈數(shù)量要固定，喂入時要求盡量均勻排列，以易于清骨。

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