連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機研制

向 偉，馬 蘭，劉佳杰，顏 波，邱化蛟，呂江南

連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機研制

向 偉，馬 蘭，劉佳杰，顏 波，邱化蛟，呂江南※

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，長沙 410205）

針對苧麻剝麻勞動強度大、作業(yè)工效低等問題，該研究基于橫向喂入式剝麻技術(shù)的作業(yè)特點，結(jié)合苧麻剝麻的工藝要求，設(shè)計了一種連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機。通過對剝麻裝置、夾持輸送裝置和換端夾持裝置等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論分析，確定影響剝麻質(zhì)量的關(guān)鍵因素及作業(yè)參數(shù)范圍。以剝麻間隙、滾筒轉(zhuǎn)速和輸送速度作為影響因素，建立苧麻剝麻的鮮莖出麻率和原麻含雜率的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合Box-Behnken試驗方案進行多目標(biāo)優(yōu)化試驗，尋求裝置作業(yè)參數(shù)對苧麻剝麻的影響規(guī)律及最優(yōu)參數(shù)組合。試驗結(jié)果表明：滾筒轉(zhuǎn)速、剝麻間隙和輸送速度對鮮莖出麻率和原麻含雜率均具有極顯著影響。通過多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化分析，確定最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合：剝麻間隙4.0 mm、滾筒轉(zhuǎn)速330 r/min和輸送速度0.36 m/s。基于優(yōu)化參數(shù)進行苧麻剝麻的生產(chǎn)驗證試驗，結(jié)果顯示：鮮莖出麻率5.04%、原麻含雜率1.18%，各指標(biāo)與模型預(yù)測值的相對誤差均小于5%，驗證了預(yù)測模型的準(zhǔn)確性；整機生產(chǎn)效率142 kg/h，達到設(shè)計指標(biāo)要求；苧麻纖維的含膠率22.85%，束纖維斷裂強度4.56 CN/dtex，達到《苧麻》國家標(biāo)準(zhǔn)二等苧麻纖維等別。

剝麻機；苧麻；纖維；夾持輸送；鮮莖出麻率；原麻含雜率

0 引 言

苧麻是中國的特色經(jīng)濟作物，其種植面積和產(chǎn)量均占全球的90%以上，苧麻纖維因具有吸濕、透氣、散熱快、靜電少和防蟲防霉等功能，其產(chǎn)品受到國際市場青睞[1-2]。纖維用苧麻每年可收獲3～4次，苧麻需經(jīng)過剝制加工獲得纖維才能供紡織企業(yè)使用[3-4]。據(jù)統(tǒng)計，目前苧麻纖維收獲與剝制作業(yè)占整個生產(chǎn)過程中用工量的80%左右，苧麻纖維收獲剝制存在成本高、勞動強度大、作業(yè)效率低及剝麻質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，迫切需要研制出高效苧麻剝麻機[5-7]。

20世紀(jì)80年代中國苧麻剝麻進入動力剝麻機械時代，針對苧麻機械剝麻問題，國內(nèi)外先后提出人力反拉式、直喂式和橫向喂入式等剝麻技術(shù)及裝備[6,8-9]。人力反拉式剝麻機主要分為單滾筒和雙滾筒反拉式剝麻機，依靠手工喂入和手工反拉方式依次完成苧麻基部和梢部纖維的剝制；先后研制出6BM-350型、4BM-260型和6BX-40型等成熟機型；該類機型結(jié)構(gòu)簡單、剝麻質(zhì)量較好，鮮莖出麻率均超過5%，原麻含雜率均低于1%，作業(yè)效率為8～15 kg/h，但作業(yè)勞動強度大，存在易傷手等安全隱患[10-12]。隨后，出現(xiàn)了直喂式剝麻技術(shù)及裝備，該類機型為多滾筒自動剝麻機，將苧麻莖稈沿剝麻滾筒旋轉(zhuǎn)方向縱向喂入，通過多組剝麻滾筒對莖稈的反復(fù)彎折、碾壓和刮打?qū)崿F(xiàn)纖維剝制；先后研制出NH01型、JBM-100型和FL-KB型等機型；該類機型實現(xiàn)連續(xù)喂入、操作簡單、勞動強度低，其鮮莖出麻率均超過5%，但存在基部和梢部末端麻骨剝制不凈等問題，原麻含雜率較高，剝麻質(zhì)量不穩(wěn)定，受苧麻莖稈長度和滾筒轉(zhuǎn)速限制易發(fā)生纏繞，剝麻效率較低[13-15]。為此，基于人力反拉式和直喂式剝麻技術(shù)的基礎(chǔ)出現(xiàn)了橫向喂入式剝麻技術(shù)及裝備，該類機型采用機械夾持輸送替代人力反拉，在苧麻莖稈夾持輸送過程中，通過多套剝麻裝置分別完成苧麻基部和梢部端纖維剝制；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所研制出6BMH-180型苧麻剝麻機，生產(chǎn)效率達131 kg/h，鮮莖出麻率4.14%，原麻含雜率僅1.09%；湖北省咸寧市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機研究所研制出6TM160型雙向自動苧麻三脫機；可實現(xiàn)苧麻連續(xù)喂料，操作簡單、剝麻質(zhì)量穩(wěn)定，解決了人力反拉式剝麻機勞動強度大、安全性能差等問題，克服了直喂式剝麻機滾筒纏麻、基部剝麻不凈等不足。但現(xiàn)有機型存在纖維夾持困難、結(jié)構(gòu)龐大和剝麻質(zhì)量不穩(wěn)定等技術(shù)難點[16-19]。

為實現(xiàn)苧麻纖維高效剝制，本文基于橫向喂入式剝麻技術(shù)的作業(yè)特點[18-19]，結(jié)合苧麻剝麻工藝要求[5]，研制一款連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機。通過對剝麻裝置、夾持輸送裝置和換端夾持裝置等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和理論分析，確定影響剝麻質(zhì)量的關(guān)鍵因素及作業(yè)參數(shù)范圍；建立作業(yè)參數(shù)與剝麻質(zhì)量指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合Box-Behnken試驗進行多目標(biāo)優(yōu)化試驗，獲取最佳作業(yè)參數(shù)組合，通過生產(chǎn)應(yīng)用試驗，驗證預(yù)測模型的準(zhǔn)確性和剝麻作業(yè)質(zhì)量，以期為苧麻全自動輕簡化剝麻技術(shù)提供配套裝置和技術(shù)支撐。

1 連續(xù)夾持輸送式剝麻機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機主要由喂料裝置（包括喂料口、斜壓桿和導(dǎo)料板）、夾持輸送裝置、剝麻裝置、換端夾持裝置、纖維輸出口、驅(qū)動電機（包括主電機和剝麻電機）、控制柜和機架等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 工作原理

連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻作業(yè)主要有莖稈喂入輸送、基部纖維剝制、換端夾持、梢部纖維剝制和纖維輸出共5個工序。作業(yè)時，主電機帶動夾持輸送裝置I和夾持輸送裝置II運轉(zhuǎn)，夾持輸送裝置I中上輸送鏈條的凸形壓塊卡入下輸送鏈條的凹形卡板而形成夾持輸送區(qū)域，苧麻莖稈橫向喂入至夾持輸送區(qū)域?qū)崿F(xiàn)莖稈的橫向夾持輸送；隨著莖稈夾持輸送，在斜壓桿和導(dǎo)料板共同作用下，莖稈基部端進入剝麻裝置I，由剝麻凹板和高速旋轉(zhuǎn)的剝麻滾筒形成的剝麻區(qū)域通過對莖稈基部端的刮打，完成基部纖維剝制；夾持輸送裝置I持續(xù)夾持輸送莖稈，在風(fēng)機和導(dǎo)向桿共同作用下，完成纖維剝制的莖稈基部端纖維進入到夾持輸送裝置II的夾持輸送區(qū)域，實現(xiàn)莖稈的換端夾持；隨著莖稈的夾持輸送，剝麻裝置II完成莖稈梢部纖維剝制；橫向夾持的纖維隨著夾持輸送裝置II的運轉(zhuǎn)持續(xù)輸送運動至纖維輸出口，完成纖維輸出。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)苧麻機械剝麻質(zhì)量要求的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7699-1999[20]和湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB43/T332-2007[21]，結(jié)合苧麻性狀，確定連續(xù)夾持輸送式剝麻機的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。其中二等苧麻纖維等別的判別標(biāo)準(zhǔn)：感官品質(zhì)為剝制較好（附殼、焦梢少，手感尚柔軟）、斑疵較少、紅根少、無霉?fàn)€，原麻含雜率低于1.5%，長度不低于800 mm；一等苧麻纖維等別的判別標(biāo)準(zhǔn)：感官品質(zhì)為剝制好（附殼、焦梢極少，手感柔軟）、斑疵較少、紅根極少、無霉?fàn)€，原麻含雜率低于1.0%，長度不低于1 000 mm。

表1 連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機主要技術(shù)指標(biāo)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

剝麻裝置、夾持輸送裝置和換端夾持裝置是剝麻機核心部件，夾持輸送裝置和換端夾持裝置決定著整機作業(yè)的連續(xù)性，夾持輸送裝置和剝麻裝置決定著剝麻質(zhì)量的好壞，而剝麻質(zhì)量的好壞直接決定著剝麻機作業(yè)性能[12,22]。文獻[17-18]提出“打麻次數(shù)”（苧麻通過剝麻滾筒過程中被剝麻板刮打的次數(shù)），其一般計算公式如下：

式中為打麻次數(shù)；為剝麻板長度，m；為苧麻夾持輸送速度，m/s；為剝麻板數(shù)量；為剝麻滾筒轉(zhuǎn)速，r/min。

已有研究表明，打麻次數(shù)是影響剝麻效果的重要因素，適當(dāng)減少打麻次數(shù)可提高機器生產(chǎn)率，但纖維含雜率增加，出麻率降低[17]。結(jié)合公式（1）和試驗研究，本文確定影響苧麻剝麻質(zhì)量的作業(yè)參數(shù)主要為：剝麻滾筒直徑、剝麻凹板弧長、剝麻板長度、剝麻板數(shù)量、剝麻間隙（剝麻板的旋轉(zhuǎn)外圓與剝麻凹板之間的間隙）、剝麻滾筒轉(zhuǎn)速和夾持輸送速度[23]。

2.1 剝麻裝置

整機包含2套結(jié)構(gòu)相同的剝麻裝置，如圖2所示，剝麻裝置主要由剝麻滾筒、剝麻凹板、導(dǎo)入板、剝麻電機、傳動機構(gòu)、間隙調(diào)節(jié)裝置和凹板支架等組成；其中剝麻滾筒主要由剝麻板、主軸、防纏罩、連接橫板和滾筒支架等組成；間隙調(diào)節(jié)裝置由楔形塊、縱向調(diào)節(jié)螺栓和橫向調(diào)節(jié)螺栓等組成。

2.1.1 剝麻滾筒直徑及剝麻凹板弧長

苧麻莖稈高度因氣候、栽培等條件的差異而不同，其高度一般為1.5～2.5 m[24-25]，本文研制的剝麻機適用于纖飼兩用的苧麻剝麻，苧麻莖稈梢部端切除一截（該部分的纖維含量較低）用作青貯飼料，苧麻莖稈剩余部分用于剝制纖維；苧麻莖稈剝麻加工的平均長度為1.6～1.8 m[26-27]。

由于剝麻裝置I、II尺寸相同，苧麻莖稈在夾持輸送裝置的夾持輸送過程中，2套尺寸一致的剝麻裝置依次完成苧麻莖稈基部和梢部端纖維的剝制，理論上，每套剝麻裝置的剝麻區(qū)域長度不小于苧麻莖稈長度的一半才能保證苧麻莖稈完全被加工。剝麻滾筒和剝麻凹板組成的弧形區(qū)域即為剝麻裝置的剝麻區(qū)域，其關(guān)鍵參數(shù)為剝麻滾筒直徑和剝麻凹板弧長。

文獻[18]中設(shè)計的剝麻區(qū)域長度為剝麻滾筒外圓弧長的1/4，加工較長的苧麻需要直徑較大的剝麻滾筒。為減少剝麻滾筒直徑從而減小機身尺寸，本文設(shè)計剝麻區(qū)域長度大于剝麻滾筒外圓弧長的1/4，即剝麻滾筒半徑不變，通過加長剝麻凹板的弧形區(qū)域?qū)崿F(xiàn)加工較長的苧麻莖稈。剝麻滾筒直徑設(shè)定為930 mm，其剝麻凹板的弧形區(qū)域長度依次設(shè)定為730、820、910和1 000 mm，試制樣機開展臺架試驗。

臺架試驗結(jié)果表明：剝麻凹板的弧形區(qū)域長度為730、820和910 mm時，纖維的出麻率和含雜率基本保持一致；當(dāng)弧形區(qū)域長度增加至1 000 mm時，纖維的出麻率急劇降低，且隨著剝麻轉(zhuǎn)速的提高，剝麻作業(yè)過程中的麻骨、麻葉等清除物料的拋撒高度與距離均增大。因此，剝麻滾筒的滾筒直徑設(shè)計為930 mm，剝麻凹板的弧形區(qū)域長度設(shè)計為910 mm。

2.1.2 剝麻滾筒轉(zhuǎn)速

本文設(shè)計的剝麻裝置與文獻[18]的剝麻裝置作業(yè)原理相同，參考文獻[18]，剝麻滾筒線速度接近17.66 m/s可保證剝麻質(zhì)量，剝麻滾筒轉(zhuǎn)速與線速度關(guān)系為

結(jié)合前期試驗研究結(jié)果，確定剝麻滾筒轉(zhuǎn)速范圍為250～450 r/min。

2.1.3 剝麻板結(jié)構(gòu)及數(shù)量

剝麻板直接采用10#角鋼加工，結(jié)構(gòu)為圖3所示的喇叭口形，以保障苧麻莖稈緩慢進入最小剝麻間隙處，減小剝麻板對莖稈的瞬時沖擊力，提高出麻率。剝麻作業(yè)時，在滾筒轉(zhuǎn)速與剝麻間隙固定的條件下，剝麻板數(shù)量與滾筒轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，其一般關(guān)系式[17]為

式中為作業(yè)時間，s。劍麻和黃/紅麻、苧麻的打麻次數(shù)一般為46～70和40～70次/s[17-18]，以此為依據(jù)計算出本樣機剝麻板數(shù)量為5.3～16.8塊，結(jié)合文獻[18]和樣機試驗效果，設(shè)計剝麻板數(shù)量為12塊，剝麻板通過螺栓連接均勻分布在剝麻滾筒的外端。

苧麻莖稈夾持輸送速度固定不變，增加剝麻板長度，可增加打麻次數(shù)，減少苧麻纖維含雜率的同時降低鮮莖出麻率[28-29]；參考文獻[18]，本研究依次設(shè)定剝麻板長度為350、430和510 mm，剝麻板的有效剝麻長度依次為175、255和335 mm，試制不同尺寸剝麻板部件開展臺架試驗。

臺架試驗結(jié)果表明，剝麻板長度為350和430 mm時，苧麻鮮莖出麻率基本保持一致，但剝麻板長度為430 mm時，苧麻纖維的含雜率略低；當(dāng)剝麻板長度提高到510 mm時，苧麻纖維含雜率基本不變，而鮮莖出麻率呈現(xiàn)降低趨勢。因此，設(shè)計剝麻板長度為430 mm。

2.1.4 剝麻間隙

剝麻間隙的大小直接影響剝麻質(zhì)量的好壞。如圖2，通過縱向調(diào)節(jié)螺栓控制楔形塊位置，以調(diào)節(jié)剝麻滾筒的縱向高度；通過橫向調(diào)節(jié)螺栓調(diào)節(jié)剝麻滾筒的橫向位置；從而實現(xiàn)剝麻間隙的調(diào)節(jié)。參照已有研究[17-19]，結(jié)合前期臺架試驗結(jié)果，設(shè)計剝麻間隙的初始值為3.5 mm，可調(diào)節(jié)范圍為2.5～6.5 mm。

2.2 夾持輸送裝置

橫向喂入式剝麻機對苧麻莖稈與纖維的夾持力不足，易出現(xiàn)漏夾麻等問題，在夾持纖維進行剝麻作業(yè)時對纖維存在一定損傷。為解決上述問題，本機采用凸形壓條配合凹形卡槽的柔性夾持技術(shù)，保證夾持力的前提下不損傷苧麻纖維。

2.2.1 夾持輸送裝置基本結(jié)構(gòu)

夾持輸送裝置主要由主體結(jié)構(gòu)基本一致的夾持輸送機構(gòu)、主電機、側(cè)板和機架等組成，如圖4所示。夾持輸送機構(gòu)I主要由下驅(qū)動輪、下從動輪、上從動輪、上張緊輪、下輸送鏈板、上輸送鏈板、下支撐機構(gòu)、上壓緊機構(gòu)、下張緊機構(gòu)和上張緊機構(gòu)等構(gòu)成。如圖4c所示，下輸送鏈板主要由輸送鏈和凹形卡板（每2個凹形卡板首尾相接形成一條完整的凹形卡槽）組成；上輸送鏈板主要由輸送鏈和凸形壓塊（每2個凸形壓塊首尾相接形成一條完整的凸形壓條）組成；上壓緊機構(gòu)主要由鏈輪、復(fù)位彈簧和直線軸承等組成；下支撐機構(gòu)主要由絲桿、絲套和支撐架等組成。

工作時，凸形壓條卡入凹形卡槽形成夾持輸送區(qū)域，苧麻莖稈由喂料口喂入到夾持區(qū)域，電機驅(qū)動下驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)從而帶動下輸送鏈運轉(zhuǎn)，通過輸送鏈板上的凸形壓條和凹形卡槽的摩擦力同步帶動上輸送鏈板運轉(zhuǎn)；苧麻莖稈梢部在夾持輸送機構(gòu)I的夾持輸送中，進入至剝麻裝置I完成基部纖維剝制；隨著夾持輸送機構(gòu)I持續(xù)運行，剝制好的基部纖維被夾持輸送機構(gòu)I送出，通過換端夾持裝置后被夾持輸送機構(gòu)II夾持，進入到剝麻裝置II中完成梢部纖維剝制。

2.2.2 夾持位置及輸送速度

夾持輸送裝置I、II主體結(jié)構(gòu)基本一致，其驅(qū)動輪為同軸安裝，由1臺主電機驅(qū)動，從而整機運行過程中可有效保證夾持輸送的流暢性和穩(wěn)定性。為滿足整機作業(yè)工效的設(shè)計要求，夾持輸送裝置的輸送速度最小值為0.25 m/s，而輸送速度過快，則導(dǎo)致苧麻纖維含雜率升高。參照已有研究[17-18]，結(jié)合前期試驗結(jié)果，確定輸送速度的調(diào)節(jié)范圍為0.25～0.45 m/s。

為保證剝麻裝置I剝麻后的基部纖維被輸送到夾持輸送裝置II時不漏夾麻，防止喂入剝麻裝置I的基部莖稈太長而造成纖維損失，且完成換端夾持后莖稈中間部位不出現(xiàn)漏剝麻，如圖5所示，夾持輸送裝置I夾麻點距苧麻莖稈基部末端距離和夾持輸送裝置I、II的中心距需滿足：

式中0為夾持輸送裝置I夾麻中心點距苧麻莖稈基部末端距離，mm；1為剝麻區(qū)域長度，mm；3為夾持重疊長度（圖5b，夾持輸送裝置夾持中心點到剝麻凹板上部內(nèi)端面弧形距離），mm；0為夾持輸送裝置I、II的中心距，mm；?為換端夾持時夾持補償長度，mm。

由2.1.1節(jié)可知，剝麻區(qū)域長度為910 mm。樣機的夾持重疊長度為70 mm，苧麻莖稈和纖維的夾持補償長度一般為40 mm，則夾持輸送裝置I夾麻中心點距苧麻莖稈基部末端距離設(shè)計為980 mm，夾持輸送裝置I、II的中心距設(shè)計為200 mm，對應(yīng)的可加工苧麻莖稈的理論長度為2（0?3），其值為1 820 mm。

2.3 換端夾持裝置

換端夾持裝置主要由導(dǎo)向風(fēng)機、斜導(dǎo)桿和導(dǎo)風(fēng)槽組成（圖4）。

斜導(dǎo)桿由剝麻裝置I的剝麻凹板后端伸出，斜導(dǎo)桿的末端深入至夾持輸送裝置II的凹形卡槽中間位置，自上而下3根斜導(dǎo)桿的長度分別為515、500和508 mm，以保障苧麻莖稈基部端纖維隨斜導(dǎo)桿軌跡運行至夾持輸送裝置II的左側(cè)；風(fēng)機傾斜設(shè)計，出風(fēng)口上揚，并通過導(dǎo)風(fēng)槽使得風(fēng)力吹向夾持輸送裝置I、II的交錯處，選用20寸、0.75 kW的5葉工業(yè)風(fēng)機；隨著夾持輸送裝置I的持續(xù)輸送，通過換端夾持裝置的輔助作用，苧麻莖稈的基部端和梢部端仍在一個與夾持輸送裝置垂直的水平面上輸送，直至夾持輸送裝置II順利夾持住苧麻莖稈，完成梢部端纖維剝制。

3 剝麻作業(yè)性能試驗

3.1 試驗材料

為獲取連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合并驗證樣機的作業(yè)效果，于2020年6月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所國家種質(zhì)長沙苧麻圃進行剝麻試驗。試驗苧麻品種為“中苧1號”，11 a麻園的頭麻，苧麻莖稈收割后當(dāng)天進行剝麻試驗。苧麻莖稈梢部切除的長度設(shè)定為1 800 mm，長度低于800 mm的莖稈直接剔除，苧麻莖稈切除梢部后的平均長度為1 650～1 780 mm，莖稈基部直徑為13.80～14.34 mm。苧麻莖稈切除梢部后，鮮莖稈平均含水率82.53%，鮮皮平均含水率81.67%，平均厚度0.59 mm，纖維平均厚度0.24 mm。

主要儀器設(shè)備：連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機試驗樣機，TC20K-HB電子秤（量程20 kg，精度0.1 g），XMA-600型電熱鼓風(fēng)干燥箱，游標(biāo)卡尺，卷尺和秒表等。

3.2 試驗方法與指標(biāo)

3.2.1 Box-Behnken試驗

根據(jù)連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻裝置的前期臺架試驗結(jié)果，結(jié)合連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機的設(shè)計及理論分析，選取剝麻間隙、滾筒轉(zhuǎn)速和輸送速度為試驗因素。根據(jù)臺架試驗結(jié)果，剝麻間隙的試驗水平為2.5、4.5和6.5 mm，滾筒轉(zhuǎn)速的試驗水平為250、350和450 r/min，輸送速度的試驗水平為0.25、0.35和0.45 m/s。采用Box-Behnken試驗設(shè)計方法，進行苧麻剝麻試驗，研究剝麻間隙、滾筒轉(zhuǎn)速和輸送速度對剝麻作業(yè)性能的影響。

試驗時，每組試驗剝制100 kg苧麻莖稈，4次重復(fù)，結(jié)果取平均值。試驗因素水平如表2所示，試驗方案和結(jié)果如表3所示。

3.2.2 測定指標(biāo)

根據(jù)DB43/T332-2007《機剝苧麻》[21]和GB/T 20793-2015《苧麻精干麻》[30]，結(jié)合樣機實際作業(yè)情況確定鮮莖出麻率和原麻含雜率為試驗指標(biāo)，樣機生產(chǎn)試驗中進一步測定樣機生產(chǎn)效率和苧麻纖維的含膠率及束纖維斷裂強度（其中苧麻纖維的含膠率及束纖維斷裂強度委托“農(nóng)業(yè)部麻類產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心”進行檢測），各指標(biāo)計算方法如下：

式中為鮮莖出麻率，%；W為含水率14%的苧麻纖維質(zhì)量，kg；W為每次試驗時去葉后的苧麻莖稈質(zhì)量，kg；為原麻含雜率，%；1為纖維試樣揀前質(zhì)量，g；2為纖維試樣揀后質(zhì)量（揀出麻纖維上的麻骨、皮殼和碎屑等），g；為生產(chǎn)效率，kg/h；為剝麻時間，h。

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 試驗方案與結(jié)果

采用Design Expert軟件對Box-Behnken試驗結(jié)果進行二次回歸分析與多元回歸擬合，構(gòu)建鮮莖出麻率1、原麻含雜率2與剝麻間隙1、滾筒轉(zhuǎn)速2、輸送速度3之間的數(shù)學(xué)模型，檢驗其顯著性，分析交互作用影響規(guī)律[31-32]。

表3 Box-Behnken試驗方案與結(jié)果

注：1、2、3分別表示剝麻間隙、滾筒轉(zhuǎn)速和輸送速度的水平值。下同。

Note:1and2and3indicated the levels value of decorticating clearance, drum speed and delivering speed, respectively. The same below.

3.3.2 鮮莖出麻率回歸模型與顯著性分析

對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，建立鮮莖出麻率1與剝麻間隙1、滾筒轉(zhuǎn)速2及輸送速度3的三元二次多項式回歸模型，剔除不顯著項，得到回歸方程如式（8）所示，回歸方程的顯著項檢驗如表4所示。

1=5.20+0.241?0.132+0.0493+0.05212+

0.06412?0.1122?0.1332（8）

由表4可知，模型的<0.000 1，模型擬合度極其顯著；失擬項不顯著（=0.369 8>0.05），無失擬因素存在，表明可用該回歸模型代替真實試驗對結(jié)果進行分析；決定系數(shù)2=0.993 1、校正決定系數(shù)2adj=0.984 3，二者均接近1，表明擬合方程有意義；變異系數(shù)CV=0.55%、精密度Adeq precision達到35.38，表明該模型具有良好的可信度和精確度。

注：**和*分別表示極顯著（<0.01）和顯著（<0.05）。2和2adj分別表示決定系數(shù)和校正決定系數(shù)，CV表示變異系數(shù)，Adeq precision表示精密度。下同。

Note: ** and * indicate significance at 0.01 (<0.01) and 0.05 (<0.05) levels, respectively.2and2adjrepresent the determination coefficient and correction determination coefficient, respectively, CVrepresents Coefficient of Variation, Adeq precision stands for precision. The same as below.

鮮莖出麻率回歸模型的方差分析結(jié)果表明：模型線性項1、2、3對鮮莖出麻率1影響均呈現(xiàn)極顯著性；二次項12、22和32對鮮莖出麻率1的影響均極顯著；模型交互作用項12對響應(yīng)值影響顯著，表明試驗因素對鮮莖出麻率的影響并非簡單線性關(guān)系，具有明顯的交互作用。設(shè)定3=0，得出交互因素12對鮮莖出麻率的影響規(guī)律，如圖6所示；在剝麻間隙1、滾筒轉(zhuǎn)速2對鮮莖出麻率1的交互作用中，2個因素對交互作用影響均較大，在1=6 mm且2=360 r/min時，鮮莖出麻率最大。

3.3.3 原麻含雜率回歸模型與顯著性分析

對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，建立原麻含雜率2與剝麻間隙1、滾筒轉(zhuǎn)速2及輸送速度3的三元二次多項式回歸模型，剔除模型中不顯著項，得到回歸方程如式（9）所示，回歸方程的顯著項檢驗如表5所示。

2=1.17+0.321?0.132+0.0513+0.05212+

0.1112?0.03632（9）

表5 原麻含雜率方差分析

由表5可知，模型的<0.000 1，模型的擬合度極其顯著；失擬項不顯著（=0.609 0>0.05），無失擬因素存在，表明可用該回歸模型代替真實試驗對結(jié)果進行分析；決定系數(shù)2=0.994 7、校正決定系數(shù)2adj=0.987 9，二者均接近1，表明擬合方程有意義；變異系數(shù)CV=2.34%、精密度Adeq precision達到41.54，表明該模型具有良好的可信度和精確度。

原麻含雜率回歸模型的方差分析結(jié)果表明：模型的線性項1、2、3對原麻含雜率2影響均呈現(xiàn)極顯著性；二次項12和32對原麻含雜率2的影響均顯著；模型交互作用項12對響應(yīng)值影響顯著，表明試驗因素對原麻含雜率的影響并非簡單線性關(guān)系，具有明顯的交互作用。設(shè)定3=0，得出交互因素12對原麻含雜率的影響規(guī)律，如圖7所示；在剝麻間隙1、滾筒轉(zhuǎn)速2對原麻含雜率2的交互作用中，2個因素對交互作用的影響均較大，在1=2.5 mm且2=450 r/min時，原麻含雜率最小。

3.3.4 參數(shù)優(yōu)化

為尋求苧麻剝麻機最佳作業(yè)參數(shù)組合，利用Design Expert軟件內(nèi)置的Optimization參數(shù)優(yōu)化模塊，以鮮莖出麻率最高、原麻含雜率最低為優(yōu)化目標(biāo)，對2個回歸模型進行優(yōu)化求解。建立目標(biāo)函數(shù)與各參數(shù)的約束條件，如式（10）所示。

根據(jù)約束條件，對目標(biāo)函數(shù)進行優(yōu)化求解，得到連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機的最優(yōu)參數(shù)組合：剝麻間隙3.98 mm、滾筒轉(zhuǎn)速329.9 r/min、輸送速度0.36 m/s，最優(yōu)參數(shù)組合下剝麻機的鮮莖出麻率5.17%、原麻含雜率1.13%。為利于作業(yè)參數(shù)的調(diào)試，對優(yōu)化后的作業(yè)參數(shù)進行圓整：剝麻間隙4.0 mm、滾筒轉(zhuǎn)速330 r/min和輸送速度0.36 m/s，此時的鮮莖出麻率為5.17%、原麻含雜率為1.13%。

3.4 樣機生產(chǎn)試驗

3.4.1 試驗方法

為了驗證各指標(biāo)模型預(yù)測的準(zhǔn)確性及樣機最優(yōu)參數(shù)組合條件下整機作業(yè)質(zhì)量，開展驗證生產(chǎn)試驗。試驗時，每次試驗剝制1 000 kg苧麻莖稈，重復(fù)4次，結(jié)果取平均值；驗證Box-Behnken試驗中數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和優(yōu)化結(jié)果的可靠性，測定樣機剝麻的工作效率，檢測樣機作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.4.2 試驗結(jié)果與分析

于2020年7月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所國家種質(zhì)長沙苧麻圃進行苧麻剝麻生產(chǎn)試驗，樣機剝麻試驗如圖8所示，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 驗證試驗結(jié)果

最優(yōu)參數(shù)組合條件下，模型驗證試驗鮮莖出麻率為5.04%，原麻含雜率為1.18%，評價指標(biāo)與其模型預(yù)測值的相對誤差分別為2.5%和4.4%，均小于5%，表明模型預(yù)測準(zhǔn)確可靠，參數(shù)優(yōu)化精準(zhǔn)度高。樣機生產(chǎn)效率為142 kg/h，為目前市場上應(yīng)用的小型苧麻剝麻機的15倍；鮮莖出麻率達到5.04%，滿足設(shè)計要求。剝制纖維的原麻含雜率1.18%和原麻含膠率22.85%，均達到二等苧麻纖維等別；束纖維斷裂強度4.56 CN/dtex和剝制纖維長度大于1 000 mm，滿足國標(biāo)規(guī)定的一級精干麻指標(biāo)要求；外觀上，苧麻纖維等別鑒定達到二等；剝制的纖維質(zhì)量符合紡織企業(yè)和市場的要求。

4 結(jié) 論

為實現(xiàn)苧麻纖維高效剝制，基于橫向喂入式剝麻技術(shù)的作業(yè)特點，結(jié)合苧麻剝麻的工藝要求，設(shè)計了一款連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機。該機分段依次完成苧麻莖稈基部和梢部端纖維剝制；采用柔性夾持輸送裝置，保障對莖稈和纖維的夾持力且不損傷纖維；不改變苧麻莖稈運行方向?qū)崿F(xiàn)苧麻整稈纖維的剝制，縮小整機尺寸且提高整機剝制纖維的效率。

1）建立了連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，得到了最優(yōu)參數(shù)組合：剝麻間隙4.0 mm、滾筒轉(zhuǎn)速330 r/min和輸送速度0.36 m/s?；趦?yōu)化參數(shù)進行苧麻剝麻的生產(chǎn)驗證試驗，結(jié)果顯示：鮮莖出麻率5.04%、原麻含雜率1.18%，各指標(biāo)與模型預(yù)測值的相對誤差均小于5%，驗證了預(yù)測模型的正確性。

2）生產(chǎn)試驗結(jié)果表明：整機生產(chǎn)率142 kg/h，達到設(shè)計指標(biāo)要求；苧麻纖維的含膠率為22.85%，束纖維斷裂強度為4.56 CN/dtex，滿足《苧麻》國家標(biāo)準(zhǔn)二等苧麻纖維等別。

連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻作業(yè)可一次完成莖稈喂入輸送、基部纖維剝制、換端夾持、梢部纖維剝制和纖維輸出共5個工序；完成生產(chǎn)樣機的參數(shù)優(yōu)化與生產(chǎn)驗證試驗，為苧麻全自動剝麻機提供了技術(shù)支撐。但本研究的剝麻機是針對未碾壓的苧麻莖稈進行剝麻，勻麻和喂麻均是人工完成，后續(xù)將系統(tǒng)開展苧麻莖稈的切稍裝置、勻麻裝置、碾壓裝置、自動喂麻裝置和接集麻裝置等連續(xù)作業(yè)裝置的研究，以期實現(xiàn)苧麻剝麻的全程自動化作業(yè)，進一步提高整機的作業(yè)工效。

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Research and development of continuous clamping and delivering ramie decorticator

Xiang Wei, MaLan, Liu Jiajie, Yan Bo, Qiu Huajiao, Lyu Jiangnan※

(,,410205,)

A feasible and fully automatic ramie decorticator was designed in the transverse-clamping delivery using the characteristics of ramie fiber decorticating, further to alleviate the ramie fiber stripping with high labor intesity. The decorticator implemented the fiber decorticating for the base and top of the ramie stalk in sequence. The flexible clamping and conveying of ramie stalk and fiber were adopted to ensure the clamping force without damaging the fiber. Without changing the conveying direction of ramie stalks, the whole ramie stalk fiber was stripped, indicating that the small size of machine was used to realize the fully automatic fiber decorticating of ramie. 5 steps were completed in a decorticator, including stalk feeding and conveying, base fiber decorticating, changing clamping, top fiber stripping, and fiber output once for all. The key components included the clamping and conveying device, the fiber decorticating device, and the end-change clamping device. The optimal ranges of key parameters were determined on the quality of ramie decorticating. Taking the decorticating clearance, drum and conveying speed as the influencing factors, mathematical models were developed for the fiber percentage of fresh stem and the impurity rate of ramie fiber. A combination of optimal parameters was achieved to clarify the influence of operating parameters on the ramie fiber decorticating. A multi-objective optimization was carried out in the Box-Behnken test. The results indicated that: There was a significant effect of decorticating clearance, drum speed and conveying speed on the fiber content of fresh stems and the impurity rate of raw fiber. The model interaction of decorticating clearance and drum speed also posed a great impact on the fiber content of fresh stems and the impurity rate of raw fiber. Moreover, there were obvious coupling effects of experimental factors on the fiber content of fresh stem and the impurity rate, but not a simple linear relationship. In the multi-objective parameter optimization, the optimal parameters were determined for ramie fiber decorticating: the decorticating clearance of 4.0 mm, drum speed of 330 r/min, and conveying speed of 0.36 m/s. A validation test of ramie fiber decorticating was carried out under the optimized conditions. The results demonstrated that the fiber content of fresh stem was 5.04% and the impurity rate of raw fiber was 1.18%, where the relative errors of indicators and the model predictions were less than 5%, indicating a high accuracy of prediction model. The productivity of machine was up to 142 kg/h, beyond the design specifications. The gum content of raw fiber was 22.85%, and the bundle breaking tenacity of ramie was 4.56 CN/dtex, indicating that the fibers of decorticating machine were suitable for the national standards of second class ramie fiber. The finding can provide a theoretical basis and technical support for the fully automatic ramie decorticator.

decorticator; ramie; fiber; clamping and delivering;fiber percentage of fresh stalk; impurity rate of raw fiber

向偉，馬蘭，劉佳杰，等. 連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(1)：19-27.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.003 http://www.tcsae.org

Xiang Wei, Ma Lan, Liu Jiajie, et al. Research and development of continuous clamping and delivering ramie decorticator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 19-27. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.003 http://www.tcsae.org

2020-10-28

2020-12-18

國家麻類產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目（CARS-16-E21）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程（CAAS-ASTIP-2017-IBFC06）；湖南省重點研發(fā)計劃項目（2018NK2065）；湖南省自然科學(xué)基金面上項目（2019JJ40333）

向偉，博士，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機械創(chuàng)新設(shè)計及理論。Email：xwxblg@163.com

呂江南，研究員，主要從事麻類剝制加工機械及麻產(chǎn)品加工技術(shù)研究。Email：yjljn@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.003

S225.99

A

1002-6819(2021)-01-0019-09