劈麻反拉式苧麻剝麻機(jī)的設(shè)計(jì)

朱炯光 郭克君

（1.佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 528137 ；2.國(guó)家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江哈爾濱 150086）

苧麻俗稱(chēng)“中國(guó)草”，是我國(guó)傳統(tǒng)的特色農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物，在我國(guó)有著近4700 年的種植歷史，目前其種植面積和產(chǎn)量分別占世界總種植面積和總產(chǎn)量的90%以上[1-3]。

苧麻每年可收剝3 次～4 次，纖維收剝的用工量大。目前苧麻纖維收剝作業(yè)占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中用工量的80%左右，而且剝麻的成本約占整個(gè)收剝作業(yè)的60%以上[4,5]。苧麻纖維的剝制歷來(lái)是個(gè)難題，必需經(jīng)過(guò)剝制加工獲得苧麻纖維才能供麻紡企業(yè)使用。

目前，國(guó)內(nèi)苧麻剝麻機(jī)以滾筒式為主，通過(guò)在滾筒上安裝L 型刀片擠壓打碎麻骨，利用旋轉(zhuǎn)滾筒的間隙將麻骨去除以保留麻纖維。滾筒式苧麻剝麻機(jī)的兩個(gè)最大的缺點(diǎn)是麻條損耗大，打碎的麻骨易殘留在麻纖維里。這兩個(gè)問(wèn)題造成打出的苧麻纖維品質(zhì)等級(jí)低，達(dá)不到收購(gòu)苧麻纖維公司的一等品標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)農(nóng)戶(hù)收入造成影響，從市場(chǎng)和種植戶(hù)來(lái)說(shuō)需要有新的苧麻剝麻機(jī)器去解決苧麻纖維品質(zhì)等級(jí)低的問(wèn)題。

為解決這個(gè)問(wèn)題，考慮到農(nóng)村勞動(dòng)力不足，結(jié)合PLC 技術(shù)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)劈麻反拉式新型苧麻剝麻機(jī)。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)苧麻桿條的自動(dòng)去骨和剝皮，而且其反拉脫骨可以去除整根麻骨，有效地解決了碎麻骨殘留麻纖維和麻條損耗大這兩個(gè)問(wèn)題。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

圖1 劈麻反拉式新型苧麻剝麻機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

劈麻反拉式新型苧麻剝麻機(jī)分為送麻劈麻部分和反拉部分。送麻劈麻部分由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、自定心劈麻刀具、帶式壓麻機(jī)構(gòu)等組成，主要完成對(duì)喂入的麻條進(jìn)行前期處理（劈開(kāi)后的麻條呈上方麻骨下方麻皮的狀態(tài)），便于反拉脫皮動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)。反拉部分由Z 軸組件、夾麻去皮機(jī)構(gòu)、直線(xiàn)滑軌等組成，主要完成將麻皮脫離麻骨的動(dòng)作。劈麻反拉式新型苧麻剝麻機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 工作原理

當(dāng)苧麻條喂入劈麻送麻部分后，苧麻條先沿軸線(xiàn)被“自定心劈麻刀具”單側(cè)劈開(kāi)，并被轉(zhuǎn)動(dòng)膠輥壓平，此時(shí)其上方是麻骨，下方是麻纖維和麻皮。

待劈好的苧麻條傳送到Z 軸組件中的偏心夾麻裝置處并啟動(dòng)限位開(kāi)關(guān)后，就將開(kāi)始進(jìn)行反拉。具體的動(dòng)作是偏心夾麻裝置夾住苧麻條然后進(jìn)行上下垂直和左右水平移動(dòng)。偏心夾麻裝置在啟動(dòng)限位開(kāi)關(guān)后夾住苧麻條再垂直向下移動(dòng)，目的是將麻骨折斷，使麻骨與麻纖維開(kāi)始分離。此時(shí)，偏心夾麻裝置夾住的是帶麻纖維的麻皮，再通過(guò)左右水平移動(dòng)，徹底使麻骨與麻纖維分離。

2 反拉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

反拉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路來(lái)源于純手工剝苧麻。純手工剝出的苧麻條沒(méi)有麻骨殘留，也沒(méi)有麻條長(zhǎng)度的損失，直接就達(dá)到了一等品的要求。這些優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)存的滾筒式苧麻剝麻機(jī)所不具備的。根據(jù)苧麻的麻骨與麻纖維的力學(xué)性能不同，考慮機(jī)械設(shè)計(jì)，將純手工剝麻動(dòng)作分解為三步。這三步分別是苧麻條沿中軸線(xiàn)被劈裂、將劈裂后的苧麻條折斷、夾住苧麻纖維進(jìn)行反拉。根據(jù)分解出的動(dòng)作，結(jié)合機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，設(shè)計(jì)出了反拉機(jī)構(gòu)。反拉機(jī)構(gòu)由Z 軸組件、直線(xiàn)齒條機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠機(jī)構(gòu)、嚙合齒輪等組成，劈裂的動(dòng)作通過(guò)自定心刀具來(lái)實(shí)現(xiàn)；夾麻動(dòng)作是通過(guò)偏心夾麻裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)；反拉動(dòng)作是通過(guò)長(zhǎng)短線(xiàn)性滑軌來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 計(jì)算壓縮距離

通過(guò)夾麻伺服電機(jī)的扭矩、苧麻莖稈的平均徑向圓周、苧麻莖稈的平均壓縮彈性模量可以得到壓縮距離4 mm。苧麻展平后的平均厚度為3.56 mm，壓縮距離大于平均厚度，所以偏心夾麻裝置可以把麻骨夾緊。

2.2 計(jì)算拖動(dòng)阻力

通過(guò)夾麻伺服電機(jī)的扭矩、濕草和鋼之間的摩擦系數(shù)可得到拖動(dòng)阻力為29.4 kg，一根麻條約重0.6 kg，所以偏心夾麻裝置在反拉過(guò)程中始終夾緊麻條[6]。

3 自動(dòng)反拉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

反拉剝麻控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)剝麻機(jī)反拉去骨等各工序的協(xié)同配合作業(yè)，整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作部分是由偏心夾麻裝置和伺服電機(jī)組成的;控制部分由控制器、驅(qū)動(dòng)器、變頻器和感應(yīng)開(kāi)關(guān)等組成。

控制系統(tǒng)與劈麻送麻工序配合運(yùn)行，完成設(shè)定的PLC 程序執(zhí)行。在本設(shè)計(jì)中送麻部分將苧麻條輸送到劈麻組合刀具實(shí)現(xiàn)單側(cè)劈裂并展平，到達(dá)偏心夾麻裝置的限位擋板后傳遞出啟動(dòng)信號(hào)。PLC 接收啟動(dòng)信號(hào)開(kāi)始運(yùn)作，使偏心夾麻裝置加緊苧麻條。然后，偏心夾麻裝置向下垂直移動(dòng)折斷麻條，在下降到預(yù)定位置時(shí)進(jìn)行水平方向的反拉以去除麻骨。反拉過(guò)程中的水平移動(dòng)距離通過(guò)安裝在齒條下面的梁上的2 個(gè)接近開(kāi)關(guān)來(lái)控制。

這三個(gè)動(dòng)作需要配合好，要保證接收到啟動(dòng)信號(hào)后能迅速且有效地完成相應(yīng)的動(dòng)作。

根據(jù)反拉剝麻控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選定三菱FX2n-24MT 型PLC 作為控制核心和8 寸的英威騰觸控屏作為顯示操作屏幕，整個(gè)硬件組成及控制面板；確定伺服電機(jī)預(yù)計(jì)的最大轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為脈沖量，來(lái)確定PLC 控制的范圍。其中：X 軸伺服電機(jī)（控制水平移動(dòng)），其工作速度為15000，單位為p/min；Y 軸伺服電機(jī)（控制垂直上下移動(dòng)），其工作速度為20000，單位為p/min；Z 軸伺服電機(jī)（控制偏心夾麻輥的轉(zhuǎn)動(dòng)），其工作速度為8000，單位為p/min。

4 結(jié)論

筆者提出了采用劈麻反拉的新型剝麻方式，設(shè)計(jì)出了一種劈麻反拉式苧麻剝麻機(jī)，經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn)，該型剝麻機(jī)剝麻效率500 根/小時(shí)，能滿(mǎn)足生產(chǎn)需要同時(shí)大福降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

劈麻反拉式苧麻剝麻機(jī)有效地解決了傳統(tǒng)苧麻剝麻機(jī)的碎麻骨殘留麻纖維和麻條損耗大這兩個(gè)問(wèn)題，并創(chuàng)新地發(fā)明了偏心夾麻裝置自動(dòng)反拉的剝麻方式，可讓麻骨整根與麻纖維分離，不損傷麻條。