園藝景觀型香蕉樹立式切片機設計與試驗

劉 靜，張久雷

(1.廣東職業(yè)技術學院藝術設計系，廣東 佛山528041； 2.廣東職業(yè)技術學院機電工程系，廣東 佛山528041)

0 引言

香蕉樹是優(yōu)良的多年生常綠大型草本觀賞植物，其生長速度快，假莖粗壯，葉片寬大，花穗、掛果周期長，樹形優(yōu)美，可全年觀賞；可于食用、吸塵、凈化、改善生態(tài)環(huán)境為一體，具有極高的園藝景觀和農業(yè)科技觀光旅游的推廣價值[1]。為不影響來年新的香蕉樹重新生長和有效降低原發(fā)病害的概率，每年采果后，都要砍掉原香蕉樹、及時清理香蕉樹干。但香蕉樹干是由葉片的葉鞘層層互相緊密疊裹而成的假莖，多層緊貼螺旋式互生，葉片長、大而寬，高度一般在2～5 m，直徑200～400 mm，含水量高達90%，不能直接燃燒，且香蕉莖稈分布零散、體積大、整條收集勞動強度高、運輸成本高，缺乏適應的機械化處理技術，目前除了少部分用作飼料、造紙、繩索、編織物、食用菌栽培、切碎肥還田及燃料外，大部分作為廢棄物被棄置[2-4]。

為解決因整條香蕉樹干體積大、收集搬運勞動強度高等問題，本文提出一種新的香蕉樹干回收利用預處理模式，即香蕉樹砍倒分段、切片后續(xù)回收壓榨脫水、收集利用，以此模式研發(fā)了一種液壓驅動型的機械化切片機構并進行了可行性試驗。

香蕉樹的機械化切片、切散的預處理是降低人工勞動強度、提高搬運儲存效率和后續(xù)脫水、整理、貯運、資源回收利用的關鍵，對香蕉樹開發(fā)回收再利用具有重要實際意義。

1 設計原理

1.1切割刀具的選用

切割刀具是香蕉樹切片的重要工作部件，它選擇的是否合理，對切片質量、功率消耗及機器運轉均勻程度都有直接影響。根據香蕉樹主要成分為纖維且含水量較多、易切斷而不是被打斷的物料特點，切割刀具易選用薄而小且旋轉式切割，可使其切割穩(wěn)定，切割阻力矩變化均勻。結合加工工藝，刀片的互換性、通用性及標準性，本文切片總體設計方案中的切割刀具采用生產上標準化的、鋸木材用的圓盤鋸齒刀。

1.2總體設計方案

根據香蕉樹干特點和切片回收利用的要求，香蕉樹立式切片機的切片方案是由多把圓盤鋸齒刀背刀交錯布置于2條動力軸上，2條動力軸放置同一水平面且成一定夾角、相向轉動，以此帶動圓盤刀相向轉動切割，2條動力軸由液壓動力源提供旋轉動力[5]?？傮w切片設計方案如圖1所示。

1.安裝板 2.機架 3.動力軸 4.香蕉樹干 5.切片刀具圖1 總體切片方案設計Fig.1 Scheme of overall slice

2 切片組合虛擬仿真與方案確定

2.1典型切片組合的虛擬仿真與分析

由于影響切片組合的各個因素未定，組合方案也難以確定。因此，需要按照一定的方式方法步驟并借助CAD軟件建立虛擬樣機、仿真出幾種典型的切片組合方案，然后再測算研發(fā)出合適的切片組合方案[6-8]。具體模擬仿真設計的方法步驟如下。

根據走訪蕉農和實地香蕉樹干測量數據，暫以兩動力軸近端距離300 mm為設計依據，用CAD軟件建立虛擬樣機、仿真出幾種典型的切片組合方案，具體模擬方法如圖2所示。

(1)一條動力軸豎直固定，另一動力軸變化角度(變化幅度為5°、10°、15°、20°、30°)。

圖2 模擬仿真設計的方法步驟Fig.2 Methods and steps of simulation design

(2)兩動力軸等角度變化(變化幅度為5°、10°、15°、20°)。

(3)兩動力軸不等角度變化(變化幅度為5°、10°、15°、20°)。

(4)兩動力軸等角度(10°)，切片刀具大小均勻變化(變化幅度45.72、50.80、55.88和60.96 cm)。

2.2切片組合分析與確定

通過測算上述典型的切片虛擬組合方案，可以研究分析出切片方案特點。

(1)當兩動力軸上安裝同等大小的切片刀具時，隨著兩動力軸夾角的增大，兩軸上切片刀具間的交叉距離越來越小。60.96 cm切片刀具安裝到傾斜角度為5°和20°時的虛擬仿真圖如圖3所示。以如圖3所示的切片刀具之間的投影面積S1、S2、S3、S4為測算區(qū)段，測算60.96 cm切片刀具安裝到不同傾斜角度的動力軸上時的投影面積，如表1所示。表1中5°、10°、15°、20°代表的是單條動力軸傾斜角度，60.96代表60.96 cm切片刀具。

圖3 相同刀具安裝在動力軸不同傾斜角度上的虛擬圖Fig.3 Simulation of cutting tool installed on different inclination angles of power shaft

表1 60.96 cm切片刀具安裝在動力軸不同傾斜角度時，其測算區(qū)間的投影面積

通過表1可以看到，除60.96 cm切片刀具安裝在傾斜角度為5°的動力軸上時，切片刀具間的投影面積越來越大，即S1≤S2≤S3≤S4，且增加的幅度越來越??；其他安裝到相同傾斜角度的動力軸上時，切片刀具間的投影面積越來越小，即S1≥S2≥S3≥S4，且減小的幅度越來越大。其中，當動力軸傾斜角度為5°時，投影面積變化幅度最小，傾斜角度為20°時，變化幅度最大。

(2)如圖3所示，圖中投影面積是S1其所對應切片刀具組合中切片刀具間距最大的區(qū)段，即理論上是香蕉樹最大的切片區(qū)段。表2是大小不同的切片刀具安裝在不同傾斜角度動力軸上時，切片刀具間的最大投影面積S2測量數據。

表2 大小不同的切片刀具安裝在不同傾斜角度動力軸上時的最大區(qū)間投影面積

通過表2可以看到，大小不同的切片刀具安裝在相同傾斜角度動力軸上時，切片刀具間的最大投影面積S1測量數據是隨著切片刀具大小的增大而增大；大小不同的切片刀具安裝在不同傾斜角度動力軸上時，其對應的切片刀具間的最大投影面積是隨著傾斜角度增大而呈先增大后減小的趨勢。其中，當取動力軸傾斜角度為5°、切片刀具50.80 cm時，最大投影面積達到最小為4 435 mm2，最大間距達到最小為28 mm；當取動力軸傾斜角度為15°，60.96 cm切片刀具時，最大投影面積達到最大為18 018 mm2，最大間距達到最大為90 mm。

根據以上切片刀具虛擬仿真組合規(guī)律測算，本文選取10片型號為50.80 cm(直徑508 mm，孔徑30 mm，厚度2 mm，質量3.2 kg，72齒)的圓盤鋸齒刀作為該切片機構試驗所用的切割道具，并選用兩動力軸夾角10°的切片刀具組合，可滿足切片工藝要求。

3 切片機構可行性試驗

3.1切片刀具切割能力試驗

試驗臺如圖4所示，先后把1把、2把、3把、4把切片刀具均勻布置在動力軸上。試驗時，香蕉樹試樣與切割刀具的位置關系如圖4a所示，不同刀具數量切割時的位置如圖4b所示。在一定試驗條件(切片刀具速度180 r/min，香蕉樹段直徑170 mm)下進行1把、2把、3把、4把刀具的單因素切片可行性試驗。試驗結果表明，不同數量的圓盤鋸齒刀均可以對香蕉樹進行切片作業(yè)，圓盤鋸齒刀作為切割刀具可行。

圖4 切片刀具切割能力試驗臺Fig.4 Cutting capacity test

3.2切片機構切割能力試驗

試驗臺如圖5所示，香蕉樹試樣與切割器的位置關系中，香蕉樹橫放進行徑向切片試驗如圖5a所示，香蕉樹豎直放進行軸向切片試驗如圖5b所示。在一定試驗條件(切片刀具速度180 r/min，香蕉樹段直徑170 mm)下進行徑向切片和軸向切片可行性試驗，切片效果如圖5c、圖5d所示。觀察試驗結果表明，切片機構對不同放置方向和位置的香蕉樹都可以進行切片作業(yè)，而且沿著軸向切割更省力，切片機構設計方案可行。

圖5 切片機構切割試驗臺及切片效果Fig.5 Slicing mechanism test and slicing effect

4 樣機制作與功率試驗

4.1樣機制作

根據軸向切片比徑向切片省力的試驗結果，制作了立式切片機構樣機，如圖6所示，主要由傳動系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機架等組成。傳動部分主要有動力軸、液壓馬達、傳送喂料裝置等。切割系統(tǒng)部分主要由10把圓盤鋸齒刀背刀交錯布置于2條動力軸上構成，2條動力軸放置同一水平面且成一定夾角、相向轉動?？刂葡到y(tǒng)由液壓馬達控制切片刀具轉速部分和直流電機控制傳送喂料裝置部分。機架主要由鋁合金異型材、直角三角連接件和M8的螺栓配合構成，對整個試驗臺起支撐作用。

1.喂料裝置 2.機架 3.液壓馬達 4.扭矩傳感器 5.圓盤鋸齒刀 6.直流電機圖6 香蕉樹立式切片機構樣機Fig.6 Vertical slice prototype

工作時，通過液壓馬達驅動兩個動力軸做低速旋轉運動，從而帶動兩個動力軸上的切片刀具作相向旋轉運動，此時香蕉樹由喂料裝置送入到兩排由交互相錯布置的圓盤鋸齒刀組成的輥子之間的切割區(qū)域，由轉動的圓盤鋸齒刀連續(xù)不斷地進行切割，從而達到香蕉樹切片作業(yè)的目的。液壓控制系統(tǒng)傳動方案原理如圖7所示。

4.2功率試驗

4.2.1試驗方法

為了研究香蕉樹切片樣機的結構參數、運動參數和香蕉樹直徑對功耗的影響，采用單因素重復試驗的方法，探索功耗和各因素之間的規(guī)律。

試驗時，香蕉樹試樣與切片刀具位置關系如圖8所示，通過液壓馬達驅動兩動力軸的轉動，從而帶動切片刀具旋轉工作，通過液壓工作站調速閥調節(jié)切割器的切割轉速。利用直流電機控制傳送帶速度從而控制喂料速度。使用數據轉換卡和自制的數據采集器測出扭矩傳感器電壓數據，再通過對扭矩傳感器進行標定，確定出扭矩和電壓關系，最后利用相關軟件對數據整合處理，計算出樣機功率。

圖7 切片機構液壓傳動方案Fig.7 Hydraulic system transmission plan schematic

圖8 香蕉樹干試樣與切割刀具位置Fig.8 Banana tree and cutting tool position

4.2.2試驗因素與水平

試驗是以樣機切片功率消耗為試驗測試指標，選取傳送喂料速度、香蕉樹直徑、動力軸轉速和動力軸夾角為試驗因素[9-10]。具體試驗因素與水平如表3所示。

表3 試驗因素與水平

4.2.3樣機切片功率計算模型

(1)

式中P——樣機切片功率，W

n——動力軸轉速，r/min

液壓馬達的輸出扭矩分為4部分，如圖9所示，第1部分為啟動階段A，第2部分為空轉階段B，第3階段為工作階段C，第4階段為停止階段D。C階段為液壓馬達正常切片工作時的輸出功率，即工作功率，其輸出扭矩按平均值計算，即按下列公式計算

Mi——工作階段采集點扭矩，N·m，i=1，2，3，…，n

n——工作階段采集數據的個數

Xi——扭矩傳感器電壓，V

圖9 扭矩輸出示意Fig.9 Torque output diagram

4.2.4樣機切片功率影響試驗結果與分析

(1)動力軸夾角對切片功率的影響

在一定試驗條件(傳送喂料速度0.17 m/s、香蕉樹干直徑146 mm、動力軸轉速200 r/min、香蕉樹試樣長度800 mm)下，設置不同的動力軸夾角角度(16°、20°、24°)，分別進行樣機切片功率試驗，其最大啟動功率、最大切片工作功率、平均工作功率和空轉功率的試驗結果如表4所示。從表4中可以看出，樣機切片工作功率隨著動力軸夾角的增大呈先減小后增大的趨勢。在動力軸夾角角度16°增大到20°的過程中，樣機切片工作功率有降低的趨勢，在動力軸夾角角度20°增大到24°過程中，樣機切片工作功率有增大的趨勢。其中在動力軸夾角角度為20°時，工切片工作功率達到最小值為1 430 W。

表4 不同動力軸夾角對切片功率影響的試驗結果

(2)傳送喂料速度對切片功率的影響

在一定試驗條件(香蕉樹干直徑146 mm、動力軸轉速200 r/min、動力軸夾角角度20°、香蕉樹試樣長度800 mm)下，設置3個不同的傳送喂料速度(0.06、0.11和0.17 m/s)，分別進行樣機切片功率試驗，其最大啟動功率、最大切片工作功率、平均工作功率和空轉功率的試驗結果如表5所示。從表5中可以看出，樣機切片工作功率隨著傳送喂料速度增大而呈減小的趨勢。其中在傳送喂料速度為0.17 m/s時，切片功率達到最小值為1 430 W。

表5 不同傳送喂料速度對切片功率影響的試驗結果

(3)香蕉樹直徑對切片功率的影響

在一定試驗條件(傳送喂料速度0.17 m/s、動力軸轉速200 r/min、動力軸夾角角度20°、香蕉樹試樣長度800 mm)下，設置3個不同的香蕉樹直徑(123、146和168 mm)，分別進行樣機切片功率試驗，其最大啟動功率、最大切片工作功率、平均工作功率和空轉功率的試驗結果如表6所示。從表6中可以看出，樣機切片工作功率隨著香蕉樹直徑增大而增大。其中，在香蕉樹直徑123 mm時，切片功率達到最小值為1 668 W。

表6 不同香蕉樹直徑對切片功率影響的試驗結果

(4)動力軸轉速對切片功率的影響

在一定試驗條件(傳送喂料速度0.17 m/s、香蕉樹干直徑146 mm、動力軸夾角角度20°、香蕉樹試樣長度800 mm)下，設置3個不同的動力軸轉速(180、190和200 r/min)，分別進行樣機切片功率試驗，其最大啟動功率、最大切片工作功率、平均工作功率和空轉功率的試驗結果如表7所示。從表7中可以看出，樣機切片工作功率隨著動力軸轉速增大而增大。其中，在動力軸轉速為180 r/min時，切片功率達到最小值為1 264 W。

表7 不同動力軸轉速對切片功率影響的試驗結果

5 結論

本文根據香蕉樹的物料特性和回收利用的要求，研發(fā)了一種香蕉樹機械化切片、切散的預處理裝置，為后續(xù)脫水、整理、貯運、資源回收利用等提高了作業(yè)效率，并降低了人工勞動強度，對香蕉樹開發(fā)回收再利用具有重要實際意義。該切片裝置主要特點如下。

(1)切片裝置是由多把圓盤鋸齒刀背刀交錯布置于2條動力軸上，2條動力軸放置同一水平面且成一定夾角、相向轉動，以此帶動切片刀具相向轉動切割。

(2)樣機工作功率試驗結果表明，該樣機切片功率較小，配置6 kW的動力源即可實現(xiàn)切片工作要求。

(3)由于試驗條件和時間的關系，本文沒有對香蕉樹切片樣機的其他運動參數和結構參數進行研究，對切片功率的影響因素也沒有進行多因素正交試驗，因此本文只是初步探討了影響切片功率試驗的部分因素，其試驗結果仍可為香蕉樹機械化切片、切散回收再利用的機具設計開發(fā)提供參考依據。