雙刀式單滾筒剝麻機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周韋，呂江南，向偉，馬蘭，劉佳杰，段益平，胡垚，顏波

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南長(zhǎng)沙 410221)

苧麻是我國(guó)傳統(tǒng)的特色經(jīng)濟(jì)作物，其種植面積和產(chǎn)量均占世界總種植面積和總產(chǎn)量的90%以上[1-2]。苧麻莖稈為近似圓形桿狀結(jié)構(gòu)，從纖維剝制角度分析，苧麻莖稈由外向內(nèi)可粗略分為麻殼、韌皮纖維和麻骨3 部分，其中苧麻纖維具有防腐防菌、吸濕透氣、光潔自然等特點(diǎn)，在服裝家具、汽車內(nèi)飾、地膜及環(huán)保包裝等方面均有廣泛應(yīng)用，但只有經(jīng)過剝制去除麻骨、麻殼的原麻纖維才能供紡織行業(yè)使用。苧麻作為多年生宿根作物，全年可收獲3～4 次，而纖維剝制作業(yè)用工量占整個(gè)生產(chǎn)過程的60%左右，成本占苧麻原麻(粗制纖維)價(jià)格的50%左右[3-11]，嚴(yán)重制約了我國(guó)苧麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

為降低苧麻纖維獲取難度及成本，我國(guó)先后研制了簡(jiǎn)易刮麻器、反拉式剝麻機(jī)、直喂式剝麻機(jī)以及橫向喂入式剝麻機(jī)[12-17]。我國(guó)苧麻主要分布在四川、湖北、湖南和江西等省，多種植于丘陵山區(qū)且種植戶較分散，因此在實(shí)際生產(chǎn)中反拉式剝麻機(jī)因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧、剝麻質(zhì)量較好被廣泛應(yīng)用。但常用的反拉式雙滾筒剝麻機(jī)因噪音大、反拉力大、存在安全隱患等問題備受農(nóng)戶詬病，而直喂式剝麻機(jī)易出現(xiàn)滾筒纏麻、剝麻質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，橫向喂入式剝麻機(jī)因結(jié)構(gòu)龐大、能耗高等原因在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用也較少[18-21]。

為此，本試驗(yàn)在人力反拉式剝麻技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用單剝麻滾筒與支撐件間隙可調(diào)的配合方式，設(shè)計(jì)了一款雙刀式單滾筒剝麻機(jī)。通過對(duì)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)，確定影響剝麻質(zhì)量的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并開展苧麻纖維剝制試驗(yàn)，分析其實(shí)際工作性能，以期保證纖維剝制效果的同時(shí)有效降低噪音和減小反拉力。

1 總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)指標(biāo)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

雙刀式單滾筒剝麻機(jī)主要由喂料斗、剝麻滾筒、雙刀支撐件、動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)架等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，雙刀支撐件位于剝麻滾筒上方且保持一定間隙，并通過雙刀支撐件的內(nèi)置彈簧自適應(yīng)調(diào)節(jié)雙刀支撐件與剝麻滾筒之間的間隙。

圖1 雙刀式單滾筒剝麻機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of twin-cutters single-roller ramie decorticator

在剝麻機(jī)作業(yè)時(shí)，通過動(dòng)力帶動(dòng)剝麻滾筒旋轉(zhuǎn)，然后由操作者握住苧麻莖稈，將梢部從喂料斗送入剝麻滾筒與雙刀支撐件之間的間隙，完成苧麻莖稈的碾壓與破碎，隨后反向回拉苧麻莖稈，在剝麻滾筒和雙刀支撐件的共同作用下將麻骨和麻殼剝凈，最后手握苧麻莖稈已剝部分，將基部送入喂料斗后再抽出，完成基部纖維的剝制。

1.2 主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)苧麻纖維剝制質(zhì)量要求的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7699—1999 和湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)DB 43/T251—2004，經(jīng)檢測(cè)確定剝麻機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 樣機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of prototype

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

2.1 剝麻滾筒

剝麻滾筒主要由刮麻板、滾筒軸、側(cè)板軸套、滾筒側(cè)板等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。剝麻滾筒通過高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)苧麻莖稈的持續(xù)刮打，完成麻骨、麻殼的清除，其刮打作用主要表現(xiàn)為“打麻次數(shù)”及“打麻力度”。

圖2 剝麻滾筒示意圖Fig.2 Structural diagram of roller plate

為提高剝麻質(zhì)量，對(duì)剝麻滾筒作業(yè)參數(shù)進(jìn)行分析，其中滾筒直徑D主要影響滾筒對(duì)苧麻莖稈的打麻力度及滾筒防纏性能，刮麻板數(shù)量x影響打麻次數(shù)，滾筒轉(zhuǎn)速n影響打麻次數(shù)和打麻力度。根據(jù)前期試驗(yàn)研究及相關(guān)文獻(xiàn)[22]，選取滾筒直徑為320 mm，刮麻板數(shù)量為12 塊，剝麻滾筒轉(zhuǎn)速為800～1066 r/min。

2.2 雙刀支撐件

剝麻間隙為支撐件與刮麻板旋轉(zhuǎn)外圓之間的間隙，其大小是影響鮮莖出麻率和纖維含雜率的主要因素。為保證剝麻質(zhì)量，設(shè)計(jì)剝麻間隙可調(diào)的雙刀支撐件，主要由刀座、刀架滑塊、刀片I、刀片II、彈簧、上調(diào)節(jié)螺栓和下調(diào)節(jié)螺栓等組成。其中，彈簧安裝在刀架滑塊與上調(diào)節(jié)螺栓間，刀片I、刀片II 安裝在刀架滑塊上，且刀片I 先接觸莖稈完成碎莖作用，刀片II 后接觸莖稈完成剝制作用，如圖3所示。通過調(diào)節(jié)下螺栓保證剝麻間隙的初始值，滿足最佳剝麻間隙；調(diào)節(jié)上螺栓改變彈簧的預(yù)壓力，實(shí)現(xiàn)有效碎莖與較佳的剝制效果，并可根據(jù)苧麻莖稈喂入量自適應(yīng)調(diào)整剝麻間隙。

圖3 雙刀支撐件示意圖Fig.3 Structural diagram of twin-cutters supporting parts

2.2.1 刀片安裝角

刀片安裝角度對(duì)麻殼刮凈率、纖維損傷率、喂料難易度等均有影響，刀片順滾筒旋轉(zhuǎn)方向傾斜，安裝角為正；刀片逆滾筒旋轉(zhuǎn)方向傾斜，安裝角為負(fù)，如圖4所示。當(dāng)?shù)镀惭b角為正時(shí)，在麻稈喂入過程中刀片對(duì)麻稈的作用力使麻稈遠(yuǎn)離剝麻滾筒，增大苧麻莖稈喂入難度，且麻稈反拉時(shí)刀片的刮削作用弱。因此，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)刀片安裝角為負(fù)，保證纖維剝制質(zhì)量并方便苧麻莖稈喂入。

圖4 刀片安裝角示意圖Fig.4 Structural diagram of blade angle

2.2.2 彈簧壓力

在喂麻過程中，由刮麻板旋轉(zhuǎn)打擊和刀片的共同作用實(shí)現(xiàn)苧麻莖稈的破碎，以刀架滑塊為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，如圖5所示。刀架滑塊受自身重力(mg)、彈簧對(duì)刀架滑塊的壓力(P)、刀座對(duì)刀架滑塊的摩擦力(Ff)、苧麻莖稈對(duì)刀架滑塊支撐力(FT)、刀座對(duì)刀架滑塊的支撐力(FN1及FN2)的作用。

若刀架滑塊與刀座底面處于剛分離狀態(tài)，即FN1＝0，則:

式中:P為彈簧壓力，N；mg為刀架滑塊自身重力，取值50 N；μ為鋼材間摩擦系數(shù)，取值0.15。其中，刀片厚度設(shè)計(jì)值為8 mm，則兩把刀片與苧麻莖稈接觸長(zhǎng)度略為20 mm。根據(jù)前期苧麻莖稈徑向壓縮試驗(yàn)可知，長(zhǎng)度為20 mm 的苧麻莖稈最大屈服力為15.38 N，而苧麻莖稈單次喂入量一般為5 根，故要將所有莖稈擠壓破碎，需提供的壓力應(yīng)不小于76.9 N。

由式(1)可得:彈簧壓力P≥23.3 N。

其中，壓縮彈簧的彈簧常數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系為:

式中:k為彈簧系數(shù)，N/mm；G為剪切彈性模量，MPa；d為線徑，mm；n為有效圈數(shù)；D為中徑，mm。

本試驗(yàn)選取彈簧材質(zhì)為不銹鋼(G＝7300 MPa)，中徑D＝12 mm，線徑d＝2 mm，有效圈數(shù)n＝4.5，則k＝1.88 N/mm。

2.3 喂料斗

為了操作安全，防止人手被帶入滾筒，設(shè)計(jì)喂料斗開口高度為25 mm。在實(shí)際喂料過程中，一般將苧麻莖稈緊貼喂料斗底板喂入，且苧麻莖稈束高度不超過20 mm。而在喂料斗底板水平放置時(shí)，苧麻莖稈喂入時(shí)可能抵在刀片I 上，阻礙苧麻莖稈進(jìn)入剝麻滾筒與支撐件之間的間隙，增加喂入難度。因此，通過將喂料斗底板斜置，降低莖稈束頂部位置高度，使莖稈束從刀片I 下方通過，如圖6所示。其中，喂料斗底板斜置應(yīng)滿足公式:

圖6 喂料斗位置示意圖Fig.6 Structural diagram of feed hopper position

式中:h為喂入苧麻莖稈束高度，取值20 mm；y為刀片I 工作面與喂料斗底板在豎直方向的距離，15 mm；x為刀片I 工作面與喂料斗底板在水平方向的距離，40 mm；α為喂料斗傾角，(°)。

由式(3)求得:α≥7.13°，設(shè)計(jì)取值α＝10°。

3 剝麻性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為檢測(cè)雙刀式單滾筒剝麻機(jī)的工作性能，于2023年5月25日在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所沅江石磯湖基地進(jìn)行了樣機(jī)試驗(yàn)，測(cè)量并計(jì)算剝麻機(jī)作業(yè)的鮮莖出麻率和纖維含雜率。試驗(yàn)選用第一季成熟期“中苧1 號(hào)”苧麻莖稈，莖稈長(zhǎng)度處于1600～1800 mm，莖稈距基端10 cm 處直徑處于12～14 mm。

試驗(yàn)用主要儀器設(shè)備:雙刀式單滾筒剝麻機(jī)、TC20K-HB 型電子秤(量程20 kg，精度0.1 g)、XMA-600 型電熱鼓風(fēng)干燥箱、HY126 型聲級(jí)計(jì)、游標(biāo)卡尺、卷尺、塞規(guī)等。

3.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

3.2.1 Box-Behnken 試驗(yàn)

根據(jù)關(guān)鍵部件參數(shù)分析及前期試驗(yàn)，選取滾筒轉(zhuǎn)速、刀片安裝角和彈簧壓力作為試驗(yàn)因素。試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 因素水平表Table 2 Level coding table

采用Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究滾筒轉(zhuǎn)速、刀片安裝角和彈簧壓力對(duì)剝麻作業(yè)性能的影響。試驗(yàn)時(shí)，每次剝制20 kg 苧麻莖稈，重復(fù)3 次，取平均值。

3.2.2 測(cè)定指標(biāo)

根據(jù)DB 43/T 251—2004《苧麻剝麻機(jī)技術(shù)條件》和GB/T 7699—1999《苧麻》，結(jié)合樣機(jī)實(shí)際作業(yè)情況確定剝麻機(jī)的工作性能，通過鮮莖出麻率和纖維含雜率的大小來評(píng)價(jià)。計(jì)算方法如下:

式中:Z為鮮莖出麻率，%；Wr為含水率14%的苧麻纖維質(zhì)量，kg；Wj為去葉后的苧麻莖稈質(zhì)量，kg；I為纖維含雜率，%；W1為纖維試樣質(zhì)量，g；W2為纖維試樣除雜后質(zhì)量(清理纖維上的麻骨、麻屑、麻葉等)，g；E為生產(chǎn)率，kg/h；t為剝麻時(shí)間，h。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

采用Design Expert 軟件的優(yōu)化模塊求解得出剝麻機(jī)的最優(yōu)參數(shù)組合，試驗(yàn)方案和結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Experimental design and results

3.3.2 回歸模型建立與顯著性分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，分別建立鮮莖出麻率E、纖維含雜率I與各試驗(yàn)因素之間的回歸模型，得到回歸方程為:

由表4、5 可知:鮮莖出麻率、纖維含雜率的模型P值分別為P＜0.000 1、P＝0.008 8，均小于0.01，模型擬合度極顯著，說明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；失擬項(xiàng)P值分別為P＝0.147 0、P＝0.180 8，均大于0.05，模型失擬項(xiàng)不顯著，說明無失擬因素存在，可用該回歸方程替代真實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果分析。另外，由F值的大小可知，各因素之間的獨(dú)立及交互作用都會(huì)對(duì)響應(yīng)值產(chǎn)生影響，各因素對(duì)鮮莖出麻率影響的顯著性順序?yàn)锳＞C＞B2＞B＞C2＞AB＞BC＞A2＞AC，各因素對(duì)纖維含雜率影響的顯著性順序?yàn)锳＞A2＞B＞C＞B2＞AB＞AC＞BC＞C2。

表4 鮮莖出麻率方差分析Table 4 Variance analysis of fiber percentage of fresh stalk

表5 纖維含雜率方差分析Table 5 Variance analysis of impurity rate of raw fiber

3.3.3 響應(yīng)面分析

設(shè)定B＝0，得出交互因素AC對(duì)鮮莖出麻率的影響規(guī)律；設(shè)定C＝0，得出交互因素AB對(duì)纖維含雜率的影響規(guī)律，如圖7所示。由圖7(a)可知，在滾筒轉(zhuǎn)速A、彈簧壓力C對(duì)鮮莖出麻率Z的交互作用中，2 個(gè)因素對(duì)交互作用影響均較大，在A＝800 r/min 且C＝25 N 時(shí)，鮮莖出麻率最大；由圖7(b)可知，在滾筒轉(zhuǎn)速A、刀片安裝角B對(duì)纖維含雜率I的交互作用中，2 個(gè)因素對(duì)交互作用影響均較大，在A＝1060 r/min，且B＝10°時(shí)，纖維含雜率最小。

圖7 響應(yīng)曲面圖Fig.7 Response surface diagram

3.3.4 參數(shù)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為獲得雙刀式單滾筒剝麻機(jī)的最佳作業(yè)參數(shù)組成，運(yùn)用軟件的Optimization 功能，以鮮莖出麻率最高、纖維含雜率最低為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)2 個(gè)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化求解。建立目標(biāo)函數(shù)與各參數(shù)變量的約束條件，如式(8)所示:

根據(jù)約束條件對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，得到剝麻機(jī)的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合:滾筒轉(zhuǎn)速1021.94 r/min、刀片安裝角12.69°及彈簧壓力25 N，對(duì)優(yōu)化后的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行取整處理，即滾筒轉(zhuǎn)速1020 r/min、刀片安裝角13°及彈簧壓力25 N，此作業(yè)參數(shù)組合下剝麻機(jī)的鮮莖出麻率為5.1%、原麻含雜率為0.9%。

為了測(cè)試優(yōu)化后剝麻機(jī)的工作性能，選擇優(yōu)化試驗(yàn)中同批次同處理的苧麻莖稈50 kg，進(jìn)行剝麻試驗(yàn)并測(cè)定樣機(jī)生產(chǎn)率及環(huán)境噪音。為消除隨機(jī)誤差，進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，取3 次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，得到試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。試驗(yàn)測(cè)得生產(chǎn)率為12.25 kg/h，背景噪音約為64 dB，鮮莖出麻率為4.98%，纖維含雜率為0.93%，評(píng)價(jià)指標(biāo)與其模型預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差分別為2.4%和3.3%，均小于5%，表明模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確可靠。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，雙刀式單滾筒剝麻機(jī)滿足湖南省地方標(biāo)準(zhǔn)鮮莖出麻率≥4.0%、纖維含雜率≤1.5%的要求，剝制纖維質(zhì)量達(dá)到二等機(jī)剝苧麻要求，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，同時(shí)與市場(chǎng)應(yīng)用較廣的反拉式雙滾筒苧麻剝麻機(jī)(4BM-260 型苧麻剝麻機(jī))相比，生產(chǎn)率無明顯差異，但背景噪音大幅度減小[10]。

表6 參數(shù)優(yōu)化組合試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test results of optimized parameter combination

4 結(jié)論

為保證纖維剝制效果的同時(shí)有效降低噪音和減小反拉力，設(shè)計(jì)了一款雙刀式單滾筒剝麻機(jī)，通過改變雙刀和剝麻滾筒的相對(duì)位置完成對(duì)苧麻莖稈的碾壓破碎、去骨刮殼。利用雙刀支撐件的內(nèi)置彈簧調(diào)節(jié)雙刀的初始位置和壓力，實(shí)現(xiàn)不同喂入量時(shí)剝麻間隙的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

試制剝麻機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，并以滾筒轉(zhuǎn)速、刀片安裝角和剝麻間隙為試驗(yàn)因素，以鮮莖出麻率和纖維含雜率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了剝麻機(jī)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用F值檢驗(yàn)得到了各因素對(duì)鮮莖出麻率影響程度的高低順序均為滾筒轉(zhuǎn)速、彈簧壓力、刀片安裝角，各因素對(duì)纖維含雜率影響程度的高低順序均為滾筒轉(zhuǎn)速、刀片安裝角、彈簧壓力。

運(yùn)用Design-Expert 軟件的Optimization 工具進(jìn)行參數(shù)組合尋優(yōu)，得到的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為滾筒轉(zhuǎn)速1020 r/min、刀片安裝角13°、彈簧壓力25 N，此時(shí)鮮莖出麻率為5.1%、原麻含雜率為1%?；趦?yōu)化參數(shù)進(jìn)行剝麻驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明:雙刀式單滾筒剝麻機(jī)的鮮莖出麻率為4.98%，纖維含雜率為0.93%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，剝制纖維質(zhì)量達(dá)到二等機(jī)剝苧麻要求，滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，同時(shí)樣機(jī)生產(chǎn)率為12.25 kg/h，背景噪音約為64 dB。