香蕉秸稈切片裝置及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓浩定 張 燕 閆二樂(lè)

HANG Hao－ding ZHANG YanYAN Er－le

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228）

（College of the Mechanical and Electrical Engineering，Hainan University，Haikou，Hainan 570228，China）

香蕉在中美洲、西印度群島、南美洲、非洲、東南亞等熱帶及亞熱帶地區(qū)種植面積很廣，全球香蕉年產(chǎn)量約1億t，香蕉的巨大產(chǎn)量也伴隨著大量的香蕉莖葉副產(chǎn)物。香蕉秸稈可以用于加工飼料、作生產(chǎn)食用菌的基料、作纖維加工的原料和混合堆肥等，提高果農(nóng)收益，滿足低碳環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求［1］。香蕉秸稈切片處理的初加工密切關(guān)系到香蕉秸稈的再加工，最終影響秸稈資源的再利用和經(jīng)濟(jì)效益。香蕉秸稈切片機(jī)對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行切片處理，有利于香蕉秸稈的脫水和破碎，在香蕉秸稈回收利用的工業(yè)化進(jìn)程中扮演重要角色［2］。

切片機(jī)在醫(yī)學(xué)、食品行業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等均有廣泛的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)外主要研究的切片機(jī)的基本類型有5種，按其結(jié)構(gòu)可分為搖動(dòng)式切片機(jī)、輪轉(zhuǎn)式切片機(jī)、滑動(dòng)式切片機(jī)、推動(dòng)式（雪橇式）切片機(jī)、冰凍切片機(jī)。普通最常用的是輪轉(zhuǎn)式切片機(jī)。醫(yī)學(xué)方面，1939年Von Aidenne公司研制了一種旋轉(zhuǎn)式的超薄切片機(jī)。食品行業(yè)方面有Cine洋蔥切片機(jī)、黃姜切片機(jī)等，以及盤式砍切型和滑切型蓮藕切片機(jī)等。在制漿造紙行業(yè)，一般形式有刀盤式切片機(jī)、鼓式切片機(jī)、螺旋切片機(jī)等［3］。雖然，目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多種切片機(jī)，在醫(yī)學(xué)、食品、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、制漿造紙行業(yè)等均有廣泛的應(yīng)用，但是至今為止，還缺乏針對(duì)香蕉秸稈切片的秸稈切片機(jī)。為此設(shè)計(jì)出了一種用液壓傳動(dòng)和控制的香蕉秸稈切片機(jī)。采用液壓驅(qū)動(dòng)為刀具提供足夠大的切削力，可以一次性切削許多根香蕉秸稈，提高了效率；采用PLC數(shù)字控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，為自動(dòng)化農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展提供參考。

1 香蕉秸稈切片機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 香蕉秸稈結(jié)構(gòu)成分及加工工藝分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)［4］，香蕉假莖高150～500 cm、直徑10～32 cm，主要成分纖維素的含量約55.59%，膠質(zhì)含41.95%。香蕉秸稈呈粗大圓柱狀，由螺旋式互生葉片的葉鞘一層層疊裹而成。香蕉假莖的葉片長(zhǎng)而寬，其解剖結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，分為蠟質(zhì)層、上表皮、柵欄組織、海綿組織、維管組織和下表皮。根據(jù)香蕉假莖結(jié)構(gòu)特性分析，香蕉假莖主要由纖維素和膠質(zhì)組成，很難被打斷或打爛，但很容易被切斷［5］。因此設(shè)計(jì)香蕉秸稈切片機(jī)將香蕉秸稈切成片狀是可行的。

1.2 切片機(jī)結(jié)構(gòu)及其工作原理

如圖2所示，本機(jī)主要由機(jī)架、壓料機(jī)構(gòu)（圖3）、液壓缸、切片刀、切片臺(tái)進(jìn)給滾筒、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、齒輪齒條、超越離合器等組成。刀具運(yùn)動(dòng)方向與豎直方向呈15°。

其工作原理是將一定量的香蕉秸稈整齊擺放在進(jìn)給滾筒4上，啟動(dòng)機(jī)器，壓料機(jī)構(gòu)將物料壓緊后，液壓缸1驅(qū)動(dòng)切片刀3執(zhí)行第一次切片，然后刀具快速退回，接著壓料機(jī)構(gòu)松開(kāi)秸稈，液壓缸6驅(qū)動(dòng)齒輪齒條機(jī)構(gòu)7，通過(guò)超越離合器8使?jié)L筒4轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)水平布置的滾筒在鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)5的作用下同向轉(zhuǎn)動(dòng)，使物料進(jìn)給一定的長(zhǎng)度；壓料機(jī)構(gòu)再次壓緊物料，重復(fù)上述動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)切片。

圖1 香蕉假莖的葉片解剖結(jié)構(gòu)Figure 1 The anatomical structure of leaves of banana pseudostem

圖2 結(jié)構(gòu)與原理Figure 2 The structure and principle

圖3 液壓缸驅(qū)動(dòng)的壓料機(jī)構(gòu)Figure 3 The material pressing mechanism of hydraulic cylinder drive

如圖3所示，壓料機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)，活塞桿通過(guò)滑桿帶動(dòng)擺桿轉(zhuǎn)動(dòng)到一定位置，使得擺桿下端的滾筒壓緊香蕉秸稈，壓緊力豎直向下。進(jìn)給原理：進(jìn)給機(jī)構(gòu)運(yùn)用到液壓驅(qū)動(dòng)、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、超越離合器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒輪齒條機(jī)構(gòu)將液壓缸活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為超越離合器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)齒條做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，超越離合器的單向傳動(dòng)，帶動(dòng)水平滾筒單向轉(zhuǎn)動(dòng)，各個(gè)水平布置的滾筒在鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)5的作用下同向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，進(jìn)給量通過(guò)控制活塞桿行程來(lái)控制［6］，這個(gè)控制由可調(diào)節(jié)距離的行程開(kāi)關(guān)和PLC實(shí)現(xiàn)。

2 香蕉秸稈切片機(jī)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4為液壓傳動(dòng)系統(tǒng)圖。

圖4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Figure 4 The design of hydraulic system

工作原理：按下開(kāi)始按鈕后，5YA和7YA通電，液壓缸13執(zhí)行加緊動(dòng)作；當(dāng)壓力達(dá)到壓力繼電器10的設(shè)定值時(shí)，2YA通電，5YA斷電，液壓缸14執(zhí)行切片動(dòng)作，遇到行程開(kāi)關(guān)SQ1時(shí)，2YA斷電，1YA和6YA通電，刀具返回的同時(shí)夾緊機(jī)構(gòu)放松；然后控制1YA和6YA斷電，3YA通電，進(jìn)給物料；行程開(kāi)關(guān)SQ5控制3YA斷電，4YA和5YA通電，實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作和液壓缸12回程，行程開(kāi)關(guān)SQ4控制4YA斷電。然后循環(huán)上述動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)秸稈的連續(xù)切削。

3 香蕉秸稈切片機(jī)的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PLC（可編程序控制器）［7］是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的控制器，它能夠存儲(chǔ)和執(zhí)行指令，進(jìn)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算數(shù)運(yùn)算等操作，并通過(guò)數(shù)字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機(jī)械和生產(chǎn)過(guò)程。另外，PLC控制還具有可靠性高，功能性強(qiáng)等特點(diǎn)［8］，故本香蕉秸稈切片機(jī)的控制系統(tǒng)采用PLC控制。

3.1 PLC控制I／O地址分配

I／O地址分配見(jiàn)表1。

表1 I／O地址分配Table 1 I／O address assignment

3.2 PLC控制系統(tǒng)I／O接線圖

PLC控制系統(tǒng)I／O接線圖見(jiàn)圖5。

圖5 PLC控制系統(tǒng)I／O接線圖Figure 5 I／O wiring diagram of PLC control system

3.3 PLC程序梯形圖及其指令表

PLC程序梯形圖見(jiàn)圖6，其指令表見(jiàn)表2。

3.4 主要參數(shù)與性能指標(biāo)

（1）切割速度：≥6 m／s；

圖6 PLC程序梯形圖Figure 6 Ladder diagram of PLC programming

表2 PLC指令表Table 2 The PLC instruction sheet

（2）切割效率：≥92%；

（3）切割刀厚：15～35 mm；

（4）切割產(chǎn)量：600 kg／h；

（5）動(dòng)力配備：40.5 kW。

4 結(jié)論

該香蕉秸稈切片機(jī)采用斜切可以省力，采用液壓驅(qū)動(dòng)為刀具提供足夠大的切削力，可以一次性切削許多根香蕉秸稈，提高了效率；采用PLC數(shù)字控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，為自動(dòng)化農(nóng)工業(yè)機(jī)械的發(fā)展提供參考。香蕉秸稈切片機(jī)，效率高，切片質(zhì)量好，控制方便，有利于香蕉秸稈資源的有效利用，滿足現(xiàn)代社會(huì)低碳環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求，在未來(lái)有一定的發(fā)展前景。

1 張浩棟，張燕，曾小英，等.基于PLC的香蕉秸稈自動(dòng)打包機(jī)的設(shè)計(jì)和控制研究［J］.食品與機(jī)械，2013，29（4）：115～121.

2 楊華，許繼宏.香蕉副產(chǎn)品的凈化處理與綜合利用［J］.云南農(nóng)業(yè)科技，2006（4）：62～64.

3 朱德榮，常云朋.香蕉秸稈還田技術(shù)研究與裝備設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2012（1）：140～143.

4 韋傳寶，王吉文.香蕉假莖纖維成分的分析［J］.中國(guó)林副特產(chǎn)，2008（1）：16～18.

5 張久雷，李志偉.香蕉假莖切割過(guò)程中的力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2012（5）：174～176.

6 陳奎生.液壓與氣動(dòng)傳動(dòng)［M］.武漢：武漢大學(xué)出版社，2001.

7 袁琦，黃建清，王步來(lái).現(xiàn)代電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

8 陳海峰，張建寧，張翠珠.全自動(dòng)蘋果去皮機(jī)供料系統(tǒng)設(shè)計(jì)與PLC控制［J］.食品與機(jī)械，2009，25（1）：106～108，119.