假莖回收式香蕉莖葉粉碎機的設計

李金燐，張喜瑞，李　粵，梁　棟

(海南大學 機電工程學院，海口　570228)

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假莖回收式香蕉莖葉粉碎機的設計

李金燐，張喜瑞，李粵，梁棟

(海南大學 機電工程學院，海口570228)

摘要：香蕉假莖含有較高的營養成分，若回收利用將是一種巨大的植物資源。目前，國內研制的香蕉秸稈粉碎機大多為假莖粉碎后直接還田，而對其粉碎后回收的機器研究很少。為此，設計了一種假莖回收式香蕉莖葉粉碎機，確定了其總體設計方案及主要部件的結構。該機分為假莖粉碎機構和蕉葉粉碎機構兩部分，主要由切稍裝置、螺旋扶莖裝置、雙圓盤式假莖切斷裝置、升降裝置、傳送裝置、假莖粉碎裝置、輸送通道、葉片粉碎裝置和假莖碎片收集裝置等組成，將香蕉假莖粉碎、假莖碎片回收及蕉葉粉碎還田集于一體。該機的設計為香蕉莖葉資源利用設備的研發提供了可行的新型機型，為后續香蕉假莖的深加工利用儲備了必要的技術。

關鍵詞：香蕉莖葉；粉碎；回收；分類處理

0引言

香蕉是世界上貿易最大的水果之一，我國的種植區域主要分布在廣東、廣西、福建、臺灣、云南和海南等地，收獲面積超過524.44萬hm2，總產量超過901.04萬t[1-3]。近年來，我國一直保持在世界香蕉總產量前3名的位置。生產香蕉的同時也產生了大量香蕉莖葉和皮等殘次物。長期以來，果皮及莖葉作為廢棄物，既浪費資源又污染環境。

香蕉莖葉中可溶性碳水化合物和維生素的含量較豐富，葉中粗蛋白含量也較高，各種無機元素和部分微量元素(如Ca、Mg、P、K等)的含量尤為豐富，總糖含量較粗蛋白和粗脂肪更高[4-5]。香蕉莖稈和葉片等廢棄物可作為一種豐富的植物資源，有著較高的營養價值和開發價值，在新型飼料、制藥、能源化利用、食用菌栽培及造紙等行業都有著巨大的應用潛力。合理利用香蕉莖葉資源，可以創造很大的經濟效益，還可以避免環境污染[6-8]。

目前常見的香蕉假莖處理方法[9-10]為人工處理，具有成本高、勞動強度大、占用土地資源及影響環境衛生等缺點；同時，處理方式簡單落后，造成了香蕉葉莖資源的巨大浪費。研制香蕉莖葉的回收或處理設備可極大地促進香蕉資源回收利用技術的發展和環境保護的進步。現今我國香蕉莖葉處理技術仍然不成熟，在采用現有機械作業時仍要付出很大的人力勞動，而且工作環境很差，整體設備僅算是半機械化，在將香蕉莖葉收割、粉碎、回收集為一體的設備上仍為空白。針對已存在的問題，研制將香蕉莖稈收割、粉碎、回收集為一體的機具，并同時解決香蕉莖稈粉碎還田機械功耗大、易被纏繞等問題，可為香蕉莖葉資源的利用提供一定的理論依據。

1結構與工作原理

1.1整機結構

根據蕉園香蕉樹株距約為1 800mm、行距約為2 200mm的種植方式，以及香蕉樹高2 200～2 700mm、蕉葉為位于離香蕉根部1 500mm以上部分、葉長1 800～2 000mm等物理特性，設計了假莖回收式香蕉莖葉粉碎機。該機分為假莖粉碎機構與蕉葉粉碎機構兩部分。其中，假莖粉碎機構主要由切稍裝置、螺旋扶莖裝置、雙圓盤式假莖切斷裝置、升降裝置、傳送裝置及假莖粉碎裝置等組成，實現香蕉樹葉稍的切斷與拋灑以及假莖的切斷與粉碎功能，側掛于拖拉機右側；蕉葉粉碎機構主要由假莖碎片收集裝置及葉片粉碎裝置等組成，實現對前面工序假莖碎片的收集及香蕉葉片的粉碎還田功能，拖掛于拖拉機后端；兩部分由輸送通道連接，輸送通道用于將假莖碎片輸送至收集料斗。假莖粉碎機構如圖1所示，蕉葉粉碎機構如圖2所示。

1.螺旋扶莖裝置　2.雙圓盤切割裝置　3.傳送裝置

1.料斗　2.液壓馬達

1.2工作原理

設計的假莖回收式香蕉莖葉粉碎機通過懸掛裝置分別側掛于拖拉機右側和拖掛于拖拉機后端。作業時，切稍裝置首先接觸香蕉葉片，由切稍圓盤刀將葉稍切斷，然后在撥稍輪的作用下將其拋至拖拉機前方。螺旋扶莖裝置接觸香蕉假莖后，將輕微倒伏的香蕉假莖扶起，由雙圓盤式切斷裝置將香蕉假莖從根部切斷；被切斷的假莖在螺旋扶莖裝置、提升輪和刀盤上螺旋軌道的共同作用下傳送至輸送輪上，通過輸送輪假莖被運輸到假莖粉碎裝置，并由其進行粉碎，粉碎后的假莖碎片最后由輸送通道進入位于拖拉機后端的收集料斗；與此同時，在前面工序中被拋于拖拉機前方的蕉葉，被料斗下面的蕉葉粉碎裝置粉碎還田。粉碎機各部件均由液壓馬達配合傳動裝置驅動。

2假莖粉碎機構關鍵部件設計

2.1切稍裝置

由于香蕉葉片較大(長度可達200～235 cm)、含水量較高，不便于整體傳輸粉碎，因此采用先將其切斷拋于地上，然后由后續裝置進行粉碎還田的方案。根據香蕉葉的生長方式(位于距香蕉樹根部約1 500 mm以上部分)及其物理特性[11-12](含有較多纖維且體積較大)，設計合理的切稍裝置。該切稍裝置由圓盤刀、撥稍輪及液壓馬達等部件構成，如圖3所示。該裝置在液壓升降裝置的作用下可實現高度調節，以適應不同高度的葉稍。

1.液壓馬達　2.撥稍輪　3.刀盤

切稍圓盤刀設計為鋸齒式，采用防腐性能較好的T12高素碳鋼制成。經試驗，綜合考慮切割效率與結構的剛度和緊湊性，對于無支承的回轉式切割器，切割速度選擇25～50 m/s；針對香蕉葉片較脆、易被薄片式切割器切割等特點，結合功率消耗的考慮，設計刀盤半徑為300mm、刀片厚為3mm、切割時刀片線速度為25m/s。

刀軸轉速[13]計算公式為

(1)

其中，n1為切稍圓盤刀轉速(r/min)；vd為切稍圓盤刀的切割線速度(m/s)；vm為切稍圓盤刀的進給速度(此處取值0.02 m/s，可忽略不計)(m/s)；r1為刀片內端點的半徑(m)。

代入數據，由式(1)可得n1=796.2r/min，取值800r/min。

為避免被切斷的香蕉葉片直接掉落在假莖粉碎機前面，影響雙圓盤切割裝置對香蕉假莖的切割，需要將葉片撥開。因此，在切稍刀盤上部加裝撥稍輪，在葉稍被切斷的同時將其撥至拖拉機前方，也可利于蕉葉的后續處理。撥稍輪采用三角形結構，與刀盤相配合，選用外接圓直徑為500mm的三角形結構；為適應較大的香蕉葉片，設計為上下兩組，下方撥稍輪裝配在距離刀盤50 mm處的上部，兩撥稍輪間距為260mm。撥稍輪由厚度為8 mm的結構鋼制成，均采用焊接方式固定于刀軸上。

2.2螺旋扶莖裝置

香蕉假莖切斷后，為使莖稈平穩地輸送到后續傳送裝置，設計了螺旋扶莖裝置，以對莖稈提供夾持力，對輕微倒伏的假莖進行扶持[14]。螺旋扶莖裝置主要部件為兩平行螺旋滾筒，如圖4所示。其中，螺旋滾筒軸選用半徑為45 mm碳鋼制成，輥筒軸上焊接直徑為150mm螺旋刀片，其動力由液壓馬達經傳送帶輪傳遞。為實現裝置扶莖效果，經試驗，取螺旋滾筒長為1 700mm、與地面傾角為60°～70°；所設計的螺旋刀片還能對假莖進行初步割破。

1.機架　2.螺旋輥

由于香蕉假莖直徑在250～300mm范圍內，螺旋滾筒軸軸間距為

a=2r2+d

(2)

其中，r2為螺旋滾筒軸直徑(m)；d為香蕉莖稈直徑(m)。

代入數據，計算可得：a=340～390mm。為避免香蕉假莖直徑過小而影響夾持效果，a取值為340 mm。

2.3雙圓盤式假莖切斷裝置

雙圓盤式假莖切斷裝置直接影響假莖粉碎機的總體性能、效率、功耗和工作可靠性，是整個機構最重要的部分之一。雙圓盤式假莖切斷裝置由切斷圓盤刀、螺旋軌道、刀軸及齒輪箱組成，如圖5所示。其動力由液壓馬經齒輪箱傳遞。

切斷圓盤刀是對香蕉假莖進行切割的直接部件，香蕉假莖直徑一般在250～300mm之間，莖干較粗，不能一次性切斷，將其設計為兩個鋸齒圓盤刀組合式，以提高切斷效率。綜合考慮切斷效率與功率消耗因素，結合整機尺寸，圓盤刀設計為直徑400mm、厚度3mm。根據試驗，設計切割線速度為25m/s，其轉速為

(3)

其中，n2為圓盤刀轉速(r/min)；vd′為切稍圓盤刀的切割速度(m/s)；vm′為切稍圓盤刀的進給速度(m/s)；r3為刀片內端點的半徑(m)。

代入數據，計算得圓盤刀轉速為1 194 r/min，取值1 200 r/min。切斷過程中，為使裝置更為省力，取圓盤刀與地面呈7°傾角安裝；同時，為盡量降低割茬高度，并兼顧刀具的安全性(主要指不要切到土壤、石塊等雜物)，設計時取與地面安裝距離為10 mm；兩圓盤刀軸中心距設計為400mm，且兩刀裝配于同一平面，以保證兩刀以相同的速度和相同的割深進行切割，避免出現卡刀現象。

1.固定螺母　2.切斷圓盤刀　3.螺旋軌道

2.4傳送裝置

香蕉假莖較為粗大，質量較重，因此在傳送過程中對香蕉假莖應保持適當的夾緊力，同時傳送裝置承載能力應比較強，文中選用傳送輪輸送方案。為有效提高傳送輪與香蕉假徑間的摩擦力，傳送輪采用具有一定彈性的橡膠材料，設計為中間可容納香蕉假莖的凹槽式，如圖6所示。

傳送輪裝配時應適當縮小間距，以保持對假莖的夾緊力。結合香蕉假莖直徑，取輸送輪間預留間隙250mm，傳送輪裝配軸間距為

b=c+2h

(4)

其中，b為裝配間距(mm)；c為預留縫隙值(mm)；h為輸送輪圓弧最低點距離其軸線長度(mm)。

代入數據，計算可得傳送輪裝配軸間距為330 mm。同時，為加強其承重能力輸送輪數量應較多，本文設計為以5組。為使香蕉假莖順利喂入輸送裝置，前3組輸送輪交錯布置，且其中第1組中1個傳送輪設計為齒狀特殊結構，用作提升輪，總體布置如圖7所示。

圖6　假莖傳送凹輥三維示意圖

圖7　傳送輪結構布置示意圖

綜合考慮假莖粉碎機構整體結構和傳送便利性，設計時取傳送裝置與地面傾角為30°～35°，總體長度為2.8～3.0 m。各滾筒轉速為

(5)

其中，n2為滾筒轉速(r/min)；r4為輸送輪最小處半徑，取r4=0.06m；v為切碎裝置進給速度，取v=0.2m/s。

代入數據，可得滾筒轉速為113r/min。動力由單獨的液壓馬達提供，各滾筒間采用帶傳動。

2.5假莖粉碎裝置

假莖切碎裝置是假莖粉碎機構中最關鍵的部分，不但影響假莖切碎合格率，也影響著整體機器的效率和工作連續性，因此應保證假莖切碎裝置的高效率、低功耗和連續作業性能。針對香蕉假莖粗大、富含纖維類物質的特點，該假莖粉碎裝置主要包括圓盤鋸齒刀、防堵料裝置兩部分，如圖8所示。其中，粉碎刀設計為圓盤鋸齒式，且將多把該粉碎刀交錯布置于具有一定夾角的兩軸上。

假莖粉碎裝置由具有一定夾角轉軸上的多把圓盤鋸齒刀交錯布置組成。影響粉碎效果的主要因素有：刀盤組合兩轉軸間的夾角、刀盤數量與交叉程度。結合具體香蕉假莖直徑和香蕉假莖粉碎后的農藝要求，設計時選用4組8把直徑為380mm、厚度3mm的圓盤鋸齒刀分別布置于兩轉軸上，兩轉軸夾角取20°，此時切碎機構功耗較小。防堵料裝置是為了將殘留在刀盤間的香蕉假莖碎片及時卸載下來，由3條直徑為12mm、長為1 150mm的鋼筋焊接在角鐵上制成，用M10螺栓擰緊在機架上。經試驗，當刀盤轉速為180r/min時，其效率約為0.35hm2/h，機構功率約3kW。

1.圓盤鋸齒式粉碎刀　2.放堵料裝置

3蕉葉粉碎機構關鍵部件設計

3.1假莖碎片收集裝置

由于香蕉假莖較長，導致假莖粉碎機構整體較長，從而引起帶動假莖粉碎機構的拖拉機轉彎不便。為此，將假莖碎片收集裝置掛接在拖拉機后上方，與葉片粉碎裝置構成蕉葉粉碎機構。假莖碎片收集裝置主構架用方管鋼和角鋼焊接而成，中間用薄鐵皮焊接，以減輕質量；考慮到多次裝卸切割碎片會降低作業效率，將料斗容量適當做大，以減少裝卸次數；料斗與拖拉機采用平行四桿仿形機構鉸接。

3.2葉片粉碎裝置

香蕉葉片表面積大、含水率高，且葉片大部分較薄，含有少量纖維，容易被打斷或切碎；但葉片梗較硬，纖維含量也較高，不易被打斷，因而此處選用薄刀片將其切碎。

在前面工序中，香蕉葉片已經被切斷拋于拖拉機前方，此處參考立式旋耕器，在料斗箱下部加裝刀片，將葉片粉碎還田。葉片粉碎裝置包括薄片粉碎刀、齒輪箱和動力源(液壓馬達)，如圖2所示。葉片粉碎裝置主要由3組刀具組成，每組刀具由4把刀片上下交錯裝配[15-16]。刀片采用彎刀形式，但為加工方便，也考慮到其應用性能，將其結構簡化：將彎道外側整體制作為弧形刀刃，弧線形狀采用阿基米德螺線，彎刀最大半徑為150mm、刀片寬度15mm、厚度5mm，每把刀間距40 mm，最下部刀片距離地面20 mm，以保證盡量不漏掉香蕉葉片，也不會切到小型雜物。

4結論

1)以香蕉假莖粉碎回收、蕉葉粉碎還田的不同處理方式為思路，結合其物理特性，設計了假莖回收式香蕉莖葉粉碎機。假莖纖維量豐富、徑粗且大，采用粉碎回收的手段，對應為側掛于拖拉機右側的假莖粉碎機構；較長且分散的香蕉樹葉片采用先割斷、再由后續的葉片粉碎刀直接粉碎還田的方式，對應為拖掛于拖拉機后方的蕉葉粉碎機構。這種針對同一作物不同部分的不同特性，選擇合理的處理方式(收集或還田)，能較大程度地利用資源。

2)側掛式機構使整機結構較為復雜，可能會產生阻礙駕駛人員視野的問題。另外，由于切段香蕉假莖過程中，拖拉機行進速度要求不能太快；而非工作狀態為提高效率，又要求其以較高的速度行駛，致使整個過程需頻繁改變拖拉機行進速度，易造成駕駛員的疲勞。

3)從功耗方面來看，采用薄的圓盤鋸齒刀相比傳統的甩切打碎方式，其粉碎率雖然偏低，但功率的消耗能大大降低。但是，由于香蕉種植密度較低，粉碎刀作業過程中仍然有部分刀處于空轉狀態，耗費了不必要的功率，該方面后續還需進一步改進。

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The Development of Recycling Type Banana Leaf Shredder

Li Jinlin, Zhang Xirui, Li Yue, Liang Dong

(School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

Abstract：Banana straw contains high nutrition, if recycling will be a huge plant resources, current domestic development of banana stalk shredder mostly straw shattered after returning directly, and the little research that is shattered after the recycling machine. Aiming at this problem, we design a false stem recycling type crusher, banana leaf describes the overall design of the machine and structure of the main components. This machine is divided into false stem shattered institutions and two parts in crushing mechanism, is mainly composed of a cutting device, spiral rotary device, double disc type false stem cutting device, lifting device, transmission device, fake stem crushing device, transmission channel, blade grinding device and banana straw debris collection device and so on, banana stem shattered, stem fragments recovery, in crushing counters-field set in one body. This machine design for the banana leaf resource utilization equipment research and development provides a feasible new models, for subsequent processing of banana false stem use reserve the necessary technology.

Key words：banana stalk and leaves; crushing; recycling; classification processing

文章編號：1003-188X(2016)04-0066-05

中圖分類號：S224.1+49

文獻標識碼：A

作者簡介：李金燐(1995-)，男，重慶人，本科學生，(E-mail)365966822@qq.com。通訊作者：張喜瑞(1981-)，男，山東臨沂人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)zhangxirui_999@sina.com。

基金項目：國家公益性行業(農業)科研專項(201503136)；國家自然科學基金項目(51105123)；2013年度中西部高校提升綜合實力工作資金“大學生創新創業訓練計劃基金項目”(ZXBJH-07)

收稿日期：2015-04-14