雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)的設(shè)計(jì)

王 彬，蔣素清，張喜瑞

(1.江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械電子與信息工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海口 570228)

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雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)的設(shè)計(jì)

王 彬1，蔣素清1，張喜瑞2

(1.江蘇財(cái)經(jīng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械電子與信息工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，海口 570228)

針對(duì)我國(guó)香蕉莖稈纖維機(jī)械提取研究不足，現(xiàn)有設(shè)備纖維提取率低、含雜率高及能耗較高的現(xiàn)狀，基于纖維提取滾筒刮削機(jī)制，研究設(shè)計(jì)了雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)。該機(jī)采用兩個(gè)刮取滾筒異向轉(zhuǎn)動(dòng)的組合刮取方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)香蕉莖稈纖維的提取利用。試驗(yàn)表明：該機(jī)的生產(chǎn)效率平均為203.7kg/h，香蕉莖稈纖維提取率平均為89.7%，香蕉莖稈纖維提取的含雜率平均為16.1%，滿足了香蕉莖稈纖維提取的農(nóng)藝需求。

香蕉；纖維提??；刮削式；雙向

0 引言

我國(guó)是世界香蕉種植及產(chǎn)出大國(guó)，香蕉種植已成為我國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)發(fā)展的支柱性產(chǎn)業(yè)[1]。研究表明，在香蕉的生產(chǎn)種植過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生近乎等量的香蕉莖稈廢棄物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)香蕉莖稈廢棄物的生物總量約為3 500萬(wàn)t。然而，由于國(guó)內(nèi)外缺少針對(duì)香蕉莖稈廢棄物回收再利用的研究[2]，香蕉莖稈除少部分被加工成繩索、麻袋、手提包等物品外，大部分被當(dāng)作廢棄物就地焚燒或丟棄腐爛，不僅導(dǎo)致了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，也導(dǎo)致香蕉地細(xì)菌滋生、病蟲害傳播等危害[3-4]。

香蕉莖稈纖維是一種新型天然環(huán)保纖維，具有強(qiáng)度高、伸長(zhǎng)率小、回潮率大、質(zhì)量輕和透氣性強(qiáng)等特點(diǎn)[5]，若能通過(guò)機(jī)械加工提取利用，可有效緩解我國(guó)麻類資源不足的現(xiàn)狀。香蕉莖稈中含有豐富的植物纖維，每株香蕉樹最多可提取360～470g、最少可提取170～250g的香蕉莖纖維。若以每667hm2110株香蕉樹計(jì)算，2008年我國(guó)的香蕉莖纖維產(chǎn)量至少為7.15萬(wàn)～10.52萬(wàn)t、至多高達(dá)15.15萬(wàn)～19.78萬(wàn)t，約占全世界香蕉莖纖維年產(chǎn)量的9.89%[6]。

目前，香蕉莖稈纖維提取多采用傳統(tǒng)手工刮取和半機(jī)械喂入刮麻的方式[7]。由于傳統(tǒng)純手工刮取方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、采集時(shí)間長(zhǎng)、刮削效果差，不適宜大批量生產(chǎn)的實(shí)際要求。半機(jī)械喂入刮麻是采用人工將香蕉莖稈破片后，經(jīng)手工喂入小型刮麻機(jī)進(jìn)行提取纖維作業(yè)，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、機(jī)械功率消耗小、使用維護(hù)和轉(zhuǎn)移方便、場(chǎng)地占用面積小，以及提取出的纖維整齊、含雜率較低、殘?jiān)苫厥盏忍攸c(diǎn)[8]。但該方式需人工喂入香蕉莖稈和清洗香蕉莖稈纖維，生產(chǎn)效率較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)香蕉莖稈纖維的大規(guī)模提取加工利用。國(guó)內(nèi)研制的自動(dòng)刮麻機(jī)以縱向喂入為主，能夠連續(xù)完成香蕉莖稈的破片及后續(xù)刮麻作業(yè)，具有機(jī)械化程度高、纖維質(zhì)量好、含雜率低和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)[9]，但存在纖維提取率較低、能耗較高的問(wèn)題，仍需進(jìn)一步生產(chǎn)試驗(yàn)及改進(jìn)。

針對(duì)我國(guó)香蕉莖稈纖維機(jī)械提取研究不足及現(xiàn)有設(shè)備纖維提取率低和能耗較高的現(xiàn)狀，基于滾筒刮削機(jī)制，研究設(shè)計(jì)了雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)。該機(jī)采用兩個(gè)刮取滾筒異向轉(zhuǎn)動(dòng)的組合刮取方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)香蕉莖稈纖維的提取利用，能夠有效減少單個(gè)滾筒刮削莖稈導(dǎo)致的雜質(zhì)壓實(shí)，從而提高香蕉莖稈纖維提取率、降低含雜率，實(shí)現(xiàn)香蕉莖稈纖維的高效提取利用，提高香蕉種植產(chǎn)業(yè)附加值。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)為田間固定集中生產(chǎn)式，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)主要由莖稈輸送裝置、一級(jí)喂入裝置、一級(jí)刮削裝置、二級(jí)喂入裝置、二級(jí)刮削裝置、纖維輸出裝置、機(jī)架、電機(jī)及變速箱等機(jī)構(gòu)組成。雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)通過(guò)一級(jí)、二級(jí)刮削裝置完成對(duì)片狀香蕉莖稈的雙面刮削，能夠經(jīng)1次在田間實(shí)現(xiàn)良好的香蕉莖稈纖維提取作業(yè)。

1.莖稈輸入裝置 2.二級(jí)刮削裝置 3.一級(jí)刮削裝置 4.變速箱 5.二級(jí)喂入裝置 6.機(jī)架 7.纖維輸出裝置 8.一級(jí)喂入裝置 9.電機(jī) 10.刮板 11.刮筒

1.2 工作原理

工作時(shí)，電機(jī)為雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)提供動(dòng)力，待機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定后，將片狀香蕉莖稈放置于莖稈輸入裝置；隨后經(jīng)一級(jí)喂入裝置喂入一級(jí)刮削裝置，一級(jí)刮削裝置中刮筒逆時(shí)針高速旋轉(zhuǎn)完成對(duì)喂入莖稈的正面刮削；經(jīng)一級(jí)刮削后，香蕉莖稈纖維在自身重力作用下落入二級(jí)喂入裝置，在二級(jí)喂入裝置的作用下香蕉莖稈纖維喂入二級(jí)刮削裝置，二級(jí)刮削裝置中高速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的刮筒完成香蕉莖稈纖維的反面刮削；最后，提取出的纖維經(jīng)纖維輸出裝置輸出并收集，完成整個(gè)香蕉莖稈纖維提取作業(yè)過(guò)程。

1.3 纖維刮削原理

香蕉莖稈的纖維強(qiáng)度和柔性高于莖肉，當(dāng)片狀香蕉莖稈進(jìn)入刮筒和刮板之間的刮取間隙(間隙取值在3～6mm)時(shí)，刮刀隨刮筒高速旋轉(zhuǎn)并不斷地打擊和刮削香蕉莖稈，逐漸破壞莖稈表皮及其莖肉組織；被擊碎的莖肉碎渣與莖稈纖維分離或夾附在纖維之間，在刮刀打擊力和刮板反彈力的共同作用下，松軟的香蕉莖稈產(chǎn)生劇烈的波浪式振動(dòng)，抖出夾在纖維中間的莖肉碎渣，實(shí)現(xiàn)纖維與雜質(zhì)的分離。

香蕉莖稈在纖維刮取裝置中的刮削過(guò)程，如圖2所示。整個(gè)過(guò)程可分為6個(gè)階段：階段1為片狀香蕉莖稈經(jīng)喂入裝置逐漸進(jìn)入喂入裝置；階段2為片狀香蕉莖稈頂端進(jìn)入刮板與刮筒間的喂入口，且莖稈前端與高速旋轉(zhuǎn)的刮筒發(fā)生觸碰；階段3為片狀香蕉莖稈在刮筒上的刮刀作用下被帶入刀輥與刀板之間的間隙進(jìn)行打擊刮削；階段4為片狀香蕉莖稈被完全喂入，莖稈前部被刮削出的纖維束開始露出間隙外；階段5為片狀香蕉莖稈前部較長(zhǎng)的纖維束在氣流與刮筒的作用下進(jìn)行振動(dòng)，使纖維束上夾帶的莖肉碎渣被甩脫；階段6為輸出纖維束，刮削好的纖維束逐漸輸出到下一工位。

圖2 刮取裝置中纖維刮取過(guò)程示意圖

1.4 技術(shù)參數(shù)

雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

Table 1 Main technical parameters of the bidirectional skiving type fiber extractor

技術(shù)指標(biāo)單位參數(shù)外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)mm3040×1150×1670配套動(dòng)力kW7．6一級(jí)、二級(jí)刮筒轉(zhuǎn)速r/min≥1600生產(chǎn)率kg/h194纖維提取率%≥83纖維含雜率%≤21

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮筒是纖維提取機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，主要完成對(duì)香蕉莖稈的纖維刮取。刮筒主要由刮刀和筒板組成，如圖3所示。

2.1 刮筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刮筒轉(zhuǎn)速、刮刀數(shù)量是影響香蕉莖稈纖維提取率及含雜率的主要因素[10]。刮刀數(shù)量對(duì)香蕉莖稈纖維提取的影響主要體現(xiàn)在不同刮刀數(shù)量對(duì)莖稈的打擊頻率不同。當(dāng)刮筒轉(zhuǎn)速相同時(shí)，刮刀數(shù)量越多，莖稈被打擊的頻率越大，刮削更加均勻且提取出的香蕉莖稈纖維越完整、光滑。在香蕉莖稈纖維提取過(guò)程中，莖肉碎渣與纖維粘結(jié)在一起，需經(jīng)振動(dòng)脫渣才能得到較為純凈的纖維束。若刮刀數(shù)量過(guò)多，則刮筒上相鄰刮刀間的周向間距過(guò)小，不利于纖維提取過(guò)程中的振動(dòng)脫渣，從而導(dǎo)致提取出的香蕉莖稈纖維含雜率大幅升高。參考國(guó)內(nèi)GZ-390型香蕉莖稈纖維提取機(jī)[11]，沿刮筒圓周等間距均勻固接13把刮刀，刮刀選用規(guī)格為50mm×50mm的等邊角鋼制成；刮筒筒板直徑為390mm，刮筒回轉(zhuǎn)半徑為240mm。

圖3 刮筒結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 刮筒轉(zhuǎn)速n設(shè)計(jì)

不同的刮筒轉(zhuǎn)速n直接影響削刮刀對(duì)香蕉莖稈的打擊力和打擊頻率，進(jìn)而影響香蕉莖稈纖維提取率和含雜率。刮筒轉(zhuǎn)速n越大，香蕉莖稈所受的打擊力和打擊頻率越大，莖肉組織被擊碎的程度越大，且由于振動(dòng)頻率的增加，纖維束更易脫去莖肉碎渣，從而提高降低纖維含雜率；但當(dāng)刮筒轉(zhuǎn)速n過(guò)大時(shí)，過(guò)大的打擊力會(huì)拉斷香蕉莖稈纖維，降低香蕉莖稈纖維提取率。因此，刮筒轉(zhuǎn)速n為

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其中，v為刮筒的線速度(m/s)；r為刮筒的回轉(zhuǎn)半徑(m)。

經(jīng)試驗(yàn)，測(cè)得v的取值為39～47m/s時(shí)較為合理。同時(shí)，將刮筒回轉(zhuǎn)半徑r=0.240m帶入求解，可得刮筒轉(zhuǎn)速n的取值為1 550～1 890r/min，本設(shè)計(jì)選取n=1 800r/min。

2.3 傳動(dòng)設(shè)計(jì)

雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)由變速箱和帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成，如圖4所示。

1.電機(jī) 2.變速箱 3.二級(jí)刮筒 4.二級(jí)喂入輥 5.莖稈輸送輥 6.一級(jí)喂入輥 7.一級(jí)刮筒

電機(jī)的動(dòng)力輸入至變速箱進(jìn)行變速轉(zhuǎn)換，變速箱分兩路向外輸送動(dòng)力，分別傳遞至一級(jí)刮削裝置和二級(jí)刮削裝置，完成香蕉莖稈的纖維提取。其中，一路經(jīng)帶傳動(dòng)輸送至一級(jí)刮筒，一級(jí)滾筒的動(dòng)力經(jīng)皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸送給一級(jí)喂入輥，喂入滾筒通過(guò)皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)莖稈輸送輥轉(zhuǎn)動(dòng)；另一路經(jīng)皮帶傳動(dòng)輸送至二級(jí)刮筒，高速旋轉(zhuǎn)的二級(jí)刮筒經(jīng)皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)二級(jí)喂入輥轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 性能試驗(yàn)及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)條件

在海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室開展香蕉莖稈纖維提取試驗(yàn)，試驗(yàn)采用巴西蕉的莖稈，經(jīng)人工砍伐由破片機(jī)切割成片狀。試驗(yàn)用香蕉莖稈的基本情況如表2所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)的纖維提取測(cè)試結(jié)果，如表3所示。

表2 香蕉莖稈基本情況

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知：該機(jī)的生產(chǎn)效率平均為203.7kg/h，香蕉莖稈纖維提取率平均為89.7%，香蕉莖稈纖維提取的含雜率平均為16.1%。雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，操作安全可靠，能夠滿足熱區(qū)香蕉莖稈纖維的提取作業(yè)。

表3 香蕉莖稈物料特性參數(shù)

4 結(jié)論

1)基于滾筒刮削機(jī)制，研究設(shè)計(jì)了雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)。該機(jī)采用兩個(gè)刮取滾筒異向轉(zhuǎn)動(dòng)的組合刮取方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)香蕉莖稈纖維的提取利用。

2)雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機(jī)的纖維提取試驗(yàn)表明：生產(chǎn)效率平均為203.7kg/h，香蕉莖稈纖維提取率平均為89.7%，香蕉莖稈纖維提取的含雜率平均為16.1%，滿足香蕉莖稈纖維提取的農(nóng)藝需求。

該機(jī)的研制成功能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)香蕉莖稈纖維的提取利用，不僅能減少對(duì)環(huán)境的污染，同時(shí)還能夠?yàn)檗r(nóng)戶提供額外的農(nóng)業(yè)附加效益，有利于促進(jìn)我國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)可持續(xù)發(fā)展。

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Design of Bidirectional Skiving Type Banana Fiber Extracting Machine

Wang Bin1， Jiang Suqing1， Zhang Xirui2

(1.Faculty of Mechanical Electronic and Information Engineering，Jiangsu Vocational and Technical College of Finance & Economics , Huai’an 223003, China； 2.School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 270228, China)

According to the degree of mechanization, the extraction rate and the impurity rate of the banana stem fiber are not high, combined with banana stem scraping machine principle of work, bidirectional skiving type banana fiber extracting machine was designed with repeated simulation of the extraction process. The machine includes two feeding device, two scraping device and an output device. The banana stem piece on both sides can work continuously, scraping, high extraction efficiency and quality. To a certain extent, it is not only provides a feasible way for the extraction of banana mechanical fiber, but also play a positive role for the rational use of resources and the improvement of the environment.

banana; fiber extracting; skiving type； double-direction

2016-06-24

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51565010)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201503136)；海南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(20163038)

王 彬(1982-),男，山東日照人，碩士，(E-mail) binau@163.com。

S226.7+9

A

1003-188X(2017)08-0077-05