桑枝皮芯分離芯桿成粒聯合機的研制

2021-11-03 13:35:58陳伍彪任強勝

紡織科技進展 2021年10期

陳伍彪,任強勝,陳濤

(四川省絲綢科學研究院有限公司,四川成都610031)

桑樹枝條的皮和芯通過分離后,都具有較高的經濟價值。桑皮纖維是近年開發出的一種新型天然纖維素纖維,它既有棉纖維的特征,又有麻纖維的優點,其紡織產品符合人們對自然環保的全新追求,具有較好的市場認知度。而桑枝芯桿制成的粒料是制作高檔纖維板、造紙、菌類培養基等的優質材料,廣泛應用于房地產、家具、室內裝飾、包裝、食用菌等行業,具有極廣闊的應用前景。以往剝制桑皮大多是手工剝取,勞動強度大、效率低,因此桑枝條經常作為廢棄物被扔掉,其皮、芯的經濟價值未得到充分利用。也有人嘗試用其他剝皮機來剝制桑皮,但其皮芯分離率低且剝制的桑皮質量差。因此,受人力不足和剝制成本及剝取技術等的影響,桑皮剝取困難,質量參差不齊,制約了桑皮纖維項目的健康發展。研制了一種連續化生產桑枝皮芯分離芯桿成粒的聯合機,可以使桑枝條的皮芯分離和芯桿成粒在同一機器上實現,其產品無論是桑皮還是桑枝粒料都具有良好的市場開發應用前景,對推動產業健康發展和桑農增收具有重要意義。

1 總體設計方案

為了解決手工剝制桑皮勞動強度大、效率低和桑枝芯桿韌性好、難切斷以及現有剝皮機械針對性差、剝皮效率低、剝制的桑皮質量差等難點,研制了一套既能將皮與芯高效分離,又能將芯桿粉碎成不同規格的顆粒,且皮芯分離和芯桿成粒能在同一機器上進行的聯合機。經過多次對樣品進行試驗論證,桑枝皮芯分離且芯桿成粒主要工藝路線如圖1所示。

圖1 工藝路線圖

為滿足工藝要求,桑枝皮芯分離芯桿成粒聯合機分兩部分設計,即皮芯分離部分和芯桿成粒部分。皮芯分離采用輥壓震動和敲擊的方式實現,而芯桿成粒則采用先剪切后粉碎的方式實現,最后通過傳送機構和其他輔助機構將兩部分結合成整體,實現桑枝皮芯分離和芯桿成粒。設計方案如圖2所示。

圖2 桑枝皮芯分離芯桿成粒聯合機總體方案圖

2 關鍵機構設計

2.1 輸送機構和喂入機構

為了使桑枝順利進入桑枝預處理機構,設計了輸送機構和喂入機構。輸送機構為輸送帶,為防止桑枝條滾動,增加摩擦,輸送帶表面設計為帶草紋防滑,負責為桑枝提供向前的推動力;喂入機構(圖3)輔助桑枝對準刀片。喂入機構核心部件為與刀片相對應的5組固定擋片1、2和活動擋片。活動擋片為常閉狀態,當桑枝頂開活動擋片經過時,被活動擋片通過扭簧給的預緊力夾緊,從而能準確對準刀片,使得表面切口得以順利進行。

圖3 單組喂入機構示意圖

2.2 桑枝預處理機構

由于桑皮纖維具有較強的韌性,皮芯分離時桑皮容易纏繞在芯桿上。為了徹底達到皮芯分離,須將桑枝條進行預處理,經試驗證明沿桑枝條縱向表面劃一刀就能很好地解決這一問題。因此桑枝預處理機構確定由刀片和刀輥組成,通過刀片與刀輥的相互擠壓,實現沿著桑枝枝條方向形成一條切口。結構示意圖如圖4所示。

圖4 桑枝預處理機構結構示意圖

上刀輥帶動刀片與下輥旋轉使桑枝向前運動,在運動的同時,刀片進行桑枝表面切口。共設計了5組這樣的結構。同時,通過壓力彈簧的調節能實現上刀輥軸隨著桑枝直徑變化而上下運動,使不同直徑的桑枝表面縱向切口的位置及深淺達到理想狀態,使切口深淺基本一致。

2.3 壓枝機構

在預處理機構后采用了對輥擠壓方式的壓枝機構,壓枝機構主要采用三輥形式,由一套可上下活動的壓輥Ⅰ、兩套固定的壓輥Ⅱ與壓輥Ⅲ構成,2次擠壓、軸距遞減的三輥形式,如圖5所示。3個壓輥通過鏈輪提供動力,均為主動輥。壓輥Ⅰ可通過旋轉調節手柄調整壓輥之間的間隙,滿足不同桑枝直徑大小。在壓輥表面開有輥槽,以便壓輥在轉動的同時對喂入的桑枝有一個向內的牽拉作用,提高壓枝效果。

圖5 壓枝機構示意圖

桑樹屬于小喬木,根據對采下的鮮桑枝的測量,其直徑基本在15~25 mm范圍內。截取直徑為20 mm長度在40 mm枝條段,在含水率13(%wt)左右,但隨著時間的流逝,其含水率在逐步減小。通過試驗,一般保證在含水率10(%wt)上的狀態下,能夠容易分離皮芯。按GB 1928《木材物理力學試驗方法》的有關規定,直到達到破壞皮芯分離的載荷時,測得順紋抗壓強度(σ12,MPa)指標。

式中:Pmax——破壞荷載,N;b——試驗寬度,mm;t——試驗厚度,mm;

式中:W——試驗時木材含水率,%;σw、σ12——木材氣干狀態、標準含水率12%時的強度,MPa。

經過計算,其順紋抗壓強度平均為18 MPa。

為保證桑枝能被壓輥正常擠壓和傳動可靠,3個壓輥外徑均設計為直徑178 mm,表面加工為齒形;壓輥1、2之間間距設計值為15~20 mm,壓輥1、3之間間距的設計值為10~15 mm。這樣既能保證桑枝順利喂入,又能保證對每根桑枝的兩級擠壓,實現皮芯的初步分離。由于桑枝韌皮部含有的果膠導致不易完全分離,還需要采取下一步震動措施。

2.4 震動機構

由于桑枝經過壓輥擠壓后皮芯已初步分離,只需通過外力的作用使被擠壓過的桑枝產生震動就能使分離率大幅提高,達到設計要求。因此設計了如圖6這種結構簡單、高效且穩定的震動機構。

圖6 震動機構示意圖

震動機構的轉動半徑設計為150 mm,桑枝就能從震動軸軸線以下125 mm處穿過,這樣既能保證桑枝受到的敲擊力足夠,又能減少桑皮纏繞。經過試驗,在調速電機的帶動下,震動軸以400 r/min的速度轉動,桑枝將被橫桿以12次/s左右的敲打頻率敲擊,此時皮芯分離率最高,能達到95%左右。若提高頻率,桑皮和桑枝被打斷的幾率大幅增加,并且不安全,而降低頻率則會降低分離率。同時,為了安全,設計了安全罩。皮芯部分分離后,桑皮依靠自重下落至收集機構的橡膠對輥中間,再通過橡膠對輥的主動牽拉使其徹底分離;桑枝芯桿則通過之后的牽拉機構的牽引和輸送帶的輸送繼續進行后續粉碎處理。

2.5 傳動機構

傳動機構主要采用三相異步電動機作為主要動力輸出,額定功率為1.5 k W,轉速為1 500 r/min。采用“Δ”接法。為了將動力平穩可靠地傳動到壓輥、刀輥、震動軸、粉碎機構,設計傳動機構時采用了鏈傳動、皮帶輪傳動和齒輪傳動。即在低速且較大載荷時采用鏈傳動,在中速輕載荷時采用皮帶輪傳動,在距離較近、反向旋轉的兩軸上采用齒輪傳動。傳動機構動力組成如圖7所示。粉碎機構傳動采用獨立的三相異步電動機帶動刀片和粉碎打手,額定功率為18.5 k W,采用“Y-Δ”降壓啟動。

2.6 粉碎機構

由于需要將剝皮后的桑枝芯桿粉碎成不同規格的粒料,所以將粉碎機構設計成三個部分:切斷刀片、粉碎打手和篩網。充分考慮桑枝的特性,設計選擇了合適刀片的角度和硬度,設備啟動后利用高速旋轉的刀片先把桑枝切成片狀,在切碎桑枝條的同時,高速旋轉作用產生旋風,使片狀的桑樹片在粉碎室內飛揚。再由3組(每組4片)共12片旋轉帶動活動錘片把飛揚的木片擊碎。粉碎后的桑枝屑經過設置的相關規格的篩網過濾后飛速排出。粉碎機構示意圖如圖8所示。