凹板式山地剝麻機設計與試驗*

顏波，馬蘭，劉佳杰，向偉，胡垚，呂江南

(中國農業科學院麻類研究所，長沙市，410205)

0 引言

苧麻俗稱“中國草”，是我國傳統的特色經濟作物，其產量占全世界總產量的90%以上[1-3]。苧麻纖維作為一種優良的紡織材料，因纖維強度高、柔韌性好、吸濕透氣強等特點，被廣泛應用于紡織行業[4-6]，但只有經過剝制去除麻骨、麻殼的原麻纖維才能供紡織行業使用[7-8]。纖維剝制作為苧麻產業的一個關鍵環節，其用工占整個苧麻生產過程中用工量的60%以上，故實現纖維剝制機械化，是破解制約苧麻產業發展瓶頸的主要途徑[9]。

為解決苧麻纖維機械剝制問題，我國從20世紀70年代開展了苧麻剝麻機的研究，現已研制出人力反拉式、直喂式和橫向喂入式等不同原理的剝麻裝備。人力反拉式剝麻機依靠手工將苧麻莖稈喂入和反向抽出剝麻滾筒的方式依次實現苧麻基部和稍部的纖維剝制，該類機型結構簡單，剝麻質量較好，但勞動強度較大，工作效率較低[10-12]；直喂式剝麻機采用多組對輥式剝麻滾筒對苧麻莖稈進行夾持、破碎、揉搓及刮打作用實現苧麻纖維剝制，該類機型操作簡單，勞動強度低，但易出現滾筒纏麻和“鼠尾”現象[13-14]；橫向喂入式剝麻機將苧麻莖稈橫向喂入剝麻裝置進行持續刮打作用實現苧麻基部和稍部端纖維的分段剝制，該類機型操作簡單，剝麻工效高，但存在著剝麻質量不穩定、裝置大型化等技術難點[15]。因而在實際生產中使用的機型少之又少，且多為人力反拉式剝麻機[16-21]。人力反拉式剝麻機的剝麻質量基本滿足紡織企業的生產要求，但面對苧麻多種植于丘陵山區且種植戶較分散的現狀，該類機型雖小巧但仍略顯笨重，在崎嶇路面上存在搬運或推拉移動不便的問題。

為此，本文在人力反拉式剝麻技術的基礎上，采用整機動力部分與剝麻部分可快速拆卸組裝的方式，設計了一款輕便小巧的單滾筒反拉式剝麻機。通過對關鍵部件的結構設計，確定影響剝麻質量的關鍵結構參數。建立作業參數與剝麻質量指標的數學模型，應用響應曲面試驗優化方法對剝麻機進行了試驗研究，獲取最佳作業參數組合，以期有效提高剝麻質量，滿足剝麻機山區搬運便捷的需求。

1 總體結構與主要技術指標

1.1 整機結構及工作原理

山地剝麻機主要由喂料裝置、剝麻裝置、汽油機和機架等組成，其結構如圖1所示。其中，喂料裝置由喂料斗和傾角調節機構等組成，剝麻裝置由剝麻滾筒、凹板和間隙調節機構等組成。

山地剝麻機工作時，由操作者雙手握住苧麻莖稈基部，將梢部從喂料斗送入剝麻滾筒與凹板之間的間隙，隨后反向回拉苧麻莖稈，在高速旋轉的剝麻滾筒的連續刮打作用下，將麻骨和麻殼擊成碎屑拋出，完成梢部的剝制，然后手握苧麻莖稈已剝部分，將基部送入再抽出，完成基部的剝制，至此完成一次苧麻剝制過程。在剝麻機搬運過程中，先通過拆卸分體式機架，實現整機動力部分與剝麻部分快速分離，然后再將兩部分搬至剝麻場地，最后組裝分體式機架，即完成了剝麻機山區轉移。

圖1 山地剝麻機結構示意圖Fig. 1 Structure diagram of mountainous ramie decorticator1.導渣板 2.凹板 3.喂料斗 4.剝麻滾筒 5.間隙調節機構 6.分體式機架 7.動力及傳動裝置

1.2 主要技術參數

根據苧麻纖維剝制質量要求的國家標準GB/T 7699—1999[22]和湖南省地方標準DB 43/T 251—2004[23]，檢測并確定山地剝麻機的主要技術指標如表1所示。

表1 樣機主要技術指標Tab. 1 Main technical indicators of prototype

2 關鍵部件設計與參數分析

2.1 纖維剝制過程受力分析

苧麻莖稈進入剝麻滾筒與凹板之間間隙時受力分析如圖2所示。在實際喂料過程中，一般將苧麻莖稈緊貼喂料斗底板送入剝麻滾筒與凹板之間的間隙，故纖維剝制時苧麻莖稈受到滾筒拉力T、凹板摩擦力Ff1、凹板法向支持力FN、運動慣性力FI以及人手拉力F。

纖維剝制時，要保證苧麻莖稈不脫手，需要滿足以下關系。

(1)

式中：α——喂料斗傾角(苧麻莖稈喂入角度)，(°)；

β——凹板喂麻端法線與水平線之間夾角，(°)。

圖2 剝麻受力示意圖Fig. 2 Force diagram of ramie fiber stripping1.刮麻板旋轉外圓 2.凹板 3.苧麻莖稈

由式(1)可知，纖維剝制過程中，人手拉力F主要由滾筒對苧麻莖稈的拉力T、凹板對苧麻莖稈的摩擦力Ff1、喂料斗傾角α以及凹板前端法線與水平線之間夾角β決定。且當α+β=90°時，人手拉力F最小。綜合考慮整機布局、纖維剝制效果、喂麻安全性及舒適度等因素，設計了喂料斗傾角調節機構，以便合理調整喂料斗傾角α，試制樣機并開展臺架試驗。

試驗結果表明：在滿足α+β=90°的前提下，喂料斗傾角α改變對人手拉力F的大小幾乎無影響，但喂料斗傾角α增至30°時，苧麻莖稈傾斜程度大，喂入時人手需保持上抬姿勢，長時間作業將大幅增加勞動強度。因此，設計喂料斗傾角α為30°。

2.2 分體式機架

山地剝麻機整機雖質量輕、尺寸小，但在山區田間的崎嶇路面上，由一人搬運時仍十分不便，而兩人一起搬運又存在配合難的問題。為此，設計了分體式機架(圖3)。

圖3 分體式機架示意圖Fig. 3 Force diagram of separated-type frame1.滾筒架 2.螺栓螺母 3.動力架

機架通過螺栓螺母將動力架與滾筒架相連，保證山地剝麻機平穩運行；而在山地剝麻機搬運過程中，通過拆卸螺栓螺母，將整機快速分解為質量更輕、尺寸更小的動力部分和剝麻部分，由兩人分別將動力部分、剝麻部分搬運至剝麻場地。

2.3 剝麻裝置

剝麻裝置由剝麻滾筒、剝麻支撐件、間隙調節機構等組成，其結構如圖4所示。其中，剝麻滾筒主要由刮麻板、滾筒軸、支撐盤、滾筒側板及防纏套等組成；剝麻支撐件主要由凹板、凹板支撐軸I、凹板支撐軸II、調節桿、調節螺栓和固定螺母等組成。為防止滾筒纏麻，設計滾筒側板外徑大于刮麻板外側的旋轉半徑，防止纖維從兩側脫落；防纏套一端向支撐盤內側延伸，對容易纏繞的滾筒軸進行隔離；凹板位于剝麻滾筒下方，使剝制后纖維因自重遠離剝麻滾筒，減少纏麻的可能性。

圖4 剝麻裝置結構示意圖Fig. 4 Structural diagram of fiber decorticating device1.凹板支撐軸Ⅰ 2.凹板 3.支撐盤 4.刮麻板 5.滾筒側板 6.防纏套 7.凹板支撐軸Ⅱ 8.固定螺母 9.調節桿 10.調節螺栓 11.滾筒軸

剝麻裝置作業參數直接影響剝麻質量，其作業參數主要包括滾筒直徑D、滾筒轉速n、刮麻板數量x、凹板圓心角θ和剝麻間隙s。研究發現[24-26]：滾筒直徑大小影響整機功耗及滾筒纏麻，滾筒轉速、刮麻板數量、凹板圓心角和剝麻間隙不同通過影響剝麻滾筒對纖維的打擊力和打擊次數進而影響纖維含雜率及鮮莖出麻率。

2.3.1 剝麻滾筒直徑與刮麻板數量

若剝麻滾筒直徑過大，會導致整機尺寸及功耗增大，若滾筒直徑過小，纖維易纏繞在滾筒上，影響機器性能。結合剝麻滾筒與凹板配合不易纏麻的特點并參考4BZ-400型苧麻剝麻機[24]，選取滾筒直徑為300 mm，刮麻板數量為12塊。

2.3.2 剝麻滾筒轉速

若剝麻滾筒轉速(線速度)越大，苧麻莖稈受到的打擊力和打擊次數增大，能夠更充分擊碎麻骨，降低纖維含雜率；但剝麻滾筒轉速(線速度)過大，部分苧麻纖維被打斷并隨麻骨排出進而降低鮮莖出麻率。根據文獻[24]，當剝麻滾筒線速度為12.56～16.75 m/s，即剝麻滾筒轉速為800～1 066 r/min時，剝麻效果最佳。本文設計的剝麻裝置與文獻[24]中的剝麻裝置作業原理相近，因此樣機剝麻滾筒轉速(線速度)可參照4BZ-400型苧麻剝麻機。

2.3.3 凹板圓心角及剝麻間隙

凹板圓心角直接影響剝麻區域有效范圍，凹板圓心角越大，剝麻區域有效范圍越大，苧麻莖稈受到的打擊頻率越大，可更有效地剔除麻骨，但加強剝麻滾筒對纖維的拉力，增加勞動強度。剝麻間隙為凹板內壁與刮麻板旋轉外圓之間的間隙，其大小是影響鮮莖出麻率和纖維含雜率的主要因素，若剝麻間隙過小，剝麻滾筒對纖維的刮削作用明顯，鮮莖出麻率降低，若剝麻間隙過大，凹板的支撐效果不佳，剝麻滾筒對纖維的打擊力不足，纖維含雜率增加。因此，設計可調剝麻間隙的凹板，通過鉸接凹板喂麻端，由間隙調節機構推動凹板出麻端在滑動槽內移動，進而保證喂麻端苧麻莖稈的有效剝制效果，同時對剝麻間隙進行合理的調整，其調節過程如圖5所示。

圖5 剝麻間隙調節示意圖Fig. 5 Structural diagram of decorticating clearance adjustment1.滑動槽 2.凹板位置Ⅱ 3.凹板位置Ⅰ 4.喂麻端鉸接點

綜上所述，鮮莖出麻率和纖維含雜率是決定剝麻裝置的關鍵性指標，其大小受到多個結構參數綜合影響。若能通過試驗研究對滾筒轉速n、凹板圓心角θ、剝麻間隙s進行合理的調整，從而得到鮮莖出麻率和纖維含雜率的最優工作參數組合，即可在極大程度提高整機性能。

3 剝麻性能試驗

3.1 試驗條件

試驗對象為中國農業科學院麻類研究所國家種質長沙苧麻圃種植的“中苧1號”，12年齡的頭麻。通過人工將田間苧麻齊地切割并去葉，經檢測，試驗用苧麻莖稈平均長度為1 860～2 010 mm，莖稈距基端10 cm處直徑為13.22～14.84 mm。

試驗用主要儀器設備：凹板式山地剝麻機，TC20K-HB電子秤(量程20 kg，精度0.1 g)，XMA-600電熱鼓風干燥箱，游標卡尺，卷尺，秒表等。

3.2 評價指標及影響因素

3.2.1 評價指標及測試方法

根據DB 43/T 251—2004《苧麻剝麻機技術條件》和GB/T 7699—1999《苧麻》，結合樣機實際作業情況確定剝麻機的工作性能由鮮莖出麻率和纖維含雜率的大小來評價。

(2)

(3)

(4)

式中：Z——鮮莖出麻率，%；

Wr——含水率14%的苧麻纖維質量，kg；

Wj——去葉后的苧麻莖稈質量，kg；

I——纖維含雜率，%；

W1——纖維試樣質量，g；

W2——纖維試樣除雜后質量(清理纖維上的麻骨、麻屑、麻葉等)，g；

E——樣機生產率，kg/h；

t——剝麻時間，h。

3.2.2 影響因素及取值范圍

根據上述分析及前期試驗可知，滾筒轉速n、凹板圓心角θ和剝麻間隙s是影響鮮莖出麻率和纖維含雜率的剝麻機關鍵性參數。

根據剝麻裝置作業原理及前期試驗研究結果，確定滾筒轉速n的取值范圍為800～1 100 r/min；當凹板圓心角θ小于30°(刮麻板安裝間隔角度)時，刮麻板與凹板之間剝麻區域有效范圍小導致苧麻莖稈剝制不凈的現象，當凹板圓心角θ大于50°時，剝麻區域有效范圍過大導致人工反拉更費力的現象，因此凹板圓心角θ的取值范圍為30°～50°；當剝麻間隙小于1 mm時，剝麻滾筒對纖維的刮削作用明顯導致纖維易打斷現象，當剝麻間隙大于3 mm時，剝麻滾筒對纖維的打擊效果不佳導致纖維剝制不凈的問題，因此剝麻間隙s的取值范圍為1～3 mm。

3.3 試驗設計

選取滾筒轉速、凹板圓心角和剝麻間隙作為試驗因素，以鮮莖出麻率和纖維含雜率作為試驗指標。其中，為保證苧麻纖維剝制效果，滾筒轉速的試驗水平值設計為800 r/min、950 r/min和1 100 r/min，凹板圓心角的試驗水平值設計為30°、40°和50°，剝麻間隙的試驗水平值設計為1 mm、2 mm和3 mm，試驗因素水平如表2所示。采用Box-Behnken試驗設計方法，進行苧麻剝麻試驗，研究滾筒轉速、凹板圓心角和剝麻間隙對苧麻纖維剝制的影響規律。

表2 因素水平表Tab. 2 Level codingTable

采用Design Expert軟件的優化模塊求解得出剝麻機的最優參數組合，根據因素水平表確定的試驗方法及步驟進行試驗。試驗時，每次試驗剝制20 kg苧麻莖稈，重復3次試驗，取3次試驗測定結果的平均值記為試驗結果。

3.4 試驗結果與分析

3.4.1 試驗結果

將所有17組試驗方案得到的鮮莖出麻率和纖維含雜率進行統計記錄，最終得到優化試驗的結果如表3所示。

3.4.2 回歸模型建立與顯著性分析

對試驗結果進行多元回歸擬合，分別建立鮮莖出麻率Y1、纖維含雜率Y2與各試驗因素之間的回歸模型，剔除不顯著項，得到回歸方程，如式(5)所示。

(5)

基于方差分析的回歸方程顯著性檢驗如表4所示。由表4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=0.000 4，均小于0.01，模型擬合度極顯著，說明該模型具有統計學意義；失擬項P值分別為P=0.996 3、P=0.697 2，均大于0.05，模型失擬項不顯著，說明無失擬因素存在，可用該回歸方程替代真實試驗進行結果分析。另外，由表4中F值的大小可知，各因素之間的獨立及交互作用都會對響應值產生影響，各因素對鮮莖出麻率的顯著性順序為s>s2>θ>n>n2>θ2>θs>nθ>ns；各因素對纖維含雜率的顯著性順序為s>n>n2>θ>s2>ns>nθ>θs>θ2。

表3 試驗方案與結果Tab. 3 Experimental design and results

3.4.3 響應面分析

凹板圓心角與剝麻間隙對鮮莖出麻率的響應曲面圖如圖6所示。由圖6可知，凹板圓心角與剝麻間隙對鮮莖出麻率的影響呈非線性變化，隨著凹板圓心角和剝麻間隙的增大，鮮莖出麻率呈現出先增大后減小的趨勢。當凹板圓心角為40°、剝麻間隙為2 mm時(此時滾筒轉速為956 r/min)，鮮莖出麻率可達到最大值4.7%。

滾筒轉速與剝麻間隙對纖維含雜率的響應曲面圖如圖7所示。由圖7可知，滾筒轉速與剝麻間隙對鮮莖出麻率的影響呈非線性變化，隨著滾筒轉速的增大，纖維含雜率呈現出先減小后增大的趨勢；隨著剝麻間隙的增大，纖維含雜率呈現出逐步減小的趨勢。當滾筒轉速為950 r/min、剝麻間隙為2 mm時(此時凹板圓心角為40°)，纖維含雜率可達到最小值0.9%。

表4 二次多項式模型方差分析Tab. 4 ANOVA of quadratic polynomial model

圖6 凹板圓心角與剝麻間隙的響應曲面Fig. 6 Response surface of central angle of concave plate and decorticating clearance

圖7 滾筒轉速與剝麻間隙的響應曲面Fig. 7 Response surface of drum speed and decorticating clearance

3.4.4 參數優化及試驗驗證

為獲得山地剝麻機的最佳作業參數組成，運用軟件的Optimization功能，以鮮莖出麻率最高、纖維含雜率最低為優化目標，對2個回歸模型進行優化求解。建立目標函數與各參數變量的約束條件如式(6)所示。

(6)

根據約束條件對目標函數進行優化求解，得到山地剝麻機的最優作業參數組合：滾筒轉速956.02 r/min、凹板圓心角38.18°及剝麻間隙1.95 mm，對優化后的作業參數進行取整處理：滾筒轉速956 r/min、凹板圓心角38°及剝麻間隙2 mm，此作業參數組合下剝麻機的鮮莖出麻率4.6%、原麻含雜率1%。

表5 參數優化組合試驗結果Tab. 5 Experimental results of parameter optimization combination

為了測試優化后剝麻機的工作性能，選擇優化試驗中同批次同處理的苧麻莖稈50 kg，進行剝麻試驗并測定樣機生產率。為消除隨機誤差，進行3次重復試驗，取3次試驗結果的平均值，得到試驗結果如表5所示。驗證試驗測得樣機生產率為11.6 kg/h，同時鮮莖出麻率為4.48%，纖維含雜率為1.03%，評價指標與其模型預測值的相對誤差分別為2.6%和3%，均小于5%，表明模型預測準確可靠。試驗統計結果表明，山地剝麻機滿足湖南省地方標準鮮莖出麻率≥4.0%，纖維含雜率≤1.5%的要求，剝制纖維質量達到二等機剝苧麻要求，滿足實際生產需求。

4 結論

為滿足剝麻機械山區搬運便捷的需要，通過優化整機布局，在人力反拉式剝麻技術的基礎上，采用單剝麻滾筒與凹板間隙可調的配合方式，極大程度上減輕了剝麻機的整機質量，并通過分體式機架實現整機的快速拆卸為質量更輕、尺寸更小的動力部分和剝麻部分，實現了剝麻機械山區搬運便捷的需要。

1) 試制剝麻機試驗樣機，確定滾筒直徑為300 mm、刮麻板數量為12塊，并以滾筒轉速、凹板圓心角和剝麻間隙為3個試驗因素，以鮮莖出麻率和纖維含雜率作為評價指標，建立了剝麻機的數學模型，運用P值檢驗得到了各因素對鮮莖出麻率影響程度的高低順序為剝麻間隙、凹板圓心角、滾筒轉速；各因素對纖維含雜率影響程度的高低順序為剝麻間隙度、滾筒轉速、凹板圓心角。

2) 運用Design-Expert軟件的Optimization工具進行參數組合尋優，得到的最優作業參數組合為滾筒轉速956 r/min、凹板圓心角38°及剝麻間隙2 mm，此時鮮莖出麻率4.6%、原麻含雜率1%。基于優化參數進行剝麻驗證試驗，試驗結果表明：山地剝麻機的鮮莖出麻率為4.48%，纖維含雜率為1.03%，樣機生產率為11.6 kg/h，滿足標準要求，剝制纖維質量達到二等機剝苧麻要求，滿足實際生產需求。