摘  要：針對苧麻剝麻機山區(qū)搬運困難的問題，采用整機動力部分與剝麻部分可快速拆卸組裝的方式，設(shè)計一款輕便小巧的單滾筒反拉式剝麻機。首先，通過對纖維剝制過程進行受力分析，確定剝麻機的喂料斗傾角為30°；然后，對剝麻滾筒的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與理論分析，確定影響剝麻質(zhì)量的關(guān)鍵因素以及作業(yè)參數(shù)范圍。最后，以滾筒轉(zhuǎn)速、凹板圓心角和剝麻間隙為影響因素，鮮莖出麻率和原麻含雜率為評價指標，利用響應(yīng)曲面方法進行優(yōu)化試驗設(shè)計。試驗結(jié)果表明：影響鮮莖出麻率的因素主次順序為剝麻間隙、凹板圓心角、滾筒轉(zhuǎn)速，影響纖維含雜率的因素主次順序為剝麻間隙、滾筒轉(zhuǎn)速、凹板圓心角；剝麻機最佳工作參數(shù)組合是滾筒轉(zhuǎn)速為956r/min、凹板圓心角為38°及剝麻間隙為2mm?；趦?yōu)化參數(shù)進行苧麻剝麻的生產(chǎn)驗證試驗，試驗結(jié)果為鮮莖出麻率為4.48%，纖維含雜率為1.03%,各指標與模型預(yù)測值的相對誤差均小于5%。

關(guān)鍵詞：苧麻；剝麻機；凹板；纖維

 

0引言

苧麻俗稱“中國草”,是我國傳統(tǒng)的特色經(jīng)濟作物，其產(chǎn)量占全世界總產(chǎn)量的90%以上^[1,2,3]。苧麻纖維作為一種優(yōu)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(yīng)用于紡織行業(yè)^[4,5,6],但只有經(jīng)過剝制去除麻骨、麻殼的原麻纖維才能供紡織行業(yè)使用^[7,8]。纖維剝制作為苧麻產(chǎn)業(yè)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其用工占整個苧麻生產(chǎn)過程中用工量的60%以上，故實現(xiàn)纖維剝制機械化，是破解制約苧麻產(chǎn)業(yè)發(fā)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(xiàn)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(xiàn)苧麻基部和稍部的纖維剝制，該類機型結(jié)構(gòu)簡單，剝麻質(zhì)量較好，但勞動強度較大，工作效率較低^[10,11,12]；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(xiàn)苧麻纖維剝制，該類機型操作簡單，勞動強度低，但易出現(xiàn)滾筒纏麻和“鼠尾”現(xiàn)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(xù)刮打作用實現(xiàn)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(zhì)量不穩(wěn)定、裝置大型化等技術(shù)難點^[15]。因而在實際生產(chǎn)中使用的機型少之又少，且多為人力反拉式剝麻機^{[16,17,18,19,20,21]}。人力反拉式剝麻機的剝麻質(zhì)量基本滿足紡織企業(yè)的生產(chǎn)要求，但面對苧麻多種植于丘陵山區(qū)且種植戶較分散的現(xiàn)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(shù)的基礎(chǔ)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(shè)計了一款輕便小巧的單滾筒反拉式剝麻機。通過對關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定影響剝麻質(zhì)量的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。建立作業(yè)參數(shù)與剝麻質(zhì)量指標的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用響應(yīng)曲面試驗優(yōu)化方法對剝麻機進行了試驗研究，獲取最佳作業(yè)參數(shù)組合，以期有效提高剝麻質(zhì)量，滿足剝麻機山區(qū)搬運便捷的需求。

1總體結(jié)構(gòu)與主要技術(shù)指標

1.1整機結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，喂料裝置由喂料斗和傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)等組成，剝麻裝置由剝麻滾筒、凹板和間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)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(zhuǎn)的剝麻滾筒的連續(xù)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(xiàn)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(qū)轉(zhuǎn)移。

  

圖1 山地剝麻機結(jié)構(gòu)示意圖

1.導(dǎo)渣板；2.凹板；3.喂料斗；4.剝麻滾筒；5.間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)；6.分體式機架；7.動力及傳動裝置

1.2主要技術(shù)參數(shù)

根據(jù)苧麻纖維剝制質(zhì)量要求的國家標準GB/T 7699—1999^[22]和湖南省地方標準DB43/T251—2004^[23],檢測并確定山地剝麻機的主要技術(shù)指標如表1所示。

表1 樣機主要技術(shù)指標

  

2關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)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(guān)系。

  

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

1.刮麻板旋轉(zhuǎn)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(shè)計了喂料斗傾角調(diào)節(jié)機構(gòu)，以便合理調(diào)整喂料斗傾角α,試制樣機并開展臺架試驗。

試驗結(jié)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(yè)將大幅增加勞動強度。因此，設(shè)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(zhì)量輕、尺寸小，但在山區(qū)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(shè)計了分體式機架(圖3)。

  

圖3 分體式機架示意圖

1.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(wěn)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(zhì)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(diào)節(jié)機構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)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(cè)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(diào)節(jié)桿、調(diào)節(jié)螺栓和固定螺母等組成。為防止?jié)L筒纏麻，設(shè)計滾筒側(cè)板外徑大于刮麻板外側(cè)的旋轉(zhuǎn)半徑，防止纖維從兩側(cè)脫落；防纏套一端向支撐盤內(nèi)側(cè)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(jié)構(gòu)示意圖 

1.凹板支撐軸Ⅰ 2.凹板 3.支撐盤 4.刮麻板 5.滾筒側(cè)板6.防纏套 7.凹板支撐軸Ⅱ 8.固定螺母 9.調(diào)節(jié)桿10.調(diào)節(jié)螺栓 11.滾筒軸

剝麻裝置作業(yè)參數(shù)直接影響剝麻質(zhì)量，其作業(yè)參數(shù)主要包括滾筒直徑D、滾筒轉(zhuǎn)速n、刮麻板數(shù)量x、凹板圓心角θ和剝麻間隙s。研究發(fā)現(xiàn)^[24,25,26]:滾筒直徑大小影響整機功耗及滾筒纏麻，滾筒轉(zhuǎn)速、刮麻板數(shù)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(shù)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(shù)量

若剝麻滾筒直徑過大，會導(dǎo)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(jié)合剝麻滾筒與凹板配合不易纏麻的特點并參考^[4]BZ-400型苧麻剝麻機^[24],選取滾筒直徑為300mm,刮麻板數(shù)量為12塊。

2.3.2剝麻滾筒轉(zhuǎn)速

若剝麻滾筒轉(zhuǎn)速(線速度)越大，苧麻莖稈受到的打擊力和打擊次數(shù)增大，能夠更充分擊碎麻骨，降低纖維含雜率；但剝麻滾筒轉(zhuǎn)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(jù)文獻^[24],當剝麻滾筒線速度為12.56～16.75m/s,即剝麻滾筒轉(zhuǎn)速為800～1 066 r/min時，剝麻效果最佳。本文設(shè)計的剝麻裝置與文獻^[24]中的剝麻裝置作業(yè)原理相近，因此樣機剝麻滾筒轉(zhuǎn)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(qū)域有效范圍，凹板圓心角越大，剝麻區(qū)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(nèi)壁與刮麻板旋轉(zhuǎn)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(shè)計可調(diào)剝麻間隙的凹板，通過鉸接凹板喂麻端，由間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)推動凹板出麻端在滑動槽內(nèi)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(diào)整，其調(diào)節(jié)過程如圖5所示。

  

圖5 剝麻間隙調(diào)節(jié)示意圖

1.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(guān)鍵性指標，其大小受到多個結(jié)構(gòu)參數(shù)綜合影響。若能通過試驗研究對滾筒轉(zhuǎn)速n、凹板圓心角θ、剝麻間隙s進行合理的調(diào)整，從而得到鮮莖出麻率和纖維含雜率的最優(yōu)工作參數(shù)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(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所國家種質(zhì)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(jīng)檢測，試驗用苧麻莖稈平均長度為1860～2010mm,莖稈距基端10cm處直徑為13.22～14.84mm。

試驗用主要儀器設(shè)備：凹板式山地剝麻機，TC20K-HB電子秤(量程20kg,精度0.1g),XMA-600電熱鼓風(fēng)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(jù)DB43/T251—2004《苧麻剝麻機技術(shù)條件》和GB/T7699—1999《苧麻》,結(jié)合樣機實際作業(yè)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。

  

式中： Z——鮮莖出麻率，%；

Wr——含水率14%的苧麻纖維質(zhì)量，kg；

Wj——去葉后的苧麻莖稈質(zhì)量，kg；

I——纖維含雜率，%；

W1——纖維試樣質(zhì)量，g；

W2——纖維試樣除雜后質(zhì)量(清理纖維上的麻骨、麻屑、麻葉等),g；

E——樣機生產(chǎn)率，kg/h；

t——剝麻時間，h。

3.2.2影響因素及取值范圍

根據(jù)上述分析及前期試驗可知，滾筒轉(zhuǎn)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(guān)鍵性參數(shù)。

根據(jù)剝麻裝置作業(yè)原理及前期試驗研究結(jié)果，確定滾筒轉(zhuǎn)速n的取值范圍為800～1100r/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(qū)域有效范圍小導(dǎo)致苧麻莖稈剝制不凈的現(xiàn)象，當凹板圓心角θ大于50°時，剝麻區(qū)域有效范圍過大導(dǎo)致人工反拉更費力的現(xiàn)象，因此凹板圓心角θ的取值范圍為30°～50°；當剝麻間隙小于1mm時，剝麻滾筒對纖維的刮削作用明顯導(dǎo)致纖維易打斷現(xiàn)象，當剝麻間隙大于3mm時，剝麻滾筒對纖維的打擊效果不佳導(dǎo)致纖維剝制不凈的問題，因此剝麻間隙s的取值范圍為1～3mm。

3.3試驗設(shè)計

選取滾筒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的試驗水平值設(shè)計為800r/min、950r/min和1100r/min,凹板圓心角的試驗水平值設(shè)計為30°、40°和50°,剝麻間隙的試驗水平值設(shè)計為1mm、2mm和3mm,試驗因素水平如表2所示。采用Box-Behnken試驗設(shè)計方法，進行苧麻剝麻試驗，研究滾筒轉(zhuǎn)速、凹板圓心角和剝麻間隙對苧麻纖維剝制的影響規(guī)律。

表2因素水平表

 

采用Design Expert軟件的優(yōu)化模塊求解得出剝麻機的最優(yōu)參數(shù)組合，根據(jù)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(fù)3次試驗，取3次試驗測定結(jié)果的平均值記為試驗結(jié)果。

3.4試驗結(jié)果與分析

3.4.1試驗結(jié)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(tǒng)計記錄，最終得到優(yōu)化試驗的結(jié)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(jié)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。

 

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<0.0001、P=0.0004,均小于0.01,模型擬合度極顯著，說明該模型具有統(tǒng)計學(xué)意義；失擬項P值分別為P=0.9963、P=0.6972,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(jié)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(yīng)值產(chǎn)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(jié)果

 

 

3.4.3響應(yīng)面分析

凹板圓心角與剝麻間隙對鮮莖出麻率的響應(yīng)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(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當凹板圓心角為40°、剝麻間隙為2mm時(此時滾筒轉(zhuǎn)速為956r/min),鮮莖出麻率可達到最大值4.7%。

滾筒轉(zhuǎn)速與剝麻間隙對纖維含雜率的響應(yīng)曲面圖如圖7所示。由圖7可知，滾筒轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的增大，纖維含雜率呈現(xiàn)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(xiàn)出逐步減小的趨勢。當滾筒轉(zhuǎn)速為950r/min、剝麻間隙為2mm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

 

 

 

 

圖6 凹板圓心角與剝麻間隙的響應(yīng)曲面

 

 

圖7 滾筒轉(zhuǎn)速與剝麻間隙的響應(yīng)曲面

3.4.4參數(shù)優(yōu)化及試驗驗證

為獲得山地剝麻機的最佳作業(yè)參數(shù)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(yōu)化目標，對2個回歸模型進行優(yōu)化求解。建立目標函數(shù)與各參數(shù)變量的約束條件如式(6)所示。

 

 

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

表5 參數(shù)優(yōu)化組合試驗結(jié)果

 

為了測試優(yōu)化后剝麻機的工作性能，選擇優(yōu)化試驗中同批次同處理的苧麻莖稈50kg,進行剝麻試驗并測定樣機生產(chǎn)率。為消除隨機誤差，進行3次重復(fù)試驗，取3次試驗結(jié)果的平均值，得到試驗結(jié)果如表5所示。驗證試驗測得樣機生產(chǎn)率為11.6kg/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(yù)測值的相對誤差分別為2.6%和3%,均小于5%,表明模型預(yù)測準確可靠。試驗統(tǒng)計結(jié)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(zhì)量達到二等機剝苧麻要求，滿足實際生產(chǎn)需求。

4結(jié)論

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

1)試制剝麻機試驗樣機，確定滾筒直徑為300mm、刮麻板數(shù)量為12塊，并以滾筒轉(zhuǎn)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(shù)學(xué)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速、凹板圓心角。

2)運用Design-Expert軟件的Optimization工具進行參數(shù)組合尋優(yōu)，得到的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合為滾筒轉(zhuǎn)速956 r/min、凹板圓心角38°及剝麻間隙2mm,此時鮮莖出麻率4.6%、原麻含雜率1%。基于優(yōu)化參數(shù)進行剝麻驗證試驗，試驗結(jié)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(chǎn)率為11.6 kg/h,滿足標準要求，剝制纖維質(zhì)量達到二等機剝苧麻要求，滿足實際生產(chǎn)需求。

 

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文章摘自：顏波,馬蘭,劉佳杰,向偉,胡垚,呂江南.凹板式山地剝麻機設(shè)計與試驗[J].中國農(nóng)機化學(xué)報,2022,43(09):17-23+87.DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2022.09.003.