雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機的設計

王 彬，蔣素清，張喜瑞

(1.江蘇財經職業技術學院 機械電子與信息工程學院，江蘇 淮安 223003；2.海南大學 機電工程學院，海口 570228)

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雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機的設計

王 彬1，蔣素清1，張喜瑞2

(1.江蘇財經職業技術學院 機械電子與信息工程學院，江蘇 淮安 223003；2.海南大學 機電工程學院，海口 570228)

針對我國香蕉莖稈纖維機械提取研究不足，現有設備纖維提取率低、含雜率高及能耗較高的現狀，基于纖維提取滾筒刮削機制，研究設計了雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機。該機采用兩個刮取滾筒異向轉動的組合刮取方式，實現對香蕉莖稈纖維的提取利用。試驗表明：該機的生產效率平均為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藝需求。

香蕉；纖維提取；刮削式；雙向

0 引言

我國是世界香蕉種植及產出大國，香蕉種植已成為我國熱帶農業發展的支柱性產業[1]。研究表明，在香蕉的生產種植過程中會產生近乎等量的香蕉莖稈廢棄物。據統計，2014年我國香蕉莖稈廢棄物的生物總量約為3 500萬t。然而，由于國內外缺少針對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，大部分被當作廢棄物就地焚燒或丟棄腐爛，不僅導致了嚴重的資源浪費和環境污染，也導致香蕉地細菌滋生、病蟲害傳播等危害[3-4]。

香蕉莖稈纖維是一種新型天然環保纖維，具有強度高、伸長率小、回潮率大、質量輕和透氣性強等特點[5]，若能通過機械加工提取利用，可有效緩解我國麻類資源不足的現狀。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株香蕉樹計算，2008年我國的香蕉莖纖維產量至少為7.15萬～10.52萬t、至多高達15.15萬～19.78萬t，約占全世界香蕉莖纖維年產量的9.89%[6]。

目前，香蕉莖稈纖維提取多采用傳統手工刮取和半機械喂入刮麻的方式[7]。由于傳統純手工刮取方式勞動強度大、采集時間長、刮削效果差，不適宜大批量生產的實際要求。半機械喂入刮麻是采用人工將香蕉莖稈破片后，經手工喂入小型刮麻機進行提取纖維作業，具有設備簡單、機械功率消耗小、使用維護和轉移方便、場地占用面積小，以及提取出的纖維整齊、含雜率較低、殘渣可回收等特點[8]。但該方式需人工喂入香蕉莖稈和清洗香蕉莖稈纖維，生產效率較低，無法實現香蕉莖稈纖維的大規模提取加工利用。國內研制的自動刮麻機以縱向喂入為主，能夠連續完成香蕉莖稈的破片及后續刮麻作業，具有機械化程度高、纖維質量好、含雜率低和生產效率高等優點[9]，但存在纖維提取率較低、能耗較高的問題，仍需進一步生產試驗及改進。

針對我國香蕉莖稈纖維機械提取研究不足及現有設備纖維提取率低和能耗較高的現狀，基于滾筒刮削機制，研究設計了雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機。該機采用兩個刮取滾筒異向轉動的組合刮取方式，實現對香蕉莖稈纖維的提取利用，能夠有效減少單個滾筒刮削莖稈導致的雜質壓實，從而提高香蕉莖稈纖維提取率、降低含雜率，實現香蕉莖稈纖維的高效提取利用，提高香蕉種植產業附加值。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機為田間固定集中生產式，整機結構如圖1所示。該機主要由莖稈輸送裝置、一級喂入裝置、一級刮削裝置、二級喂入裝置、二級刮削裝置、纖維輸出裝置、機架、電機及變速箱等機構組成。雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機通過一級、二級刮削裝置完成對片狀香蕉莖稈的雙面刮削，能夠經1次在田間實現良好的香蕉莖稈纖維提取作業。

1.莖稈輸入裝置 2.二級刮削裝置 3.一級刮削裝置 4.變速箱 5.二級喂入裝置 6.機架 7.纖維輸出裝置 8.一級喂入裝置 9.電機 10.刮板 11.刮筒

1.2 工作原理

工作時，電機為雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機提供動力，待機器運行穩定后，將片狀香蕉莖稈放置于莖稈輸入裝置；隨后經一級喂入裝置喂入一級刮削裝置，一級刮削裝置中刮筒逆時針高速旋轉完成對喂入莖稈的正面刮削；經一級刮削后，香蕉莖稈纖維在自身重力作用下落入二級喂入裝置，在二級喂入裝置的作用下香蕉莖稈纖維喂入二級刮削裝置，二級刮削裝置中高速順時針旋轉的刮筒完成香蕉莖稈纖維的反面刮削；最后，提取出的纖維經纖維輸出裝置輸出并收集，完成整個香蕉莖稈纖維提取作業過程。

1.3 纖維刮削原理

香蕉莖稈的纖維強度和柔性高于莖肉，當片狀香蕉莖稈進入刮筒和刮板之間的刮取間隙(間隙取值在3～6mm)時，刮刀隨刮筒高速旋轉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，松軟的香蕉莖稈產生劇烈的波浪式振動，抖出夾在纖維中間的莖肉碎渣，實現纖維與雜質的分離。

香蕉莖稈在纖維刮取裝置中的刮削過程，如圖2所示。整個過程可分為6個階段：階段1為片狀香蕉莖稈經喂入裝置逐漸進入喂入裝置；階段2為片狀香蕉莖稈頂端進入刮板與刮筒間的喂入口，且莖稈前端與高速旋轉的刮筒發生觸碰；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的纖維束在氣流與刮筒的作用下進行振動，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程示意圖

1.4 技術參數

雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機的主要技術參數如表1所示。

表1 雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機的主要技術參數

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

技術指標單位參數外形尺寸(長×寬×高)mm3040×1150×1670配套動力kW7．6一級、二級刮筒轉速r/min≥1600生產率kg/h194纖維提取率%≥83纖維含雜率%≤21

2 關鍵結構設計

刮筒是纖維提取機的關鍵機構，主要完成對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 刮筒結構設計

刮筒轉速、刮刀數量是影響香蕉莖稈纖維提取率及含雜率的主要因素[10]。刮刀數量對香蕉莖稈纖維提取的影響主要體現在不同刮刀數量對莖稈的打擊頻率不同。當刮筒轉速相同時，刮刀數量越多，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程中，莖肉碎渣與纖維粘結在一起，需經振動脫渣才能得到較為純凈的纖維束。若刮刀數量過多，則刮筒上相鄰刮刀間的周向間距過小，不利于纖維提取過程中的振動脫渣，從而導致提取出的香蕉莖稈纖維含雜率大幅升高。參考國內GZ-390型香蕉莖稈纖維提取機[11]，沿刮筒圓周等間距均勻固接13把刮刀，刮刀選用規格為50mm×50mm的等邊角鋼制成；刮筒筒板直徑為390mm，刮筒回轉半徑為240mm。

圖3 刮筒結構示意圖

2.2 刮筒轉速n設計

不同的刮筒轉速n直接影響削刮刀對香蕉莖稈的打擊力和打擊頻率，進而影響香蕉莖稈纖維提取率和含雜率。刮筒轉速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；但當刮筒轉速n過大時，過大的打擊力會拉斷香蕉莖稈纖維，降低香蕉莖稈纖維提取率。因此，刮筒轉速n為

(1)

其中，v為刮筒的線速度(m/s)；r為刮筒的回轉半徑(m)。

經試驗，測得v的取值為39～47m/s時較為合理。同時，將刮筒回轉半徑r=0.240m帶入求解，可得刮筒轉速n的取值為1 550～1 890r/min，本設計選取n=1 800r/min。

2.3 傳動設計

雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機的傳動系統由變速箱和帶傳動機構構成，如圖4所示。

1.電機 2.變速箱 3.二級刮筒 4.二級喂入輥 5.莖稈輸送輥 6.一級喂入輥 7.一級刮筒

電機的動力輸入至變速箱進行變速轉換，變速箱分兩路向外輸送動力，分別傳遞至一級刮削裝置和二級刮削裝置，完成香蕉莖稈的纖維提取。其中，一路經帶傳動輸送至一級刮筒，一級滾筒的動力經皮帶傳動機構輸送給一級喂入輥，喂入滾筒通過皮帶傳動機構帶動莖稈輸送輥轉動；另一路經皮帶傳動輸送至二級刮筒，高速旋轉的二級刮筒經皮帶傳動機構帶動二級喂入輥轉動。

3 性能試驗及結果

3.1 試驗條件

在海南大學機電工程學院農機實驗室開展香蕉莖稈纖維提取試驗，試驗采用巴西蕉的莖稈，經人工砍伐由破片機切割成片狀。試驗用香蕉莖稈的基本情況如表2所示。

3.2 試驗結果

雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機的纖維提取測試結果，如表3所示。

表2 香蕉莖稈基本情況

根據試驗測試結果可知：該機的生產效率平均為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運行平穩，操作安全可靠，能夠滿足熱區香蕉莖稈纖維的提取作業。

表3 香蕉莖稈物料特性參數

4 結論

1)基于滾筒刮削機制，研究設計了雙向刮削式香蕉莖稈纖維提取機。該機采用兩個刮取滾筒異向轉動的組合刮取方式，實現對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的纖維提取試驗表明：生產效率平均為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藝需求。

該機的研制成功能夠實現對香蕉莖稈纖維的提取利用，不僅能減少對環境的污染，同時還能夠為農戶提供額外的農業附加效益，有利于促進我國熱帶農業區可持續發展。

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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

國家自然科學基金項目(51565010)；公益性行業(農業)科研專項(201503136)；海南省自然科學基金項目(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