香蕉秸稈切片裝置及其控制系統設計

韓浩定 張 燕 閆二樂

HANG Hao－ding ZHANG YanYAN Er－le

（海南大學機電工程學院，海南 海口 570228）

（College of the Mechanical and Electrical Engineering，Hainan University，Haikou，Hainan 570228，China）

香蕉在中美洲、西印度群島、南美洲、非洲、東南亞等熱帶及亞熱帶地區種植面積很廣，全球香蕉年產量約1億t，香蕉的巨大產量也伴隨著大量的香蕉莖葉副產物。香蕉秸稈可以用于加工飼料、作生產食用菌的基料、作纖維加工的原料和混合堆肥等，提高果農收益，滿足低碳環保和可持續發展的要求［1］。香蕉秸稈切片處理的初加工密切關系到香蕉秸稈的再加工，最終影響秸稈資源的再利用和經濟效益。香蕉秸稈切片機對香蕉秸稈進行切片處理，有利于香蕉秸稈的脫水和破碎，在香蕉秸稈回收利用的工業化進程中扮演重要角色［2］。

切片機在醫學、食品行業、農業、林業等均有廣泛的應用，目前國內外主要研究的切片機的基本類型有5種，按其結構可分為搖動式切片機、輪轉式切片機、滑動式切片機、推動式（雪橇式）切片機、冰凍切片機。普通最常用的是輪轉式切片機。醫學方面，1939年Von Aidenne公司研制了一種旋轉式的超薄切片機。食品行業方面有Cine洋蔥切片機、黃姜切片機等，以及盤式砍切型和滑切型蓮藕切片機等。在制漿造紙行業，一般形式有刀盤式切片機、鼓式切片機、螺旋切片機等［3］。雖然，目前已經出現了很多種切片機，在醫學、食品、農業、林業、制漿造紙行業等均有廣泛的應用，但是至今為止，還缺乏針對香蕉秸稈切片的秸稈切片機。為此設計出了一種用液壓傳動和控制的香蕉秸稈切片機。采用液壓驅動為刀具提供足夠大的切削力，可以一次性切削許多根香蕉秸稈，提高了效率；采用PLC數字控制系統，可以實現自動化加工，為自動化農業機械的發展提供參考。

1 香蕉秸稈切片機的結構設計

1.1 香蕉秸稈結構成分及加工工藝分析

據統計［4］，香蕉假莖高150～500 cm、直徑10～32 cm，主要成分纖維素的含量約55.59%，膠質含41.95%。香蕉秸稈呈粗大圓柱狀，由螺旋式互生葉片的葉鞘一層層疊裹而成。香蕉假莖的葉片長而寬，其解剖結構見圖1，分為蠟質層、上表皮、柵欄組織、海綿組織、維管組織和下表皮。根據香蕉假莖結構特性分析，香蕉假莖主要由纖維素和膠質組成，很難被打斷或打爛，但很容易被切斷［5］。因此設計香蕉秸稈切片機將香蕉秸稈切成片狀是可行的。

1.2 切片機結構及其工作原理

如圖2所示，本機主要由機架、壓料機構（圖3）、液壓缸、切片刀、切片臺進給滾筒、鏈傳動機構、齒輪齒條、超越離合器等組成。刀具運動方向與豎直方向呈15°。

其工作原理是將一定量的香蕉秸稈整齊擺放在進給滾筒4上，啟動機器，壓料機構將物料壓緊后，液壓缸1驅動切片刀3執行第一次切片，然后刀具快速退回，接著壓料機構松開秸稈，液壓缸6驅動齒輪齒條機構7，通過超越離合器8使滾筒4轉動，各個水平布置的滾筒在鏈傳動機構5的作用下同向轉動，使物料進給一定的長度；壓料機構再次壓緊物料，重復上述動作，實現連續切片。

圖1 香蕉假莖的葉片解剖結構Figure 1 The anatomical structure of leaves of banana pseudostem

圖2 結構與原理Figure 2 The structure and principle

圖3 液壓缸驅動的壓料機構Figure 3 The material pressing mechanism of hydraulic cylinder drive

如圖3所示，壓料機構采用液壓驅動，活塞桿通過滑桿帶動擺桿轉動到一定位置，使得擺桿下端的滾筒壓緊香蕉秸稈，壓緊力豎直向下。進給原理：進給機構運用到液壓驅動、齒輪齒條機構、超越離合器和傳動機構，齒輪齒條機構將液壓缸活塞桿的直線運動轉化為超越離合器的旋轉運動，當齒條做往復運動時，超越離合器的單向傳動，帶動水平滾筒單向轉動，各個水平布置的滾筒在鏈傳動機構5的作用下同向轉動，實現進給，進給量通過控制活塞桿行程來控制［6］，這個控制由可調節距離的行程開關和PLC實現。

2 香蕉秸稈切片機的液壓驅動系統設計

圖4為液壓傳動系統圖。

圖4 液壓系統設計圖Figure 4 The design of hydraulic system

工作原理：按下開始按鈕后，5YA和7YA通電，液壓缸13執行加緊動作；當壓力達到壓力繼電器10的設定值時，2YA通電，5YA斷電，液壓缸14執行切片動作，遇到行程開關SQ1時，2YA斷電，1YA和6YA通電，刀具返回的同時夾緊機構放松；然后控制1YA和6YA斷電，3YA通電，進給物料；行程開關SQ5控制3YA斷電，4YA和5YA通電，實現夾緊動作和液壓缸12回程，行程開關SQ4控制4YA斷電。然后循環上述動作，實現秸稈的連續切削。

3 香蕉秸稈切片機的PLC控制系統設計

PLC（可編程序控制器）［7］是現代工業生產中廣泛應用的控制器，它能夠存儲和執行指令，進行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算數運算等操作，并通過數字式和模擬式的輸入輸出，控制各種類型的機械和生產過程。另外，PLC控制還具有可靠性高，功能性強等特點［8］，故本香蕉秸稈切片機的控制系統采用PLC控制。

3.1 PLC控制I／O地址分配

I／O地址分配見表1。

表1 I／O地址分配Table 1 I／O address assignment

3.2 PLC控制系統I／O接線圖

PLC控制系統I／O接線圖見圖5。

圖5 PLC控制系統I／O接線圖Figure 5 I／O wiring diagram of PLC control system

3.3 PLC程序梯形圖及其指令表

PLC程序梯形圖見圖6，其指令表見表2。

3.4 主要參數與性能指標

（1）切割速度：≥6 m／s；

圖6 PLC程序梯形圖Figure 6 Ladder diagram of PLC programming

表2 PLC指令表Table 2 The PLC instruction sheet

（2）切割效率：≥92%；

（3）切割刀厚：15～35 mm；

（4）切割產量：600 kg／h；

（5）動力配備：40.5 kW。

4 結論

該香蕉秸稈切片機采用斜切可以省力，采用液壓驅動為刀具提供足夠大的切削力，可以一次性切削許多根香蕉秸稈，提高了效率；采用PLC數字控制系統，可以實現自動化加工，為自動化農工業機械的發展提供參考。香蕉秸稈切片機，效率高，切片質量好，控制方便，有利于香蕉秸稈資源的有效利用，滿足現代社會低碳環保和可持續發展的要求，在未來有一定的發展前景。

1 張浩棟，張燕，曾小英，等.基于PLC的香蕉秸稈自動打包機的設計和控制研究［J］.食品與機械，2013，29（4）：115～121.

2 楊華，許繼宏.香蕉副產品的凈化處理與綜合利用［J］.云南農業科技，2006（4）：62～64.

3 朱德榮，常云朋.香蕉秸稈還田技術研究與裝備設計［J］.中國農機化，2012（1）：140～143.

4 韋傳寶，王吉文.香蕉假莖纖維成分的分析［J］.中國林副特產，2008（1）：16～18.

5 張久雷，李志偉.香蕉假莖切割過程中的力學特性試驗研究［J］.農機化研究，2012（5）：174～176.

6 陳奎生.液壓與氣動傳動［M］.武漢：武漢大學出版社，2001.

7 袁琦，黃建清，王步來.現代電氣控制與PLC應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2011.

8 陳海峰，張建寧，張翠珠.全自動蘋果去皮機供料系統設計與PLC控制［J］.食品與機械，2009，25（1）：106～108，119.