苧麻莖稈機械分離過程力學建模與試驗分析

鄒舒暢+蘇工兵+邵運果+孟力

摘要：現(xiàn)有苧麻莖稈機械分離技術(shù)主要核心工作部件是剝麻輥結(jié)構(gòu)，試驗以該核心工作部件為基礎，構(gòu)建了新型莖稈分離臺架。苧麻莖稈分離過程是由折斷和麻皮麻骨分離瞬時完成的，以此推導了輥齒對麻稈作用的折斷能和分離能的關(guān)系表達式，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對莖稈分離的影響；在此基礎上，對主要部件剝麻輥以輥轉(zhuǎn)速、輥半徑、輥齒數(shù)、嚙合深度為試驗因素，設置了L9（34）正交試驗。結(jié)果表明，各因素對剝凈率影響的高低排序為剝麻輥轉(zhuǎn)速、嚙合深度、剝麻輥齒數(shù)、剝麻輥半徑，較優(yōu)組合為剝麻輥轉(zhuǎn)速900 r/min、嚙合深度5 mm、剝麻輥齒數(shù)20個、剝麻輥半徑120 mm，此時剝凈率為98.42%。試驗揭示了苧麻莖稈機械分離的機理，優(yōu)化了剝麻技術(shù)的工藝參數(shù)，為剝麻技術(shù)的開發(fā)提供了技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：苧麻莖稈；機械分離；剝麻輥齒；結(jié)構(gòu)參數(shù)；正交試驗；剝凈率

中圖分類號：TS122.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）02-0348-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.02.035

苧麻纖維是一種天然的紡織纖維，可大量用于紡織行業(yè)[1]，苧麻莖稈分離技術(shù)一直是苧麻原麻生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在現(xiàn)有各種形式的機械分離設備中，直喂式剝麻機和反拉式剝麻機是主要的剝麻機械，其關(guān)鍵部位剝離裝置是剝麻輥齒結(jié)構(gòu)。目前許多研究者通過改變剝離設備結(jié)構(gòu)對苧麻莖稈分離設備進行研究分析[2-5]。其中龍超海等[2]對4BM-260型苧麻剝麻機通過正交試驗，分析了剝麻機滾筒直徑、滾筒轉(zhuǎn)速、剝麻間隙等主要技術(shù)參數(shù)對剝麻效率的影響，認為剝麻滾筒的最優(yōu)技術(shù)參數(shù)為嚙合深度5 mm、滾筒轉(zhuǎn)速900 r/min、喂入角度20°、滾簡直徑260 mm。蘇工兵等[3]采用速差分離原理研制出了全自動苧麻莖稈分離機，通過不同速差的匹配，分析了苧麻尾部剝離過程。呂江南等[4]對研制的雙滾筒反拉式苧麻剝麻機在正交試驗和性能分析基礎上，確定了主要技術(shù)參數(shù)，樣機初步性能試驗結(jié)果表明，鮮莖出麻率為5%左右，苧麻含雜率≤1.5%，苧麻含膠率為30%左右，苧麻單纖維強力為51～54 cN。張龍云等[5]研制的FL-235型復刮式苧麻剝麻機試制了雙滾軋刀互向可調(diào)式齒輪裝置，并通過反復試驗和結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化，達到了整機設計合理、運行效果良好、無故障、生產(chǎn)效率高的目的。不過國內(nèi)外相關(guān)領域?qū)ζr麻剝麻機的研究主要集中于苧麻機械剝離機結(jié)構(gòu)設計和試驗研究方面[6-12]，尚未從機械設備與苧麻纖維剝離相互作用上建立力學方程來分析苧麻莖稈分離機理?，F(xiàn)有研究表明[13-15]，苧麻莖稈在沖擊載荷作用下，木質(zhì)部沖擊斷裂韌性較小，最先破裂，韌皮纖維卻有較好的韌性，這種結(jié)構(gòu)力學性能的差異是苧麻莖稈機械剝離的力學基礎。為此，試驗采用剛體動力學和結(jié)構(gòu)動力學及正交試驗分析方法，建立了苧麻莖稈分離過程的力學方程，研究了機械設備輥齒結(jié)構(gòu)與苧麻莖稈相互作用之間的關(guān)系，這對于揭示苧麻莖稈機械分離機理和研究設計剝離機械具有重要的指導意義。

1 莖稈分離臺架結(jié)構(gòu)及工作原理

按照現(xiàn)有苧麻莖稈剝離輥齒結(jié)構(gòu)原理，試驗設計并試制了新型莖稈分離試驗臺架，其工藝流程為苧麻莖稈喂入→壓麻輥壓碎→高速輥齒剝離→分離輥齒→拉麻輥高速拉出麻皮。試驗臺架結(jié)構(gòu)見圖1，其工作原理是苧麻莖稈從2個壓麻輥的嚙合口喂入，壓碎的莖稈以壓麻輥切向速度進入剝麻輥，在剝麻輥的高速旋轉(zhuǎn)下，被壓扁的麻骨折斷并從麻皮中剝離打飛，大部分的麻骨與麻皮分離；去掉大部分麻骨的麻稈以麻皮順序進入分離輥齒和拉麻輥，其中拉麻輥的轉(zhuǎn)速大于分離輥齒的轉(zhuǎn)速，在拉麻輥的作用下，剩余麻骨強行與麻皮分開，從而實現(xiàn)麻稈尾端的麻骨與麻皮分離，該設計解決了莖稈尾端分離不清的問題。根據(jù)試制的新型分離臺架以及現(xiàn)有的機械分離設備（包括直喂式剝麻機和反拉式剝麻機）研究可知，其關(guān)鍵剝離裝置是剝麻輥齒結(jié)構(gòu)。為此，試驗以剝麻輥齒結(jié)構(gòu)為研究對象，分析了莖稈分離過程中剝麻輥齒結(jié)構(gòu)與苧麻纖維剝離之間的相互作用機理，從而優(yōu)化剝麻技術(shù)有關(guān)參數(shù)。

2 莖稈分離過程的力學分析

2.1 建立莖稈折斷過程力學方程

在新型莖稈分離試驗臺架上，被壓扁的麻稈以緩慢的速度進入2個剝麻輥之間后，受到高速旋轉(zhuǎn)的剝麻齒瞬時沖擊而迅速折彎，麻骨因質(zhì)硬而脆被折斷，麻皮因柔韌性好而未斷。為了研究分析莖稈分離機理，選取苧麻莖稈在輥齒剝離某一時刻靜止狀態(tài)進行受力分析，其受力情況見圖2。在圖2中，F(xiàn)為輥齒齒端力，該力以莖稈受力點為坐標點，沿著莖稈折斷方向和與之垂直方向分解，其中沿莖稈垂直方向力為N，沿莖稈運動方向力為Q；N的作用使莖稈折斷，Q則剝離莖稈，γ為2個剝麻輥齒之間的夾角，？琢為輥齒對莖稈的剝離角。為了分析苧麻受力變化過程，假設取2次碰撞之間的長度為麻稈研究對象，其質(zhì)量為m稈。則苧麻莖稈的受力為：

式中，N為輥齒對莖稈的折斷力，Q為輥齒對莖稈的剝離力。設輥齒數(shù)為Z，則2個輥齒對輥筒軸心的夾角為：

由此可知，苧麻莖稈剝離過程主要與剝麻輥和壓麻輥轉(zhuǎn)動速度、剝麻輥半徑及剝麻輥齒數(shù)有關(guān)， v剝與v喂的差值越大，剝麻輥半徑R越小及剝麻輥齒數(shù)Z越大，則剝離能E0越大，剝離效果越好。

通過上述研究苧麻莖稈與輥齒結(jié)構(gòu)作用分離過程，建立了莖稈分離過程中折斷能量和剝離能量的關(guān)系表達式，由表達式（14）、（19）可知，莖稈分離效果不僅與苧麻自身材料屬性（彈性系數(shù)、阻尼系數(shù)、固有角頻率）有關(guān)，還與莖稈分離臺架的結(jié)構(gòu)參數(shù)（剝麻輥半徑、齒數(shù)、嚙合深度）及各對輥齒轉(zhuǎn)速大小有關(guān)。根據(jù)以上理論研究結(jié)果，并結(jié)合試驗臺架結(jié)構(gòu)部分參數(shù)，進行莖稈分離與輥齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的正交試驗。

3 莖稈分離與輥齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的L9（34）正交試驗

3.1 因素、指標選擇

剝麻輥是苧麻剝麻機的最主要部件，通過上述力學分析可知：①剝麻齒對麻稈的沖擊力F越大，則麻稈瞬時變形也越大，使折斷效果越好，而剝麻輥的轉(zhuǎn)速直接影響沖擊力F，所以提高剝麻輥的轉(zhuǎn)速可使麻稈折斷效果更好；但考慮到能耗的影響，還是應選擇合適的轉(zhuǎn)速。為此，以剝麻輥轉(zhuǎn)速700、800、900 r/min為3個水平進行正交試驗。②增大嚙合深度b或減小剝麻齒半徑R可以提高麻稈折斷效果，但嚙合過深會損傷麻皮纖維，同時受到結(jié)構(gòu)制約。因此分別以剝麻輥半徑120、140、160 mm以及嚙合深度3、5、7 mm為正交試驗的3個水平進行正交試驗。③由試驗可知，增多剝麻輥齒數(shù)Z，折斷麻稈長度變短，可減少剝離麻骨所需能量Q；但過多會損傷纖維，同時受到結(jié)構(gòu)的限制。因此以剝麻輥齒數(shù)16、20、24個為3個水平進行正交試驗。

3.2 試驗設計

試驗用麻于2016年6月中旬取自湖北省咸寧市苧麻試驗站試驗田種植的華苧4號頭麻，每組試驗重復5次，結(jié)果取平均值，其試驗臺架工作狀態(tài)見圖3。脫凈率Y的計算公式為：

式中，Y為樣品中剝掉麻骨后的百分率，w是剝麻后麻皮與殘余麻骨的總重量，W是剝麻后麻皮的重量。試驗里各因素、水平構(gòu)成見表1，正交試驗方案見表2。

3.3 結(jié)果與分析

苧麻莖稈分離L9（34）正交試驗結(jié)果見表3。從表3可見，通過對剝麻輥正交試驗結(jié)果運算分析，各因素對脫凈率的影響高低排序為剝麻輥轉(zhuǎn)速、嚙合深度、剝麻輥齒數(shù)、剝麻輥半徑；較優(yōu)組合為剝麻輥轉(zhuǎn)速900 r/min、嚙合深度5 mm、剝麻輥齒數(shù)20個、剝麻輥半徑120 mm，此時剝凈率為98.42%。

3.4 其他參數(shù)分析

苧麻莖稈分離過程分為麻稈破裂折斷過程和麻骨剝離飛出過程，這2個過程所需要的能量都是由轉(zhuǎn)動的剝麻輥提供的，由此按照麻稈沖擊斷裂能與麻稈沖擊剝離能之和，粗略估算出剝麻輥單次傳遞給單根苧麻莖稈的最小能量W0。假設一次性喂入麻稈數(shù)量為10根，而剝麻輥能量由電機提供，依據(jù)正交試驗分析結(jié)果，取最優(yōu)條件剝麻輥轉(zhuǎn)速900 r/mi4 討論

1）苧麻莖稈分離過程由折斷和分離瞬時同步完成，試驗對2個過程分別進行力學分析，描述了輥齒對莖稈分離的影響。其中采用靜態(tài)動力學和動態(tài)瞬時響應理論的分析方法，建立了折斷能的關(guān)系表達式，該關(guān)系式表明莖稈分離效果不僅與苧麻自身材料屬性（彈性系數(shù)、阻尼系數(shù)、固有角頻率）有關(guān)，還與莖稈分離臺架的結(jié)構(gòu)參數(shù)（剝麻輥半徑、齒數(shù)、嚙合深度）及電機轉(zhuǎn)速有關(guān)。各因素對分離效果的影響為較復雜的函數(shù)關(guān)系，所以在滿足莖稈分離要求的前提下，應選擇合適的參數(shù)大小，以達到能耗低、效率高的效果；試驗采用能量守恒原理和沖量定理的理論方法，建立了分離能的關(guān)系表達式，該關(guān)系式表明，剝麻輥和壓麻輥轉(zhuǎn)動速度、剝麻輥半徑及剝麻齒齒數(shù)是主要影響因素，v剝與v喂的差值越大，剝麻輥半徑R越小及剝麻齒齒數(shù)Z越多，剝離能E0越大，剝離效果越好。試驗通過建立輥齒對麻稈作用的折斷能和分離能的關(guān)系表達式，揭示了機械輥齒與莖稈分離的機理，為苧麻分離機械設計參數(shù)的選擇提供了技術(shù)指導。

2）采用L9（34）正交試驗方法分析了影響莖稈分離效果的主要因素，即苧麻莖稈分離臺架的最主要部件剝麻輥，結(jié)果表明，對莖稈分離效果的影響高低排序為剝麻輥轉(zhuǎn)速，嚙合深度，剝麻輥齒數(shù)，剝麻輥半徑。苧麻莖稈分離較優(yōu)組合為剝麻輥轉(zhuǎn)速900 r/min、嚙合深度5 mm，剝麻輥齒數(shù)20個、剝麻輥半徑120 mm，此時剝凈率為98.42%，同時粗略估計電機所需最小功率為2.2 kW。

3）除此之外，苧麻莖稈的含水量影響較為顯著。當含水量過高時，剝離開的麻皮容易纏繞在剝麻輥上；而含水量過低時，麻稈逐漸干枯，韌皮部與木質(zhì)部粘連程度提高，剝麻效果不佳。另外麻稈粗細均勻度也有一定的影響，莖稈粗細差異過大的最好分級，這有利于各對輥齒牽引，否則細者牽拉不住，清不掉麻骨。同時一次性喂入麻稈數(shù)量要固定，喂入時要求盡量均勻排列，以易于清骨。

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