香蕉秸秆切片装置及其控制系统设计

韩浩定 张 燕 闫二乐

HANG Hao－ding ZHANG YanYAN Er－le

（海南大学机电工程学院，海南 海口 570228）

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

香蕉在中美洲、西印度群岛、南美洲、非洲、东南亚等热带及亚热带地区种植面积很广，全球香蕉年产量约1亿t，香蕉的巨大产量也伴随着大量的香蕉茎叶副产物。香蕉秸秆可以用于加工饲料、作生产食用菌的基料、作纤维加工的原料和混合堆肥等，提高果农收益，满足低碳环保和可持续发展的要求［1］。香蕉秸秆切片处理的初加工密切关系到香蕉秸秆的再加工，最终影响秸秆资源的再利用和经济效益。香蕉秸秆切片机对香蕉秸秆进行切片处理，有利于香蕉秸秆的脱水和破碎，在香蕉秸秆回收利用的工业化进程中扮演重要角色［2］。

切片机在医学、食品行业、农业、林业等均有广泛的应用，目前国内外主要研究的切片机的基本类型有5种，按其结构可分为摇动式切片机、轮转式切片机、滑动式切片机、推动式（雪橇式）切片机、冰冻切片机。普通最常用的是轮转式切片机。医学方面，1939年Von Aidenne公司研制了一种旋转式的超薄切片机。食品行业方面有Cine洋葱切片机、黄姜切片机等，以及盘式砍切型和滑切型莲藕切片机等。在制浆造纸行业，一般形式有刀盘式切片机、鼓式切片机、螺旋切片机等［3］。虽然，目前已经出现了很多种切片机，在医学、食品、农业、林业、制浆造纸行业等均有广泛的应用，但是至今为止，还缺乏针对香蕉秸秆切片的秸秆切片机。为此设计出了一种用液压传动和控制的香蕉秸秆切片机。采用液压驱动为刀具提供足够大的切削力，可以一次性切削许多根香蕉秸秆，提高了效率；采用PLC数字控制系统，可以实现自动化加工，为自动化农业机械的发展提供参考。

1 香蕉秸秆切片机的结构设计

1.1 香蕉秸秆结构成分及加工工艺分析

据统计［4］，香蕉假茎高150～500 cm、直径10～32 cm，主要成分纤维素的含量约55.59%，胶质含41.95%。香蕉秸秆呈粗大圆柱状，由螺旋式互生叶片的叶鞘一层层叠裹而成。香蕉假茎的叶片长而宽，其解剖结构见图1，分为蜡质层、上表皮、栅栏组织、海绵组织、维管组织和下表皮。根据香蕉假茎结构特性分析，香蕉假茎主要由纤维素和胶质组成，很难被打断或打烂，但很容易被切断［5］。因此设计香蕉秸秆切片机将香蕉秸秆切成片状是可行的。

1.2 切片机结构及其工作原理

如图2所示，本机主要由机架、压料机构（图3）、液压缸、切片刀、切片台进给滚筒、链传动机构、齿轮齿条、超越离合器等组成。刀具运动方向与竖直方向呈15°。

其工作原理是将一定量的香蕉秸秆整齐摆放在进给滚筒4上，启动机器，压料机构将物料压紧后，液压缸1驱动切片刀3执行第一次切片，然后刀具快速退回，接着压料机构松开秸秆，液压缸6驱动齿轮齿条机构7，通过超越离合器8使滚筒4转动，各个水平布置的滚筒在链传动机构5的作用下同向转动，使物料进给一定的长度；压料机构再次压紧物料，重复上述动作，实现连续切片。

图1 香蕉假茎的叶片解剖结构Figure 1 The anatomical structure of leaves of banana pseudostem

图2 结构与原理Figure 2 The structure and principle

图3 液压缸驱动的压料机构Figure 3 The material pressing mechanism of hydraulic cylinder drive

如图3所示，压料机构采用液压驱动，活塞杆通过滑杆带动摆杆转动到一定位置，使得摆杆下端的滚筒压紧香蕉秸秆，压紧力竖直向下。进给原理：进给机构运用到液压驱动、齿轮齿条机构、超越离合器和传动机构，齿轮齿条机构将液压缸活塞杆的直线运动转化为超越离合器的旋转运动，当齿条做往复运动时，超越离合器的单向传动，带动水平滚筒单向转动，各个水平布置的滚筒在链传动机构5的作用下同向转动，实现进给，进给量通过控制活塞杆行程来控制［6］，这个控制由可调节距离的行程开关和PLC实现。

2 香蕉秸秆切片机的液压驱动系统设计

图4为液压传动系统图。

图4 液压系统设计图Figure 4 The design of hydraulic system

工作原理：按下开始按钮后，5YA和7YA通电，液压缸13执行加紧动作；当压力达到压力继电器10的设定值时，2YA通电，5YA断电，液压缸14执行切片动作，遇到行程开关SQ1时，2YA断电，1YA和6YA通电，刀具返回的同时夹紧机构放松；然后控制1YA和6YA断电，3YA通电，进给物料；行程开关SQ5控制3YA断电，4YA和5YA通电，实现夹紧动作和液压缸12回程，行程开关SQ4控制4YA断电。然后循环上述动作，实现秸秆的连续切削。

3 香蕉秸秆切片机的PLC控制系统设计

PLC（可编程序控制器）［7］是现代工业生产中广泛应用的控制器，它能够存储和执行指令，进行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算数运算等操作，并通过数字式和模拟式的输入输出，控制各种类型的机械和生产过程。另外，PLC控制还具有可靠性高，功能性强等特点［8］，故本香蕉秸秆切片机的控制系统采用PLC控制。

3.1 PLC控制I／O地址分配

I／O地址分配见表1。

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

3.2 PLC控制系统I／O接线图

PLC控制系统I／O接线图见图5。

图5 PLC控制系统I／O接线图Figure 5 I／O wiring diagram of PLC control system

3.3 PLC程序梯形图及其指令表

PLC程序梯形图见图6，其指令表见表2。

3.4 主要参数与性能指标

（1）切割速度：≥6 m／s；

图6 PLC程序梯形图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）切割产量：600 kg／h；

（5）动力配备：40.5 kW。

4 结论

该香蕉秸秆切片机采用斜切可以省力，采用液压驱动为刀具提供足够大的切削力，可以一次性切削许多根香蕉秸秆，提高了效率；采用PLC数字控制系统，可以实现自动化加工，为自动化农工业机械的发展提供参考。香蕉秸秆切片机，效率高，切片质量好，控制方便，有利于香蕉秸秆资源的有效利用，满足现代社会低碳环保和可持续发展的要求，在未来有一定的发展前景。

1 张浩栋，张燕，曾小英，等.基于PLC的香蕉秸秆自动打包机的设计和控制研究［J］.食品与机械，2013，29（4）：115～121.

2 杨华，许继宏.香蕉副产品的净化处理与综合利用［J］.云南农业科技，2006（4）：62～64.

3 朱德荣，常云朋.香蕉秸秆还田技术研究与装备设计［J］.中国农机化，2012（1）：140～143.

4 韦传宝，王吉文.香蕉假茎纤维成分的分析［J］.中国林副特产，2008（1）：16～18.

5 张久雷，李志伟.香蕉假茎切割过程中的力学特性试验研究［J］.农机化研究，2012（5）：174～176.

6 陈奎生.液压与气动传动［M］.武汉：武汉大学出版社，2001.

7 袁琦，黄建清，王步来.现代电气控制与PLC应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2011.

8 陈海峰，张建宁，张翠珠.全自动苹果去皮机供料系统设计与PLC控制［J］.食品与机械，2009，25（1）：106～108，119.