双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机的设计

王 彬，蒋素清，张喜瑞

(1.江苏财经职业技术学院 机械电子与信息工程学院，江苏 淮安 223003；2.海南大学 机电工程学院，海口 570228)



双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机的设计

王 彬1，蒋素清1，张喜瑞2

(1.江苏财经职业技术学院 机械电子与信息工程学院，江苏 淮安 223003；2.海南大学 机电工程学院，海口 570228)

针对我国香蕉茎秆纤维机械提取研究不足，现有设备纤维提取率低、含杂率高及能耗较高的现状，基于纤维提取滚筒刮削机制，研究设计了双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机。该机采用两个刮取滚筒异向转动的组合刮取方式，实现对香蕉茎秆纤维的提取利用。试验表明：该机的生产效率平均为203.7kg/h，香蕉茎秆纤维提取率平均为89.7%，香蕉茎秆纤维提取的含杂率平均为16.1%，满足了香蕉茎秆纤维提取的农艺需求。

香蕉；纤维提取；刮削式；双向

0 引言

我国是世界香蕉种植及产出大国，香蕉种植已成为我国热带农业发展的支柱性产业[1]。研究表明，在香蕉的生产种植过程中会产生近乎等量的香蕉茎秆废弃物。据统计，2014年我国香蕉茎秆废弃物的生物总量约为3 500万t。然而，由于国内外缺少针对香蕉茎秆废弃物回收再利用的研究[2]，香蕉茎秆除少部分被加工成绳索、麻袋、手提包等物品外，大部分被当作废弃物就地焚烧或丢弃腐烂，不仅导致了严重的资源浪费和环境污染，也导致香蕉地细菌滋生、病虫害传播等危害[3-4]。

香蕉茎秆纤维是一种新型天然环保纤维，具有强度高、伸长率小、回潮率大、质量轻和透气性强等特点[5]，若能通过机械加工提取利用，可有效缓解我国麻类资源不足的现状。香蕉茎秆中含有丰富的植物纤维，每株香蕉树最多可提取360～470g、最少可提取170～250g的香蕉茎纤维。若以每667hm2110株香蕉树计算，2008年我国的香蕉茎纤维产量至少为7.15万～10.52万t、至多高达15.15万～19.78万t，约占全世界香蕉茎纤维年产量的9.89%[6]。

目前，香蕉茎秆纤维提取多采用传统手工刮取和半机械喂入刮麻的方式[7]。由于传统纯手工刮取方式劳动强度大、采集时间长、刮削效果差，不适宜大批量生产的实际要求。半机械喂入刮麻是采用人工将香蕉茎秆破片后，经手工喂入小型刮麻机进行提取纤维作业，具有设备简单、机械功率消耗小、使用维护和转移方便、场地占用面积小，以及提取出的纤维整齐、含杂率较低、残渣可回收等特点[8]。但该方式需人工喂入香蕉茎秆和清洗香蕉茎秆纤维，生产效率较低，无法实现香蕉茎秆纤维的大规模提取加工利用。国内研制的自动刮麻机以纵向喂入为主，能够连续完成香蕉茎秆的破片及后续刮麻作业，具有机械化程度高、纤维质量好、含杂率低和生产效率高等优点[9]，但存在纤维提取率较低、能耗较高的问题，仍需进一步生产试验及改进。

针对我国香蕉茎秆纤维机械提取研究不足及现有设备纤维提取率低和能耗较高的现状，基于滚筒刮削机制，研究设计了双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机。该机采用两个刮取滚筒异向转动的组合刮取方式，实现对香蕉茎秆纤维的提取利用，能够有效减少单个滚筒刮削茎秆导致的杂质压实，从而提高香蕉茎秆纤维提取率、降低含杂率，实现香蕉茎秆纤维的高效提取利用，提高香蕉种植产业附加值。

1 整机结构与工作原理

1.1 整机结构

双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机为田间固定集中生产式，整机结构如图1所示。该机主要由茎秆输送装置、一级喂入装置、一级刮削装置、二级喂入装置、二级刮削装置、纤维输出装置、机架、电机及变速箱等机构组成。双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机通过一级、二级刮削装置完成对片状香蕉茎秆的双面刮削，能够经1次在田间实现良好的香蕉茎秆纤维提取作业。

1.茎秆输入装置 2.二级刮削装置 3.一级刮削装置 4.变速箱 5.二级喂入装置 6.机架 7.纤维输出装置 8.一级喂入装置 9.电机 10.刮板 11.刮筒

1.2 工作原理

工作时，电机为双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机提供动力，待机器运行稳定后，将片状香蕉茎秆放置于茎秆输入装置；随后经一级喂入装置喂入一级刮削装置，一级刮削装置中刮筒逆时针高速旋转完成对喂入茎秆的正面刮削；经一级刮削后，香蕉茎秆纤维在自身重力作用下落入二级喂入装置，在二级喂入装置的作用下香蕉茎秆纤维喂入二级刮削装置，二级刮削装置中高速顺时针旋转的刮筒完成香蕉茎秆纤维的反面刮削；最后，提取出的纤维经纤维输出装置输出并收集，完成整个香蕉茎秆纤维提取作业过程。

1.3 纤维刮削原理

香蕉茎秆的纤维强度和柔性高于茎肉，当片状香蕉茎秆进入刮筒和刮板之间的刮取间隙(间隙取值在3～6mm)时，刮刀随刮筒高速旋转并不断地打击和刮削香蕉茎秆，逐渐破坏茎秆表皮及其茎肉组织；被击碎的茎肉碎渣与茎秆纤维分离或夹附在纤维之间，在刮刀打击力和刮板反弹力的共同作用下，松软的香蕉茎秆产生剧烈的波浪式振动，抖出夹在纤维中间的茎肉碎渣，实现纤维与杂质的分离。

香蕉茎秆在纤维刮取装置中的刮削过程，如图2所示。整个过程可分为6个阶段：阶段1为片状香蕉茎秆经喂入装置逐渐进入喂入装置；阶段2为片状香蕉茎秆顶端进入刮板与刮筒间的喂入口，且茎秆前端与高速旋转的刮筒发生触碰；阶段3为片状香蕉茎秆在刮筒上的刮刀作用下被带入刀辊与刀板之间的间隙进行打击刮削；阶段4为片状香蕉茎秆被完全喂入，茎秆前部被刮削出的纤维束开始露出间隙外；阶段5为片状香蕉茎秆前部较长的纤维束在气流与刮筒的作用下进行振动，使纤维束上夹带的茎肉碎渣被甩脱；阶段6为输出纤维束，刮削好的纤维束逐渐输出到下一工位。

图2 刮取装置中纤维刮取过程示意图

1.4 技术参数

双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机的主要技术参数如表1所示。

表1 双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机的主要技术参数

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

技术指标单位参数外形尺寸(长×宽×高)mm3040×1150×1670配套动力kW7．6一级、二级刮筒转速r/min≥1600生产率kg/h194纤维提取率%≥83纤维含杂率%≤21

2 关键结构设计

刮筒是纤维提取机的关键机构，主要完成对香蕉茎秆的纤维刮取。刮筒主要由刮刀和筒板组成，如图3所示。

2.1 刮筒结构设计

刮筒转速、刮刀数量是影响香蕉茎秆纤维提取率及含杂率的主要因素[10]。刮刀数量对香蕉茎秆纤维提取的影响主要体现在不同刮刀数量对茎秆的打击频率不同。当刮筒转速相同时，刮刀数量越多，茎秆被打击的频率越大，刮削更加均匀且提取出的香蕉茎秆纤维越完整、光滑。在香蕉茎秆纤维提取过程中，茎肉碎渣与纤维粘结在一起，需经振动脱渣才能得到较为纯净的纤维束。若刮刀数量过多，则刮筒上相邻刮刀间的周向间距过小，不利于纤维提取过程中的振动脱渣，从而导致提取出的香蕉茎秆纤维含杂率大幅升高。参考国内GZ-390型香蕉茎秆纤维提取机[11]，沿刮筒圆周等间距均匀固接13把刮刀，刮刀选用规格为50mm×50mm的等边角钢制成；刮筒筒板直径为390mm，刮筒回转半径为240mm。

图3 刮筒结构示意图

2.2 刮筒转速n设计

不同的刮筒转速n直接影响削刮刀对香蕉茎秆的打击力和打击频率，进而影响香蕉茎秆纤维提取率和含杂率。刮筒转速n越大，香蕉茎秆所受的打击力和打击频率越大，茎肉组织被击碎的程度越大，且由于振动频率的增加，纤维束更易脱去茎肉碎渣，从而提高降低纤维含杂率；但当刮筒转速n过大时，过大的打击力会拉断香蕉茎秆纤维，降低香蕉茎秆纤维提取率。因此，刮筒转速n为

(1)

其中，v为刮筒的线速度(m/s)；r为刮筒的回转半径(m)。

经试验，测得v的取值为39～47m/s时较为合理。同时，将刮筒回转半径r=0.240m带入求解，可得刮筒转速n的取值为1 550～1 890r/min，本设计选取n=1 800r/min。

2.3 传动设计

双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机的传动系统由变速箱和带传动机构构成，如图4所示。

1.电机 2.变速箱 3.二级刮筒 4.二级喂入辊 5.茎秆输送辊 6.一级喂入辊 7.一级刮筒

电机的动力输入至变速箱进行变速转换，变速箱分两路向外输送动力，分别传递至一级刮削装置和二级刮削装置，完成香蕉茎秆的纤维提取。其中，一路经带传动输送至一级刮筒，一级滚筒的动力经皮带传动机构输送给一级喂入辊，喂入滚筒通过皮带传动机构带动茎秆输送辊转动；另一路经皮带传动输送至二级刮筒，高速旋转的二级刮筒经皮带传动机构带动二级喂入辊转动。

3 性能试验及结果

3.1 试验条件

在海南大学机电工程学院农机实验室开展香蕉茎秆纤维提取试验，试验采用巴西蕉的茎秆，经人工砍伐由破片机切割成片状。试验用香蕉茎秆的基本情况如表2所示。

3.2 试验结果

双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机的纤维提取测试结果，如表3所示。

表2 香蕉茎秆基本情况

根据试验测试结果可知：该机的生产效率平均为203.7kg/h，香蕉茎秆纤维提取率平均为89.7%，香蕉茎秆纤维提取的含杂率平均为16.1%。双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机运行平稳，操作安全可靠，能够满足热区香蕉茎秆纤维的提取作业。

表3 香蕉茎秆物料特性参数

4 结论

1)基于滚筒刮削机制，研究设计了双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机。该机采用两个刮取滚筒异向转动的组合刮取方式，实现对香蕉茎秆纤维的提取利用。

2)双向刮削式香蕉茎秆纤维提取机的纤维提取试验表明：生产效率平均为203.7kg/h，香蕉茎秆纤维提取率平均为89.7%，香蕉茎秆纤维提取的含杂率平均为16.1%，满足香蕉茎秆纤维提取的农艺需求。

该机的研制成功能够实现对香蕉茎秆纤维的提取利用，不仅能减少对环境的污染，同时还能够为农户提供额外的农业附加效益，有利于促进我国热带农业区可持续发展。

[1] 杨春燕.香蕉茎纤维制取工艺研究[D].上海：东华大学，2009.

[2] 史倩青.香蕉纤维的开发及应用研究进展[J].上海纺织科技，2006(9)：18-19.

[3] 梁冬，邓沁兰，史倩青. 香蕉茎纤维的现状与开发应用前景[J]. 化纤与纺织技术，2007(1)：28-31.

[4] 熊月林，崔运花. 香蕉韧皮纤维的制取工艺[J].东华大学学报：自然科学版,2008，34(1)：61-65.

[5] 勤宝.新型环保纤维香蕉纤维[J].纺织装饰科技，2009(4)：28-29.

[6] 熊月林 崔运花.香蕉纤维的研究现状及其开发应用前景[J].纺织学报，2007(9)：122-124.

[7] 王红,翁扬,邢声远.香蕉纤维的制备及产品开发[J].纺织导报，2010(6) ：105-106.

[8] 欧忠庆，张劲，李明福，等.香蕉茎秆刮麻机的研制[J].中国热带农业，2007(1)：30-31.

[9] 张喜瑞，梁栋，李粤，等.移动式全喂入香蕉茎秆纤维提取机的研制与试验[J].农业工程学报，2015,31(15)：22-30.

[10] 马强，梁栋，张喜瑞.基于ANSYSWorkbench的香蕉茎秆纤维提取刮刀改进设计[J].农机化研究，2015,37(11)：222-225,229.

[11] Jarman C G, Mykoluk S, Kennedy, et al. Banana fiber: a review of its properties and small-scale extraction and processing[J].Tropical Science (UK),1977,19(4):173-185.

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

国家自然科学基金项目(51565010)；公益性行业(农业)科研专项(201503136)；海南省自然科学基金项目(20163038)

王 彬(1982-),男，山东日照人，硕士，(E-mail) binau@163.com。

S226.7+9

A

1003-188X(2017)08-0077-05