剪切击打混合式艾草脱叶机构的设计

赖曲芳，黎元瑞，姚星，刘斌，邓勇杰，胡淑芬，肖本贵

（江西农业大学工学院，江西南昌 330045）

艾草作为医用药物已有2 000多年的发展历史，早在晋唐时期，人们就将艾草用于艾灸疗法[1]。近期研究表明，艾草有着抑菌、抗虫、抗氧化等药理作用，其中艾叶还对人体有着抗癌、止血、利胆等作用[2-3]。在艾草加工领域，目前应用广泛且相对而言脱叶效果较好的是击打式脱叶[4]，其中代表装置有湖北大学张鹏楚[5]等设计的利用回转滚筒击打脱叶的艾草脱叶机。虽然回转装置结构简单，但是由于脱叶滚筒作用范围有限，在应对堆叠或发生缠绕的采草时，只能对表层艾叶进行脱离，导致单次脱净率低，往往需要将艾草多次置入机器中脱叶，并且装置中坚硬的击打元件易将艾草梢部茎秆击断导致含杂率上升，同时艾叶也易被击碎造成营养成分的流失。针对以上问题，文章设计了一种混合式艾草脱叶机构，在现有回转脱叶机构的基础上，增加了剐蹭脱叶机构，其脱叶力作用在艾草的侧面，对堆叠的艾草也有较好的脱叶效果，此外剐蹭机构还有梳理艾草的作用，减少了艾草缠堆叠现象的发生。剐蹭脱叶机构和回转脱叶辊的协同作用，大大提高了脱叶效率，并且回转脱叶辊上采用柔性元件，降低了艾叶的破损率，文章设计的艾草脱叶机构对提高艾草加工生产效率和艾草加工质量有重要意义。

1 脱叶机结构分析

1.1 整体结构

本脱叶装置由输送带、脱叶机箱、电动机、传动机构及其他连接元件组成见图1。艾草的脱叶过程在脱叶机箱中完成。脱叶机箱的外部安装有链条、齿轮、带轮等传动元件，艾草脱叶过程中的飞屑不会干扰传动机构的运行。脱叶机的动力由2个电机提供，其中一个电机控制输送辊转速，另外一个电机控制回转脱叶辊转速，可根据艾叶特性分别对输送速度和脱叶速度进行调整。

图1 脱叶机整体结构Fig.1 The overall structure of defoliator

1.2 脱叶结构

脱叶机箱内含3组输送辊，两组脱叶辊，每组脱叶辊包含上下布置的1根回转脱叶辊和1根剐蹭脱叶辊，输送辊采用间隔分布，上下对称布置。两组脱叶辊各夹在一对输送辊之间，且每组脱叶辊中的回转脱叶辊分别一上一下布置，使得艾草的上下面均能被作用到，辊组分布情况见图2。脱叶力由回转脱叶辊上的柔性脱叶元件和剐蹭脱叶辊上的一排剐蹭棒产生，考虑到剐蹭棒的存在会阻碍艾草在辊组间的行进，为此在剐蹭脱叶辊轴两端各安装了1个弹簧，使得艾草在撞击到剐蹭棒时，剐蹭棒能带动剐蹭脱叶辊转动一个角度，提高了艾草的通过性。为增加回转脱叶辊的作用面积，每个回转脱叶辊上都有3排柔性脱叶元件，且交错排列，见图3。

图2 辊组分布图Fig.2 The roller set distribution diagram

图3 回转脱叶辊安装图Fig.3 The installation drawing of flexible deblading element

考虑到柔性脱叶元件工作强度高，为便于其损坏后的更换，设计了一种易于拆卸和安装机械结构。柔性脱叶元件为下端粗、上端细的弧形圆柱体，其下端置于脱叶元件安装筒内，上端穿过固定板，固定板通过螺钉固定在脱叶元件安装筒上。若有柔性脱叶元件损坏，只需将固定板上螺钉取下，移除固定板后，便可将损坏的柔性脱叶元件取下。

设计中，为了减少脱离过程中艾叶的破损，采用了聚氨酯材料制作回转辊上的脱叶元件，使得其具有一定的挠性，相比于刚性元件而言，使用挠性元件在脱叶时艾草缠绕在脱叶辊的概率大大减小[6]，同时对艾叶的损伤也会降低[4]。

2 工作原理

在脱叶机箱中，由输送辊、回转脱、叶辊、剐蹭脱叶辊的协同工作完成将艾秆上艾叶的分离，脱叶力由剐蹭脱叶辊和回转脱叶辊产生。开始脱叶时，艾草被放置在传送带上，带动艾草向右移动，传送带右端连接在进料口处的输送辊上，艾草被输送至脱叶机箱进料口后，输送辊夹持艾草前进，见图4，艾草从剐蹭棒间的各个间隙中穿过，艾草被分成多个排列整齐的部分，即剐蹭棒对艾草的梳理作用，减少了艾草的缠绕现象，使得脱叶元件能接触到更多的艾叶，继而提高脱叶率。艾草在机器中行进时，首先受到回转脱叶辊上击打元件的沿回转圆周切线方向的击打力作用，使得脱叶机中艾草的上下表面部分艾叶脱离，与此同时在柔性元件两侧，击打力作用不到的位置，艾草还受到柔性元件产生的挤压力作用，迫使艾草向前进方向两侧移动，因而圆柱剐蹭棒与艾草发生挤压，艾草贴紧剐蹭棒，此时艾草因受夹持力向前运动，剐蹭棒与艾草间存在速度差，剐蹭棒便产生阻碍艾草前进的力。见图5。力在艾草茎叶连接处产生剪应力，艾叶叶柄折断，此剪应力可作用于剐蹭棒的整个侧面，而对堆叠的艾草而言，其侧面为常规回转脱叶机难以作用到的区域，本机构中的剐蹭棒则有效地解决了这一问题。艾草完成脱叶后艾秆从右侧出口离开，艾叶从下方漏斗状出口离开（见图4）。脱叶的同时完成了艾叶和艾秆的分离。由上述可知本脱叶机的脱叶力由剐蹭脱叶辊和回转脱叶辊产生，相对传统回转脱叶方式而言，本脱叶机脱叶力不但作用于脱叶机中的艾草上下表面，还可深入作用于于艾草侧面并降低艾草在脱叶过程中的缠绕现象，整体的脱叶效果得到了提高。

图4 脱叶过程图Fig.5 The defoliation process diagram

图5 受力分析图Fig.7 The force analysis diagram

3 结论与讨论

文章设计的艾草脱叶装置具有以下特点：回转脱叶辊和剐蹭脱叶辊配合工作，减小了脱叶作用盲区，提高了脱叶效率；回装脱叶辊上柔性脱叶元件的使用，减少了脱叶过程中可能造成的艾叶的破损；双电机分别控制脱叶辊和输送辊使得输送速度和脱叶辊转速可调，方便为不同特性的艾草设置不同的电机转速，适应性得以提高。

本脱叶装置结合使用了回转脱叶辊与剐蹭脱叶辊，弥补了目前回转脱叶装置对堆叠、缠绕的艾草脱叶能力不足导致脱叶率低的缺陷，艾草脱叶过程中被脱叶作用部分的面积得以提高，使得艾草在一次行程中，脱叶效率得到提高，但本装置在对艾草柔软梢部艾叶的脱离方面稍显不足，未来尝试在机构中加入拉拔装置进行研究[7]。此外，由于植物的共有特性，本装置除可用于艾草的加工外，还可用于其他有叶柄类植物的脱叶加工。