陳伍彪,任強(qiáng)勝,陳 濤

(四川省絲綢科學(xué)研究院有限公司,四川 成都610031)

桑樹枝條的皮和芯通過分離后,都具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。桑皮纖維是近年開發(fā)出的一種新型天然纖維素纖維,它既有棉纖維的特征,又有麻纖維的優(yōu)點(diǎn),其紡織產(chǎn)品符合人們對(duì)自然環(huán)保的全新追求,具有較好的市場(chǎng)認(rèn)知度。而桑枝芯桿制成的粒料是制作高檔纖維板、造紙、菌類培養(yǎng)基等的優(yōu)質(zhì)材料,廣泛應(yīng)用于房地產(chǎn)、家具、室內(nèi)裝飾、包裝、食用菌等行業(yè),具有極廣闊的應(yīng)用前景。以往剝制桑皮大多是手工剝?nèi)?勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低,因此桑枝條經(jīng)常作為廢棄物被扔掉,其皮、芯的經(jīng)濟(jì)價(jià)值未得到充分利用。也有人嘗試用其他剝皮機(jī)來剝制桑皮,但其皮芯分離率低且剝制的桑皮質(zhì)量差。因此,受人力不足和剝制成本及剝?nèi)〖夹g(shù)等的影響,桑皮剝?nèi)±щy,質(zhì)量參差不齊,制約了桑皮纖維項(xiàng)目的健康發(fā)展。研制了一種連續(xù)化生產(chǎn)桑枝皮芯分離芯桿成粒的聯(lián)合機(jī),可以使桑枝條的皮芯分離和芯桿成粒在同一機(jī)器上實(shí)現(xiàn),其產(chǎn)品無論是桑皮還是桑枝粒料都具有良好的市場(chǎng)開發(fā)應(yīng)用前景,對(duì)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展和桑農(nóng)增收具有重要意義。

1 總體設(shè)計(jì)方案

為了解決手工剝制桑皮勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低和桑枝芯桿韌性好、難切斷以及現(xiàn)有剝皮機(jī)械針對(duì)性差、剝皮效率低、剝制的桑皮質(zhì)量差等難點(diǎn),研制了一套既能將皮與芯高效分離,又能將芯桿粉碎成不同規(guī)格的顆粒,且皮芯分離和芯桿成粒能在同一機(jī)器上進(jìn)行的聯(lián)合機(jī)。經(jīng)過多次對(duì)樣品進(jìn)行試驗(yàn)論證,桑枝皮芯分離且芯桿成粒主要工藝路線如圖1所示。

圖1 工藝路線圖

為滿足工藝要求,桑枝皮芯分離芯桿成粒聯(lián)合機(jī)分兩部分設(shè)計(jì),即皮芯分離部分和芯桿成粒部分。皮芯分離采用輥壓震動(dòng)和敲擊的方式實(shí)現(xiàn),而芯桿成粒則采用先剪切后粉碎的方式實(shí)現(xiàn),最后通過傳送機(jī)構(gòu)和其他輔助機(jī)構(gòu)將兩部分結(jié)合成整體,實(shí)現(xiàn)桑枝皮芯分離和芯桿成粒。設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 桑枝皮芯分離芯桿成粒聯(lián)合機(jī)總體方案圖

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 輸送機(jī)構(gòu)和喂入機(jī)構(gòu)

為了使桑枝順利進(jìn)入桑枝預(yù)處理機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)了輸送機(jī)構(gòu)和喂入機(jī)構(gòu)。輸送機(jī)構(gòu)為輸送帶,為防止桑枝條滾動(dòng),增加摩擦,輸送帶表面設(shè)計(jì)為帶草紋防滑,負(fù)責(zé)為桑枝提供向前的推動(dòng)力;喂入機(jī)構(gòu)(圖3)輔助桑枝對(duì)準(zhǔn)刀片。喂入機(jī)構(gòu)核心部件為與刀片相對(duì)應(yīng)的5組固定擋片1、2和活動(dòng)擋片?；顒?dòng)擋片為常閉狀態(tài),當(dāng)桑枝頂開活動(dòng)擋片經(jīng)過時(shí),被活動(dòng)擋片通過扭簧給的預(yù)緊力夾緊,從而能準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)刀片,使得表面切口得以順利進(jìn)行。

圖3 單組喂入機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 桑枝預(yù)處理機(jī)構(gòu)

由于桑皮纖維具有較強(qiáng)的韌性,皮芯分離時(shí)桑皮容易纏繞在芯桿上。為了徹底達(dá)到皮芯分離,須將桑枝條進(jìn)行預(yù)處理,經(jīng)試驗(yàn)證明沿桑枝條縱向表面劃一刀就能很好地解決這一問題。因此桑枝預(yù)處理機(jī)構(gòu)確定由刀片和刀輥組成,通過刀片與刀輥的相互擠壓,實(shí)現(xiàn)沿著桑枝枝條方向形成一條切口。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 桑枝預(yù)處理機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

上刀輥帶動(dòng)刀片與下輥旋轉(zhuǎn)使桑枝向前運(yùn)動(dòng),在運(yùn)動(dòng)的同時(shí),刀片進(jìn)行桑枝表面切口。共設(shè)計(jì)了5組這樣的結(jié)構(gòu)。同時(shí),通過壓力彈簧的調(diào)節(jié)能實(shí)現(xiàn)上刀輥軸隨著桑枝直徑變化而上下運(yùn)動(dòng),使不同直徑的桑枝表面縱向切口的位置及深淺達(dá)到理想狀態(tài),使切口深淺基本一致。

2.3 壓枝機(jī)構(gòu)

在預(yù)處理機(jī)構(gòu)后采用了對(duì)輥擠壓方式的壓枝機(jī)構(gòu),壓枝機(jī)構(gòu)主要采用三輥形式,由一套可上下活動(dòng)的壓輥Ⅰ、兩套固定的壓輥Ⅱ與壓輥Ⅲ構(gòu)成,2次擠壓、軸距遞減的三輥形式,如圖5所示。3個(gè)壓輥通過鏈輪提供動(dòng)力,均為主動(dòng)輥。壓輥Ⅰ可通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手柄調(diào)整壓輥之間的間隙,滿足不同桑枝直徑大小。在壓輥表面開有輥槽,以便壓輥在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)對(duì)喂入的桑枝有一個(gè)向內(nèi)的牽拉作用,提高壓枝效果。

圖5 壓枝機(jī)構(gòu)示意圖

桑樹屬于小喬木,根據(jù)對(duì)采下的鮮桑枝的測(cè)量,其直徑基本在15~25 mm范圍內(nèi)。截取直徑為20 mm長度在40 mm枝條段,在含水率13(%wt)左右,但隨著時(shí)間的流逝,其含水率在逐步減小。通過試驗(yàn),一般保證在含水率10(%wt)上的狀態(tài)下,能夠容易分離皮芯。按GB 1928《木材物理力學(xué)試驗(yàn)方法》的有關(guān)規(guī)定,直到達(dá)到破壞皮芯分離的載荷時(shí),測(cè)得順紋抗壓強(qiáng)度(σ12,MPa)指標(biāo)。

式中:Pmax——破壞荷載,N;b——試驗(yàn)寬度,mm;t——試驗(yàn)厚度,mm;

式中:W——試驗(yàn)時(shí)木材含水率,%;σw、σ12——木材氣干狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)含水率12%時(shí)的強(qiáng)度,MPa。

經(jīng)過計(jì)算,其順紋抗壓強(qiáng)度平均為18 MPa。

為保證桑枝能被壓輥正常擠壓和傳動(dòng)可靠,3個(gè)壓輥外徑均設(shè)計(jì)為直徑178 mm,表面加工為齒形;壓輥1、2之間間距設(shè)計(jì)值為15~20 mm,壓輥1、3之間間距的設(shè)計(jì)值為10~15 mm。這樣既能保證桑枝順利喂入,又能保證對(duì)每根桑枝的兩級(jí)擠壓,實(shí)現(xiàn)皮芯的初步分離。由于桑枝韌皮部含有的果膠導(dǎo)致不易完全分離,還需要采取下一步震動(dòng)措施。

2.4 震動(dòng)機(jī)構(gòu)

由于桑枝經(jīng)過壓輥擠壓后皮芯已初步分離,只需通過外力的作用使被擠壓過的桑枝產(chǎn)生震動(dòng)就能使分離率大幅提高,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。因此設(shè)計(jì)了如圖6這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效且穩(wěn)定的震動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖6 震動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

震動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑設(shè)計(jì)為150 mm,桑枝就能從震動(dòng)軸軸線以下125 mm處穿過,這樣既能保證桑枝受到的敲擊力足夠,又能減少桑皮纏繞。經(jīng)過試驗(yàn),在調(diào)速電機(jī)的帶動(dòng)下,震動(dòng)軸以400 r/min的速度轉(zhuǎn)動(dòng),桑枝將被橫桿以12次/s左右的敲打頻率敲擊,此時(shí)皮芯分離率最高,能達(dá)到95%左右。若提高頻率,桑皮和桑枝被打斷的幾率大幅增加,并且不安全,而降低頻率則會(huì)降低分離率。同時(shí),為了安全,設(shè)計(jì)了安全罩。皮芯部分分離后,桑皮依靠自重下落至收集機(jī)構(gòu)的橡膠對(duì)輥中間,再通過橡膠對(duì)輥的主動(dòng)牽拉使其徹底分離;桑枝芯桿則通過之后的牽拉機(jī)構(gòu)的牽引和輸送帶的輸送繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)粉碎處理。

2.5 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要采用三相異步電動(dòng)機(jī)作為主要?jiǎng)恿敵?額定功率為1.5 k W,轉(zhuǎn)速為1 500 r/min。采用“Δ”接法。為了將動(dòng)力平穩(wěn)可靠地傳動(dòng)到壓輥、刀輥、震動(dòng)軸、粉碎機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)采用了鏈傳動(dòng)、皮帶輪傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。即在低速且較大載荷時(shí)采用鏈傳動(dòng),在中速輕載荷時(shí)采用皮帶輪傳動(dòng),在距離較近、反向旋轉(zhuǎn)的兩軸上采用齒輪傳動(dòng)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力組成如圖7所示。粉碎機(jī)構(gòu)傳動(dòng)采用獨(dú)立的三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刀片和粉碎打手,額定功率為18.5 k W,采用“Y-Δ”降壓?jiǎn)?dòng)。

2.6 粉碎機(jī)構(gòu)

由于需要將剝皮后的桑枝芯桿粉碎成不同規(guī)格的粒料,所以將粉碎機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成三個(gè)部分:切斷刀片、粉碎打手和篩網(wǎng)。充分考慮桑枝的特性,設(shè)計(jì)選擇了合適刀片的角度和硬度,設(shè)備啟動(dòng)后利用高速旋轉(zhuǎn)的刀片先把桑枝切成片狀,在切碎桑枝條的同時(shí),高速旋轉(zhuǎn)作用產(chǎn)生旋風(fēng),使片狀的桑樹片在粉碎室內(nèi)飛揚(yáng)。再由3組(每組4片)共12片旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)活動(dòng)錘片把飛揚(yáng)的木片擊碎。粉碎后的桑枝屑經(jīng)過設(shè)置的相關(guān)規(guī)格的篩網(wǎng)過濾后飛速排出。粉碎機(jī)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖7 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力組成

1.篩網(wǎng);2.活動(dòng)錘片;3.刀片;4.桑枝條

3 主要技術(shù)參數(shù)

通過對(duì)桑枝皮芯分離芯桿成粒機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和輔助部件設(shè)計(jì),該機(jī)主要由輸送機(jī)構(gòu)、喂入機(jī)構(gòu)、桑枝預(yù)處理機(jī)構(gòu)、壓枝機(jī)構(gòu)、震動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、粉碎機(jī)構(gòu)等組成。樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

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圖9 桑枝皮芯分離芯桿成粒聯(lián)合機(jī)實(shí)物圖

4 結(jié)論

通過對(duì)桑枝物理性能的研究,設(shè)計(jì)并試制出了第一代桑枝皮芯分離芯桿成粒聯(lián)合機(jī),在對(duì)其性能試驗(yàn)后,得出結(jié)論:

(1)對(duì)比現(xiàn)有的手工或采用切段蒸煮處理的剝皮機(jī),設(shè)計(jì)的第一代桑枝皮芯分離芯桿成粒聯(lián)合機(jī)除喂入外全部由機(jī)械自動(dòng)完成,操作方便,自動(dòng)化高,不傷桑皮且分離率高。

(2)雖然剝皮功效提高了,但仍需向更高效的方向改進(jìn)。

(3)整機(jī)較為龐大,重量偏重,需要進(jìn)一步做輕量化、小型化設(shè)計(jì)。

(4)降低能耗,向環(huán)保型方向改進(jìn)。