蒲應(yīng)俊 ，柳 藝 ，楊明金 ，楊 仕 ，沈 成 ，呂江南 ，楊 玲 ※

（1. 西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,重慶 400715；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所,南京 210014；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所,長(zhǎng)沙 410205）

0 引言

苧麻是中國(guó)南方丘陵山區(qū)特有的以紡織為主要用途的重要特色經(jīng)濟(jì)作物，其種植面積和產(chǎn)量均居世界首位[1]。苧麻為多季生植物，年均收獲3 次[2-3]，莖稈在收割后需要經(jīng)過剝麻、開纖脫膠、干燥等工藝處理，獲得的韌皮部纖維用作優(yōu)質(zhì)紡織原料[4]，但其剝麻環(huán)節(jié)勞動(dòng)強(qiáng)度大、人力成本高、生產(chǎn)效率低。為了降低苧麻生產(chǎn)成本，提高作業(yè)效率，增加麻農(nóng)收入，各苧麻主產(chǎn)區(qū)采用機(jī)械化剝麻設(shè)備替代人工[5-7]，而廣泛使用的苧麻剝麻機(jī)仍依靠人力喂入及反拉以完成剝麻作業(yè)，其安全性差、剝麻質(zhì)量不穩(wěn)定[8]。因此，研發(fā)苧麻自動(dòng)剝麻機(jī)對(duì)促進(jìn)苧麻產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

目前，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者針對(duì)苧麻剝麻機(jī)的剝麻裝置設(shè)計(jì)及其工作性能開展了大量研究。苧麻剝麻機(jī)主要有以下五種：?jiǎn)螡L筒反拉式剝麻機(jī)[9]、雙滾筒反拉式剝麻機(jī)[10]、多滾筒直喂式剝麻機(jī)[11]、仿手工刮剝麻機(jī)[12]和橫喂式剝麻機(jī)[13]。早期由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所研制的6BZ-400 型苧麻剝麻機(jī)為單滾筒人力反拉式剝麻機(jī)，基本實(shí)現(xiàn)了苧麻剝麻功能[8]。在此基礎(chǔ)上，顏波等[14]研制的凹板式山地苧麻剝麻機(jī)仍采用單滾筒反拉式結(jié)構(gòu)，通過縮小滾筒尺寸并在剝麻滾筒下方安裝一副凹板，利用凹板與滾筒之間的間隙實(shí)現(xiàn)剝麻，但鮮莖出麻率較低。龍超海等[15]研制的4BM-260 型苧麻剝麻機(jī)為雙滾筒人力反拉式剝麻機(jī)，利用雙滾筒刮板嚙合區(qū)域剝麻，有效提高了鮮莖出麻率。上述兩種機(jī)型均采用人力喂入并反拉以實(shí)現(xiàn)苧麻剝麻功能，但其勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全性差。隨著苧麻種植朝著良種化、區(qū)域化、規(guī)?；l(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)剝麻成為今后研究重點(diǎn)。蘇工兵等[16]研制了全自動(dòng)苧麻莖稈分離機(jī)，采用PLC 控制多輥聯(lián)動(dòng)剝麻作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了苧麻剝麻、打麻、擠膠等多種功能。王瑛等[11]研制的苧麻自動(dòng)剝麻機(jī)為多滾筒直喂式剝麻機(jī)，該機(jī)通過壓麻輥、剝麻輥、夾麻輥、拉麻輥、梳麻輥等裝置實(shí)現(xiàn)了壓、刮、打、夾、梳等多道剝麻工序一次性完成。譚新建等[12]研制的提拉式苧麻剝麻機(jī)，提出了縱向劈裂和橫向提拉的剝麻新方法，設(shè)計(jì)了劈麻組合刀具和提麻機(jī)構(gòu)，但其作業(yè)效率較低。饒正良[17]研制的橫喂式雙向自動(dòng)苧麻三脫機(jī)采用左右兩套剝麻裝置，通過機(jī)械手代替人手實(shí)現(xiàn)喂入與反拉，人力成本低，但存在機(jī)械手漏抓、莖稈剝麻不完全等問題。向偉等[18-19]研制的連續(xù)夾持輸送式苧麻剝麻機(jī)，采用橫向連續(xù)式喂入剝打方法，兩副單滾筒剝麻裝置分別剝制苧麻梢部和基部，采用鏈輪交替夾持輸送莖稈，具有較高生產(chǎn)效率。但上述自動(dòng)化苧麻剝麻機(jī)整機(jī)尺寸大、滾筒數(shù)量多、傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜、成本較高。因此，根據(jù)苧麻產(chǎn)業(yè)集中于南方丘陵山區(qū)的實(shí)際需求，亟需開發(fā)成本低、易操作、結(jié)構(gòu)輕簡(jiǎn)、性能優(yōu)的自動(dòng)反拉式苧麻剝麻機(jī)。

為解決上述問題，本文結(jié)合苧麻剝麻工藝要求，基于雙滾筒反拉式結(jié)構(gòu)，以經(jīng)濟(jì)實(shí)用、高效省力為目的，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)夾持喂入及反拉的苧麻剝麻機(jī)。通過對(duì)剝麻滾筒、夾持裝置、換位機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)進(jìn)行理論分析，確定影響剝麻質(zhì)量的關(guān)鍵因素；構(gòu)建苧麻莖稈在喂入及反拉剝麻過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過非線性動(dòng)力學(xué)仿真分析并結(jié)合正交試驗(yàn)，探究苧麻莖稈夾持喂入及反拉與雙滾筒剝麻的互作機(jī)制，明確自動(dòng)反拉式換位夾持裝置的最優(yōu)工作參數(shù)，以期為輕簡(jiǎn)型苧麻自動(dòng)剝麻機(jī)的研制提供理論依據(jù)。

1 苧麻物理力學(xué)特性

苧麻的外形尺寸和力學(xué)特性是設(shè)計(jì)反拉式換位夾持裝置的主要依據(jù)。本文選用2022 年7 月產(chǎn)自四川省達(dá)州市大竹縣“川苧11 號(hào)”苧麻鮮莖，其莖稈橫截面為圓筒形，從基部到梢部逐漸變細(xì)，橫截面由外到內(nèi)為青皮層、韌皮部、木質(zhì)部、中心髓部等，成熟期中心髓部中空，韌皮部中包含纖維，如圖1 所示。隨機(jī)選取去葉通直無病害鮮莖50 根，用卷尺測(cè)量總長(zhǎng)，長(zhǎng)度平均值為1 452.6 mm。用游標(biāo)卡尺分別測(cè)得梢部、中部和基部的直徑、韌皮部厚度、木質(zhì)部外徑和木質(zhì)部厚度，由式（1）可計(jì)算苧麻莖稈木質(zhì)部和韌皮部所占莖稈的體積比Vx、Vb，結(jié)果如表1 所示。

表1 苧麻莖稈尺寸Table 1 Dimension of ramie stalk

圖1 苧麻及莖稈結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Ramie and stalk structure composition

式中d為空心內(nèi)徑，mm；d1為木質(zhì)部外徑，mm；h1為木質(zhì)部厚度，mm；D為莖稈直徑，mm；h為韌皮部厚度，mm。

苧麻在剝麻過程中主要受到拉伸和壓縮載荷作用。使用ZQ-990L 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)苧麻莖稈各向（軸向、徑向）及各部分（莖稈、韌皮部和木質(zhì)部）進(jìn)行拉伸、壓縮、彎曲等力學(xué)試驗(yàn)[20-24]，如圖2 所示。韌皮部拉伸試驗(yàn)樣本制備方法：將麻皮從莖稈剝離，使用刀片刮去青皮層，樣本長(zhǎng)80 mm、寬5 mm，截面為長(zhǎng)方形，含水率對(duì)力學(xué)性能影響較大，需裝入密封袋，防止水分流失。木質(zhì)部壓縮試驗(yàn)樣本制備方法：選取同一部位莖稈，使用刀片截取10 mm 長(zhǎng)度的莖稈，再剝離麻皮，截面為圓筒形，裝入密封袋。

圖2 苧麻莖稈力學(xué)性能試驗(yàn)Fig.2 Mechanical property test of ramie stalks

苧麻莖稈視為正交各向異性材料，建立三維坐標(biāo)系，苧麻莖稈軸向?yàn)閄，徑向?yàn)閅和Z，如圖1b 所示。通過試驗(yàn)得到軸向彈性模量、徑向彈性模量和異性面彎曲剪切模量，假定同性泊松比為0.3，所得參數(shù)代入式（2）得到同性面扭剪模量，代入式（3）得到異性面泊松比[25]，各部分力學(xué)特性參數(shù)如表2 所示。

表2 苧麻莖稈、韌皮部、木質(zhì)部力學(xué)特性參數(shù)Table 2 Mechanical properties of ramie stalk,fiber and xylem

苧麻韌皮部無法做彎曲試驗(yàn)，其彎曲剪切模量由式（4）計(jì)算得出[25]。

式中GXY2為苧麻韌皮部彎曲剪切模量，MPa；GXY1為苧麻莖稈彎曲剪切模量，MPa；GXY3為苧麻木質(zhì)部彎曲剪切模量，MPa。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)反拉式換位夾持苧麻剝麻機(jī)先從莖稈基部開始喂入剝打，隨后將夾持裝置反拉后換向，進(jìn)而送入莖稈梢部剝打，然后反拉得到整條韌皮部。該剝麻機(jī)主要由橫向輸送裝置、換位夾持裝置、雙滾筒剝麻裝置、輔助上料板、機(jī)架等組成，如圖3 所示。橫向輸送裝置含有兩排平行布置的滑塊導(dǎo)軌與傳送同步帶，滑塊上安裝換位夾持裝置；換位夾持裝置包括前后兩組夾持機(jī)構(gòu)以及換位電機(jī)；雙滾筒剝麻裝置由一對(duì)剝麻滾筒與喂料口組成。

圖3 自動(dòng)反拉式換位夾持苧麻剝麻機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of ramie stripping machine with automatic reverse pulling type shift clamping

2.2 工作原理

剝麻機(jī)利用苧麻韌皮部與木質(zhì)部的力學(xué)性能差異，通過高速旋轉(zhuǎn)剝麻滾筒擊碎木質(zhì)部，經(jīng)過反拉莖稈刮去木質(zhì)部與青皮層。剝麻機(jī)作業(yè)主要有莖稈上料、基部剝麻、梢部剝麻和收取韌皮4 個(gè)工序。作業(yè)時(shí)，橫向輸送裝置將換位夾持裝置移至輔助上料板上方，直流減速電機(jī)Ⅱ旋轉(zhuǎn)-45°（以順時(shí)針方向?yàn)檎┖?，夾具口與輔助上料板平行，將莖稈基部從A 端夾持機(jī)構(gòu)夾具口上料，使莖稈下滑至輔助上料板擋板處停止，由A 端夾持機(jī)構(gòu)夾緊莖稈，完成上料；然后直流減速電機(jī)Ⅱ旋轉(zhuǎn)45°，換位夾持裝置恢復(fù)水平狀態(tài)，由橫向輸送裝置將其送入雙滾筒剝麻裝置，使莖稈基部與部分中部木質(zhì)部被擊碎，再帶動(dòng)換位夾持裝置反向移動(dòng)，將莖稈基部拉出剝麻滾筒，使木質(zhì)部與青皮層被刮去，完成莖稈基部剝打；接著由橫向輸送裝置將換位夾持裝置移動(dòng)至導(dǎo)軌中部，A、B 端夾持機(jī)構(gòu)同時(shí)夾緊莖稈，直流減速電機(jī)Ⅱ旋轉(zhuǎn)-180°，使A、B 端夾持機(jī)構(gòu)換位，再將梢部喂入剝打并反拉，從而完成莖稈梢部剝打；最后將換位夾持裝置停留至導(dǎo)軌中部以便收取韌皮部；在連續(xù)作業(yè)情況下，換位夾持裝置橫移至輔助上料板上方的同時(shí)，直流減速電機(jī)Ⅱ同步旋轉(zhuǎn)-225°，A、B 端夾持機(jī)構(gòu)恢復(fù)至上料狀態(tài)位置；若需停止工作，換位夾持裝置停留在導(dǎo)軌中部時(shí)，直流減速電機(jī)Ⅱ旋轉(zhuǎn)180°，整機(jī)復(fù)位。

換位夾持裝置主要由A 端夾持機(jī)構(gòu)、B 端夾持機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)換向機(jī)構(gòu)、柔性橫移機(jī)構(gòu)等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 中放大圖所示。其中A、B 端夾持機(jī)構(gòu)由夾板、直流減速電機(jī)Ⅰ、絲杠、電機(jī)支撐板等組成，直流減速電機(jī)Ⅰ通過絲杠傳動(dòng)將夾板下壓夾緊苧麻莖稈；柔性橫移機(jī)構(gòu)由橫移側(cè)板、彈力繩、圓柱導(dǎo)軌Ⅱ等組成，A、B端夾持機(jī)構(gòu)在橫移側(cè)板中沿圓柱導(dǎo)軌Ⅱ移動(dòng)；工作時(shí)，A 端夾持機(jī)構(gòu)前移使苧麻喂入雙滾筒剝麻機(jī)構(gòu)，同時(shí)B端夾持機(jī)構(gòu)在碰到喂料口時(shí)自動(dòng)后移，反拉時(shí)，B 端夾持機(jī)構(gòu)在彈力繩作用下復(fù)位；翻轉(zhuǎn)換向機(jī)構(gòu)主要由直流減速電機(jī)Ⅱ、柔性橫移機(jī)構(gòu)組成，直流減速電機(jī)Ⅱ帶動(dòng)柔性橫移機(jī)構(gòu)翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)A、B 端夾持機(jī)構(gòu)換向，并由A、B 端夾持機(jī)構(gòu)前移使苧麻另一端喂入雙滾筒剝麻機(jī)構(gòu)，同時(shí)A 端夾持機(jī)構(gòu)松開并在碰到喂料口時(shí)后移，反拉時(shí)A 端夾持機(jī)構(gòu)在彈力繩作用下復(fù)位，剝麻完成后B端夾持機(jī)構(gòu)松開，從而完成苧麻莖稈剝麻過程。

在剝麻過程中，要防止夾具壓碎莖稈導(dǎo)致無法喂入，也要確保莖稈不滑脫，因此在夾緊裝置與苧麻接觸部位布置有V 型橡膠墊，通過增加摩擦系數(shù)確保夾緊裝置在較小徑向載荷作用下使苧麻莖稈不滑脫且不被壓碎。對(duì)苧麻夾持狀態(tài)下的莖稈進(jìn)行受力分析如圖4 所示。以莖稈軸向?yàn)閤軸，夾板橫向?yàn)閥軸，垂直夾板為z軸，將載荷FN視為均布載荷，受力分析如下：

圖4 夾持狀態(tài)示意圖Fig.4 Schematic diagram of clamping state

通過受力分析可知，摩擦力f應(yīng)大于Fx，方可夾緊莖稈；夾緊力FN應(yīng)小于莖稈最大徑向載荷Fmax，防止壓碎莖稈，因此得到夾緊力FN范圍：

式中μ為夾板與莖稈表面摩擦力系數(shù)；Fmax為苧麻莖稈徑向最大載荷，N。

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)合苧麻鮮莖外形尺寸，計(jì)算確定自動(dòng)反拉式換位夾持苧麻剝麻機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表3 所示。根據(jù)苧麻機(jī)械剝麻質(zhì)量要求的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7699-1999，確定自動(dòng)反拉式換位夾持苧麻剝麻機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)：鮮莖出麻率大于4%，原麻含雜率低于2%。

表3 自動(dòng)反拉式換位夾持苧麻剝麻機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of the automatic reverse pulling type shift clamping device for ramie stripping machine

3 苧麻剝打過程參數(shù)分析

3.1 苧麻莖稈喂入及反拉受力分析

由于剝麻裝置直接影響苧麻剝打質(zhì)量[25]，根據(jù)馬蘭等[26]開展的雙滾筒苧麻剝麻機(jī)主要工作部件參數(shù)優(yōu)化分析，本機(jī)剝麻裝置采用直徑相同的雙滾筒剝麻方式，由換位夾持裝置夾持莖稈，并通過直流減速電機(jī)Ⅱ調(diào)整喂入角度，在同步帶的驅(qū)動(dòng)下將莖稈喂入雙滾筒剝麻裝置，雙滾筒剝打示意圖如圖5a 所示。

圖5 雙滾筒剝麻示意圖及受力分析Fig.5 Schematic diagram of double-drum ramie stripping and force analysis

參考鄒舒暢等[27]對(duì)苧麻莖稈機(jī)械分離過程的力學(xué)建模與分析，如圖5b 所示。本文對(duì)滾筒打板對(duì)莖稈的剝離力進(jìn)行分析，以莖稈受力點(diǎn)為坐標(biāo)點(diǎn)，以滾筒軸心連線方向?yàn)閥軸，其垂直方向?yàn)閤軸，將剝離力沿著x軸、y軸分解，由電機(jī)扭矩可計(jì)算得到剝麻滾筒打板剝離力F及其分力Fx與Fy，分析可得：

式中T為動(dòng)力電機(jī)扭矩，N·m；P為動(dòng)力電機(jī)功率，kW；i為動(dòng)力電機(jī)帶傳動(dòng)減速比；n0為動(dòng)力電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

Fy的作用使莖稈木質(zhì)部折斷，F(xiàn)x使木質(zhì)部從韌皮部剝離，并與反拉過程的受力情況有關(guān)。苧麻莖稈在外力作用下易發(fā)生彎曲，上述受力分析無法直接建立剝離力分力Fx與莖稈喂入角度θ的數(shù)學(xué)模型。因此，需要通過力學(xué)試驗(yàn)分析苧麻剝離力與莖稈喂入角度間的關(guān)系。

將苧麻莖稈置于角度調(diào)節(jié)平臺(tái)上，拉力傳感器與苧麻莖稈一端連接，其另一端放入雙滾筒剝麻裝置喂入口，調(diào)節(jié)平臺(tái)通過調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)角度，其數(shù)值由數(shù)顯角度計(jì)校準(zhǔn)；然后通過絲杠直線模塊實(shí)現(xiàn)苧麻莖稈橫向移動(dòng)，剝離力數(shù)值通過PST-50kg 拉力傳感器采集，采樣頻率為0.2 s，剝離力采集系統(tǒng)示意圖如圖6a 所示，其測(cè)試平臺(tái)如圖6b 所示。

圖6 剝離力測(cè)試Fig.6 Stripping force test

參考相關(guān)文獻(xiàn)[10,13]以及預(yù)試驗(yàn)，將剝麻滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置為550 r/min，反拉速度設(shè)置為0.2 m/s，喂入角度范圍從0～ 20°，遞增區(qū)間設(shè)置為5°，完成5 次試驗(yàn)。

喂入方向剝離力是導(dǎo)致苧麻莖稈從夾具滑脫的主要原因，因此分析各組試驗(yàn)結(jié)果中力的最大值更具代表性。將測(cè)得的剝離力分力取最大值，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，分析得出：喂入角度與剝離力分力Fx二者呈極顯著的線性負(fù)相關(guān)，決定系數(shù)（R2）為0.994，P＜ 0.01。

圖7 喂入角度與剝離力回歸分析Fig.7 Regression analysis of feeding angle and stripping force

3.2 雙滾筒苧麻剝打仿真分析

3.2.1 單因素設(shè)計(jì)

為深入揭示自動(dòng)反拉剝麻流程中影響剝麻質(zhì)量的原因以及明確參數(shù)范圍，基于有限元法進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)[28-30]。自動(dòng)反拉剝麻流程中主要可調(diào)參數(shù)為剝麻滾筒轉(zhuǎn)速、苧麻莖稈喂入反拉速度和喂入角度，為研究剝麻滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)剝麻質(zhì)量的影響，設(shè)置固定反拉速度為0.3 m/s，喂入角度為10°，分別以滾筒轉(zhuǎn)速為200、350、500、650 和800 r/min 開展試驗(yàn)；為研究反拉速度對(duì)剝麻質(zhì)量的影響，設(shè)置固定滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min，喂入角度為10°，分別以反拉速度為0.1、0.2、0.3、0.4 和0.5 m/s開展試驗(yàn)；為研究喂入角度對(duì)剝麻質(zhì)量的影響，設(shè)置固定滾筒轉(zhuǎn)速為500 r/min，反拉速度為0.3 m/s，分別以喂入角度為0、5、10、15 和20°開展試驗(yàn)。

3.2.2 仿真設(shè)置與模型建立

蘇工兵[31]利用有限元軟件對(duì)苧麻莖稈進(jìn)行了動(dòng)載擊打作用下的模擬仿真分析，分析了擊打過程中應(yīng)力、壓力、擊打深度的變化，在此研究基礎(chǔ)上，參考旋轉(zhuǎn)滾筒中柔性甘蔗葉片數(shù)值模擬分析[32]與桑樹枝條[33]、棉花秸稈[34]和玉米秸稈[35]仿真模型的建立，將苧麻莖稈剝打的有限元分析視作非線性動(dòng)力學(xué)問題，在SolidWorks 建模軟件中建立剝麻滾筒與苧麻莖稈剝打模型，將其輸出為Parasolid 的.x_t 格式文件導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA 軟件中，考慮到SOLID 元件接觸分析的復(fù)雜性，需要簡(jiǎn)化模型的接觸，通過忽略剝麻滾筒的螺栓和螺母來簡(jiǎn)化模型，為減少計(jì)算時(shí)間并提高精確度，在SpaceClaim 軟件中將苧麻莖稈進(jìn)行中間面處理，再將莖稈面進(jìn)行曲面分段切割，將進(jìn)入剝麻區(qū)域的網(wǎng)格加密，剝打模型如圖8 所示。

圖8 剝麻滾筒與苧麻莖稈剝打模型示意圖Fig.8 Schematic diagram of the stripping roller and ramie stalk stripping model

分別設(shè)置苧麻莖稈韌皮部與木質(zhì)部的材料屬性，韌皮部密度和木質(zhì)部密度均由排水法測(cè)得，分別為888.94 和867.46 kg/m3；線性彈性選擇Orthotropic Elasticity，根據(jù)表2 力學(xué)特性參數(shù)設(shè)置數(shù)值。

剝麻滾筒直徑260 mm，剝麻滾筒打板數(shù)量16 塊，均設(shè)置為剛性體；在預(yù)試驗(yàn)中，相對(duì)于苧麻莖稈中部與基部，梢部纖維損失量更大，因此莖稈仿真模型參數(shù)以表1 莖稈梢部尺寸作為依據(jù)，苧麻莖稈總長(zhǎng)設(shè)置為700 mm，木質(zhì)部厚度取平均值1.2 mm，韌皮部厚度取最小值0.4 mm，均設(shè)置為柔性體；剝麻滾筒材料設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼；此外，將韌皮部與木質(zhì)部接觸面設(shè)置摩擦連接，并分別設(shè)置為自表面接觸。整體網(wǎng)格劃分單元尺寸為6 mm，滾筒設(shè)置為10 mm，莖稈端部200 mm 為喂入剝打部分，此部分網(wǎng)格加密設(shè)置為2 mm，提高計(jì)算精度。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T7699-1999，鮮莖出麻率和原麻含雜率是評(píng)價(jià)苧麻機(jī)械剝麻質(zhì)量的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，但是仿真試驗(yàn)無法直接得出鮮莖出麻率和原麻含雜率。由于苧麻中心髓部與青皮層對(duì)剝麻影響較小，因此對(duì)該仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，通過仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)可以通過喂入部分木質(zhì)部節(jié)點(diǎn)去除量與韌皮部節(jié)點(diǎn)損失量來間接表征苧麻剝打效果。在仿真過程中，若木質(zhì)部去除節(jié)點(diǎn)越多，則表示原麻含雜率較?。豁g皮部節(jié)點(diǎn)損失量越大，則反映了鮮莖出麻率越低。

3.2.3 仿真結(jié)果分析

后處理中，使用LS-PrePost 軟件分析莖稈仿真結(jié)果，將木質(zhì)部去除量、韌皮部損失量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，韌皮部節(jié)點(diǎn)損失情況如圖9 所示，紅圈中為損失節(jié)點(diǎn)。為區(qū)分損失節(jié)點(diǎn)屬性，在統(tǒng)計(jì)韌皮部節(jié)點(diǎn)損失數(shù)量時(shí)，可將仿真結(jié)果中木質(zhì)部模型與滾筒模型進(jìn)行消隱；統(tǒng)計(jì)木質(zhì)部損失節(jié)點(diǎn)時(shí)，則取消消隱。

圖9 節(jié)點(diǎn)損失情況Fig.9 Node losses situation

仿真結(jié)果表明，苧麻莖稈剝打過程中，韌皮部纖維的損失主要發(fā)生在反拉莖稈的過程中，當(dāng)反向拉力大于剝離力時(shí)，部分纖維發(fā)生斷裂飛出。對(duì)各組單因素試驗(yàn)的仿真過程進(jìn)行逐幀分析，統(tǒng)計(jì)出木質(zhì)部節(jié)點(diǎn)與韌皮部節(jié)點(diǎn)的損失量，得到如圖10 所示的不同因素對(duì)木質(zhì)部去除量和韌皮部損失量的影響。

圖10 不同因素對(duì)木質(zhì)部去除量與韌皮部損失量的影響Fig.10 Effects of different factors on amount of xylem removal and loss of bast fiber layer

如圖10a 所示，隨著滾筒轉(zhuǎn)速增加，韌皮部損失量Q1與木質(zhì)部去除量Q2整體呈逐漸上升趨勢(shì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到350 r/min 以上時(shí)，木質(zhì)部去除量Q2上升平緩，節(jié)點(diǎn)損失數(shù)在75 個(gè)以上，木質(zhì)部去除量較好；當(dāng)轉(zhuǎn)速小于650 r/min 時(shí)，韌皮部節(jié)點(diǎn)損失數(shù)量在15 個(gè)以下，韌皮部損失量較低，綜合韌皮部損失量Q1與木質(zhì)部去除量Q2結(jié)果分析，滾筒轉(zhuǎn)速在350～ 650 r/min 范圍內(nèi)剝麻效果較好。如圖10b 所示，隨著反拉速度的增加，韌皮部損失量Q1呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，而木質(zhì)部去除量Q2先上升再下降，當(dāng)反拉速度小于0.3 m/s 時(shí)，韌皮部損失量低于10 個(gè)，而木質(zhì)部去除量在反拉速度為0.3 m/s 時(shí)到達(dá)峰值，然后逐漸下降，因此，反拉速度在0.2～0.4 m/s的剝麻質(zhì)量較好。如圖10c 所示，隨著喂入角度的增加，韌皮部損失量Q1呈現(xiàn)先下降再上升趨勢(shì)，木質(zhì)部去除量Q2先上升再下降，喂入角度為10°時(shí)，韌皮部損失量最小而木質(zhì)部去除量最大，在5°～ 15°范圍內(nèi)，韌皮部損失量Q1小于20 個(gè)，木質(zhì)部去除量Q2大于75 個(gè)，剝麻效果較好。

4 性能試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

為確定自動(dòng)反拉式換位夾持苧麻剝麻機(jī)最佳工作參數(shù)，于2022 年11 月在西南大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣機(jī)性能試驗(yàn)，如圖11 所示。試驗(yàn)對(duì)象仍選用“川苧11 號(hào)”新鮮苧麻莖稈作為試驗(yàn)材料，莖稈長(zhǎng)度為978.4～1 214.3 mm，莖稈直徑為9.08～12.68 mm，莖稈含水率為76.42%～83.71%。

圖11 剝麻機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)及原麻樣品Fig.11 Experimental prototype of stripping machine and raw ramie samples

主要儀器設(shè)備包括：反拉式換位夾持苧麻剝麻樣機(jī)，LQ-C20002 型電子秤（量程2 000 g，精度0.01 g），GX30BE型遠(yuǎn)紅外干燥箱，游標(biāo)卡尺等。

4.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

根據(jù)自動(dòng)反拉式換位夾持苧麻剝麻機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)及理論分析，結(jié)合單因素仿真分析結(jié)果，選取反拉速度、滾筒轉(zhuǎn)速和喂入角度作為試驗(yàn)因素，試驗(yàn)因素水平如表4所示。

表4 試驗(yàn)因素水平Table 4 Experiment factors and levels

試驗(yàn)時(shí)，每組試驗(yàn)剝打10 根苧麻莖稈，3 次重復(fù)，結(jié)果取平均值。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20793-2015《苧麻精干麻》，結(jié)合樣機(jī)實(shí)際作業(yè)情況，確定鮮莖出麻率和原麻含雜率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，鮮莖出麻率和原麻含雜率計(jì)算公式如下：

式中Y1為鮮莖出麻率，%；Wr為含水率14%的苧麻纖維質(zhì)量，kg；Wj為去葉苧麻莖稈質(zhì)量，kg；Y2為原麻含雜率，%；W1為纖維試樣揀前質(zhì)量，g；W2為纖維試樣揀后質(zhì)量，g。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用Design-Expert 13 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，構(gòu)建鮮莖出麻率Y1、原麻含雜率Y2與喂入角度、滾筒轉(zhuǎn)速、反拉速度之間的數(shù)學(xué)模型，檢驗(yàn)其顯著性，分析交互作用影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results

對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸擬合及方差分析，結(jié)果如表6 所示。

表6 鮮莖出麻率與原麻含雜率方差分析Table 6 Variance analysis of fiber percentage of fresh stalk and impurity rate of raw fiber

對(duì)鮮莖出麻率Y1數(shù)據(jù)分析可知，在P＜0.05 水平上X1、X2、X3、X1X2、X12 的系數(shù)顯著，其余的不顯著；鮮莖出麻率模型顯著，失擬不顯著，剔除不顯著變量項(xiàng)后，回歸方程為

喂入角度X1和滾筒轉(zhuǎn)速X2的交互作用對(duì)鮮莖出麻率與原麻含雜率有顯著影響，如圖12a 所示。當(dāng)喂入角度和反拉速度不變時(shí)，鮮莖出麻率隨滾筒轉(zhuǎn)速增大而降低，其可能原因是隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)滾筒打板擊打莖稈次數(shù)增加，多次擊打?qū)е吕w維斷裂造成損失；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著反拉速度的提高，單位時(shí)間內(nèi)擊打次數(shù)減少，纖維損失量降低，鮮莖出麻率提高。另外，鮮莖出麻率在反拉速度和喂入角度取中間水平時(shí)最高，其原因可能是隨著喂入角度的改變，滾筒打板擊打部位發(fā)生改變，在此角度范圍內(nèi)的韌皮部受力較小不易發(fā)生斷裂。

圖12 交互作用對(duì)鮮莖出麻率與原麻含雜率的影響Fig.12 Effect of interaction on the fiber percentage of fresh ramie stalk and impurity rate of raw fiber

對(duì)原麻含雜率Y2數(shù)據(jù)分析可知，在P＜0.05 水平上X1、X3、X1X2、X12、X22、X32的系數(shù)顯著，其余的不顯著；原麻含雜率模型顯著，失擬不顯著，剔除不顯著變量項(xiàng)后，回歸方程為:

由回歸方程Y2可知，喂入角度X1和滾筒轉(zhuǎn)速X2的交互作用對(duì)原麻含雜率有顯著影響，如圖12b 所示。當(dāng)反拉速度和喂入角度不變時(shí)，原麻含雜率隨滾筒轉(zhuǎn)速增大而降低，其原因可能是單位時(shí)間內(nèi)滾筒打板對(duì)莖稈木質(zhì)部擊打次數(shù)增加，木質(zhì)部碎屑體積減小，反拉時(shí)更易脫落，使韌皮部碎屑減少；當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速不變時(shí)，原麻含雜率在反拉速度和喂入角度取中間水平時(shí)最低，其原因可能是在喂入角度處于中間水平時(shí)，滾筒打板能更好地作用在莖稈青皮層，多次刮擦將青皮層去除，使得原麻含雜率較小。

在Design-Expert 13 軟件中進(jìn)行作業(yè)參數(shù)優(yōu)化求解，設(shè)定約束條件如式（15）所示。

得到最優(yōu)參數(shù)為：剝麻滾筒轉(zhuǎn)速451.047 r/min，反拉速度0.319 m/s，喂入角度10.728°，此時(shí)模型預(yù)測(cè)的鮮莖出麻率為5.11%，原麻含雜率為1.07%。

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)反拉式換位夾持苧麻剝麻機(jī)工作性能達(dá)到最佳，需對(duì)樣機(jī)試驗(yàn)中的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。采用上述最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，取3 次結(jié)果的平均值為試驗(yàn)值，考慮試驗(yàn)的可行性，將剝麻滾筒轉(zhuǎn)速設(shè)置為450 r/min，反拉速度為0.32 m/s，喂入角度為11°，在此優(yōu)化方案下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

通過試驗(yàn)分析可知，鮮莖出麻率試驗(yàn)值與優(yōu)化值相對(duì)誤差為1.56%，原麻含雜率試驗(yàn)值與優(yōu)化值相對(duì)誤差小于6.5%，因此參數(shù)優(yōu)化模型準(zhǔn)確可靠，在此優(yōu)化參數(shù)作業(yè)下，鮮莖出麻率為5.03%，原麻含雜率為1.14%。

5 結(jié)論

1）以苧麻鮮莖外形尺寸和力學(xué)性能參數(shù)為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)反拉式換位夾持苧麻剝麻機(jī)，對(duì)其剝麻裝置和夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析，通過單因素力學(xué)試驗(yàn)，得出莖稈喂入角度與苧麻剝離力在喂入方向的分力呈極顯著線性負(fù)相關(guān)，進(jìn)而表明喂入角度對(duì)剝麻質(zhì)量有顯著影響。

2）構(gòu)建了雙滾筒剝麻過程運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，以滾筒轉(zhuǎn)速、反拉速度和喂入角度為單因素，以木質(zhì)部去除量和韌皮部損失量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用ANSYS/LS-DYNA 仿真軟件分析不同單因素取值時(shí)的剝麻效果。仿真結(jié)果表明，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速、反拉速度和喂入角度分別在350～650 r/min、0.2～0.4 m/s、5°～15°范圍內(nèi)時(shí)，苧麻莖稈剝打效果較好。

3）以滾筒轉(zhuǎn)速、反拉速度、喂入角度為試驗(yàn)因素，鮮莖出麻率和原麻含雜率作為試驗(yàn)指標(biāo)開展了三因素二次回歸正交組合試驗(yàn)，通過優(yōu)化試驗(yàn)得出最優(yōu)參數(shù)為：滾筒轉(zhuǎn)速451.047 r/min，反拉速度0.319 m/s，喂入角度10.728°，在該條件下的鮮莖出麻率為5.11%，原麻含雜率為1.07%。樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，最優(yōu)工作參數(shù)下的平均鮮莖出麻率和平均原麻含雜率分別為5.03%和1.14%，滿足苧麻剝麻機(jī)技術(shù)要求。