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小型麻剥麻机的研制
中国是拥有著名手表的国家。中国的天麻种植面积和产量占世界总面积和产量的95%以上。但苎麻纤维包裹在苎麻杆周围的韧皮部,需要通过剥制(俗称剥麻/刮麻)和脱胶才能得到用于精纺的苎麻纤维。因此,苎麻的剥制加工是苎麻生产过程中的关键环节,其剥制加工质量直接影响到苎麻织品的品质。而苎麻纤维的剥制加工劳动强度大、工效低,收获成本占整个苎麻产值的一半左右,因此,研制适应生产需求的苎麻剥制加工机械是目前苎麻生产上的迫切需求。目前,我国苎麻纤维的剥制主要有两种形式,一种是简易刮麻器,另一种是小型苎麻剥麻机。简易刮麻器成本低、使用维护简单,适用零星种植的农户使用。小型苎麻剥麻机工效较高,是简易刮麻器的5倍以上,适合小规模种植农户和丘陵山区坡地种植农户使用。对于苎麻种植大户和集约化、规模化种植的苎麻基地而言,则需要研制大型高效苎麻剥麻机才能满足要求。因此,我们认为,苎麻纤维剥制加工机械应该采取多途径发展的策略,根据不同苎麻种植生态区域研制不同类型的苎麻剥麻机。本文主要介绍最新研制的一种双滚筒小型苎麻剥麻机,重点优化双滚筒剥麻机的主要技术参数,在保证苎麻剥麻质量和工效的前提下,以高效、安全、工作可靠性等方面为重点,以满足小规模种植农户对麻类生产机械的需求。1研究思路1.1研制反拉式剥麻机设备方案目前苎麻剥麻机的结构形式主要有反拉式、直喂式两种(多滚筒一次喂入式)。直喂式剥麻机研究力量较少,结构复杂,工效和剥麻质量不高,机型尚不成熟。而反拉式剥麻机的机型较多,剥麻质量相对稳定,机型成熟,但由于机型结构、操作技术和制造质量等方面原因,反拉式剥麻机存在工效不高、操作劳动强度偏大等问题。考虑到目前国内小规模种植户是苎麻种植的主体,结合现有的研究基础,决定第一步先采取反拉式剥麻机的设计方案,以减轻劳动强度、提高剥麻质量和剥麻工效为重点,研制样机进行生产示范。根据样机试制结果和生产需求,再考虑进行直喂式或横向喂入式苎麻剥麻机研究,以提高剥麻工效。1.2双滚环式麻剥麻机反拉式苎麻剥麻机主要有单滚筒和双滚筒两种结构形式。单滚筒反拉式苎麻剥麻机工作原理如图1所示。这种形式的苎麻剥麻机主要由剥麻装置、压板装置、机架和传动装置所组成。单滚筒剥麻机的剥麻装置只有1个滚筒,结构较为简单。这种剥麻机剥麻质量较好,但工效不高、劳动强度较大,对操作者的操作技术要求相对较高。双滚筒反拉式苎麻剥麻机结构形式如图2所示,它由剥麻装置、压板装置、机架和传动装置所组成,但它的剥麻装置有2个剥麻滚筒,其工作原理和剥麻方法与单滚筒式苎麻剥麻机完全相同。与单滚筒苎麻剥麻机相比,这种机型鲜茎出麻率较高,操作轻便省力,纤维损伤较少,对操作者的技术要求相对较低。但存在含胶率、含杂率偏高等缺陷。综合两种剥麻机的优缺点,在保证剥麻质量的基础上,以减轻劳动强度和提高工效为重点,选取双滚筒反拉式苎麻剥麻机结构形式。2课程和设计2.1试样系统的确定设计结构参数可调的双滚筒苎麻剥麻机试验台架,以影响剥麻质量的滚筒直径、滚筒转速、啮合间隙和喂入角度为影响因子,以鲜茎出麻率、原麻含杂率、原麻含胶率和单纤维强力为试验指标,通过正交试验筛选适宜的技术参数,结合已有经验和实际情况确定1-2种样机设计方案。2.2麻剥麻机样机指标检测根据试验台架性能试验结果,设计并试制1-2种苎麻剥麻机样机。对试验样机进行性能试验,主要根据《苎麻》和《机剥苎麻》等国家和地方标准,检测苎麻剥麻机所剥苎麻的鲜茎出麻率、原麻含杂率、原麻含胶率和单纤维强力等麻样指标,以及剥麻机工作噪音、剥麻工效和工作稳定性等样机指标。通过试验结果对样机进行改进,在样机工作性能稳定情况下,剥麻质量达到《苎麻》国标要求。2.3剥麻质量及工效在我国苎麻产区对试制的苎麻剥麻机进行性能试验与生产考核,检测大面积剥麻时该机的剥麻质量及工效。聘请有资质的检测机构对样机进行性能检测,使剥麻机的各项性能指标达到设计要求。3样品的设计和实验3.1优化技术人员设计3.1.1单次试验方案影响双滚筒苎麻剥麻机剥麻质量的技术参数主要包括剥麻滚筒直径、滚筒转速、滚筒打板数量、打板安装偏转角度、滚筒啮合间隙和滚筒相对角度、喂入偏角等。在以上技术参数中,滚筒直径、转速、啮合深度、喂入偏角对苎麻剥麻机的剥麻质量影响比较大。因此,采用正交试验的方法进行双滚筒苎麻剥麻机剥麻质量的研究。选取试验因子:滚筒直径、滚筒转速、啮合间隙和喂入偏角。试验采用四水平五因素正交表,试验方案如表1所示,共进行16组试验。在16组试验中,每组进行3次,每次试验30根苎麻鲜茎。取3次试验测试结果的均值作为试验数据。试验方案设计及结果分析在SAS8.0软件中完成。试验因素和试验水平值的选取是在前期单因素试验基础上确定的。3.1.2正交试验结果分析采用综合加权评分法对多指标正交试验结果进行极差分析。综合加权评分法便于对多项试验指标进行综合选优,其各权值的确定是关键。考虑实际生产过程中农户对剥麻机的性能要求以及麻纺业对麻纤维的要求,给出鲜茎出麻率的权重为0.35,含杂率的权重是0.35,单纤维强力的权重为0.10,含胶率的权重为0.20。分析结果如表2所示。从表2可以看出,在本试验范围内,各因素和交互作用对试验指标的影响,是交互作用A×B,然后是因素C,接着是B,D和A。交互作用A×C对指标的影响较大,即因素A、B的交互作用超过了A,B单独对指标的影响,A和B因素间不同水平的搭配是重要的,不能忽略。所以试验处理中要考虑交互作用,计算出不同的搭配条件下,试验指标的平均值,列出交互作用搭配表,见表3。表3中的12组数据的差异反映了因素A和B的不同搭配对试验指标的影响。可见,A2B4的搭配使综合评分指标最小。因此,取A2和B4作为因素A和B的最优水平是可靠。影响显著的交互作用A×B的搭配A2B4和表2中的选取是一致的,可见上述分析是可靠的,也体现了正交表所具有的综合可比的优越性。由表2可见C因素取3水平最好,B因素取4水平最好,D因素取2水平最好,A因素取2水平最好。可见该次试验的最优方案为C3B4D2A2,啮合深度为5mm,滚筒转速为900r/min,喂入角度为20°,滚筒直径为φ260mm为最佳。3.2筒到副剥麻滚刀上螺钉双滚筒苎麻剥麻机从动力到剥麻滚筒有二级传动,第一级是电机到主剥麻滚筒(下滚筒),第二级是主剥麻滚筒到副剥麻滚筒(上滚筒)。根据传动效率要求和主副剥麻滚筒的啮合精度要求,第一级采用普通V带传动即可满足传动要求。第二级传动较为关键,由于主副剥麻滚筒之间有一定的啮合深度,因此第二级传动设计既要保证传动精度,又要保证传动平衡,减少传动噪音。课题组通过认真分析,考虑了三种传动方案并进行了试验。3.2.1筒之间的闭合直接用一对大小相同的直齿轮来实现主副滚筒之间的啮合运动。优点是设计简单,传动平稳,传动精度高;缺点是主副剥麻滚筒之间啮合间隙不可调节,传动齿轮尺寸较大。3.2.2直齿传动改变旋转方向在主副剥麻滚筒之间增加悬臂轴,悬臂轴上安装一个齿轮和链轮。主滚筒和悬臂轴之间通过一对直齿传动以改变旋转方向;同时在悬臂轴和副剥麻滚筒轴上安装一对链轮,通过链传动把动力传到副剥麻滚筒上。这种设计可以调整主副剥麻滚筒之间的啮合间隙,减小链轮和齿轮尺寸。缺点是结构较复杂,传动精度比齿轮传动差,传动速度不宜过高。3.2.3悬臂轴和副剥麻现实传动的传动在主副滚筒之间增加悬臂轴,悬臂轴上安装两个齿轮。主滚筒和悬臂轴之间通过一对直齿传动以改变旋转方向;同时悬臂轴和副剥麻滚筒之间也通过一对直齿将动力传到副剥麻滚筒上。这种传动的优点是副剥麻滚筒可以沿主剥麻滚筒作啮合运动,啮合间隙和角度可调,齿轮的结构尺寸较小。缺点是悬臂轴的设计和安装较复杂,强度要求较高,这给设计带来不便。3.3样品的设计和实验3.3.1结构形式苎麻剥麻机采用直径相同的双滚筒反拉结构形式。3.3.2主要技术考虑到剥麻机出麻率和便于操作,对正交试验最优方案中的啮合间隙和喂入偏角进行适当调整,选取双滚筒苎麻剥麻机主要技术参数如表4。3.3.3传输类型第一级为普通V带传动,第二级为直齿传动,减化设计,降低制造成本,减少传动噪音,保证传动精度。3.3.4第一代样机设计与制备综合考虑样机结构的稳定性及试验结果,选取B4D1A2C2为样机结构参数优选方案,进行样机设计与试制。第一代样机主要由机架底座1、动力2、一级传动3、机架4、副剥麻滚筒5、啮合齿轮6、上盖板7、喂料斗8、主剥麻滚筒9等组成。其结构如图6所示。3.4样机所剥麻情况根据台架试验结果,设计并试制出第一代双滚筒苎麻剥麻机样机。初步试验结果表明,样机所剥苎麻质量如下:苎麻含杂率≤1.5%,苎麻含胶率30%左右,单纤维强力51~54cN。样机原麻生产率为12.09kg/h.样机空转噪音平均为93.11db,负载噪音为99.32db(表5)。4双滚回径管作为双滚反渗透麻剥麻机的第一代试样根据目前苎麻生产需求开展了双滚筒小型苎麻剥麻机的研究工作,采取正交试验方法对苎麻剥麻机的主要技术参数进行了优化设计,综合考虑苎麻剥麻机的结构形式和工作稳定性,确定了第一代苎麻剥麻机的主要技术参数,研究设计出双滚筒小型苎麻剥麻机。取得如下结果:(1)确定第一代样机为双滚筒反拉式,主副剥麻滚筒直径相同,转速相同。主要技术参数为:滚筒直径260mm,滚筒转速900r/min,主副滚筒啮合间隙4mm,喂入角度15°。(2)苎麻样品检测分析表明,样机鲜茎出麻率≥5%,苎麻含杂率≤1.5%,苎麻含胶率30%左右,苎麻单纤维强力51~54cN。剥麻质量达到《苎麻》国标要求。(3)样机尚未进行生产考核及性能指标测试,其在生产上使用的剥麻工效和工作噪音、工作稳定性等样机本身的性能指标有待验证。第一代样机的剥麻质量虽然达到《苎麻》国标要求,但与典型的单滚筒式苎麻剥麻机6BM-350型苎麻剥麻机相比,苎麻含胶率偏高,有待进一步改进和研究。
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