假茎回收式香蕉茎叶粉碎机的设计

李金燐，张喜瑞，李　粤，梁　栋

(海南大学 机电工程学院，海口　570228)



假茎回收式香蕉茎叶粉碎机的设计

李金燐，张喜瑞，李粤，梁栋

(海南大学 机电工程学院，海口570228)

摘要：香蕉假茎含有较高的营养成分，若回收利用将是一种巨大的植物资源。目前，国内研制的香蕉秸秆粉碎机大多为假茎粉碎后直接还田，而对其粉碎后回收的机器研究很少。为此，设计了一种假茎回收式香蕉茎叶粉碎机，确定了其总体设计方案及主要部件的结构。该机分为假茎粉碎机构和蕉叶粉碎机构两部分，主要由切稍装置、螺旋扶茎装置、双圆盘式假茎切断装置、升降装置、传送装置、假茎粉碎装置、输送通道、叶片粉碎装置和假茎碎片收集装置等组成，将香蕉假茎粉碎、假茎碎片回收及蕉叶粉碎还田集于一体。该机的设计为香蕉茎叶资源利用设备的研发提供了可行的新型机型，为后续香蕉假茎的深加工利用储备了必要的技术。

关键词：香蕉茎叶；粉碎；回收；分类处理

0引言

香蕉是世界上贸易最大的水果之一，我国的种植区域主要分布在广东、广西、福建、台湾、云南和海南等地，收获面积超过524.44万hm2，总产量超过901.04万t[1-3]。近年来，我国一直保持在世界香蕉总产量前3名的位置。生产香蕉的同时也产生了大量香蕉茎叶和皮等残次物。长期以来，果皮及茎叶作为废弃物，既浪费资源又污染环境。

香蕉茎叶中可溶性碳水化合物和维生素的含量较丰富，叶中粗蛋白含量也较高，各种无机元素和部分微量元素(如Ca、Mg、P、K等)的含量尤为丰富，总糖含量较粗蛋白和粗脂肪更高[4-5]。香蕉茎秆和叶片等废弃物可作为一种丰富的植物资源，有着较高的营养价值和开发价值，在新型饲料、制药、能源化利用、食用菌栽培及造纸等行业都有着巨大的应用潜力。合理利用香蕉茎叶资源，可以创造很大的经济效益，还可以避免环境污染[6-8]。

目前常见的香蕉假茎处理方法[9-10]为人工处理，具有成本高、劳动强度大、占用土地资源及影响环境卫生等缺点；同时，处理方式简单落后，造成了香蕉叶茎资源的巨大浪费。研制香蕉茎叶的回收或处理设备可极大地促进香蕉资源回收利用技术的发展和环境保护的进步。现今我国香蕉茎叶处理技术仍然不成熟，在采用现有机械作业时仍要付出很大的人力劳动，而且工作环境很差，整体设备仅算是半机械化，在将香蕉茎叶收割、粉碎、回收集为一体的设备上仍为空白。针对已存在的问题，研制将香蕉茎秆收割、粉碎、回收集为一体的机具，并同时解决香蕉茎秆粉碎还田机械功耗大、易被缠绕等问题，可为香蕉茎叶资源的利用提供一定的理论依据。

1结构与工作原理

1.1整机结构

根据蕉园香蕉树株距约为1 800mm、行距约为2 200mm的种植方式，以及香蕉树高2 200～2 700mm、蕉叶为位于离香蕉根部1 500mm以上部分、叶长1 800～2 000mm等物理特性，设计了假茎回收式香蕉茎叶粉碎机。该机分为假茎粉碎机构与蕉叶粉碎机构两部分。其中，假茎粉碎机构主要由切稍装置、螺旋扶茎装置、双圆盘式假茎切断装置、升降装置、传送装置及假茎粉碎装置等组成，实现香蕉树叶稍的切断与抛洒以及假茎的切断与粉碎功能，侧挂于拖拉机右侧；蕉叶粉碎机构主要由假茎碎片收集装置及叶片粉碎装置等组成，实现对前面工序假茎碎片的收集及香蕉叶片的粉碎还田功能，拖挂于拖拉机后端；两部分由输送通道连接，输送通道用于将假茎碎片输送至收集料斗。假茎粉碎机构如图1所示，蕉叶粉碎机构如图2所示。

1.螺旋扶茎装置　2.双圆盘切割装置　3.传送装置

1.料斗　2.液压马达

1.2工作原理

设计的假茎回收式香蕉茎叶粉碎机通过悬挂装置分别侧挂于拖拉机右侧和拖挂于拖拉机后端。作业时，切稍装置首先接触香蕉叶片，由切稍圆盘刀将叶稍切断，然后在拨稍轮的作用下将其抛至拖拉机前方。螺旋扶茎装置接触香蕉假茎后，将轻微倒伏的香蕉假茎扶起，由双圆盘式切断装置将香蕉假茎从根部切断；被切断的假茎在螺旋扶茎装置、提升轮和刀盘上螺旋轨道的共同作用下传送至输送轮上，通过输送轮假茎被运输到假茎粉碎装置，并由其进行粉碎，粉碎后的假茎碎片最后由输送通道进入位于拖拉机后端的收集料斗；与此同时，在前面工序中被抛于拖拉机前方的蕉叶，被料斗下面的蕉叶粉碎装置粉碎还田。粉碎机各部件均由液压马达配合传动装置驱动。

2假茎粉碎机构关键部件设计

2.1切稍装置

由于香蕉叶片较大(长度可达200～235 cm)、含水量较高，不便于整体传输粉碎，因此采用先将其切断抛于地上，然后由后续装置进行粉碎还田的方案。根据香蕉叶的生长方式(位于距香蕉树根部约1 500 mm以上部分)及其物理特性[11-12](含有较多纤维且体积较大)，设计合理的切稍装置。该切稍装置由圆盘刀、拨稍轮及液压马达等部件构成，如图3所示。该装置在液压升降装置的作用下可实现高度调节，以适应不同高度的叶稍。

1.液压马达　2.拨稍轮　3.刀盘

切稍圆盘刀设计为锯齿式，采用防腐性能较好的T12高素碳钢制成。经试验，综合考虑切割效率与结构的刚度和紧凑性，对于无支承的回转式切割器，切割速度选择25～50 m/s；针对香蕉叶片较脆、易被薄片式切割器切割等特点，结合功率消耗的考虑，设计刀盘半径为300mm、刀片厚为3mm、切割时刀片线速度为25m/s。

刀轴转速[13]计算公式为

(1)

其中，n1为切稍圆盘刀转速(r/min)；vd为切稍圆盘刀的切割线速度(m/s)；vm为切稍圆盘刀的进给速度(此处取值0.02 m/s，可忽略不计)(m/s)；r1为刀片内端点的半径(m)。

代入数据，由式(1)可得n1=796.2r/min，取值800r/min。

为避免被切断的香蕉叶片直接掉落在假茎粉碎机前面，影响双圆盘切割装置对香蕉假茎的切割，需要将叶片拨开。因此，在切稍刀盘上部加装拨稍轮，在叶稍被切断的同时将其拨至拖拉机前方，也可利于蕉叶的后续处理。拨稍轮采用三角形结构，与刀盘相配合，选用外接圆直径为500mm的三角形结构；为适应较大的香蕉叶片，设计为上下两组，下方拨稍轮装配在距离刀盘50 mm处的上部，两拨稍轮间距为260mm。拨稍轮由厚度为8 mm的结构钢制成，均采用焊接方式固定于刀轴上。

2.2螺旋扶茎装置

香蕉假茎切断后，为使茎秆平稳地输送到后续传送装置，设计了螺旋扶茎装置，以对茎秆提供夹持力，对轻微倒伏的假茎进行扶持[14]。螺旋扶茎装置主要部件为两平行螺旋滚筒，如图4所示。其中，螺旋滚筒轴选用半径为45 mm碳钢制成，辊筒轴上焊接直径为150mm螺旋刀片，其动力由液压马达经传送带轮传递。为实现装置扶茎效果，经试验，取螺旋滚筒长为1 700mm、与地面倾角为60°～70°；所设计的螺旋刀片还能对假茎进行初步割破。

1.机架　2.螺旋辊

由于香蕉假茎直径在250～300mm范围内，螺旋滚筒轴轴间距为

a=2r2+d

(2)

其中，r2为螺旋滚筒轴直径(m)；d为香蕉茎秆直径(m)。

代入数据，计算可得：a=340～390mm。为避免香蕉假茎直径过小而影响夹持效果，a取值为340 mm。

2.3双圆盘式假茎切断装置

双圆盘式假茎切断装置直接影响假茎粉碎机的总体性能、效率、功耗和工作可靠性，是整个机构最重要的部分之一。双圆盘式假茎切断装置由切断圆盘刀、螺旋轨道、刀轴及齿轮箱组成，如图5所示。其动力由液压马经齿轮箱传递。

切断圆盘刀是对香蕉假茎进行切割的直接部件，香蕉假茎直径一般在250～300mm之间，茎干较粗，不能一次性切断，将其设计为两个锯齿圆盘刀组合式，以提高切断效率。综合考虑切断效率与功率消耗因素，结合整机尺寸，圆盘刀设计为直径400mm、厚度3mm。根据试验，设计切割线速度为25m/s，其转速为

(3)

其中，n2为圆盘刀转速(r/min)；vd′为切稍圆盘刀的切割速度(m/s)；vm′为切稍圆盘刀的进给速度(m/s)；r3为刀片内端点的半径(m)。

代入数据，计算得圆盘刀转速为1 194 r/min，取值1 200 r/min。切断过程中，为使装置更为省力，取圆盘刀与地面呈7°倾角安装；同时，为尽量降低割茬高度，并兼顾刀具的安全性(主要指不要切到土壤、石块等杂物)，设计时取与地面安装距离为10 mm；两圆盘刀轴中心距设计为400mm，且两刀装配于同一平面，以保证两刀以相同的速度和相同的割深进行切割，避免出现卡刀现象。

1.固定螺母　2.切断圆盘刀　3.螺旋轨道

2.4传送装置

香蕉假茎较为粗大，质量较重，因此在传送过程中对香蕉假茎应保持适当的夹紧力，同时传送装置承载能力应比较强，文中选用传送轮输送方案。为有效提高传送轮与香蕉假径间的摩擦力，传送轮采用具有一定弹性的橡胶材料，设计为中间可容纳香蕉假茎的凹槽式，如图6所示。

传送轮装配时应适当缩小间距，以保持对假茎的夹紧力。结合香蕉假茎直径，取输送轮间预留间隙250mm，传送轮装配轴间距为

b=c+2h

(4)

其中，b为装配间距(mm)；c为预留缝隙值(mm)；h为输送轮圆弧最低点距离其轴线长度(mm)。

代入数据，计算可得传送轮装配轴间距为330 mm。同时，为加强其承重能力输送轮数量应较多，本文设计为以5组。为使香蕉假茎顺利喂入输送装置，前3组输送轮交错布置，且其中第1组中1个传送轮设计为齿状特殊结构，用作提升轮，总体布置如图7所示。

图6　假茎传送凹辊三维示意图

图7　传送轮结构布置示意图

综合考虑假茎粉碎机构整体结构和传送便利性，设计时取传送装置与地面倾角为30°～35°，总体长度为2.8～3.0 m。各滚筒转速为

(5)

其中，n2为滚筒转速(r/min)；r4为输送轮最小处半径，取r4=0.06m；v为切碎装置进给速度，取v=0.2m/s。

代入数据，可得滚筒转速为113r/min。动力由单独的液压马达提供，各滚筒间采用带传动。

2.5假茎粉碎装置

假茎切碎装置是假茎粉碎机构中最关键的部分，不但影响假茎切碎合格率，也影响着整体机器的效率和工作连续性，因此应保证假茎切碎装置的高效率、低功耗和连续作业性能。针对香蕉假茎粗大、富含纤维类物质的特点，该假茎粉碎装置主要包括圆盘锯齿刀、防堵料装置两部分，如图8所示。其中，粉碎刀设计为圆盘锯齿式，且将多把该粉碎刀交错布置于具有一定夹角的两轴上。

假茎粉碎装置由具有一定夹角转轴上的多把圆盘锯齿刀交错布置组成。影响粉碎效果的主要因素有：刀盘组合两转轴间的夹角、刀盘数量与交叉程度。结合具体香蕉假茎直径和香蕉假茎粉碎后的农艺要求，设计时选用4组8把直径为380mm、厚度3mm的圆盘锯齿刀分别布置于两转轴上，两转轴夹角取20°，此时切碎机构功耗较小。防堵料装置是为了将残留在刀盘间的香蕉假茎碎片及时卸载下来，由3条直径为12mm、长为1 150mm的钢筋焊接在角铁上制成，用M10螺栓拧紧在机架上。经试验，当刀盘转速为180r/min时，其效率约为0.35hm2/h，机构功率约3kW。

1.圆盘锯齿式粉碎刀　2.放堵料装置

3蕉叶粉碎机构关键部件设计

3.1假茎碎片收集装置

由于香蕉假茎较长，导致假茎粉碎机构整体较长，从而引起带动假茎粉碎机构的拖拉机转弯不便。为此，将假茎碎片收集装置挂接在拖拉机后上方，与叶片粉碎装置构成蕉叶粉碎机构。假茎碎片收集装置主构架用方管钢和角钢焊接而成，中间用薄铁皮焊接，以减轻质量；考虑到多次装卸切割碎片会降低作业效率，将料斗容量适当做大，以减少装卸次数；料斗与拖拉机采用平行四杆仿形机构铰接。

3.2叶片粉碎装置

香蕉叶片表面积大、含水率高，且叶片大部分较薄，含有少量纤维，容易被打断或切碎；但叶片梗较硬，纤维含量也较高，不易被打断，因而此处选用薄刀片将其切碎。

在前面工序中，香蕉叶片已经被切断抛于拖拉机前方，此处参考立式旋耕器，在料斗箱下部加装刀片，将叶片粉碎还田。叶片粉碎装置包括薄片粉碎刀、齿轮箱和动力源(液压马达)，如图2所示。叶片粉碎装置主要由3组刀具组成，每组刀具由4把刀片上下交错装配[15-16]。刀片采用弯刀形式，但为加工方便，也考虑到其应用性能，将其结构简化：将弯道外侧整体制作为弧形刀刃，弧线形状采用阿基米德螺线，弯刀最大半径为150mm、刀片宽度15mm、厚度5mm，每把刀间距40 mm，最下部刀片距离地面20 mm，以保证尽量不漏掉香蕉叶片，也不会切到小型杂物。

4结论

1)以香蕉假茎粉碎回收、蕉叶粉碎还田的不同处理方式为思路，结合其物理特性，设计了假茎回收式香蕉茎叶粉碎机。假茎纤维量丰富、径粗且大，采用粉碎回收的手段，对应为侧挂于拖拉机右侧的假茎粉碎机构；较长且分散的香蕉树叶片采用先割断、再由后续的叶片粉碎刀直接粉碎还田的方式，对应为拖挂于拖拉机后方的蕉叶粉碎机构。这种针对同一作物不同部分的不同特性，选择合理的处理方式(收集或还田)，能较大程度地利用资源。

2)侧挂式机构使整机结构较为复杂，可能会产生阻碍驾驶人员视野的问题。另外，由于切段香蕉假茎过程中，拖拉机行进速度要求不能太快；而非工作状态为提高效率，又要求其以较高的速度行驶，致使整个过程需频繁改变拖拉机行进速度，易造成驾驶员的疲劳。

3)从功耗方面来看，采用薄的圆盘锯齿刀相比传统的甩切打碎方式，其粉碎率虽然偏低，但功率的消耗能大大降低。但是，由于香蕉种植密度较低，粉碎刀作业过程中仍然有部分刀处于空转状态，耗费了不必要的功率，该方面后续还需进一步改进。

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The Development of Recycling Type Banana Leaf Shredder

Li Jinlin, Zhang Xirui, Li Yue, Liang Dong

(School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

Abstract：Banana straw contains high nutrition, if recycling will be a huge plant resources, current domestic development of banana stalk shredder mostly straw shattered after returning directly, and the little research that is shattered after the recycling machine. Aiming at this problem, we design a false stem recycling type crusher, banana leaf describes the overall design of the machine and structure of the main components. This machine is divided into false stem shattered institutions and two parts in crushing mechanism, is mainly composed of a cutting device, spiral rotary device, double disc type false stem cutting device, lifting device, transmission device, fake stem crushing device, transmission channel, blade grinding device and banana straw debris collection device and so on, banana stem shattered, stem fragments recovery, in crushing counters-field set in one body. This machine design for the banana leaf resource utilization equipment research and development provides a feasible new models, for subsequent processing of banana false stem use reserve the necessary technology.

Key words：banana stalk and leaves; crushing; recycling; classification processing

文章编号：1003-188X(2016)04-0066-05

中图分类号：S224.1+49

文献标识码：A

作者简介：李金燐(1995-)，男，重庆人，本科学生，(E-mail)365966822@qq.com。通讯作者：张喜瑞(1981-)，男，山东临沂人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)zhangxirui_999@sina.com。

基金项目：国家公益性行业(农业)科研专项(201503136)；国家自然科学基金项目(51105123)；2013年度中西部高校提升综合实力工作资金“大学生创新创业训练计划基金项目”(ZXBJH-07)

收稿日期：2015-04-14