香蕉茎秆纤维提取刀片的改进设计

李 双 梁 栋 张喜瑞 李 粤

(海南大学机电工程学院，海南 海口 570228)

中国是世界上第二大香蕉生产国，香蕉种植产业已成为中国亚热带农业区域经济发展的一项支柱性产业[1]。有关研究[2]表明，香蕉茎秆纤维具备天然的抗菌性能和优良的吸湿散热性，是优质的植物纤维。

香蕉茎秆纤维的提取方法有化学法、生物法和机械法；相比于前两者，机械法提取效率高、含杂率小、纤维光泽性及柔软性更好[3]。但传统的香蕉茎秆纤维提取机普遍存在纤维提取率低、纤维含杂率高，已不能满足纤维提取产业的发展。运用先进的机械法及机器进行香蕉纤维提取已成为行业发展的大方向，对田间香蕉茎秆机械化处理具有重要意义。

近几年对机械法提取香蕉纤维已开展了一些研究，张喜瑞等[4]设计了一种移动式全喂入香蕉茎秆纤维提取机，通过纤维提取机刮杂装置内的刮杂刀辊高速转动，带动刀辊上的刀片对片状的香蕉茎秆不断进行击打与刮取，由于刮杂刀片设计采用普通L型平刃刀片、结构简单，此机构纤维刮杂效率不高且设计强度不够，香蕉纤维提取机的工作效率较低。曾成等[5]发明了一种基于螳螂前足的香蕉纤维仿生提取刀片，模仿箭螳的齿刺结构设计出了锯齿形仿生刀片，有效提高了香蕉纤维提取率，由于没有设计香蕉茎秆表层茎肉的刮杂处理，此机构提取的纤维含杂率较高，且L型刀设计在工作强度上不稳定。优化刀片结构，提高香蕉纤维提取率，降低香蕉纤维含杂率对提升香蕉茎秆纤维提取机的整机工作性能显得尤为重要。

针对这些现状，基于刮胡刀的设计原理，本研究拟设计双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片，包括刮杂短刀、梳刮齿、刮杂长刀。刮杂短刀进行香蕉茎秆内层茎肉刮杂，梳刮齿进行香蕉茎秆纤维梳理刮取，刮杂长刀进行香蕉茎秆内外层茎肉刮杂，利用这些结构特点来降低纤维含杂率，提升纤维提取效率。对双层渐近式刀片进行了载荷受力分析，进行了双层渐近式刀片与普通L型平刃刀片参数化对比试验，以期为香蕉茎秆纤维提取机的进一步改进和设计提供方法和依据。

1 渐近式刀片的设计及加工

1.1 纤维提取机刮杂装置的工作原理

移动式全喂入香蕉茎秆纤维提取机整机结构如图1所示。

刮杂装置是香蕉茎秆纤维提取机的重要组成部分，主要由转动刀辊、动刀、上定刀、下定刀、输入辊、输出辊等关键部件组成[6-7]。在工作过程中，香蕉茎秆片由传送带喂入，依次经过滚扎装置、输入辊进入到定刀的刮杂区；随刀辊转动的动刀接触到香蕉茎秆片的前端并对香蕉茎秆逐步进行打击刮杂，刮杂产生的杂质具有一定的质量，在动刀的带动下随着刀辊运动轨迹做离心运动，最后从刀辊底部落入到杂质收集槽内[8]；刀辊的不断旋转将纤维与杂质进行分离，整个工作过程完成。刮杂装置动刀运动简图如图2所示。

进行普通L型平刃刀片试验，一次性喂入多片香蕉茎秆片会出现纤维提取效率下降现象；分析主要原因为：多片香蕉茎秆片增加了动刀和定刀间的缝隙厚度，导致普通L型平刃刀刃未能充分与茎秆纤维接触，从而降低纤维提取效率。香蕉茎秆纤维的特点是韧性小、容易断裂，普通L型平刃刀强烈的击打对茎秆内层茎肉产生高强度刮杂，在茎肉与纤维分离过程中对纤维产生较大牵扯力，纤维出现断裂、破碎现象，极大降低了有效纤维含量[9]。但要保证香蕉茎秆纤维提取机工作效率，需一次性喂入香蕉茎秆片3片以上。如何有效利用刀具去除纤维表面杂质，减小刀具对纤维破坏程度，并最大限度提高纤维提取效率成为本设计刀片改进的主要研究方向。

1. 刮杂装置 2. 滚扎装置 3. 传送装置图1 移动式全喂入香蕉茎秆纤维提取机整机结构图Figure 1 Mobile full-feeding banana stalk fiber extraction machine structure diagram

1. 转动刀辊 2. 动刀 3. 输入辊 4. 上定刀 5. 茎秆纤维 6. 下定刀 7. 输出辊图2 刮杂装置动刀运动简图Figure 2 Shaving device moving knife movement diagram

1.2 渐近式刀片的设计理念

香蕉茎秆片的茎肉大部分分布在内层，中间为纤维层，外层只有少许茎肉[10]，结合香蕉茎秆片的结构特性，基于刮胡刀片设计原理，设计了双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片，包括刮杂短刀、梳刮齿、刮杂长刀。双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片结构如图3所示。

1. 刮杂长刀 2. 梳刮齿 3. 刮杂短刀 4. 内层茎肉 5. 茎秆纤维 6. 外层茎肉

图3 双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片结构图

Figure 3 Double-layer asymptotic banana stalk fiber extraction blade structure diagram

刮杂短刀和刮杂长刀设计为单面斜刃式，并向分布于梳刮齿两侧，主要进行香蕉茎秆内外层茎肉刮杂。梳刮齿设计为顶端磨平圆锥形，线性排列于刮杂短刀和刮杂长刀中间部位，在刮杂短刀刮杂香蕉茎秆内层茎肉后，用于梳直茎秆纤维，可有效减小刮杂长刀对错位茎秆纤维的切向刮拉力，防止纤维因受力过大而断裂；还能将刮杂短刀未刮取的杂质以及残余杂质进行流线梳理，以便刮杂长刀深入清理。刮杂设备结构如图4所示。

图4 刮杂设备结构图Figure 4 Scraping equipment structure

1.3 渐近式刀片参数设计

双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片的刮杂刀呈长短不同的渐近式排列，两刮杂刀竖直方向存在2 mm的高度差。刮杂短刀主要负责内层茎肉的刮杂，刮杂长刀则深入茎秆纤维与外层茎肉的交织部位进行深度刮杂，梳刮齿主要负责刮松内层茎肉并进一步梳理纤维组织。

双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片的刮杂短刀高为12 mm，刮杂长刀高为14 mm，刀厚均为3 mm；梳刮齿高为15 mm，顶端是直径1 mm圆、底端是直径4 mm圆，相邻两梳刮齿顶端间隔为2 mm；考虑到双层刀片的渐近结构是否能对纤维制备率和含杂率起到明显作用，于是在保留梳刮齿及其他尺寸不变的基础上，将改进的双层刀片分为2种不同长度结构(A和B)。竖直高度相等的双层非渐近刀A的刀高为14 mm，竖直高度不相等的双层渐近刀B的短刀高为12 mm，长刀高为14 mm，刀厚均为3 mm。双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片尺寸示意图如图5所示。

图5 双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片结构尺寸图

Figure 5 Double-layer asymptotic banana stalk fiber extraction blade structural dimension drawing

1.4 渐近式刀片有限元分析

香蕉茎秆纤维提取机采用的原刀片为L型、合金钢(SS)，据有关研究[11]表明普通L型刀片在极限载荷条件下工作，其直角根部受力最大，易疲劳变形，从而导致了刀片寿命短、更换速率快和纤维加工效果差等问题。实际加工中茎秆纤维的运动部分较复杂，同时纤维也并非刚性物体，所以本设计的稳定性分析主要通过刀片入手。

使用Solidworks软件对双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片进行静力学有限元分析。本设计选用韧性较好的合金钢(SS)作为渐进式刀片的主要材料，对渐近式刀片进行网格划分，考虑到主要应力集中在刀刃部位，因此加大对刀刃部位的网格密集程度；选取渐近式刀片的基底螺孔处进行固定约束。考虑到双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片强度的可靠性问题，此次使用最大载荷来测试刀片受力。通过实验室测力计来测量正常情况下茎秆片纤维提取时所受力的大小，反向估算出刀片刃口所受力的大小，通过测量可知单片香蕉茎秆片所受力的大小维持为150～300 N。由于香蕉茎秆中各层茎秆片的含水率存在差异导致受力产生波动[12]。因此在渐近式刀片刃口上加300 N的阻力。利用标准网格器对动刀进行网格划分，运行算例后，得到刀片的应力、位移、应变、安全系数云图，如图6所示。

为了使图片静应力分析结果更明显，将双层渐近式刀变形比例设定为293。由图6可知，双层渐近式刀片的最大位移量分布在刀尖位置，且最大位移量为0.069 mm，处于合金钢(SS)的弹性变形范围内，刀片的安全系数最小约为9.9，安全系数较高。渐近式刀片的应力主要集中分布在刀片中间根部位置，总的应力最大值为62.9 MPa，远低于刀片材料的屈服应力620.4 MPa。因此，双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片的强度满足设计要求。

图6 静态算例分析结果云图Figure 6 Static study analysis result cloud

2 对照试验设计

2.1 试验方案

该试验的目的在于观察双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片相比于普通L型平刃刀片在茎秆纤维提取过程中的实际优化情况以及在增加喂入片数的情况下双层渐近式刀的稳定性较平刃刀是否更优。因此，将刀型与茎秆喂入片数作为对照试验的变量，将纤维提取率和纤维含杂率作为试验的参照指标。

本试验分3组进行，A、B、C组各刀片分别为双层非渐近刀(a)、双层渐近刀(b)、普通L型平刃刀(c)(图7)。将每一次的试验间隔设置为15 min，每组喂入机器的茎秆片数分别为N(N=1，2，3，4)片，且每组试验需进行5次重复，结果取平均值，因子水平表如表1所示。因子水平表描述了(a)、(b)、(c)3组刀片分别在喂入1片茎秆片至4片茎秆片间的试验分布表，其中An表示双层非渐近刀(a)对应N片茎秆片进行的试验，A1表示双层非渐近刀(a)喂入1片香蕉茎秆片进行的试验，同理，Bn和Cn分别为双层渐近刀(b)和普通L型平刃刀片(c)在喂入N片茎秆片条件下进行的试验。每做完一次试验后试验员需将机器清理干净，确保机器工作的可靠性，防止残留物对试验的影响，且为下次试验做好准备。

表1 因子水平表Table 1 Factor level table

图7 试验组各组刀片尺寸示意图Figure 7 Shaft size diagram of each group in the test group

2.2 试验设备及材料

本试验所用的材料来自海南大学实验基地种植的巴西香蕉茎秆，通过实验室的“QP-1800”型香蕉茎秆破片机将茎秆加工切片[13]。为了达到更好的试验效果，选取2～3层的茎秆片进行试验[14]。取长为1.6 m，宽为0.1 m左右的香蕉茎秆作为试验材料，同时每一片香蕉茎秆片纤维控制为(500±20) g。本次试验设备：

香蕉茎秆破片机：QP-1800型，中国热带农业科学院农业机械研究所；

移动式全喂入香蕉茎秆纤维提取机：海南大学香蕉茎秆纤维提取装备的研制课题组；

电子真空干燥箱：DHG202-0B型，上海叶拓仪器仪表有限公司；

高精度电子天平：cp423S型，上海摩速科学器材有限公司。

2.3 试验指标与结果

2.3.1 纤维提取率 先将每次喂入的茎秆片称重，记录每次喂入茎秆片的质量为m，将机器提取的纤维在未经人工处理的情况下直接放入真空干燥箱，主要是避免其他因素对试验结果的影响，最后测得烘干后的茎秆纤维质量记作m1。香蕉纤维提取率按式(1)计算：

(1)

式中：

θ——香蕉纤维提取率，%；

m1——提取烘干后纤维质量，g；

m——每次喂入茎秆片的质量，g。

2.3.2 纤维含杂率 将被烘干纤维用刷子除杂后放在电子称上反复称量，当清理后的纤维质量上下偏差不超过0.1 g时再进行数据读取，获取剩下纤维质量记作m2。提取的香蕉纤维含杂率按式(2)计算：

(2)

式中：

δ——纤维含杂率，%；

m2——烘干纤维反复除杂清理后剩余的纤维质量，g；

m1——提取烘干后纤维的质量，g。

2.3.3 试验结果 试验后测得的数据结果如表2所示。

3 结果分析

3.1 数据处理

由于普通香蕉茎秆纤维含水量一般维持为80%～85%[15]，考虑到纤维提取机实际工作效率，制取所得茎秆纤维含量为10%～17%的试验数据属于有效范围。

使用SPSS软件来进行纤维提取率和纤维含杂率的显著性检验[16-17]，从而判断刀型与每次喂入片数两因素是否对纤维提取率和纤维含杂率产生显著影响。

首先建立假设H0：刀型或喂入片数对纤维提取率无显著性影响。

如表3、4所示为建立的方差数据分析表格，其显著性水平α取0.05。

从表3可见：对于纤维提取率指标，刀型的F值6.28要大于刀型因子F临界值5.14，可见通过数据对比产生了差异，刀型的P值为0.03，因此原假设不成立，可判定刀型的选择对纤维提取率有显著影响。而喂入片数P值为0.26，可见喂入片数对纤维提取率的影响不显著。

表2 试验结果†Table 2 Record of experiment results %

† A组表示双层非渐近刀；B组表示双层渐近刀；C组表示普通L型平刃刀，I、II、III、IV代表不同刀型条件下测量纤维提取率和纤维含杂率所喂入的香蕉茎秆片数。

表3 纤维提取率方差分析表Table 3 Fiber extraction rate variance analysis table

表4 纤维含杂率方差分析表Table 4 Fiber impurity analysis variance analysis table

从表4可见：对于纤维含杂率指标，刀型的F值742.61 远大于刀型因子F临界值5.14，可见对比差异明显，刀型的P值为4.01×10-7，因此原假设不成立，可判定刀型的选择对于纤维含杂率有显著影响。而喂入片数P值为0.046，可见喂入片数对纤维含杂率的影响显著。

3.2 数据分析

分析表2可知，A、B组的双层刀纤维提取率要优于C组普通L型平刃刀片，A组平均纤维提取率为15.75%，B组平均纤维提取率为16.04%，A、B组平均纤维提取率为15.89%左右；相比于A、B组平均纤维提取率，C组仅为14.5%左右，且伴随较大波动，特别是随着喂入片数增加时C组较A、B组纤维提取率下降明显。在提升纤维提取率上，B组双层渐近刀片比A组双层非渐近刀片效果更佳。

从试验数据可见随着一次喂入片数的增加，C组纤维提取率下降较明显，下降了2.2%。分析其原因是喂入片数厚度增加，导致C组普通L型平刃刀片的刀刃未能与茎秆纤维全面贴合，从而纤维提取效率不高。而A、B组影响较小，且B组较A组平均纤维提取率提高0.3%左右，凸显了B组双层渐近式刀片结构相比于C组普通L型平刃刀片结构和A组双层非渐近刀片结构在纤维提取中更具优势，即使在多片喂入的情况下依然可以保持较高的纤维提取率。

分析纤维含杂率指标可以看出A、B、C 3组的平均纤维含杂率分别为10.35%，9.85%，14.21%；B组较A组纤维含杂率下降0.45%，可见双层渐近结构相对双层非渐近结构在降低纤维含杂率效果上优于纤维提取率。B组较C组平均纤维含杂率下降4.36%，分析原因是C组普通L型平刃刀片提取的纤维断裂严重，即含杂率大，而B组能够在除杂的同时有效减少纤维的断裂。可见双层渐近式刀片较普通L型平刃刀片在降低纤维含杂率方面表现出极显著的效果。

综上分析可得：在香蕉纤维提取机械刀片中双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片以其显著的刮杂效果成为最优选择。

4 结论

本设计尝试将渐近式刀片结构运用到茎秆纤维提机的刀片中，设计出了一种由刮杂短刀、梳刮齿、刮杂长刀结构组合而成的双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片；其结构有效性在于解决了纤维含杂率高、刀具对纤维破坏程度大和多片喂入纤维提取效率低等问题，设计强度相比普通L型平刃刀更高。

由试验数据可知，本设计的双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片将普通L型刀片的纤维提取率从平均14.50% 提升到了16.03%左右；纤维含杂率由原来的14.21% 降低至9.85%左右。说明改进刀片相比原普通L型平刃刀片在提升纤维提取率和降低纤维含杂率方面效果更显著，有效提高了移动式全喂入香蕉茎秆纤维提取机的工作效率。

双层渐近式香蕉茎秆纤维提取刀片的设计实现了香蕉纤维提取机的高效纤维提取，其刀片设计原理对纤维提取类机械刀具的后续研究与优化提供了借鉴与技术支持，有利于香蕉茎秆纤维提机后续研究与优化。

本刀片改进方案未涉及刮杂转速对纤维提取率和含杂率的影响，要解决刮刀转速对试验效果的影响，可能需要着重对梳刮齿间距进行参数优化以得出最优结构参数。