连续夹持输送式苎麻剥麻机研制

向 伟，马 兰，刘佳杰，颜 波，邱化蛟，吕江南

连续夹持输送式苎麻剥麻机研制

向 伟，马 兰，刘佳杰，颜 波，邱化蛟，吕江南※

（中国农业科学院麻类研究所，长沙 410205）

针对苎麻剥麻劳动强度大、作业工效低等问题，该研究基于横向喂入式剥麻技术的作业特点，结合苎麻剥麻的工艺要求，设计了一种连续夹持输送式苎麻剥麻机。通过对剥麻装置、夹持输送装置和换端夹持装置等关键部件的结构设计和理论分析，确定影响剥麻质量的关键因素及作业参数范围。以剥麻间隙、滚筒转速和输送速度作为影响因素，建立苎麻剥麻的鲜茎出麻率和原麻含杂率的数学模型，结合Box-Behnken试验方案进行多目标优化试验，寻求装置作业参数对苎麻剥麻的影响规律及最优参数组合。试验结果表明：滚筒转速、剥麻间隙和输送速度对鲜茎出麻率和原麻含杂率均具有极显著影响。通过多目标参数优化分析，确定最优作业参数组合：剥麻间隙4.0 mm、滚筒转速330 r/min和输送速度0.36 m/s。基于优化参数进行苎麻剥麻的生产验证试验，结果显示：鲜茎出麻率5.04%、原麻含杂率1.18%，各指标与模型预测值的相对误差均小于5%，验证了预测模型的准确性；整机生产效率142 kg/h，达到设计指标要求；苎麻纤维的含胶率22.85%，束纤维断裂强度4.56 CN/dtex，达到《苎麻》国家标准二等苎麻纤维等别。

剥麻机；苎麻；纤维；夹持输送；鲜茎出麻率；原麻含杂率

0 引 言

苎麻是中国的特色经济作物，其种植面积和产量均占全球的90%以上，苎麻纤维因具有吸湿、透气、散热快、静电少和防虫防霉等功能，其产品受到国际市场青睐[1-2]。纤维用苎麻每年可收获3～4次，苎麻需经过剥制加工获得纤维才能供纺织企业使用[3-4]。据统计，目前苎麻纤维收获与剥制作业占整个生产过程中用工量的80%左右，苎麻纤维收获剥制存在成本高、劳动强度大、作业效率低及剥麻质量不稳定等问题，迫切需要研制出高效苎麻剥麻机[5-7]。

20世纪80年代中国苎麻剥麻进入动力剥麻机械时代，针对苎麻机械剥麻问题，国内外先后提出人力反拉式、直喂式和横向喂入式等剥麻技术及装备[6,8-9]。人力反拉式剥麻机主要分为单滚筒和双滚筒反拉式剥麻机，依靠手工喂入和手工反拉方式依次完成苎麻基部和梢部纤维的剥制；先后研制出6BM-350型、4BM-260型和6BX-40型等成熟机型；该类机型结构简单、剥麻质量较好，鲜茎出麻率均超过5%，原麻含杂率均低于1%，作业效率为8～15 kg/h，但作业劳动强度大，存在易伤手等安全隐患[10-12]。随后，出现了直喂式剥麻技术及装备，该类机型为多滚筒自动剥麻机，将苎麻茎秆沿剥麻滚筒旋转方向纵向喂入，通过多组剥麻滚筒对茎秆的反复弯折、碾压和刮打实现纤维剥制；先后研制出NH01型、JBM-100型和FL-KB型等机型；该类机型实现连续喂入、操作简单、劳动强度低，其鲜茎出麻率均超过5%，但存在基部和梢部末端麻骨剥制不净等问题，原麻含杂率较高，剥麻质量不稳定，受苎麻茎秆长度和滚筒转速限制易发生缠绕，剥麻效率较低[13-15]。为此，基于人力反拉式和直喂式剥麻技术的基础出现了横向喂入式剥麻技术及装备，该类机型采用机械夹持输送替代人力反拉，在苎麻茎秆夹持输送过程中，通过多套剥麻装置分别完成苎麻基部和梢部端纤维剥制；中国农业科学院麻类研究所研制出6BMH-180型苎麻剥麻机，生产效率达131 kg/h，鲜茎出麻率4.14%，原麻含杂率仅1.09%；湖北省咸宁市农业科学院农机研究所研制出6TM160型双向自动苎麻三脱机；可实现苎麻连续喂料，操作简单、剥麻质量稳定，解决了人力反拉式剥麻机劳动强度大、安全性能差等问题，克服了直喂式剥麻机滚筒缠麻、基部剥麻不净等不足。但现有机型存在纤维夹持困难、结构庞大和剥麻质量不稳定等技术难点[16-19]。

为实现苎麻纤维高效剥制，本文基于横向喂入式剥麻技术的作业特点[18-19]，结合苎麻剥麻工艺要求[5]，研制一款连续夹持输送式苎麻剥麻机。通过对剥麻装置、夹持输送装置和换端夹持装置等关键部件的结构设计和理论分析，确定影响剥麻质量的关键因素及作业参数范围；建立作业参数与剥麻质量指标的数学模型，结合Box-Behnken试验进行多目标优化试验，获取最佳作业参数组合，通过生产应用试验，验证预测模型的准确性和剥麻作业质量，以期为苎麻全自动轻简化剥麻技术提供配套装置和技术支撑。

1 连续夹持输送式剥麻机结构及工作原理

1.1 整机结构

连续夹持输送式苎麻剥麻机主要由喂料装置（包括喂料口、斜压杆和导料板）、夹持输送装置、剥麻装置、换端夹持装置、纤维输出口、驱动电机（包括主电机和剥麻电机）、控制柜和机架等组成，其结构示意图如图1所示。

1.2 工作原理

连续夹持输送式苎麻剥麻作业主要有茎秆喂入输送、基部纤维剥制、换端夹持、梢部纤维剥制和纤维输出共5个工序。作业时，主电机带动夹持输送装置I和夹持输送装置II运转，夹持输送装置I中上输送链条的凸形压块卡入下输送链条的凹形卡板而形成夹持输送区域，苎麻茎秆横向喂入至夹持输送区域实现茎秆的横向夹持输送；随着茎秆夹持输送，在斜压杆和导料板共同作用下，茎秆基部端进入剥麻装置I，由剥麻凹板和高速旋转的剥麻滚筒形成的剥麻区域通过对茎秆基部端的刮打，完成基部纤维剥制；夹持输送装置I持续夹持输送茎秆，在风机和导向杆共同作用下，完成纤维剥制的茎秆基部端纤维进入到夹持输送装置II的夹持输送区域，实现茎秆的换端夹持；随着茎秆的夹持输送，剥麻装置II完成茎秆梢部纤维剥制；横向夹持的纤维随着夹持输送装置II的运转持续输送运动至纤维输出口，完成纤维输出。

1.3 主要技术参数

根据苎麻机械剥麻质量要求的国家标准GB/T7699-1999[20]和湖南省地方标准DB43/T332-2007[21]，结合苎麻性状，确定连续夹持输送式剥麻机的主要技术指标如表1所示。其中二等苎麻纤维等别的判别标准：感官品质为剥制较好（附壳、焦梢少，手感尚柔软）、斑疵较少、红根少、无霉烂，原麻含杂率低于1.5%，长度不低于800 mm；一等苎麻纤维等别的判别标准：感官品质为剥制好（附壳、焦梢极少，手感柔软）、斑疵较少、红根极少、无霉烂，原麻含杂率低于1.0%，长度不低于1 000 mm。

表1 连续夹持输送式苎麻剥麻机主要技术指标

2 关键部件设计

剥麻装置、夹持输送装置和换端夹持装置是剥麻机核心部件，夹持输送装置和换端夹持装置决定着整机作业的连续性，夹持输送装置和剥麻装置决定着剥麻质量的好坏，而剥麻质量的好坏直接决定着剥麻机作业性能[12,22]。文献[17-18]提出“打麻次数”（苎麻通过剥麻滚筒过程中被剥麻板刮打的次数），其一般计算公式如下：

式中为打麻次数；为剥麻板长度，m；为苎麻夹持输送速度，m/s；为剥麻板数量；为剥麻滚筒转速，r/min。

已有研究表明，打麻次数是影响剥麻效果的重要因素，适当减少打麻次数可提高机器生产率，但纤维含杂率增加，出麻率降低[17]。结合公式（1）和试验研究，本文确定影响苎麻剥麻质量的作业参数主要为：剥麻滚筒直径、剥麻凹板弧长、剥麻板长度、剥麻板数量、剥麻间隙（剥麻板的旋转外圆与剥麻凹板之间的间隙）、剥麻滚筒转速和夹持输送速度[23]。

2.1 剥麻装置

整机包含2套结构相同的剥麻装置，如图2所示，剥麻装置主要由剥麻滚筒、剥麻凹板、导入板、剥麻电机、传动机构、间隙调节装置和凹板支架等组成；其中剥麻滚筒主要由剥麻板、主轴、防缠罩、连接横板和滚筒支架等组成；间隙调节装置由楔形块、纵向调节螺栓和横向调节螺栓等组成。

2.1.1 剥麻滚筒直径及剥麻凹板弧长

苎麻茎秆高度因气候、栽培等条件的差异而不同，其高度一般为1.5～2.5 m[24-25]，本文研制的剥麻机适用于纤饲两用的苎麻剥麻，苎麻茎秆梢部端切除一截（该部分的纤维含量较低）用作青贮饲料，苎麻茎秆剩余部分用于剥制纤维；苎麻茎秆剥麻加工的平均长度为1.6～1.8 m[26-27]。

由于剥麻装置I、II尺寸相同，苎麻茎秆在夹持输送装置的夹持输送过程中，2套尺寸一致的剥麻装置依次完成苎麻茎秆基部和梢部端纤维的剥制，理论上，每套剥麻装置的剥麻区域长度不小于苎麻茎秆长度的一半才能保证苎麻茎秆完全被加工。剥麻滚筒和剥麻凹板组成的弧形区域即为剥麻装置的剥麻区域，其关键参数为剥麻滚筒直径和剥麻凹板弧长。

文献[18]中设计的剥麻区域长度为剥麻滚筒外圆弧长的1/4，加工较长的苎麻需要直径较大的剥麻滚筒。为减少剥麻滚筒直径从而减小机身尺寸，本文设计剥麻区域长度大于剥麻滚筒外圆弧长的1/4，即剥麻滚筒半径不变，通过加长剥麻凹板的弧形区域实现加工较长的苎麻茎秆。剥麻滚筒直径设定为930 mm，其剥麻凹板的弧形区域长度依次设定为730、820、910和1 000 mm，试制样机开展台架试验。

台架试验结果表明：剥麻凹板的弧形区域长度为730、820和910 mm时，纤维的出麻率和含杂率基本保持一致；当弧形区域长度增加至1 000 mm时，纤维的出麻率急剧降低，且随着剥麻转速的提高，剥麻作业过程中的麻骨、麻叶等清除物料的抛撒高度与距离均增大。因此，剥麻滚筒的滚筒直径设计为930 mm，剥麻凹板的弧形区域长度设计为910 mm。

2.1.2 剥麻滚筒转速

本文设计的剥麻装置与文献[18]的剥麻装置作业原理相同，参考文献[18]，剥麻滚筒线速度接近17.66 m/s可保证剥麻质量，剥麻滚筒转速与线速度关系为

结合前期试验研究结果，确定剥麻滚筒转速范围为250～450 r/min。

2.1.3 剥麻板结构及数量

剥麻板直接采用10#角钢加工，结构为图3所示的喇叭口形，以保障苎麻茎秆缓慢进入最小剥麻间隙处，减小剥麻板对茎秆的瞬时冲击力，提高出麻率。剥麻作业时，在滚筒转速与剥麻间隙固定的条件下，剥麻板数量与滚筒转速成反比关系，其一般关系式[17]为

式中为作业时间，s。剑麻和黄/红麻、苎麻的打麻次数一般为46～70和40～70次/s[17-18]，以此为依据计算出本样机剥麻板数量为5.3～16.8块，结合文献[18]和样机试验效果，设计剥麻板数量为12块，剥麻板通过螺栓连接均匀分布在剥麻滚筒的外端。

苎麻茎秆夹持输送速度固定不变，增加剥麻板长度，可增加打麻次数，减少苎麻纤维含杂率的同时降低鲜茎出麻率[28-29]；参考文献[18]，本研究依次设定剥麻板长度为350、430和510 mm，剥麻板的有效剥麻长度依次为175、255和335 mm，试制不同尺寸剥麻板部件开展台架试验。

台架试验结果表明，剥麻板长度为350和430 mm时，苎麻鲜茎出麻率基本保持一致，但剥麻板长度为430 mm时，苎麻纤维的含杂率略低；当剥麻板长度提高到510 mm时，苎麻纤维含杂率基本不变，而鲜茎出麻率呈现降低趋势。因此，设计剥麻板长度为430 mm。

2.1.4 剥麻间隙

剥麻间隙的大小直接影响剥麻质量的好坏。如图2，通过纵向调节螺栓控制楔形块位置，以调节剥麻滚筒的纵向高度；通过横向调节螺栓调节剥麻滚筒的横向位置；从而实现剥麻间隙的调节。参照已有研究[17-19]，结合前期台架试验结果，设计剥麻间隙的初始值为3.5 mm，可调节范围为2.5～6.5 mm。

2.2 夹持输送装置

横向喂入式剥麻机对苎麻茎秆与纤维的夹持力不足，易出现漏夹麻等问题，在夹持纤维进行剥麻作业时对纤维存在一定损伤。为解决上述问题，本机采用凸形压条配合凹形卡槽的柔性夹持技术，保证夹持力的前提下不损伤苎麻纤维。

2.2.1 夹持输送装置基本结构

夹持输送装置主要由主体结构基本一致的夹持输送机构、主电机、侧板和机架等组成，如图4所示。夹持输送机构I主要由下驱动轮、下从动轮、上从动轮、上张紧轮、下输送链板、上输送链板、下支撑机构、上压紧机构、下张紧机构和上张紧机构等构成。如图4c所示，下输送链板主要由输送链和凹形卡板（每2个凹形卡板首尾相接形成一条完整的凹形卡槽）组成；上输送链板主要由输送链和凸形压块（每2个凸形压块首尾相接形成一条完整的凸形压条）组成；上压紧机构主要由链轮、复位弹簧和直线轴承等组成；下支撑机构主要由丝杆、丝套和支撑架等组成。

工作时，凸形压条卡入凹形卡槽形成夹持输送区域，苎麻茎秆由喂料口喂入到夹持区域，电机驱动下驱动轮旋转从而带动下输送链运转，通过输送链板上的凸形压条和凹形卡槽的摩擦力同步带动上输送链板运转；苎麻茎秆梢部在夹持输送机构I的夹持输送中，进入至剥麻装置I完成基部纤维剥制；随着夹持输送机构I持续运行，剥制好的基部纤维被夹持输送机构I送出，通过换端夹持装置后被夹持输送机构II夹持，进入到剥麻装置II中完成梢部纤维剥制。

2.2.2 夹持位置及输送速度

夹持输送装置I、II主体结构基本一致，其驱动轮为同轴安装，由1台主电机驱动，从而整机运行过程中可有效保证夹持输送的流畅性和稳定性。为满足整机作业工效的设计要求，夹持输送装置的输送速度最小值为0.25 m/s，而输送速度过快，则导致苎麻纤维含杂率升高。参照已有研究[17-18]，结合前期试验结果，确定输送速度的调节范围为0.25～0.45 m/s。

为保证剥麻装置I剥麻后的基部纤维被输送到夹持输送装置II时不漏夹麻，防止喂入剥麻装置I的基部茎秆太长而造成纤维损失，且完成换端夹持后茎秆中间部位不出现漏剥麻，如图5所示，夹持输送装置I夹麻点距苎麻茎秆基部末端距离和夹持输送装置I、II的中心距需满足：

式中0为夹持输送装置I夹麻中心点距苎麻茎秆基部末端距离，mm；1为剥麻区域长度，mm；3为夹持重叠长度（图5b，夹持输送装置夹持中心点到剥麻凹板上部内端面弧形距离），mm；0为夹持输送装置I、II的中心距，mm；∆为换端夹持时夹持补偿长度，mm。

由2.1.1节可知，剥麻区域长度为910 mm。样机的夹持重叠长度为70 mm，苎麻茎秆和纤维的夹持补偿长度一般为40 mm，则夹持输送装置I夹麻中心点距苎麻茎秆基部末端距离设计为980 mm，夹持输送装置I、II的中心距设计为200 mm，对应的可加工苎麻茎秆的理论长度为2（0−3），其值为1 820 mm。

2.3 换端夹持装置

换端夹持装置主要由导向风机、斜导杆和导风槽组成（图4）。

斜导杆由剥麻装置I的剥麻凹板后端伸出，斜导杆的末端深入至夹持输送装置II的凹形卡槽中间位置，自上而下3根斜导杆的长度分别为515、500和508 mm，以保障苎麻茎秆基部端纤维随斜导杆轨迹运行至夹持输送装置II的左侧；风机倾斜设计，出风口上扬，并通过导风槽使得风力吹向夹持输送装置I、II的交错处，选用20寸、0.75 kW的5叶工业风机；随着夹持输送装置I的持续输送，通过换端夹持装置的辅助作用，苎麻茎秆的基部端和梢部端仍在一个与夹持输送装置垂直的水平面上输送，直至夹持输送装置II顺利夹持住苎麻茎秆，完成梢部端纤维剥制。

3 剥麻作业性能试验

3.1 试验材料

为获取连续夹持输送式苎麻剥麻机的最优作业参数组合并验证样机的作业效果，于2020年6月在中国农业科学院麻类研究所国家种质长沙苎麻圃进行剥麻试验。试验苎麻品种为“中苎1号”，11 a麻园的头麻，苎麻茎秆收割后当天进行剥麻试验。苎麻茎秆梢部切除的长度设定为1 800 mm，长度低于800 mm的茎秆直接剔除，苎麻茎秆切除梢部后的平均长度为1 650～1 780 mm，茎秆基部直径为13.80～14.34 mm。苎麻茎秆切除梢部后，鲜茎秆平均含水率82.53%，鲜皮平均含水率81.67%，平均厚度0.59 mm，纤维平均厚度0.24 mm。

主要仪器设备：连续夹持输送式苎麻剥麻机试验样机，TC20K-HB电子秤（量程20 kg，精度0.1 g），XMA-600型电热鼓风干燥箱，游标卡尺，卷尺和秒表等。

3.2 试验方法与指标

3.2.1 Box-Behnken试验

根据连续夹持输送式苎麻剥麻装置的前期台架试验结果，结合连续夹持输送式苎麻剥麻机的设计及理论分析，选取剥麻间隙、滚筒转速和输送速度为试验因素。根据台架试验结果，剥麻间隙的试验水平为2.5、4.5和6.5 mm，滚筒转速的试验水平为250、350和450 r/min，输送速度的试验水平为0.25、0.35和0.45 m/s。采用Box-Behnken试验设计方法，进行苎麻剥麻试验，研究剥麻间隙、滚筒转速和输送速度对剥麻作业性能的影响。

试验时，每组试验剥制100 kg苎麻茎秆，4次重复，结果取平均值。试验因素水平如表2所示，试验方案和结果如表3所示。

3.2.2 测定指标

根据DB43/T332-2007《机剥苎麻》[21]和GB/T 20793-2015《苎麻精干麻》[30]，结合样机实际作业情况确定鲜茎出麻率和原麻含杂率为试验指标，样机生产试验中进一步测定样机生产效率和苎麻纤维的含胶率及束纤维断裂强度（其中苎麻纤维的含胶率及束纤维断裂强度委托“农业部麻类产品质量监督检验测试中心”进行检测），各指标计算方法如下：

式中为鲜茎出麻率，%；W为含水率14%的苎麻纤维质量，kg；W为每次试验时去叶后的苎麻茎秆质量，kg；为原麻含杂率，%；1为纤维试样拣前质量，g；2为纤维试样拣后质量（拣出麻纤维上的麻骨、皮壳和碎屑等），g；为生产效率，kg/h；为剥麻时间，h。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 试验方案与结果

采用Design Expert软件对Box-Behnken试验结果进行二次回归分析与多元回归拟合，构建鲜茎出麻率1、原麻含杂率2与剥麻间隙1、滚筒转速2、输送速度3之间的数学模型，检验其显著性，分析交互作用影响规律[31-32]。

表3 Box-Behnken试验方案与结果

注：1、2、3分别表示剥麻间隙、滚筒转速和输送速度的水平值。下同。

Note:1and2and3indicated the levels value of decorticating clearance, drum speed and delivering speed, respectively. The same below.

3.3.2 鲜茎出麻率回归模型与显著性分析

对试验结果进行多元回归拟合，建立鲜茎出麻率1与剥麻间隙1、滚筒转速2及输送速度3的三元二次多项式回归模型，剔除不显著项，得到回归方程如式（8）所示，回归方程的显著项检验如表4所示。

1=5.20+0.241−0.132+0.0493+0.05212+

0.06412−0.1122−0.1332（8）

由表4可知，模型的<0.000 1，模型拟合度极其显著；失拟项不显著（=0.369 8>0.05），无失拟因素存在，表明可用该回归模型代替真实试验对结果进行分析；决定系数2=0.993 1、校正决定系数2adj=0.984 3，二者均接近1，表明拟合方程有意义；变异系数CV=0.55%、精密度Adeq precision达到35.38，表明该模型具有良好的可信度和精确度。

注：**和*分别表示极显著（<0.01）和显著（<0.05）。2和2adj分别表示决定系数和校正决定系数，CV表示变异系数，Adeq precision表示精密度。下同。

Note: ** and * indicate significance at 0.01 (<0.01) and 0.05 (<0.05) levels, respectively.2and2adjrepresent the determination coefficient and correction determination coefficient, respectively, CVrepresents Coefficient of Variation, Adeq precision stands for precision. The same as below.

鲜茎出麻率回归模型的方差分析结果表明：模型线性项1、2、3对鲜茎出麻率1影响均呈现极显著性；二次项12、22和32对鲜茎出麻率1的影响均极显著；模型交互作用项12对响应值影响显著，表明试验因素对鲜茎出麻率的影响并非简单线性关系，具有明显的交互作用。设定3=0，得出交互因素12对鲜茎出麻率的影响规律，如图6所示；在剥麻间隙1、滚筒转速2对鲜茎出麻率1的交互作用中，2个因素对交互作用影响均较大，在1=6 mm且2=360 r/min时，鲜茎出麻率最大。

3.3.3 原麻含杂率回归模型与显著性分析

对试验结果进行多元回归拟合，建立原麻含杂率2与剥麻间隙1、滚筒转速2及输送速度3的三元二次多项式回归模型，剔除模型中不显著项，得到回归方程如式（9）所示，回归方程的显著项检验如表5所示。

2=1.17+0.321−0.132+0.0513+0.05212+

0.1112−0.03632（9）

表5 原麻含杂率方差分析

由表5可知，模型的<0.000 1，模型的拟合度极其显著；失拟项不显著（=0.609 0>0.05），无失拟因素存在，表明可用该回归模型代替真实试验对结果进行分析；决定系数2=0.994 7、校正决定系数2adj=0.987 9，二者均接近1，表明拟合方程有意义；变异系数CV=2.34%、精密度Adeq precision达到41.54，表明该模型具有良好的可信度和精确度。

原麻含杂率回归模型的方差分析结果表明：模型的线性项1、2、3对原麻含杂率2影响均呈现极显著性；二次项12和32对原麻含杂率2的影响均显著；模型交互作用项12对响应值影响显著，表明试验因素对原麻含杂率的影响并非简单线性关系，具有明显的交互作用。设定3=0，得出交互因素12对原麻含杂率的影响规律，如图7所示；在剥麻间隙1、滚筒转速2对原麻含杂率2的交互作用中，2个因素对交互作用的影响均较大，在1=2.5 mm且2=450 r/min时，原麻含杂率最小。

3.3.4 参数优化

为寻求苎麻剥麻机最佳作业参数组合，利用Design Expert软件内置的Optimization参数优化模块，以鲜茎出麻率最高、原麻含杂率最低为优化目标，对2个回归模型进行优化求解。建立目标函数与各参数的约束条件，如式（10）所示。

根据约束条件，对目标函数进行优化求解，得到连续夹持输送式苎麻剥麻机的最优参数组合：剥麻间隙3.98 mm、滚筒转速329.9 r/min、输送速度0.36 m/s，最优参数组合下剥麻机的鲜茎出麻率5.17%、原麻含杂率1.13%。为利于作业参数的调试，对优化后的作业参数进行圆整：剥麻间隙4.0 mm、滚筒转速330 r/min和输送速度0.36 m/s，此时的鲜茎出麻率为5.17%、原麻含杂率为1.13%。

3.4 样机生产试验

3.4.1 试验方法

为了验证各指标模型预测的准确性及样机最优参数组合条件下整机作业质量，开展验证生产试验。试验时，每次试验剥制1 000 kg苎麻茎秆，重复4次，结果取平均值；验证Box-Behnken试验中数学模型的准确性和优化结果的可靠性，测定样机剥麻的工作效率，检测样机作业的稳定性和可靠性。

3.4.2 试验结果与分析

于2020年7月在中国农业科学院麻类研究所国家种质长沙苎麻圃进行苎麻剥麻生产试验，样机剥麻试验如图8所示，试验结果如表6所示。

表6 验证试验结果

最优参数组合条件下，模型验证试验鲜茎出麻率为5.04%，原麻含杂率为1.18%，评价指标与其模型预测值的相对误差分别为2.5%和4.4%，均小于5%，表明模型预测准确可靠，参数优化精准度高。样机生产效率为142 kg/h，为目前市场上应用的小型苎麻剥麻机的15倍；鲜茎出麻率达到5.04%，满足设计要求。剥制纤维的原麻含杂率1.18%和原麻含胶率22.85%，均达到二等苎麻纤维等别；束纤维断裂强度4.56 CN/dtex和剥制纤维长度大于1 000 mm，满足国标规定的一级精干麻指标要求；外观上，苎麻纤维等别鉴定达到二等；剥制的纤维质量符合纺织企业和市场的要求。

4 结 论

为实现苎麻纤维高效剥制，基于横向喂入式剥麻技术的作业特点，结合苎麻剥麻的工艺要求，设计了一款连续夹持输送式苎麻剥麻机。该机分段依次完成苎麻茎秆基部和梢部端纤维剥制；采用柔性夹持输送装置，保障对茎秆和纤维的夹持力且不损伤纤维；不改变苎麻茎秆运行方向实现苎麻整秆纤维的剥制，缩小整机尺寸且提高整机剥制纤维的效率。

1）建立了连续夹持输送式苎麻剥麻机参数优化数学模型，得到了最优参数组合：剥麻间隙4.0 mm、滚筒转速330 r/min和输送速度0.36 m/s。基于优化参数进行苎麻剥麻的生产验证试验，结果显示：鲜茎出麻率5.04%、原麻含杂率1.18%，各指标与模型预测值的相对误差均小于5%，验证了预测模型的正确性。

2）生产试验结果表明：整机生产率142 kg/h，达到设计指标要求；苎麻纤维的含胶率为22.85%，束纤维断裂强度为4.56 CN/dtex，满足《苎麻》国家标准二等苎麻纤维等别。

连续夹持输送式苎麻剥麻作业可一次完成茎秆喂入输送、基部纤维剥制、换端夹持、梢部纤维剥制和纤维输出共5个工序；完成生产样机的参数优化与生产验证试验，为苎麻全自动剥麻机提供了技术支撑。但本研究的剥麻机是针对未碾压的苎麻茎秆进行剥麻，匀麻和喂麻均是人工完成，后续将系统开展苎麻茎秆的切稍装置、匀麻装置、碾压装置、自动喂麻装置和接集麻装置等连续作业装置的研究，以期实现苎麻剥麻的全程自动化作业，进一步提高整机的作业工效。

[1]陶爱芬，祁建民，林荔辉，等. 中国主要麻类作物的起源与演化概述析[J]. 中国麻业科学，2016，38(3)：136-142. Tao Aifen, Qi Jianmin, Lin Lihui, et al. An overview on origin and evolution of major fiber crops in China[J]. Plant Fiber Sciences in China, 2016, 38(3): 136-142. (in Chinese with English abstract)

[2]朱睿，杨飞，周波，等. 中国苎麻的起源、分布与栽培利用史[J]. 中国农学通报，2014，30(12)：258-266.Zhu Rui, Yang Fei, Zhou Bo, et al. Origin, distribution of boehmeria nivea and its history of cultivation and utilization in China[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2014, 30(12): 258-266. (in Chinese with English abstract)

[3]熊和平. 2014-2015国家麻类产业技术发展报告[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2016.

[4]朱炯光，郭克君，满大为，等. 新型苎麻剥麻机反拉脱骨装置设计与试验—基于PLC[J]. 农机化研究，2020，42(8)：101-105. Zhu Jiongguang, Guo Kejun, Man Dawei, et al. Design and test of a new type of ramie stripping machine-based on PLC[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2020, 42(8): 101-105. (in Chinese with English abstract)

[5]向伟，马兰，刘佳杰，等. 我国苎麻纤维剥制加工技术及装备研究进展[J]. 中国农业科技导报，2019，21(11)：59-69. Xiang Wei, Ma Lan, Liu Jiajie, et al. Research progress on technology and equipment of ramie fibre stripping and processing in China[J]. Journal of Agricultural Science and Technology, 2019, 21(11): 59-69. (in Chinese with English abstract)

[6]龙超海，吕江南，马兰，等. 苎麻剥制加工机械的研究与推广应用[J]. 湖南农机，2011，38(1)：1-6.Long Chaohai, Lv Jiangnan, Ma Lan, et al. Research and application of ramie decorticating and processing machine[J]. Hunan Agricultural Machinery, 2011, 38(1): 1-6. (in Chinese with English abstract)

[7]沈成，陈巧敏，周杨，等. 苎麻单茎秆切割试验与分析[J]. 中国农机化学报，2015，36(6)：40-43，63.Shen Cheng, Chen Qiaomin, Zhou Yang, et al. Experiment and analysis on single stalk cutting of ramie[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2015, 36(6): 40-43, 63. (in Chinese with English abstract)

[8]马兰，龙超海，吕江南，等. 苎麻剥麻机械性能指标及其检测方法[J]. 中国麻业科学，2015，37(3)：135-137，156.Ma Lan, Long Chaohai, Lyu Jiangnan, et al. Mechanical performance indexes of ramie decorticator and testing methods[J]. Plant Fiber Sciences in China, 2015, 37(3): 135-137, 156. (in Chinese with English abstract)

[9]阳尧端，邓剑锋. 苎麻机械剥制试验与工艺参数优化[J]. 农业工程学报，2009，25(8)：93-98.Yang Yaoduan, Deng Jianfeng. Experiment on ramie peeling machine and process parameters optimization[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2009, 25(8): 93-98. (in Chinese with English abstract)

[10]邹舒畅，苏工兵，邵运果. 基于离散元法的苎麻茎秆分离装置仿真优化与试验[J]. 中国农机化学报，2017，38(1)：60-67. Zou Shuchang, Su Gongbing, Shao Yunguo. Simulation optimization and experiment of separation device for ramie stalks based on discrete element method[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2017, 38(1): 60-67. (in Chinese with English abstract)

[11]邓剑锋，蔡超强，李加升，等. 6BX-40型苎麻剥制机滚刀设计与试验[J]. 农业机械学报，2010，41(12)：89-92，98. Deng Jianfeng, Cai Chaoqiang, Li Jiasheng, et al. Design and experiment of 6BX-40 ramie-stripping machine rotary-cutter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2010, 41(12): 89-92, 98. (in Chinese with English abstract)

[12]马兰，龙超海，吕江南，等. 苎麻剥麻机主要工作部件的参数优化[J]. 中国农机化，2011(3)：73-76，72. Ma Lan, Long Chaohai, Lv Jiangnan, et al. Optimization of components parameters on ramie decorticator[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2011(3): 73-76, 72. (in Chinese with English abstract)

[13]徐鑫，郭克君，谭新建，等. 苎麻茎秆的力学性能研究[J]. 湖南农业大学学报：自然科学版，2018，44(4)：447-452.Xu Xin, Guo Kejun, Tan Xinjian, et al. Research on mechanical properties of ramie stalk[J]. Journal of Hunan Agricultural University: Natural Sciences, 2018, 44(4): 447-452. (in Chinese with English abstract)

[14]张元华，曾宪荣，贾炼，等. 几种苎麻打剥机的对比试验及优化选用[J]. 中国麻业科学，2020，42(3)：141-144. Zhang Yuanhua, Zeng Xianrong, Jia Lian, et al. Comparative test and optimization selection of several ramie threshing machines[J]. Plant Fiber Sciences in China, 2020, 42(3): 141-144. (in Chinese with English abstract)

[15]谭新建，郭克君，张殿松，等. 提拉式苎麻剥麻机的设计[J]. 林业工程学报，2019，4(3)：106-111. Tan Xinjian, Guo Kejun, Zhang Diansong, et al. Design of the lifting ramie decorticator[J]. Journal of Forestry Engineering, 2019, 4(3): 106-111. (in Chinese with English abstract)

[16]苏工兵，吴奇明，袁浪佳，等. ZMFQSL-1型苎麻开纤水理设备设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(7)：264-270. Su Gongbing, Wu Qiming, Yuan Langjia, et al. Design and test of ZMFQSL-1 type ramie fiber opening and washing machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 264-270. (in Chinese with English abstract)

[17]王绍文，宋贻则. 麻类作物生产机械[M]. 北京：中国农业出版社，1997.

[18]吕江南，龙超海，赵举，等. 横向喂入式苎麻剥麻机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2013，29(16)：16-21.Lü Jiangnan, Long Chaohai, Zhao Ju, et al. Design and experiment of transverse-feeding ramie decorticator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(16): 16-21. (in Chinese with English abstract)

[19]饶崇明，饶正良，胡兴旺. 横喂式双向自动苎麻三脱机的研制[J]. 农业开发与装备，2015(6)：57-58，139.

[20]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，GB/T7699-1999：苎麻[S]. 北京：中国标准出版社，2005.

[21]湖南省质量技术监督局，DB43/T332-2007：机剥苎麻[S]. 北京：中国标准出版社，2007.

[22]徐鑫. 新型苎麻剥麻机的设计与关键部件仿真[D]. 北京：中国林业科学研究院，2018. Xu Xin. The Design and Key Components Simulation of the New Ramie Decorticator[D]. Beijing: Chinese Academy of Forestry, 2018. (in Chinese with English abstract)

[23]沈成，李显旺，田昆鹏，等. 苎麻茎秆力学模型的试验分析[J]. 农业工程学报，2015，31(20)：26-33. Shen Cheng, Li Xianwang, Tian Kunpeng, et al. Experimental analysis on mechanical model of ramie stalk[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(20): 26-33. (in Chinese with English abstract)

[24]林崟. 苎麻韧皮撕裂力学性能试验研究[D]. 长沙：湖南农业大学，2016.Lin Yin. Experimental Study on Mechanical Properties of Ramie Stem Bark Tear[D]. Changsha: Hunan Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[25]王加跃，吴明亮，吕江南，等. 苎麻韧皮纤维撕裂力的试验研究[J]. 湖南农业大学学报：自然科学版，2017，43(5)：565-569. Wang Jiayue, Wu Mingliang, LüJiangnan, et al. Experimental study on tear strength of ramie bast fiber[J]. Journal of Hunan Agricultural University: Natural Sciences, 2017, 43(5): 565-569. (in Chinese with English abstract)

[26]晏科满，邹舒畅，唐令波，等. 苎麻茎秆冲击断裂韧性试验与分析[J]. 农业工程学报，2014，30(21)：308-315. Yan Keman, Zou Shuchang, Tang Lingbo, et al. Impact test and analysis of fracture toughness of ramie stalk[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(21): 308-315. (in Chinese with English abstract)

[27]晏科满. 冲击载荷下的苎麻茎秆分离试验与仿真[D]. 武汉：武汉纺织大学，2015. Yan Keman. Ramie Stalk Separation Under Impact Loading Test and Simulation[D]. Wuhan: Wuhan Textile University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[28]邹舒畅，苏工兵，邵运果，等. 苎麻茎秆机械分离过程力学建模与试验分析[J]. 湖北农业科学，2017，56(2)：348-352.Zou Shuchang, Su Gongbing, Shao Yunguo, et al. Mechanics modeling and analysis of ramie stalk mechanical separation process[J]. Hubei Agricultural Sciences, 2017, 56(2): 348-352. (in Chinese with English abstract)

[29]邹舒畅. 基于离散元法的苎麻茎秆分离数值模拟与试验研究[D]. 武汉：武汉纺织大学，2017. Zou Shuchang. Numerical Simulation and Experimental Research for Ramie Stalks Separation Based on EDEM[D]. Wuhan: Wuhan Textile University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[30]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，GB/T20793-2015：苎麻精干麻[S]. 北京：中国标准出版社，2015.

[31]苏宁，郭克君，吴立国，等. 基于正交试验的新型反拉式苎麻剥麻机参数优选[J]. 林产工业，2019，56(12)：38-42. Su Ning, Guo Kejun, Wu Liguo, et al. Parameter optimization of the new reverse-drawing ramie decorticator based on orthogonal experiment[J]. China Forest Products Industry, 2019, 56(12): 38-42. (in Chinese with English abstract)

[32]沈成，李显旺，张彬，等. 苎麻茎秆台架切割试验与分析[J]. 农业工程学报，2016，32(1)：68-76. Shen Cheng, Li Xianwang, Zhang Bin, et al. Bench experiment and analysis on ramie stalk cutting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(1): 68-76. (in Chinese with English abstract)

Research and development of continuous clamping and delivering ramie decorticator

Xiang Wei, MaLan, Liu Jiajie, Yan Bo, Qiu Huajiao, Lyu Jiangnan※

(,,410205,)

A feasible and fully automatic ramie decorticator was designed in the transverse-clamping delivery using the characteristics of ramie fiber decorticating, further to alleviate the ramie fiber stripping with high labor intesity. The decorticator implemented the fiber decorticating for the base and top of the ramie stalk in sequence. The flexible clamping and conveying of ramie stalk and fiber were adopted to ensure the clamping force without damaging the fiber. Without changing the conveying direction of ramie stalks, the whole ramie stalk fiber was stripped, indicating that the small size of machine was used to realize the fully automatic fiber decorticating of ramie. 5 steps were completed in a decorticator, including stalk feeding and conveying, base fiber decorticating, changing clamping, top fiber stripping, and fiber output once for all. The key components included the clamping and conveying device, the fiber decorticating device, and the end-change clamping device. The optimal ranges of key parameters were determined on the quality of ramie decorticating. Taking the decorticating clearance, drum and conveying speed as the influencing factors, mathematical models were developed for the fiber percentage of fresh stem and the impurity rate of ramie fiber. A combination of optimal parameters was achieved to clarify the influence of operating parameters on the ramie fiber decorticating. A multi-objective optimization was carried out in the Box-Behnken test. The results indicated that: There was a significant effect of decorticating clearance, drum speed and conveying speed on the fiber content of fresh stems and the impurity rate of raw fiber. The model interaction of decorticating clearance and drum speed also posed a great impact on the fiber content of fresh stems and the impurity rate of raw fiber. Moreover, there were obvious coupling effects of experimental factors on the fiber content of fresh stem and the impurity rate, but not a simple linear relationship. In the multi-objective parameter optimization, the optimal parameters were determined for ramie fiber decorticating: the decorticating clearance of 4.0 mm, drum speed of 330 r/min, and conveying speed of 0.36 m/s. A validation test of ramie fiber decorticating was carried out under the optimized conditions. The results demonstrated that the fiber content of fresh stem was 5.04% and the impurity rate of raw fiber was 1.18%, where the relative errors of indicators and the model predictions were less than 5%, indicating a high accuracy of prediction model. The productivity of machine was up to 142 kg/h, beyond the design specifications. The gum content of raw fiber was 22.85%, and the bundle breaking tenacity of ramie was 4.56 CN/dtex, indicating that the fibers of decorticating machine were suitable for the national standards of second class ramie fiber. The finding can provide a theoretical basis and technical support for the fully automatic ramie decorticator.

decorticator; ramie; fiber; clamping and delivering;fiber percentage of fresh stalk; impurity rate of raw fiber

向伟，马兰，刘佳杰，等. 连续夹持输送式苎麻剥麻机研制[J]. 农业工程学报，2021，37(1)：19-27.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.003 http://www.tcsae.org

Xiang Wei, Ma Lan, Liu Jiajie, et al. Research and development of continuous clamping and delivering ramie decorticator[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 19-27. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.003 http://www.tcsae.org

2020-10-28

2020-12-18

国家麻类产业技术体系项目（CARS-16-E21）；中国农业科学院科技创新工程（CAAS-ASTIP-2017-IBFC06）；湖南省重点研发计划项目（2018NK2065）；湖南省自然科学基金面上项目（2019JJ40333）

向伟，博士，助理研究员，主要从事农业机械创新设计及理论。Email：xwxblg@163.com

吕江南，研究员，主要从事麻类剥制加工机械及麻产品加工技术研究。Email：yjljn@sina.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.003

S225.99

A

1002-6819(2021)-01-0019-09