香蕉莖稈纖維提取工藝研究

香蕉莖稈纖維提取工藝研究

0香蕉秸稈纖維,利用現(xiàn)有資源,主要有以下幾種香蕉是世界上最大的水果，其水果的出口量和新鮮水果的出口量。由聯(lián)合國糧食部組織的糧食部門定位為發(fā)展中國家的四大糧食。水稻、小麥和玉米被確定為第四大糧食。2010年10月,國務(wù)院下發(fā)《國務(wù)院辦公廳關(guān)于促進我國熱帶作物產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意見》(國辦發(fā)(2010)45號),提出以香蕉等熱帶水果為重點,深入推進優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)帶建設(shè)。因此,中國香蕉產(chǎn)業(yè)正處于快速發(fā)展階段。香蕉莖稈是香蕉收獲后主要的副產(chǎn)品。由于香蕉莖稈粗大、含水率高等特點,香蕉莖稈多采用自然腐爛或田間丟棄處理,造成極大的資源浪費和環(huán)境污染問題。香蕉莖稈中含有優(yōu)質(zhì)的植物纖維,該纖維重量輕、透氣性強,經(jīng)濟價值較高,適宜制作各種中、高檔的西服、襯衫、領(lǐng)帶以及各種裝飾品等,也可用來制造高級紙張。目前纖維提取利用,國內(nèi)外研究多集中在水稻秸稈、玉米秸稈、棉稈、甘蔗渣、菠蘿葉等資源。借鑒上述研究,香蕉莖稈纖維提取可用水浸法、生物化學(xué)法和機械提取法等。國內(nèi)外學(xué)者主要集中在水浸法、生物化學(xué)法進行了一定研究。水浸法提取即用水浸泡葉片7~10d,使其自然發(fā)酵,纖維周圍的組織遭到破壞失去穩(wěn)定,經(jīng)人工刮取、清洗、干燥等獲得原纖維。水浸法提取存在生產(chǎn)時間長,占用場地大,勞動強度高,提取率低,纖維強度降低,浸泡廢液污染環(huán)境等問題。生物化學(xué)法是用生物和化學(xué)溶液浸泡葉片,即將葉片浸入含有1%纖維酶液中,酶液的pH值為4~6,在40℃下處理5h,破壞纖維周圍組織,再經(jīng)人工刮取、清洗、干燥等獲得原纖維。生物化學(xué)法提取存在勞動強度高,生產(chǎn)效率較低,纖維質(zhì)量一般,浸泡廢液污染環(huán)境,成本高等問題。機械提取法是用機械力破壞香蕉莖稈纖維周圍組織,同時完成纖維和雜質(zhì)分離,最終經(jīng)清洗、干燥獲得原纖維。由于機械提取法具有效率高、污染少等優(yōu)點,因此是一種比較理想的纖維提取方式。由于香蕉種植的區(qū)域性特點,國內(nèi)機械法提取香蕉莖稈纖維仍處于起步階段,尤其香蕉莖稈纖維提取裝備,成熟機械較少?；谏鲜鰡栴},本文設(shè)計了一種滾扎甩碎組合式香蕉莖稈纖維提取機,分析確定了其關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù),并進行了一定性能試驗,以期為香蕉莖稈纖維提取技術(shù)在中國熱帶農(nóng)業(yè)區(qū)的推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。1工藝結(jié)構(gòu)和工作原理1.1主要組成裝置滾扎甩碎組合式香蕉莖稈纖維提取機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,主要由輸送裝置、Ⅰ級滾扎裝置、Ⅱ級滾扎裝置、甩碎裝置、機罩、機架、行走輪、排水裝置、電機、機架等組成。整機主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。1.2香蕉秸稈破碎工藝機架上依次安裝輸送裝置、Ⅰ級滾扎裝置、Ⅱ級滾扎裝置和甩碎裝置,電機通過皮帶傳動結(jié)構(gòu)將動力分配給輸送裝置、Ⅰ級滾扎裝置、Ⅱ級滾扎裝置和甩碎裝置。作業(yè)時,香蕉莖稈經(jīng)過輸送帶輸送到Ⅰ級滾扎裝置中,在Ⅰ級滾扎裝置中Ⅰ級滾扎上輥筒和Ⅰ級滾扎下輥筒(兩輥筒之間的間距為5~10cm)相對轉(zhuǎn)動對香蕉莖稈第一次擠壓破碎,經(jīng)過第一次擠壓破碎的香蕉莖稈進Ⅱ級滾扎裝置,Ⅱ級滾扎裝置中Ⅱ級滾扎上輥筒和Ⅱ級滾扎下輥筒(兩輥筒之間的間距為2~5cm)相對轉(zhuǎn)動進一步將香蕉莖稈擠壓破碎,香蕉莖稈經(jīng)過第1次擠壓破碎和第2次擠壓破碎擠出80%以上的水,并通過排水裝置排出,最后通過甩碎裝置上高速轉(zhuǎn)動的甩碎刀將經(jīng)2次擠壓破碎的香蕉莖稈錘擊揉碎,最后絮狀香蕉莖稈纖維通過排出口收集。2關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計2.1置及參數(shù)介紹滾扎甩碎組合式香蕉莖稈纖維提取機傳動系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)緊湊,功率消耗少,動力分配合理等原則,其傳動系統(tǒng)路線配置及參數(shù)見圖2。動力從電機輸出后,通過動力輸出軸上的帶傳動傳遞給Ⅰ級滾扎裝置,Ⅰ級滾扎裝置的上下兩滾筒的相對運動通過一對直齒輪嚙合傳動;Ⅱ級滾扎裝置的動力通過Ⅰ級滾扎裝置上的帶輪傳遞,Ⅱ級滾扎裝置的上下兩滾筒的相對運動通過一對直齒輪嚙合傳動;甩碎裝置的動力通過Ⅱ級滾扎裝置上的帶輪傳遞;輸送裝置的動力通過Ⅰ級滾扎裝置上的帶輪傳遞。2.2確定級滾扎裝置香蕉莖稈含具有極高的含水率,在進入甩碎裝置提取香蕉莖稈纖維之前,需要分級降低其含水率。Ⅰ級滾扎裝置的作用是初步擠出香蕉莖稈中的水分,同時通過滾扎處理,使香蕉莖稈直徑變形,從而更容易進入Ⅱ級滾扎裝置。Ⅰ級滾扎裝置采用一對相對運動的輥筒,主要有Ⅰ級滾扎上輥筒和Ⅰ級滾扎下輥筒組成,為便于滾扎香蕉莖稈,上、下滾筒表面均采用紋桿狀。Ⅰ級滾扎裝置在工作中,根據(jù)香蕉莖稈變形可以將其劃分成3個區(qū)域,即未滾扎區(qū)、滾扎變形區(qū)和滾扎成型區(qū),其滾扎區(qū)域劃分示意圖如圖3所示。2.2.1香蕉秸稈變形區(qū)的安定性分析,為香蕉莖Ⅰ級滾扎裝置兩輥筒的有效工作幅寬B1約為600mm,香蕉莖稈滾扎擠壓工況如圖4所示,對圓柱型香蕉莖稈在O和O′所受的輥筒的力進行分析,受力分析如圖5所示。N為上輥筒對莖稈的正壓力,N;N′下輥筒對莖稈的正壓力,N;F、F′為上、下輥筒與莖稈產(chǎn)生的摩擦力,其方向與N、N′垂直,N;β為莖稈所受的摩擦力F與水平方向的夾角,即攫取角,(o)。阻礙香蕉莖稈進入輥筒對的阻力為Nsinβ+N′sinβ,香蕉莖稈進入滾扎變形區(qū)的驅(qū)動力為式中,N為Ⅰ級滾扎上輥筒對香蕉莖稈的正壓力,N;N′為Ⅰ級滾扎下輥筒對香蕉莖稈的正壓力,N;F為香蕉莖稈與Ⅰ級滾扎上輥筒的摩擦力,N;F′香蕉莖稈與Ⅰ級滾扎下輥筒的摩擦力,N;β為莖稈所受的摩擦力F與水平方向的夾角,(°)。香蕉莖稈滾扎變形的條件式中,f為輥筒與香蕉莖稈的摩擦系數(shù),鋼鐵與香蕉莖稈的摩擦系數(shù)可取f=1.5~2.5。將式(1)代入式(2)得由于Ⅰ級滾扎輥筒表面經(jīng)過噴砂工藝處理提高其粗糙度,因此取?為最大值2.5,可以求得攫取角βmax=68.2°其中式中,D1為Ⅰ級滾扎裝置輥筒直徑,mm;H1為兩滾筒間最小距離,為了使Ⅱ級滾扎裝置擠壓香蕉莖稈所耗功率降低以及Ⅱ級滾扎裝置尺寸減少,本設(shè)計取H1=100mm;L1為香蕉莖稈圓柱形直徑,一般L1=200~350mm。取L1為300mm,結(jié)合上述參數(shù),可以求得Ⅰ級滾扎裝置輥筒直徑D1min=318.2mm,本設(shè)計中選?、窦墲L扎裝置輥筒直徑D1=320mm。2.2.2輥筒轉(zhuǎn)速n型化發(fā)展裝置輥筒運動能力下降,輥Ⅰ級滾扎裝置輥筒轉(zhuǎn)速的大小影響后續(xù)工序裝置的處理能力,輥筒轉(zhuǎn)速高,其生產(chǎn)能力提高;輥筒轉(zhuǎn)速過小,其生產(chǎn)能力下降。結(jié)合室內(nèi)試驗與分析,設(shè)計中輥筒的轉(zhuǎn)速n1=215r/min。由公式ν1=ω1R1,轉(zhuǎn)換等式中,v1為Ⅰ級滾扎裝置輥筒滾扎線速度,m/s;ω1為Ⅰ級滾扎裝置輥筒角速度,rad/s;R1為Ⅰ級滾扎裝置輥筒半徑,R1=D1/2=160mm。計算可得Ⅰ級滾扎裝置輥筒線速度v1=3.6m/s。2.3滾扎脫水處理Ⅱ級滾扎裝置的作用是對經(jīng)過Ⅰ級滾扎裝置的香蕉莖稈再次進行滾扎脫水處理,同時對通過的香蕉莖稈進行適度夾持,以利于甩碎裝置對香蕉莖稈進行甩碎。2.3.1確定香蕉莖高度Ⅱ級滾扎裝置設(shè)計采用的是軸線在垂直平面的相對運動的兩輥筒,有效工作幅寬B2約為600mm,經(jīng)過Ⅰ級滾扎裝置處理的香蕉莖稈高度L2=100mm,即為Ⅱ級滾扎裝置入料莖稈高度,為利于香蕉莖稈纖維的提取,兩滾筒最小距離越小,甩碎裝置的所耗功率將減少,但是增加了Ⅱ級滾扎輥筒的尺寸以及功耗,綜合考慮本文取H2=30mm,因此,兩滾筒直徑為結(jié)合上述參數(shù),可以求得Ⅱ級滾扎滾筒直徑D2min=111.2mm,本設(shè)計中選?、蚣墲L扎輥筒直徑D2=120mm。2.3.2級滾扎裝置輥筒轉(zhuǎn)速n的計算Ⅱ級滾扎裝置輥筒轉(zhuǎn)速n2由Ⅰ級滾扎輥筒轉(zhuǎn)速n1確定,若Ⅱ級滾扎裝置輥筒轉(zhuǎn)速高,會出現(xiàn)打滑,若Ⅱ級滾扎裝置輥筒轉(zhuǎn)速低,香蕉莖稈在Ⅰ級滾扎裝置輥筒和Ⅱ級滾扎裝置輥筒之間堆積,影響機器正常運行,為避免上述現(xiàn)象必須使Ⅱ級滾扎裝置輥筒線速度v2與Ⅰ級滾扎裝置輥筒線速度v1相同。因此,Ⅱ級滾扎裝置輥筒轉(zhuǎn)速n2的計算公式為式中,R2為Ⅱ級滾扎輥筒半徑,mm。將上述參數(shù)值代入式(7)得到n2=573.2r/min,v2=3.6m/s,本設(shè)計?、蚣墲L扎裝置上下輥筒轉(zhuǎn)速n2=573r/min。2.4香蕉秸稈纖維甩碎裝置是主要由甩碎刀輥和甩碎刀等組成,其作用是對滾扎后的香蕉莖稈進行甩碎,進而得到香蕉莖稈纖維。在甩碎刀輥圓柱面上,圓周方向均勻分布3排甩碎刀,每排甩碎刀在軸向方向有5把甩碎刀,其三維示意圖如圖6所示。2.4.1級彎管機的切割甩碎刀輥轉(zhuǎn)速n的大小直接影響香蕉莖稈纖維的。秸稈理論切割長度L取決于秸稈喂入速度v和單位時間內(nèi)的切割次數(shù)。香蕉莖稈喂入速度與Ⅱ級滾扎輥筒線速度v2相等,甩碎刀輥轉(zhuǎn)速為式中,z為圓周方向單組甩碎刀數(shù),z=3mm。根據(jù)農(nóng)藝要求甩碎后的香蕉莖稈長度L應(yīng)小于100mm,本設(shè)計中,取L=60mm,結(jié)合上述參數(shù)代入式(7)得,甩碎刀輥轉(zhuǎn)速n=1200r/min。2.4.2降壓機裝置的模型分析甩碎刀輥的回轉(zhuǎn)半徑大小將直接影響機器的工作效果以及甩碎刀輥的平衡、振動等,在甩碎刀輥轉(zhuǎn)速一定的情況下,甩碎刀回轉(zhuǎn)半徑增大,會使機具整體尺寸增大,甩碎刀輥的不平衡因素也增大,振動激增。結(jié)合室內(nèi)試驗,本機選取甩碎刀輥直徑為100mm,甩碎刀回轉(zhuǎn)半徑為125mm,根據(jù)Ⅰ級滾扎裝置和Ⅱ級滾扎裝置的幅寬,甩碎刀輥長度M取620mm,粉碎裝置的二維模型圖如圖7所示。甩碎刀選取改進的錘爪型刀片,該類粉碎刀具有質(zhì)量較大、質(zhì)心靠外、轉(zhuǎn)動慣量大、使用壽命長等特點。甩碎刀工作中依靠端部刃口以及彎曲部分的刃口對香蕉莖稈進行打擊、剪切,使莖稈中的雜質(zhì)振動和刮削脫落,甩碎刀相關(guān)尺寸如圖8所示。2.4.3降壓刀有限元分析運用Solidworks的Simulation插件對甩碎刀進行靜力學(xué)有限元分析。選用甩碎刀材料,本設(shè)計選用韌性較好的65Mn鋼,并對甩碎刀的刀刃部位進行淬火和回火處理;對甩碎刀網(wǎng)格劃分,因為甩碎刀的分析主要在刀刃處,所以對刀刃的網(wǎng)格劃分密集;由于甩碎刀焊接于甩碎刀輥,所以對甩碎刀刀把添加約束使之固定;本次設(shè)計只考慮載荷最大的情況下甩碎刀的受力,根據(jù)對脫水后的香蕉莖稈香蕉莖稈強度測試得到切割阻力為170N,因此在甩碎刀刀刃上加300N的阻力。通過對甩碎刀的有限元分析,得出如圖9所示結(jié)果。由分析結(jié)果可知,最大合位移量在刀尖位置上,位移量為0.035mm,處于65Mn鋼的彈性變形范圍內(nèi)。甩碎刀的應(yīng)力集中主要分布在刀把和其他尺寸突變處,總的應(yīng)力最大值為29.89MPa,遠低于65Mn鋼的許用應(yīng)力[σ]=150~286MPa,因此,甩碎刀的強度滿足設(shè)計要求。3性能試驗分析3.1liams香蕉品種的人工生長檢測試驗時間為2012年11月,地點在海南省儋州市寶島新村,試驗選用香蕉莖稈為海南當(dāng)?shù)胤N植較多的巴西Williams香蕉品種,通過人工砍伐獲取。香蕉莖稈平均直徑為320mm,香蕉莖稈平均長度為1500mm,香蕉莖稈含水率為84.2%。采用本文設(shè)計的機器進行性能試驗,測量參數(shù)主要包括生產(chǎn)率、含雜率、提取率、能耗,以上指標(biāo)均測量5次求其平均值。主要儀器3169-20電力分析儀、磅秤、電子表、鋼卷尺、真空干燥箱等。3.2測試方法3.2.1確定含水率系數(shù)機器正常運行中,每隔5min收集1次香蕉莖稈纖維,稱質(zhì)量?？紤]到喂料的含水率有所差異,計算中增加含水率系數(shù),取值0.9。其計算公式為式中,Qscl為生產(chǎn)率,kg/h;mel為香蕉莖稈纖維質(zhì)量,kg;t為收集纖維物的時間,s。3.2.2香蕉秸稈提取率的確定在纖維總量一定的香蕉莖稈中,加工提取得到的香蕉莖稈纖維所占質(zhì)量的百分比為香蕉莖稈纖維提取率。本試驗對香蕉莖稈纖維提取率用以下方法測定:從待加工的香蕉莖稈隨機選取一定量的莖稈,稱其質(zhì)量為m1,加工所得到香蕉莖稈粗纖維經(jīng)過水洗,并通過真空干燥箱進行干燥,稱其質(zhì)量m2,則提取率σ為:式中,m1為隨機選取的香蕉莖稈的重量,kg;ρ為待加工的香蕉莖稈纖維含量,香蕉莖稈中香蕉纖維的含量為2.5%~7.5%,本文ρ試驗測量值約為3.8%;m2為經(jīng)過水洗和干燥的香蕉莖稈纖維質(zhì)量,kg;σ為提取率,%。3.2.3含雜率的測定加工提取得到的一定量的香蕉莖稈粗纖維中,雜質(zhì)質(zhì)量所占的百分比為香蕉莖稈纖維含雜率。本試驗采用以下方法測定:從加工得到的香蕉莖稈揉碎物中隨機抽取一定量得香蕉莖稈粗纖維,稱其質(zhì)量m4,對該香蕉莖稈粗纖維經(jīng)過水洗,并通過真空干燥箱進行干燥,稱其質(zhì)量m3,則含雜率φ為:式中,m4為隨機抽取揉碎物的質(zhì)量,kg;m3為香蕉莖稈纖維的質(zhì)量,kg;φ為含雜率,%。3.2.4能量的計算生產(chǎn)100kg香蕉莖稈揉碎物所消耗的能量,其計算式:式中,W耗為小時每生產(chǎn)100kg揉碎物能耗,kW·h/100kg;P電為每小時消耗的電能,kW。3.3種機器的試驗結(jié)果在試驗過程中,整機運行比較平穩(wěn),工作可靠,能滿足要求。為比較滾扎甩碎組合式香蕉莖稈纖維提取機的纖維提取率、含雜率、生產(chǎn)率和能耗等指標(biāo),選擇市場上常用的半喂入式香蕉莖稈纖維提取機進行對比試驗,該機生產(chǎn)率大于100kg/h,纖維提取率大于80%,含雜率小于10%。2種機器的試驗結(jié)果如表2所示。試驗結(jié)果表明,滾扎甩碎組合式香蕉莖稈纖維提取機的平均提取率為89.2%,含雜率為8.6%,生產(chǎn)率為206kg/h