剪切擊打混合式艾草脫葉機構的設計

賴曲芳，黎元瑞，姚星，劉斌，鄧勇杰，胡淑芬，肖本貴

（江西農業大學工學院，江西南昌 330045）

艾草作為醫用藥物已有2 000多年的發展歷史，早在晉唐時期，人們就將艾草用于艾灸療法[1]。近期研究表明，艾草有著抑菌、抗蟲、抗氧化等藥理作用，其中艾葉還對人體有著抗癌、止血、利膽等作用[2-3]。在艾草加工領域，目前應用廣泛且相對而言脫葉效果較好的是擊打式脫葉[4]，其中代表裝置有湖北大學張鵬楚[5]等設計的利用回轉滾筒擊打脫葉的艾草脫葉機。雖然回轉裝置結構簡單，但是由于脫葉滾筒作用范圍有限，在應對堆疊或發生纏繞的采草時，只能對表層艾葉進行脫離，導致單次脫凈率低，往往需要將艾草多次置入機器中脫葉，并且裝置中堅硬的擊打元件易將艾草梢部莖稈擊斷導致含雜率上升，同時艾葉也易被擊碎造成營養成分的流失。針對以上問題，文章設計了一種混合式艾草脫葉機構，在現有回轉脫葉機構的基礎上，增加了剮蹭脫葉機構，其脫葉力作用在艾草的側面，對堆疊的艾草也有較好的脫葉效果，此外剮蹭機構還有梳理艾草的作用，減少了艾草纏堆疊現象的發生。剮蹭脫葉機構和回轉脫葉輥的協同作用，大大提高了脫葉效率，并且回轉脫葉輥上采用柔性元件，降低了艾葉的破損率，文章設計的艾草脫葉機構對提高艾草加工生產效率和艾草加工質量有重要意義。

1 脫葉機結構分析

1.1 整體結構

本脫葉裝置由輸送帶、脫葉機箱、電動機、傳動機構及其他連接元件組成見圖1。艾草的脫葉過程在脫葉機箱中完成。脫葉機箱的外部安裝有鏈條、齒輪、帶輪等傳動元件，艾草脫葉過程中的飛屑不會干擾傳動機構的運行。脫葉機的動力由2個電機提供，其中一個電機控制輸送輥轉速，另外一個電機控制回轉脫葉輥轉速，可根據艾葉特性分別對輸送速度和脫葉速度進行調整。

圖1 脫葉機整體結構Fig.1 The overall structure of defoliator

1.2 脫葉結構

脫葉機箱內含3組輸送輥，兩組脫葉輥，每組脫葉輥包含上下布置的1根回轉脫葉輥和1根剮蹭脫葉輥，輸送輥采用間隔分布，上下對稱布置。兩組脫葉輥各夾在一對輸送輥之間，且每組脫葉輥中的回轉脫葉輥分別一上一下布置，使得艾草的上下面均能被作用到，輥組分布情況見圖2。脫葉力由回轉脫葉輥上的柔性脫葉元件和剮蹭脫葉輥上的一排剮蹭棒產生，考慮到剮蹭棒的存在會阻礙艾草在輥組間的行進，為此在剮蹭脫葉輥軸兩端各安裝了1個彈簧，使得艾草在撞擊到剮蹭棒時，剮蹭棒能帶動剮蹭脫葉輥轉動一個角度，提高了艾草的通過性。為增加回轉脫葉輥的作用面積，每個回轉脫葉輥上都有3排柔性脫葉元件，且交錯排列，見圖3。

圖2 輥組分布圖Fig.2 The roller set distribution diagram

圖3 回轉脫葉輥安裝圖Fig.3 The installation drawing of flexible deblading element

考慮到柔性脫葉元件工作強度高，為便于其損壞后的更換，設計了一種易于拆卸和安裝機械結構。柔性脫葉元件為下端粗、上端細的弧形圓柱體，其下端置于脫葉元件安裝筒內，上端穿過固定板，固定板通過螺釘固定在脫葉元件安裝筒上。若有柔性脫葉元件損壞，只需將固定板上螺釘取下，移除固定板后，便可將損壞的柔性脫葉元件取下。

設計中，為了減少脫離過程中艾葉的破損，采用了聚氨酯材料制作回轉輥上的脫葉元件，使得其具有一定的撓性，相比于剛性元件而言，使用撓性元件在脫葉時艾草纏繞在脫葉輥的概率大大減小[6]，同時對艾葉的損傷也會降低[4]。

2 工作原理

在脫葉機箱中，由輸送輥、回轉脫、葉輥、剮蹭脫葉輥的協同工作完成將艾稈上艾葉的分離，脫葉力由剮蹭脫葉輥和回轉脫葉輥產生。開始脫葉時，艾草被放置在傳送帶上，帶動艾草向右移動，傳送帶右端連接在進料口處的輸送輥上，艾草被輸送至脫葉機箱進料口后，輸送輥夾持艾草前進，見圖4，艾草從剮蹭棒間的各個間隙中穿過，艾草被分成多個排列整齊的部分，即剮蹭棒對艾草的梳理作用，減少了艾草的纏繞現象，使得脫葉元件能接觸到更多的艾葉，繼而提高脫葉率。艾草在機器中行進時，首先受到回轉脫葉輥上擊打元件的沿回轉圓周切線方向的擊打力作用，使得脫葉機中艾草的上下表面部分艾葉脫離，與此同時在柔性元件兩側，擊打力作用不到的位置，艾草還受到柔性元件產生的擠壓力作用，迫使艾草向前進方向兩側移動，因而圓柱剮蹭棒與艾草發生擠壓，艾草貼緊剮蹭棒，此時艾草因受夾持力向前運動，剮蹭棒與艾草間存在速度差，剮蹭棒便產生阻礙艾草前進的力。見圖5。力在艾草莖葉連接處產生剪應力，艾葉葉柄折斷，此剪應力可作用于剮蹭棒的整個側面，而對堆疊的艾草而言，其側面為常規回轉脫葉機難以作用到的區域，本機構中的剮蹭棒則有效地解決了這一問題。艾草完成脫葉后艾稈從右側出口離開，艾葉從下方漏斗狀出口離開（見圖4）。脫葉的同時完成了艾葉和艾稈的分離。由上述可知本脫葉機的脫葉力由剮蹭脫葉輥和回轉脫葉輥產生，相對傳統回轉脫葉方式而言，本脫葉機脫葉力不但作用于脫葉機中的艾草上下表面，還可深入作用于于艾草側面并降低艾草在脫葉過程中的纏繞現象，整體的脫葉效果得到了提高。

圖4 脫葉過程圖Fig.5 The defoliation process diagram

圖5 受力分析圖Fig.7 The force analysis diagram

3 結論與討論

文章設計的艾草脫葉裝置具有以下特點：回轉脫葉輥和剮蹭脫葉輥配合工作，減小了脫葉作用盲區，提高了脫葉效率；回裝脫葉輥上柔性脫葉元件的使用，減少了脫葉過程中可能造成的艾葉的破損；雙電機分別控制脫葉輥和輸送輥使得輸送速度和脫葉輥轉速可調，方便為不同特性的艾草設置不同的電機轉速，適應性得以提高。

本脫葉裝置結合使用了回轉脫葉輥與剮蹭脫葉輥，彌補了目前回轉脫葉裝置對堆疊、纏繞的艾草脫葉能力不足導致脫葉率低的缺陷，艾草脫葉過程中被脫葉作用部分的面積得以提高，使得艾草在一次行程中，脫葉效率得到提高，但本裝置在對艾草柔軟梢部艾葉的脫離方面稍顯不足，未來嘗試在機構中加入拉拔裝置進行研究[7]。此外，由于植物的共有特性，本裝置除可用于艾草的加工外，還可用于其他有葉柄類植物的脫葉加工。