液压控制系统下的香蕉秸秆切片机研发

　　引言

　　香蕉属芭蕉科植物，属多年生宿根草本植物。植株结果后枯死形成秸秆，香蕉秸秆富含大量的有机质、氮、磷、钾和微量元素，是良好的有机肥料。我国香蕉种植面积 35． 3 万 hm2左右，海南香蕉种植总面积近 4． 7 万 hm2，由此产生了大量的秸秆废弃物。目前，我国香蕉秸秆主要被作为农业废弃物直接回田或者用人工搬运到路边的田埂使其自然腐烂，未能得到合理、有效的利用，这些地方成为了香蕉病虫害的繁殖场和传播源，进而增加植保投入成本。目前研究的较成熟切片机有滑切型莲藕切片机、鼓式削片机等，而对香蕉秸秆还没有一套较为完善的切片机系统。为此，主要介绍了一种利用上下错位的偏置刀盘对香蕉秸秆进行的高效率、高质量切片的方法，并配合高压气体辅助吹扫。同时，通过液压系统对香蕉秸秆投送到切片的全过程实现自动控制，能较好、精确地控制香蕉秸秆切片机完成预期的采摘作业。

　　1 切片方法及原理

　　1． 1 切片方法

　　目前，国内外主要研究的切片机基本类型有 5种，按其结构可分为: 摇动式切片机、轮转式切片机、滑动式切片机、推动式切片机、冰冻式切片机。它们在各个领域皆有较为成熟、完善的应用，而针对目前国内尚无一套完善的、标准的、系统化的香蕉秸秆切片机系统的现状，笔者设计了一种新型的香蕉秸秆切片机。该机采用上下偏置刀盘高速交替旋转并以高压空气辅助吹扫杂质残留物从而切片的方法，在香蕉秸秆的各种加工预处理工艺中，主要进行香蕉秸秆切片的加工处理。

　　1． 2 切片原理
　　
　　工作时，首先用高压空气把切削室部分吹扫干净; 之后，香蕉秸秆从上方进入到切削室; 当传感器感应到香蕉秸秆时，液压系统控制刀盘开始旋转; 随着切削刀盘的高速旋转进行切削，所切削的秸秆在切削室内由切削刀盘上的风叶所产生的高速气流送出。

　　由于切削室由两个偏置刀盘进行同时错位高速旋转，当上部的刀盘进行切削时，下部的刀盘收回; 当被切片的香蕉秸秆由于高速气流被送出后，由于自身重力下落触碰到下部的刀盘，这时上部刀盘收回，下部刀盘进行切削。由此周而复始地进行香蕉秸秆切片，既提高了切片效率，也降低了工人劳动强度。

　　切片期间，高压空气罐里的空气通过连接到切削室的吹扫管道不断地把残留在刀盘上的残留物和一些杂质吹扫除掉，并且因为香蕉秸秆含有少量水分，从而保持了刀具的干净锋利和不易被腐蚀。被切片的香蕉秸秆会落入到下方的收集箱内，进而保证了操作空间的干净整洁。
　　
　　2 香蕉秸秆切片机的结构

　　2． 1 基本结构

　　香蕉秸秆切片机的结构简图如图 1 所示。【图1】

　　
　　2． 2 压力传感器

　　压力传感器装在喂料口靠近上部刀盘处，可以检测有无秸秆投入，进而反馈给控制系统，自动启动、关闭刀盘的旋转。

　　传感器也称变换器，是将非电量等按一定规律转换成便于测量、传输和控制的电量或另一种非电量的元器件或装置。它是由转换原件、信号调理、敏感元件和转换电路组成的，如图 2 所示。【图2】

　　
　　图 2 压力传感器的组成本机械装置采用电桥构成测量电压式压力传感器，是一种具有较高灵敏度的测量方式。压差为零时，电桥的两臂相等。差压信号加到 4 个压敏电阻上时，压敏电阻的阻值随差压变化而变化，因此引起电桥失衡。由于电桥失衡引起电流变化，通过运放LM2904 进行电流放大，而后在后面接 ADC0834 模数转换芯片，进而把模拟信号转化为数字信号，最后传输至 CPU 进行处理。其电路接线图如图 3 所示。【图3】

　　
　　3 自动切片过程及控制系统

　　3． 1 自动切片的工作过程

　　首先香蕉秸秆切片机开关开启之后，高压空气也随之开启，清扫切削室及刀盘刀具; 当感应器感应到从喂料口进入的香蕉秸秆后，由液压马达连接轴承和刀盘提供转矩使刀盘高速旋转; 由于上下两刀盘进行错位运动，当香蕉秸秆触碰到上部刀盘时，被切削下的香蕉秸秆由切削刀盘上的风叶所产生的高速气流所送出，这时的下部刀盘收回; 随后上部刀盘收回，香蕉秸秆由于自身重力落下触碰到下部刀盘时重复上步动作，直到一整根秸秆的切削动作结束完成 1 次自动切片过程，如图 4 所示。这样的自动切片过程很好地达到了香蕉秸秆切片的要求，是一种质量、效率都较高的可行方案。【图4】

　　
　　3． 2 液压控制系统的结构原理图

　　切片机的液压控制系统图如图 5 所示。【图5】

　　
　　液压泵在电动机的带动下旋转，油液由油箱经过滤器被吸入液压泵，由液压泵输入的压力油通过手动换向阀、节流阀、换向阀进入液压马达的高压侧油缸，致使油缸容积逐渐增大，柱塞被顶出压在斜盘上产生转矩，而位于低压侧的油缸容积逐渐减小，油液经换向阀排回油箱。液压马达的旋转速度由节流阀来调节: 当节流阀开大时，进入液压马达高压侧油缸的油液增多，液压马达的旋转速度增大; 当节流阀关小时，进入液压马达高压侧油缸的油液减少，液压马达的旋转速度减小。液压泵输出的压力油除了进入节流阀以外，其余的打开溢流阀流回油箱。

　　3． 2． 1 液压控制系统中液压马达的结构原理

　　轴向柱塞式高速液压马达的工作原理结构图如图 6 所示。【图6】

　　
　　液压马达是将液压能转换为机械能的一种装置，靠密封容积的变化来实现连续的旋转运动。为了实现切片机刀盘的高速旋转运动，液压马达的选择将采用轴向柱塞式高速液压马达。当压力油输入液压马达时，处于压力腔的柱塞被顶出，柱塞在压力油作用下外伸，紧贴斜盘，斜盘对柱塞产生一个法向反力p; 此力可分解为轴向分力 Q1和垂直分力 Q2。轴向分力 Q1和作用在柱塞后端的液压力相平衡; 而垂直分力 Q2则使柱塞对缸体产生一个转矩，带动马达轴逆时针方向旋转。由于柱塞的瞬时方位角呈现周期性变化，所以液压马达总的输出扭矩也呈现周期性变化，导致轴向柱塞式液压马达产生的瞬时总转矩总是脉动的。当液压马达的输入、输出油口互换时，马达将反向旋转; 当改变马达斜盘倾角 γ 时，马达的排量也随之改变，进而可以调节输出转速或转矩。

　　4 结语

　　基于海南香蕉秸秆重复再利用的需求，进行了一种新型自动切片机的设计，着重介绍了香蕉秸秆的切片原理、主要结构和液压控制系统的设计。本文设计的香蕉秸秆切片机能降低工人劳动强度、提高工人劳动舒适性及切片效率，实现秸秆废弃物的再利用。由于结合了机械切片和高压气体辅助切片，可以达到更好的切片效果，为后续的香蕉秸秆加工提供足够的原材料，使香蕉种植产业的成本降低进而获得更高的经济效益，减轻因香蕉秸秆处理不当所造成的废物和废气对人体的危害、提高资源再回收利用率、增加果农收益，从而达到低碳环保、可持续发展的要求。

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