0 引言

 

香蕉属芭蕉科(Musaceae)芭蕉属(Musa)，是一种著名的热带和亚热带水果，全球年产量约 1 亿 t，为世界“四大水果”之一。我国是世界香蕉生产的主要国家之一，而海南省是我国香蕉的主产地之一。香蕉作为热带作物，具有速生和生物量高的特点，每年在香蕉盛产的同时也产生几乎等量的香蕉副产品。香蕉在栽种过程中最大难题是对大量香蕉蕉茎和根部球茎的有效处理，目前普遍的处理方法是在收获香蕉后采用人工砍伐和挖掘，将香蕉秸秆搬到田间地头堆放或运走进行焚烧。该方法劳动强度高、耗费大量的人力，会影响下茬作物的种植;占用土地面积大，耕地的利用率低，自然腐烂的物料会污染环境，加剧病虫害的滋生和传播，降低植株的抗病虫害能力，不利于香蕉的优质种植。

经机器加工后的脱水香蕉秸秆可转变为新型能源，用作养殖饲料、生产食用菌的基料以及工业原料。脱水香蕉秸秆处理的工作量非常之大，而目前国内尚无标准化、系统化的脱水香蕉秸秆破碎系统。为此，设计了一种基于 PLC 控制系统驱动的脱水香蕉秸秆破碎机，可大大提高脱水香蕉秸秆的破碎效率，节省人力，能实现环保要求，充分利用剩余资源，提高经济效益。

 

1 工作原理

 

1． 1 总体设计思路

完整粉碎过程分为上料、扭转、破碎、卸料 4 个部分。脱水香蕉秸秆破碎机工作顺序示意图如图 1 所示。上料和卸料部分由工业机械手完成。首先，人工将脱水香蕉秸秆置于置料板上;然后，机械手先会从右方将置料板上的香蕉秸秆夹持起来并升高，与此同时破碎机的转筒机构开始工作，机械手水平方向逆时针旋转60°至转筒上方后，再将物料竖直放入转筒;其次，由快速旋转的转筒机构将香蕉秸秆进行扭转变形;再次，由下方高速旋转的刀具对香蕉秸秆进行彻底破碎;最后，破碎后的秸秆颗粒通被收集在收集箱内，由机械手夹持并水平逆时针旋转 60°至固定位置。整个工作流程可接入工业流水线，也可单独进行香蕉秸秆的破碎处理。

全破碎过程由 PLC 控制系统驱动，实现可调节自动控制运行，基本解放劳动力，很大程度上提高破碎效率。

 

1． 2 上料装置和卸料装置

由于上料工序和卸料工序为重复性工作，工作量相当大，故选择可实现自动控制的工业机械手代为工作。这里采用四自由度机械手，其结构示意图如图2 所示。机械手的初始位置如图 1 所示。进料的动作顺序为:机械手手臂下降→夹紧秸秆→上升→转盘绕水平方向逆时针旋转60°→机械手腕竖直方向顺时针旋转60°→松开秸秆。破碎好的秸秆颗粒落入收集箱后，由机械手将收集箱夹持至预设的卸料位置。卸料的动作顺序为:下降→夹紧收集箱→转盘水平方向逆时针旋转60°→松开收集箱。机械手的伸缩、升降、旋转和手爪的运动都是由步进电机来驱动，全部工作过程由 PLC 程序控制实现。

 

1． 3 转筒机构的设计

转筒的内壁上分布有两条按节距递减双螺旋线分布的凸起，如图 3 所示。在转筒快速旋转时，内壁上的凸起对从进料口进入的物料有向下的摩擦力和递增的向心力，是做相对物料的变加速螺旋运动。在合力用下，转筒中的秸秆被扭转在一起，使单位空间内秸秆的密度提高，单位时间内刀具的破碎效率有很大提升。

 

1． 4 破碎装置的设计

破碎装置结构示意图如图 4 所示。破碎装置的基本工作原理是:首先，机械手将脱水香蕉秸秆放入进料口后，在重力作用下秸秆进入快速转动的转筒中，并在转筒内壁凸起的作用下被扭转的同时继续向下运动;然后，从转筒下端露出的秸秆被高速旋转的刀具旋切和击碎，破碎后的颗粒经卸料滑道落入到收集箱中，以待机械手夹持。

转筒和刀具的转动均由由电动机驱动。经过斜齿轮传动和皮带传动的刀具与经过斜齿轮传动和减速器减速的转筒转向相反，增加了刀具的旋切和击碎效果。通过调整刀具转速，可以得到不同等级要求的破碎粒度。

 

1． 5 刀具的设计

刀具设置在转筒出口的位置如图 4 所示。为了达到理想的破碎效果，本设计中刀具的旋切方向是沿秸秆运动轨迹的法线方向，且刀片尽量与秸秆垂直撞击，使刀具对秸秆达到最大的剪切和打击作用。在刀具和秸秆的相向转速叠加作用下，刀具对秸秆可以达到更好的破碎效果。由于刀具有较高的旋转速度，为防止刀具在作业时因扭矩过大而损坏，刀片与刀座间用铰接方式联接。由于刀具的形状、材料、排列与数量等对机具的粉碎效果及振动密切相关，直接影响秸秆粉碎的效果［5］，故对刀具的刚度、韧性、耐磨性和外形都具有一定要求。因此，设计了一款组合式三叶螺旋式刀具，可基本达到所要求的作用效果。单叶刀具结构示意图如图 5 所示。根据理论力学的碰撞冲量对绕定轴转动刚体的作用及撞击中心理论，应使刀具的主要工作刃口与刀片撞击中心重合，即满足

D = Jz /Ma

式中 D —撞击中心至转轴的长度(mm);

Jz —转动刚体对转轴的转动惯量(kg·m2);

M —转动刚体的质量(kg);

a —转动刚体质心至转轴的长度(mm)。

 

2 软件设计

2． 1 PLC 控制系统程序设计及 I /O 接线

PLC 是以微处理器为基础，在传统的继电器控制技术基础上，综合了计算机技术、半导体集成技术、自动控制技术、数字技术和通信网络技术而发展起来的新型控制器，用作数字控制的专用计算机。其由用户编写程序进行逻辑控制、定时、计算和算术运算等，再通过数字量和模拟量的输入/输出(I/O)来控制各种生产过程。PLC 还具有以下特点:①可靠性高，抗干扰性强;②应用灵活，编辑方便;③功能完善，实用性强;④易于安装、调试、维修;⑤体积小、质量效应、耗能低。本设计采用三菱公司生产的 FX2NX 系列中的 FX2N －32M 型，该系列的 PLC 具有容量大、运行速度快、指令功能完善等特点，可满足所需要求。

在工业生产过程控制中，大部分控制系统可分为过程控制和顺序控制两类。本设计采用顺序控制，并通过辅助继电器 M200 － M217 来控制。收集箱处设有重力检测装置压力继电器，当收集箱内的秸秆颗粒达到一次搬运所需的质量时，M210 置为 1，收集箱被取走后 M210 被重置为0。本 PLC 控制程序的顺序功能图如图6 所示，中心的梯形图如图7 所示，I/O 分配表如表1 所示。

 

3 结语

1) 本设计中的脱水香蕉秸秆破碎机结合了 PLC程序控制设计，可实现可调节颗粒等级的自动化运行，极大地提高了破碎效率和节省了劳动力。

2) 本破碎机既可单独运用于大量的香蕉秸秆处理作业，实现稳定可靠的秸秆破碎自动化作业，还可嵌入到工业流水线的生产当中，灵活多用。

3) 经本机器处理的秸秆可用于新型能源、养殖饲料、工业原料及作为生产食用菌的基料等，实现节能环保，充分利用农业剩余资源，提高了经济效益。

参考文献（略）