艾草脱叶机研发进展及思考_顾满.pdf

新疆农机化2023 年第 1 期通讯作者：刘志刚修回日期：2022-10-27基金项目：2021年河南省科技攻关计划项目（212102210372）；南阳市科技计划项目：艾草脱叶关键技术研究及设备研制（KJGG050）doi:10.13620/ki.issn1007-7782.2023.01.004中图分类号:S225.99文献标识码：A0引言艾草的种植与应用在我国具有悠久的历史，广泛分布于湖北、河南、河北等地，由于其特有的功效，在医药、饮食、民宿和养生等领域得到广泛的应用1-2。艾草作为我国的传统中药，其使用可追溯至2000年以前，自2020年新冠疫情爆发以来，艾烟作为“消毒剂”，发挥了一定的作用3-4。除此之外，随着对艾草研究的深入，其在饲用、家纺等方面的价值也被挖掘出来，如可作为改善动物肉质的饲料添加剂、天然的植物染料或制成艾绒被等5-10。艾叶的使用需求和种植规模在近几年迅速增长，在我国种植总面积已超过5万hm211。艾草脱叶是艾草机械化生产的核心环节。目前艾草脱叶的方式有人工脱叶和机械脱叶。人工脱叶效率低、成本高；机械脱叶生产效率高，且可极大降低人工劳动强度，艾草脱叶虽然可通过部分茎秆类作物脱叶机械实现，但其生产效率和作业质量难以保证，因此发展艾草脱叶机械是艾草行业发展急需解决的问题。为此，总结现有的艾草脱叶机械，阐明艾草脱叶机构主要技术原理，归纳各类型机具的特点，及时把握其发展动态对提高生产率和发展艾草行业具有重要意义。1艾草脱叶机的作业要求根据机械化艾草脱叶的作业要求，完整的艾草脱叶机作业环节应包括：输送、茎叶分离和艾叶收集。其中艾草输送机构是带动艾草传送到脱叶机内部，为茎叶分离提供位置条件，其作业效果对艾草脱叶机的作业效率产生影响；茎叶分离是艾草脱叶机的核心环节，其作业质量直接影响到艾草脱叶质量；收集机构则是完成分离后的艾草及艾茎的收集。由于艾草艾叶数量多、艾叶韧性大，因此在茎叶分离过程中易发生茎叶分离不彻底、艾叶缠绕壅堵、含杂率高等现象。针对上述情况，茎叶分离机构应满足如下技术要求。1.1分离率高根据艾草是否整秆状态下完成脱叶，可将艾草脱叶机分为切断式和整秆式。切断式脱叶机是利用切断机构先将整株的艾草分割为长度相近的短秆，再由茎叶分离机构对文章编号：1007-7782（2023）01-0014-04艾草脱叶机研发进展及思考顾 满1,2，冯佩佩1,2，常少帅1，刘志刚1,2，陈 飞1，邓 瑞2（1.河南工业职业技术学院机械工程学院，河南 南阳 473000；2.柔性制造河南省工程实验室）摘 要：艾草在我国种植区域广、种植历史悠久。由于艾叶在医疗、饮食等领域的特有功效，近年来，艾草的种植规模逐年增加；艾草手工脱叶劳动强度大、效率低，已不能满足生产要求。机械化艾草脱叶逐渐成为目前艾草脱业的主要方式。本文阐述了艾草脱叶机的作业要求、艾草脱叶机的主要类型，分析其特点，为艾草脱业机及艾草产业发展提供参考借鉴。关键词：艾草；脱叶；发展Development progress and thinking of argyi leafremoving machineGu Man1,2,Feng Peipei1,2,Chang Shaoshuai1,Liu Zhigang1,2,Chen Fei1,Deng Rui2（1.College of Mechanical Engineering,Henan Industrial Vocational and Technology college,Nanyang 473000,Henan,China;2.HenanEngineering Center of Flexible Manufacturing)Abstract:Argyi is widely planted in China and has a long history of planting.Due to its special effects in the field of medicaltreatment,diet and others,the planting scale of argyi increased gradually in recent years.Manual defoliation of argyis leaf-re-moving has high strength and low efficiency,which can not meet the production requirement,mechanized leaf-removing ofargyi has gradually become the main way.In this paper,the operation requirements and main types of argyi leaf-removing ma-chine were summarized.In the hope of the results could provide reference for the development of argyi leaf-removing machineand the industry ofargyi.Key words:Argyi;Leaf removing;Development 开发研究 14新疆农机化2023 年第 1 期其完成脱叶，最后由筛分机构完成艾叶与碎秆分离；整秆式脱叶机则是将整株艾草喂入，由脱叶机构将艾叶从茎秆上分离。其中切断式脱叶增加了额外的茎秆切断机构，对其切断效果提出了更高的要求，且切断后碎秆与艾叶分离难度大，有一定的局限性。整秆式脱叶在空间上不破坏艾草整株形态，利用机械结构直接将艾叶从茎秆分离，避免了艾草和茎秆的混合，因此分离率更高、分离效果更好。1.2缠绕率低在艾草茎叶分离过程中由于脱叶部件的运动吸附，有部分艾叶会缠绕或夹持在脱叶部件上的可能，并且分离后的艾叶易落入机具间隙，造成缠绕壅堵，影响机具运行和作业效率。此时就要求脱叶元件有合理的运行轨迹，尽可能光滑，配以合适的作业角度，能够有效避免分离后的艾叶与脱叶部件发生缠绕。1.3效率高若脱叶元件运行速度过低，则茎叶分离不彻底；若脱叶元件运行速度过高，又会导致功率浪费和艾叶破损壅堵等现象。因此，当脱叶元件作业速度与艾草输送速度相适应时艾草脱叶效率最高，设计时应合理控制脱叶元件的尺寸和运行参数，以期达到最高的脱叶效率。2艾草脱叶机的主要类型及特点艾草的种植以我国为主，东亚、东南亚其他地区种植规模小，艾草脱叶机具未见相关研究及报道。我国艾草脱叶机械的研发以高校和科研单位为主。部分艾草加工企业和个体研发出具有一定效果的脱叶机械12-15，但存在作业效率低、脱叶不彻底的缺点，艾草脱叶机根据其部件形式的不同可分为剪切打击式和夹持输送式两种。2.1剪切打击式脱叶机江西农业大学赖曲芳等设计的剪切击打混合式艾草脱叶机16（图1）由输送带、传动机构、脱叶箱、电机和机架组成。由传送带与脱叶箱中输送辊完成艾草输送，在此过程中脱叶辊完成艾叶的脱离，脱离后的艾叶依靠自重下落完成收集。图1剪切击打混合式艾草脱叶机结构1.电动机2.传送带3.艾草入口4.传动机构5.脱叶机箱为增加脱叶辊与艾草的接触，提高脱叶效率，设计出一种柔性脱叶辊，在脱叶辊轴两端安装弹簧，使得艾草在经过脱叶辊时，棒状结构能带动脱叶辊转动一个角度，提高了艾草的通过性，加强了脱叶效率。图2柔性脱叶辊作业原理1.输送辊2.脱叶辊3.弹簧4.脱叶棒5.柔性脱叶辊6.回转脱叶辊湖北工业大学孙少男等人设计的双速艾草脱叶机17-18（图3）减少了输送带，直接由人工喂入整株艾草，对脱叶部件进行了设计优化，设计了柔性拉簧脱叶元件，提高了脱叶效率，降低了含杂率，并通过正交试验得到了输送辊和脱叶辊的最佳匹配转速与柔性脱叶元件的最佳安装角度之间的关系。图3双速艾草脱叶机示意剪切打击式艾草脱叶机结构简单，其工作原理为通过脱叶辊伸出的棒状结构的圆周线速度与艾草的输送速度差产生的剪切力，与每组脱叶辊的挤压力产生混合作用完成艾叶的脱离。通过配置输送辊和脱叶辊的不同转速，提高了机具的适应性，且通过设置柔性脱叶元件一定程度上避免了艾叶的损伤。但对艾草放入的角度、喂入量要求较高，当艾草喂入量过大时，对表面艾草脱叶效果更好，侧面脱叶效果差，需重复喂入多次以提高脱叶率，一定程度上影响了作业效率。中国农业大学王光辉团队设计的旋转打击式艾草脱叶机19（图4）由机架、送料板和脱叶滚筒组成。工作时由人工喂入艾草，脱叶滚筒旋转，梳状结构旋转并打击艾叶，完成脱叶。脱叶后茎叶混合物共同由输送带输送至分离收集机构，分离机构由平行排列且具有间隙的输送辊组成，在输送过程中艾叶漏下，完成收集。12345123456进料方向 开发研究 15新疆农机化2023 年第 1 期图4旋转打击式艾草脱叶机1.支架2.电机3.传动带4.凹版罩5.脱叶滚筒6.转轴7.送料平台8.外壳2.2夹持输送式艾草脱叶机华中农业大学周阳等设计出一种夹持输送式艾草脱叶机 20（图5），采用双排链式输送机构夹紧艾草中部并输送。在输送过程中，脱叶辊高速旋转完成艾草上部的脱叶，当艾草被输送到拉茎辊位置时，拉茎辊拉出艾草，由导轨的阻隔完成下部艾叶的脱叶。图5夹持输送式艾草脱叶机1.双排夹持输送链2.变速器3.电动机4.托架5.喂入板6.夹紧装置7.机架8.下脱叶滚筒9.下压茎秆10.上脱叶滚筒11.上压茎秆12.拉茎辊夹持输送式脱叶机采用剪切打击原理完成艾草上梢部脱叶，并通过模拟人手在逆向脱叶过程中拉出艾草，完成整株艾草脱叶。其脱叶效果好，单株艾草脱叶率高，收集到的艾草含杂率低。但由于夹持输送链能力有限，艾草单次喂入量需严格控制在35株内，制约了工作效率。3存在问题3.1工作部件缠绕壅堵艾草脱叶机的茎叶分离机构多含有打击式的棒状结构，通过其高速旋转对艾草进行击打完成脱叶。当喂入量过多或艾叶层叠、叶片较大的时候，艾叶易缠绕发生壅堵，影响作业效果。此外，艾草脱叶机缺少独立的艾叶收集机构，脱叶后艾草多依靠自重掉落，人工清理不及时也会造成壅堵。3.2可靠性差艾草脱叶机在作业时都需通过脱叶辊高速旋转完成脱叶，因此其磨损量大、故障率高。剪切击打式脱叶机脱叶元件对艾草梢部艾叶作业效果差，其柔性脱叶元件含有弹簧，长时间工作后弹性会下降，需频繁维护、更换；夹持输送式脱叶机由于采用链式传输机构，在负载过大时链传动也易失效，影响了作业的连续性和加工效率。3.3缺少专用的收集机构艾草脱叶机在完成脱叶后，分离后的艾叶依靠自重下落，由人工收集，脱叶后艾茎则由输送机构输送到另一侧，缺少艾草、艾茎的专用收集机构，需人工清理收集。一定程度上降低了工作效率和艾草脱叶机的机械化程度。3.4缺少龙头产业艾草产业机械化加工研究投入少，技术匮乏，龙头企业尚未建成。4发展思考4.1设置自动化喂入装置两种形式的艾草脱叶机的艾草喂入均由人工完成，降低了作业效率。在艾草喂入量大，喂入艾草重叠时会导致壅堵或脱叶不彻底。因此，可考虑设计艾草自动均匀喂入装置，以提高艾草脱叶机作业效率。4.2采用复合材料由于脱叶过程伴随艾叶的破损，造成营养成分流失，因此要求艾草脱叶机主要机构在保证刚度的同时尽可能减少对艾叶的破坏。脱叶元件材料一般都是铁制品，其刚度大、价格低，但耐腐蚀性较差，而且容易氧化。可考虑引入复合材料作为输送和脱叶元件的主要材料，提高机具主要机构的耐腐蚀性能及工作可靠性。4.3提高自动化程度艾草脱叶机在作业时，其输送、脱叶等主要机构的作业参数对脱叶效果会产生显著影响，不同大小的植株适应性也不同，可考虑增加自动化调整装置，实现脱叶辊转速、位置调节，以提高机具适应性。5结语目前，针对艾草脱叶机的研究较缺乏，当前研究的重点多集中在提高艾草脱叶效果上，针对机具作业效率和适应性的研究较少。茎叶分离机构是艾草机械化脱叶的核心机构，目前主要的形式是通过脱叶辊旋转脱叶以及通过机械结构逆向拉出茎秆，阻挡艾叶完成脱叶。艾草机械化脱叶对艾产业的发展以及促进农民增收、降低劳动强度