苎麻剥制机械研究现状与发展趋势

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2024年第46卷第1期 中国麻业科学 PLANTFIBERSCIENCESINCHINA

文章编号:1671-3532(2024)01-0047-13

苎麻剥制机械研究现状与发展趋势

郑文龙ꎬ马兰∗ꎬ刘佳杰ꎬ向伟ꎬ颜波ꎬ段益平ꎬ吕江南∗

(中国农业科学院麻类研究所ꎬ湖南长沙410221)

摘 要:苎麻是中国特色纤维作物ꎬ对其茎秆进行剥制是获取苎麻纤维材料的必要环节ꎬ开展

苎麻剥制机械研究对该产业发展具有重要意义ꎮ文章在综述苎麻茎秆力学性能研究现状的基础

上ꎬ分析了国外早期剥麻机存在的剥麻质量与效率不高的问题ꎬ介绍了我国现有剥麻机械的技术

优势与问题ꎬ总结了麻类作物剥麻机械仿真模拟及智能机具的研发现状ꎮ研究认为ꎬ苎麻剥制机

具研究还处于发展阶段ꎬ自动化、智能化、数据化是其未来研究发展方向ꎮ

关键词:苎麻纤维ꎻ力学性能ꎻ剥麻机ꎻ仿真分析

中图分类号:S226.7+2 文献标识码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID): 

收稿日期:2023-09-15基金项目:湖南省自然科学基金面上项目(2019JJ40333)ꎻ财政部和农业农村部:国家麻类产业技术体系建设专项(CARS-16)ꎻ中国农业科学院科技创新工程(CAAS-ASTIP-IBFC)作者简介:郑文龙(1999—)ꎬ男ꎬ硕士研究生ꎬ主要从事农业机械创新设计研究ꎮE-mail:82101225593@caas.cn∗通信作者:马兰(1977—)ꎬ女ꎬ博士ꎬ副研究员ꎬ主要从事农业机械化工程研究ꎮE-mail:malan@caas.cnꎻ吕江南(1964—)ꎬ男ꎬ研

究员ꎬ主要从事麻类剥制加工机械及麻产品加工技术研究ꎮE-mail:yjljn@sina.comResearchStatusandDevelopmentTrendof

RamieDecorticator

ZHENGWenlongꎬMALan∗ꎬLIUJiajieꎬXIANGWeiꎬYANBoꎬDUANYipingꎬLYUJiangnan∗

(InstituteofBastFiberCropsꎬChineseAcademyofAgriculturalSciencesꎬChangsha410221ꎬHunanꎬChina)

Abstract:RamieisafibercropwithChinesecharacteristicsꎬanddecorticatingramiestemisneces ̄

sarytoobtainramiefibermaterials.Theresearchoframiedecorticatingmachineryisofgreatsignificance

tothedevelopmentoframieindustry.Basedonanextensivereviewofthemechanicalpropertiesoframie

stalksꎬthispaperelucidatedhistoricalissuesaboutthequalityandefficiencyofearlyforeignramiedecor ̄

ticatorꎬandintroducedthetechnicaladvantagesandproblemsoftheramiedecorticatorsexistedinChinaꎬ

andsummarizedthecurrentsituationofmechanicalsimulationandintelligentmachines.Ingeneralꎬthe

researchoframiedecorticatorstillfacesmanychallengesinthedevelopmentstageꎬandwilldevelopto

thedirectionofautomationꎬintelligenceanddatamationforfutureresearchanddevelopment.

Keywords:ramiefiberꎻmechanicalpropertiesꎻramiedecorticatorꎻsimulationanalysis

苎麻(BoehmerianiveaL.)ꎬ又称“中国草”ꎬ是一种源自中国的重要纤维植物[1]ꎬ苎麻纤维因其

较好的强度、耐久性、良好的吸湿性和透气性能ꎬ在纺织、服装、家居用品和工业材料等领域具有广

泛的应用前景ꎮ对其茎秆进行剥制是获取苎麻纤维材料的必要环节ꎬ然而苎麻的高效剥制仍然是

一个极具挑战性的问题ꎮ传统的剥麻方法通常依赖于手工操作ꎬ劳动强度大且效率低ꎮ随着人口

老龄化等问题的出现ꎬ劳动力短缺已成为限制苎麻纤维产业发展的重要因素之一[2]ꎮ针对产业发

展问题ꎬ研究人员相继研究出了多种类型的苎麻纤维剥制机械ꎬ在保证苎麻剥制质量基础上提高74苎麻纤维的剥离效率[3]ꎬ促进了苎麻产业机械化发展ꎮ已有的苎麻剥制机械设备利用先进的工程

原理和创新的剥离技术ꎬ为苎麻纤维机械化创新提供了新的突破点ꎬ但也存在着许多问题ꎮ因此ꎬ

本文在阐述与剥制作业有关的苎麻茎秆力学性能研究状况的基础上ꎬ梳理国内外苎麻机械的发展

和研究过程ꎬ分析仿真技术在苎麻剥制机械中的应用ꎬ展望苎麻剥制机械发展趋势ꎬ探讨先进的参

数优化方法在苎麻剥制机械优化创新中运用的可能性ꎬ旨在为苎麻剥制机械的研发提供重要

参考ꎮ

1 苎麻茎秆力学性能研究现状

苎麻茎秆呈圆柱形ꎬ其直径在不同生长阶段会发生变化ꎮ成熟的苎麻茎秆直径一般在8~12mmꎬ较细长柔软ꎬ表面光滑ꎬ并具有一定的韧性ꎮ

苎麻茎秆由外至内依次由表皮层、韧皮部、木质部和髓部组成ꎬ不同的组织层在力学性质上具

有明显的差异ꎮ为了简化分析和研究ꎬ可以将苎麻茎秆看作由韧皮部和木质部构成的空心圆柱体

结构[4]ꎮ

为了更好地设计苎麻纤维剥制加工机械ꎬ学者对苎麻茎秆、木质部和韧皮部的物理特性和力

学特性进行了深入研究[5]ꎮ苏工兵等[6]对苎麻茎秆的力学特性进行了细致分析ꎬ结果显示ꎬ苎麻

茎秆的木质部与韧皮部在力学性能上存在明显差异ꎬ研究结果对于深入理解苎麻茎秆的结构与性

能关系具有重要意义ꎬ并为进一步研究苎麻茎秆以及开发苎麻剥制部件提供了理论依据ꎮ

刘兆朋等[7]使用成熟期苎麻底部茎秆作为材料ꎬ通过复合材料微观力学研究方法ꎬ确定了苎

麻茎秆的拉伸弹性模量、压缩弹性模量、同性面松柏比以及异性面松柏比ꎬ有助于全面了解苎麻茎

秆的力学特性ꎬ为苎麻茎秆的剥制部件设计提供了重要的参考依据ꎮ

沈成等[8]采用力学万能实验机ꎬ对苎麻木质部和茎秆整体进行了轴向压缩力学特性的研究ꎬ

确定了中苎一号苎麻木质部的各项力学性能数据ꎬ为进一步了解苎麻木质部和茎秆的力学特性提

供了重要的试验数据ꎮ

王加跃等[9]利用自制夹具在力学万能实验机上对苎麻韧皮部进行撕裂试验ꎬ探究了撕裂角

度、撕裂部位和撕裂方式对苎麻韧皮纤维与麻骨间撕裂力的影响ꎬ结果显示ꎬ随着撕裂角度逐渐增

大ꎬ苎麻韧皮纤维与麻骨间的撕裂力逐渐减小ꎻ相比于单侧反向撕裂ꎬ同一试样双侧反向撕裂的撕

裂力约为前者的两倍ꎻ不同部位的韧皮纤维在撕裂力方面存在约17%的变化幅度ꎬ撕裂节点在韧

皮部时的撕裂力会显著增大ꎮ

徐鑫等[4]对苎麻茎秆、木质部和韧皮部进行了力学性能测试ꎮ木质部和韧皮部展现了各自独

特的力学性能参数ꎬ其中拉伸弹性模量、压缩弹性模量和剪切模量在不同部位呈现差异ꎬ同异性面

泊松比反映了不同平面上的形变关系ꎮ这些结果提供了苎麻茎秆及其组成部分在不同加载条件

下的力学行为的定量描述ꎬ为苎麻材料的工程应用和优化设计提供了重要的参考依据ꎮNtenga等[10]采用不同方法进行麻类纤维力学性能评价ꎬ选取320根红麻纤维在4个速度水

平、2个纤维水平和3个温度水平下进行试验ꎬ测得杨氏模量、拉伸强度和应力应变数据ꎬ使用威布

尔和蒙特卡罗统计方法估计数据的分散度ꎮ结果表明ꎬ不同运动速度下红麻纤维力学性能参数无

较大变化ꎬ但试验温度上升ꎬ红麻的拉伸性能会急剧下降ꎮ该研究可为苎麻纤维在不同工况及温

度下的力学性能研究提供参考ꎮ

马兰等[11]采用力学万能试验机对饲料用不同品种苎麻基部进行弯曲力测试ꎬ明确茎秆横截面

积、重量、抗弯强度之间的关系ꎮ研究发现ꎬ茎秆横截面积与重量之间存在显著正相关关系ꎬ相关

系数为0.938ꎮ同时ꎬ在7个苎麻品种中ꎬ饲料用苎麻的抗弯强度呈现极显著差异ꎬ其中苎麻四川DB的抗弯强度最高ꎬ而苎麻G59的抗弯强度最低ꎮ该研究提供了不同品种苎麻的弯曲强度ꎬ可为

相关收获机械的设计提供借鉴ꎮ

苎麻力学性能的详细研究为后续苎麻纤维剥制机具的设计提供了重要的指导和理论依据ꎮ

通过对苎麻茎秆、木质部和韧皮部进行力学性能测试ꎬ研究人员获得了苎麻在不同加载条件下的84 中国麻业科学 第46卷关键力学参数ꎬ例如抗弯弹性模量、最大抗弯强度、拉伸弹性模量、最大抗拉强度、压缩弹性模量、

剪切模量以及同性面泊松比和异性面泊松比等ꎬ这些试验数据和参数可用于优化机具的结构设

计ꎬ提高剥制效率和质量ꎬ亦可为苎麻材料的工程应用奠定基础ꎮ

2 国内外苎麻剥制机具研究现状

2.1 国外研究现状

国外对于苎麻剥制机具的研究开展较早ꎬ但早期并没有专门用于苎麻剥制的机具ꎮ1893年ꎬ

法国人Ceron研制了第一台用于剥制剑麻纤维的Raspador剥麻机ꎬ后经改进用于苎麻剥麻ꎮ随后ꎬ

法、德、意、美、日多国先后研制了多种剥麻机(如表1所示)ꎬ注册了众多专利ꎬ但应用效果不理想ꎮ

表1 国外研制的动力剥麻机Table1 Powerdecorticatingmachineatabroad

序号机具名称研制者1Raspador剥麻机Ceron

2麻类植物茎秆表皮纤维处理设备SLYVAKOVVE

3Baproma剥麻机美国佛罗里达州农业试验站

4Plantec剥麻机美国佛罗里达州农业试验站

5麻类剥皮机FULLERM

6人力反拉东纤式剥麻机日本Torsco公司

7全自动托升式剥麻机日本Torsco公司

8CecocoS-50型日本Cecoco公司

9Cecoco101N型小型手工喂入剥麻机日本Cecoco公司

10CecocoRaspador型手工喂入剥麻机日本Cecoco公司

11麻类作物茎秆纤维分离机PASHINEL

第二次世界大战期间ꎬ美国各州农业试验站开展苎麻动力剥麻机研究ꎬ成功研制出反拉式苎

麻剥麻机ꎬ并在印度、菲律宾等国推广应用ꎮ典型机具有Baproma剥麻机、Plantec剥麻机(美国佛

罗里达州农业试验站研制)和PlantecSenior300型剥麻机等[12]ꎮ

20世纪中叶ꎬ日本针对苎麻机械化剥制技术展开深入研究ꎬ并成功研制出多款苎麻剥麻机ꎮ

典型机具有日本Torsco公司研制的人力反拉东纤式剥麻机和全自动托升式剥麻机、Cecoco公司研

制的CecocoS-50型、Cecoco101型和CecocoRaspador手工喂入剥麻机等ꎮ直至90年代ꎬ随着世

界范围内苎麻种植面积的萎缩ꎬ日本与欧美等国先后停止了苎麻相关剥麻机械的研究[13]ꎮ

专利资料显示ꎬSlyvakov[14]发明了一种用于提取麻类植物茎秆表皮纤维的设备(如图1所示)ꎬ

主要包含干燥室、压碎辊以及清洁装置3部分ꎬ在提取纤维的过程中避免了反复弯折ꎬ从而不损伤

韧皮纤维ꎬ提升长纤维产量ꎮ

图1 麻类植物处理机Fig.1 Processorsforbastfibercrops