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    竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

    2022-10-15 08:37:02蔣鵬飛周建波傅萬四孫曉東胡喜雷
    林業(yè)科學(xué) 2022年6期
    關(guān)鍵詞:竹片傾斜角進(jìn)料

    蔣鵬飛 張 彬 周建波 傅萬四 孫曉東 胡喜雷

    (1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所 哈爾濱 150086; 2.國家林業(yè)和草原局林業(yè)機(jī)電工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150086;3.國家林業(yè)和草原局林業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心 哈爾濱 150086; 4.中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所 北京 100091;5.湖南省林業(yè)科學(xué)院 長沙 410004)

    我國是世界上竹資源最豐富的國家,共有竹類植物39屬530余種,竹種資源、竹林面積、竹材蓄積和產(chǎn)量均居世界首位,素有“竹子王國”的美譽(yù)(李玉敏等,2019)。竹材收縮量小,彈性和韌性極強(qiáng),且耐壓、耐磨、耐潮,抗拉強(qiáng)度是木材的2~25倍,抗壓強(qiáng)度是木材的2倍,作為一種代替木材的綠色可再生材料,具有廣闊的應(yīng)用前景(劉延鶴等,2020; 張達(dá)山,2014; 閆薇等,2019); 但由于竹材特殊的細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及竹青黃面特殊的生化性質(zhì),目前對(duì)于竹材大多需要去除竹青和竹黃后利用其竹肉部分(張曉東等,2013; Osorioetal.,2018),如竹材人造板、竹編竹席、竹刀叉勺等竹制品,是將破竹后竹片銑去竹青竹黃后經(jīng)重組、拉絲、沖切制成的(周建波等,2020)。竹制品加工過程中,逐根分選竹片后依次送入粗銑機(jī)是極為關(guān)鍵的步驟,現(xiàn)有竹片深加工前段輸送進(jìn)料方式主要依靠人工操作,生產(chǎn)成本高、加工效率低,無法滿足高效率和高質(zhì)量的竹材加工生產(chǎn)需求,研究竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)對(duì)推動(dòng)竹材加工向全程自動(dòng)化升級(jí)具有重要意義。

    破竹后的竹片通常成堆無序堆放,將竹片以竹黃面朝上的方式逐根送入粗銑機(jī),竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)首先需要解決的是黏連竹片相互分離、竹青黃面自動(dòng)識(shí)別和翻轉(zhuǎn)、竹片有序進(jìn)料等問題。國內(nèi)外針對(duì)破竹后竹片分選作業(yè),僅有部分學(xué)者開展了竹片自動(dòng)化生產(chǎn)探索,主要涉及竹片自動(dòng)分揀系統(tǒng)研究和基于機(jī)器視覺的竹片表面缺陷研究(Bhandarkaretal.,1998; Rojasetal.,2011; Mauruschatetal.,2016)兩大領(lǐng)域,大部分研究開發(fā)識(shí)別控制系統(tǒng),通過顏色傳感器或工業(yè)相機(jī)采集到單根竹片顏色信息后配合機(jī)械手或其他分選裝置對(duì)竹片進(jìn)行分類,對(duì)環(huán)境光線要求相當(dāng)高,各型設(shè)備受光線變化影響容易出現(xiàn)誤檢測(丁幼春等,2009; 高云等,2009; 宋昕等,2010; 鄭偉等,2018); 同時(shí),這些研究鮮見分選過程中的竹片運(yùn)動(dòng)分析以及機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)竹片分選效果的影響因素分析,且針對(duì)竹片顏色分選的系統(tǒng)設(shè)計(jì)均基于單根竹片進(jìn)行,忽略了一個(gè)工業(yè)現(xiàn)場最常見的問題——如何將破竹后的成堆竹片分離為單根竹片。

    綜上,由于竹材自身的力學(xué)特性、外觀、缺陷的多樣性以及竹片加工特有的生產(chǎn)工藝限制,目前竹片分離定向粗銑連續(xù)生產(chǎn)仍處于半機(jī)械化、半手工狀態(tài),針對(duì)竹片外觀狀況以及相關(guān)分選設(shè)備雖有部分報(bào)道(傅萬四等,2011; 盧秋芬,2019),但尚未見實(shí)際應(yīng)用。鑒于此,本研究針對(duì)竹片粗銑前分選定向作業(yè)效率低、分選效果差、人工依賴程度高等問題,以破竹去竹節(jié)后的竹片為研究對(duì)象,提出竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)技術(shù)方案,設(shè)計(jì)傾斜式振動(dòng)升運(yùn)鏈、階梯式分離系統(tǒng)、竹青黃面識(shí)別和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)及自動(dòng)送料系統(tǒng)等機(jī)械結(jié)構(gòu),完成三維模型和整機(jī)的加工與裝配,并對(duì)整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,以期為竹材加工連續(xù)化、自動(dòng)化、智能化奠定基礎(chǔ)。

    1 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)及工作原理

    竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)是用于破竹后竹片分選、分離定向、粗銑送料的自動(dòng)化加工設(shè)備,通過整合竹片振動(dòng)升運(yùn)鏈、階梯式分離系統(tǒng)、竹青黃面識(shí)別和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)以及自動(dòng)送料系統(tǒng),并按照竹片先傾斜振動(dòng)分離、接著青黃面識(shí)別翻面、最后軸向出料的方式,實(shí)現(xiàn)竹片有序輸送出料。

    1.1 整體設(shè)計(jì)

    考慮到竹材特殊的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和竹片精確分選要求,竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),主要包括用于上提并初步分離竹片的傾斜式振動(dòng)升運(yùn)鏈、用于分離傾斜式振動(dòng)升運(yùn)鏈上多根竹片的階梯式竹片分離單元、用于竹青朝上翻面的翻轉(zhuǎn)單元以及用于接收下落竹片并進(jìn)行軸向輸送出料操作的自動(dòng)送料單元。竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)如圖1所示。

    圖1 竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)Fig. 1 Continuous directional feeding system for bamboo slice milling

    1.2 工作原理及主要技術(shù)指標(biāo)

    竹材加工中,為降低竹青、竹黃對(duì)產(chǎn)品的影響,通常需將竹片進(jìn)行徑向銑削,去除竹青、竹黃(傅萬四等,2012)。將竹筒截成1.0~2.5 m竹段,經(jīng)破竹、去內(nèi)節(jié)加工后,得到如圖2所示竹片。

    為分離相互黏連的竹片,設(shè)計(jì)傾斜式振動(dòng)升運(yùn)鏈和階梯式提升柱(圖1)。竹片進(jìn)入傾斜式振動(dòng)升運(yùn)鏈,鏈條卡槽內(nèi)存在多根竹片,電機(jī)帶動(dòng)升運(yùn)鏈向上提升竹片,通過機(jī)械振動(dòng),竹片依靠重力和慣性力初步分離,輸送至階梯片分離系統(tǒng)。階梯式分離系統(tǒng)通過氣缸帶動(dòng)兩級(jí)提升柱,將傾斜式振動(dòng)升運(yùn)鏈上初步分離的竹片組精確分離為單根竹片,逐根進(jìn)入鏈條傳送帶上的檢測槽位,步進(jìn)傳送至竹青、竹黃檢測系統(tǒng)(圖1); 對(duì)可能存在的未完全分離的竹片,階梯式分離系統(tǒng)上的光電感應(yīng)開關(guān)會(huì)自動(dòng)檢測工作位上是否仍有2根及以上竹片存在,系統(tǒng)將自動(dòng)暫停運(yùn)行并報(bào)警,等工作人員排除故障后手動(dòng)重啟系統(tǒng)。

    圖2 破竹后竹片F(xiàn)ig. 2 Bamboo slices

    工業(yè)高速相機(jī)通過圖像識(shí)別系統(tǒng)給出信號(hào)控制自動(dòng)翻轉(zhuǎn)夾手,將竹青面朝上的竹片翻轉(zhuǎn)180°,步進(jìn)式鏈條傳送帶繼續(xù)前進(jìn)將竹片輸送至粗銑自動(dòng)進(jìn)料機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)竹片自動(dòng)分選定向輸送。對(duì)青黃面未能識(shí)別的竹片,圖像識(shí)別系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將采集到的竹片圖像存入數(shù)據(jù)庫,等待工作人員判定,同時(shí)出料系統(tǒng)暫停輸送出料,防止竹青面朝上的竹片進(jìn)入粗銑機(jī)。

    竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

    表1 竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 The main parameters of continuous directional feeding system for bamboo slice milling

    2 竹片運(yùn)動(dòng)過程分析

    竹片分選過程主要依靠傾斜式振動(dòng)升運(yùn)鏈和階梯式分離系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成堆竹片分離,通過對(duì)振動(dòng)升運(yùn)鏈上竹片的運(yùn)動(dòng)過程以及竹片到達(dá)升運(yùn)鏈頂點(diǎn)后竹片的拋送過程進(jìn)行分析,確定影響竹片分選效果的主要因素。

    2.1 振動(dòng)分選過程竹片運(yùn)動(dòng)特征分析

    成堆竹片置于升運(yùn)鏈上,竹片通常處于相互層疊、相互黏連狀態(tài),將竹片黏連體理想化為一個(gè)規(guī)則矩形。升運(yùn)鏈由電機(jī)驅(qū)動(dòng),當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí),升運(yùn)鏈靜止,因鏈條和竹片重力,升運(yùn)鏈處于“下凹”松弛狀態(tài); 當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí),升運(yùn)鏈突然轉(zhuǎn)動(dòng),其承重部分瞬間有繃直趨勢,對(duì)竹片形成一個(gè)向上沖擊力。電機(jī)按照一定時(shí)間周期運(yùn)轉(zhuǎn)、停止,竹片隨升運(yùn)鏈做斜向上振動(dòng)的類簡諧運(yùn)動(dòng),在沖擊力作用下相互分離。竹片分選過程狀態(tài)變化如圖3所示。

    圖3 竹片分選過程狀態(tài)變化Fig. 3 Status change of bamboo slice sorting process

    圖4 竹片受力情況Fig. 4 The force analysis diagram of bamboo slice

    運(yùn)動(dòng)過程受力情況如圖4所示。黏連竹片受垂直于卡槽向上的支撐力為Fn。將2根黏連竹片視為一個(gè)剛體,則其滿足以下運(yùn)動(dòng)學(xué)方程:

    Ft+fj-2mg×sinα=2mg×aT;

    (1)

    fj=μ1×N1;

    (2)

    N1=2mg×cosα。

    (3)

    式中:α為升運(yùn)鏈運(yùn)動(dòng)方向與水平面夾角(°);Ft為卡槽對(duì)黏連竹片的推力(N);aT為黏連竹片沿提升鏈向上的加速度(m·s-2);fj為黏連竹片與卡槽的靜摩擦力(N);m為單根竹片質(zhì)量(kg);g為重力加速度(m·s-2);N1為黏連竹片對(duì)卡槽底部的壓力(N);μ1為竹片與卡槽之間的最大靜摩擦系數(shù)。

    式(1)、(2)、(3)迭代得:

    (4)

    為將2根黏連竹片互相分離,上層竹片向提升鏈運(yùn)動(dòng)方向的加速度ax應(yīng)小于2根黏連竹片沿提升鏈向上的加速度aT,即:

    aT>ax。

    (5)

    上層竹片滿足以下運(yùn)動(dòng)學(xué)方程:

    fd-mg×sinα=mg×ax;

    (6)

    fd=μ2×N2;

    (7)

    N2=mg×cosα。

    (8)

    式中:fd為竹片間動(dòng)摩擦力(N);N2為黏連竹片對(duì)卡槽底部的壓力(N);μ2為竹片與竹片之間的最大靜摩擦系數(shù)。

    將式(6)、(7)代入式(8),得:

    μ2cosα-sinα=ax。

    (9)

    將式(4)、(9)代入式(5),得:

    (10)

    分析式(10)可知,升運(yùn)鏈傾斜角及竹片與卡槽、竹片與竹片之間的摩擦系數(shù)對(duì)竹片黏連分離影響較大。由于本研究中卡槽采用不銹鋼制造,竹片與不銹鋼板、竹片與竹片之間的最大靜摩擦系數(shù)平均值固定(許斌等,2000),因此影響竹片黏連分離的主要因素為升運(yùn)鏈傾斜角α。

    2.2 拋送過程竹片運(yùn)動(dòng)特征分析

    竹片進(jìn)入階梯式分離系統(tǒng)時(shí),因前后系統(tǒng)之間存在高度差,故會(huì)被拋起做一段拋物線運(yùn)動(dòng)。由于竹片自身特殊的纖維性狀,破竹后的竹片桿形會(huì)向竹黃面彎曲(楊邦國等,2020),做拋物線運(yùn)動(dòng)時(shí),重力作用下大部分竹片會(huì)轉(zhuǎn)向竹黃面朝上,這可有效減少后續(xù)識(shí)別翻面的操作量,提升竹片分選效率。

    描繪竹片運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí),升運(yùn)鏈運(yùn)行速度、驅(qū)動(dòng)齒輪直徑、鏈帶與竹片之間的摩擦系數(shù)等對(duì)其均有影響,竹片間的相互黏連也會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡造成影響,為方便研究,通常將模型簡化。

    當(dāng)升運(yùn)鏈升至最高點(diǎn)時(shí),竹片將被向前拋出,對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析如圖5所示。竹片被拋離升運(yùn)鏈前,受到升運(yùn)鏈的慣性力Fg和支持力Fn,竹片具有離心力Fr,竹片與升運(yùn)鏈之間具有摩擦力f。建立水平直角坐標(biāo)系,竹片隨升運(yùn)鏈運(yùn)動(dòng)過程中,作用在竹片質(zhì)心的離心力Fr可由下式得出:

    (11)

    R=r+h。

    (12)

    式中:Fr為竹片的離心力(N);m為竹片質(zhì)量(kg);vφ為竹片運(yùn)動(dòng)速度(m·s-1);R為竹片質(zhì)心半徑;r為升運(yùn)鏈傳動(dòng)鏈齒輪分度圓半徑,r=0.07 m;h為竹片質(zhì)心距升運(yùn)鏈上表面高度(m)。

    當(dāng)Fr≥FG時(shí),即:

    (13)

    (14)

    式中:FG為重力在離心力反向方向的分力(N);θ為竹片與升運(yùn)鏈表面切線方向夾角(°)。

    圖5 頂端拋送竹片過程力學(xué)模型Fig. 5 Mechanical model of bamboo slices

    竹片脫離升運(yùn)鏈,沿拋物線軌跡運(yùn)動(dòng)。假設(shè)竹片脫離升運(yùn)鏈時(shí)θ→0,竹片運(yùn)動(dòng)方向與升運(yùn)鏈線速度方向相同,分以下2種情況(圖6)對(duì)拋物線軌跡進(jìn)行討論(劉金萍等,2010)。

    1) 當(dāng)升運(yùn)鏈運(yùn)行速度較大,竹片的離心力大于等于重力在離心力反向方向的分力時(shí),即Fr≥FG,θ→0,vφ2/R≥g,此時(shí)竹片在升運(yùn)鏈與驅(qū)動(dòng)齒輪的相切處Q被水平拋出,如圖6a所示。

    2) 當(dāng)升運(yùn)鏈運(yùn)行速度較大,竹片的離心力小于重力在離心力反向方向的分力時(shí),即Fr

    運(yùn)行角度β由下式確定:

    (15)

    式中:vβ為竹片在分離點(diǎn)P處的速度(m·s-1);β為竹片跟隨升運(yùn)鏈運(yùn)行角度(°)。

    竹片拋物運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡上下限,可以合理設(shè)計(jì)導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)(符海嬌,2017)。由式(14)、(15)可知,竹片拋物運(yùn)動(dòng)軌跡主要與vφ和vβ相關(guān),由于vφ和vβ為升運(yùn)鏈上竹片不同狀態(tài)下脫離升運(yùn)鏈的速度,故其大小完全由升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速控制。

    圖6 竹片拋出模型Fig. 6 Throw model of bamboo slices

    圖7 竹片拋出軌跡Fig. 7 Throw trajectory model of bamboo slices

    在實(shí)際生產(chǎn)中,升運(yùn)鏈驅(qū)動(dòng)齒輪半徑固定為0.15 m,竹片厚度約0.05 m,即R一定,且升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速≤3 m·s-1。

    1) 當(dāng)vφ≥1.97 m·s-1時(shí),vφ2/R≥g,即竹片水平拋出,其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6a所示;

    2) 當(dāng)vφ≥1.97 m·s-1時(shí),為保證竹片跟隨升運(yùn)鏈運(yùn)行角度β≤30°,即vβ2/gR≥cos30°、vβ≥1.3 m·s-1時(shí)竹片能夠以斜向下拋出并落至后續(xù)裝置中。綜合以上分析,升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速1.3 m·s-1≤v≤3 m·s-1。

    3 竹片識(shí)別翻面過程設(shè)計(jì)

    竹青黃面的顏色和光澤度差異較大(李能等,2014),本研究設(shè)計(jì)基于圖像視覺的竹青黃面識(shí)別和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括圖像采集裝置(工業(yè)高速相機(jī))、光源和自動(dòng)翻轉(zhuǎn)夾手及多個(gè)光電傳感器等,如圖8所示。

    圖8 翻面定向裝置示意Fig. 8 Schematic diagram of orientation device

    利用臺(tái)達(dá)公司(Delta Electronics, Inc.)生產(chǎn)的PVS100-C05 MGGAB工業(yè)高速相機(jī)(500萬像素),配合配套的PC-BASE機(jī)器視覺軟件,實(shí)現(xiàn)對(duì)竹青黃面的識(shí)別檢測。

    為提高出料速度,鏈條傳送帶不間斷地將竹片送至工業(yè)高速相機(jī)下方,圖像識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別竹黃面朝上時(shí),自動(dòng)翻轉(zhuǎn)夾手不動(dòng)作,鏈條傳送帶保持升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速向前運(yùn)動(dòng)將竹片送出; 當(dāng)識(shí)別到竹青面朝上時(shí),鏈條傳送帶暫停輸送,通過PLC程序控制自動(dòng)翻轉(zhuǎn)夾手夾取竹片,翻轉(zhuǎn)180°使竹片竹黃面朝上。竹青黃面智能識(shí)別系統(tǒng)和竹片智能翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)循環(huán)動(dòng)作,直至所有竹片檢測完畢。

    該系統(tǒng)對(duì)竹青黃面的識(shí)別速度為每根0.15 s,所檢測竹片寬度5~8 cm,分選轉(zhuǎn)速最大3 m·s-1,以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)行情況下,系統(tǒng)仍有充足時(shí)間完成竹片檢測。

    4 優(yōu)化試驗(yàn)與結(jié)果分析

    4.1 試驗(yàn)條件

    以產(chǎn)自福建建甌不同直徑的3~5年生毛竹(Phyllostachysedulis)為試驗(yàn)材料,先將毛竹按照試驗(yàn)要求定段、破竹得到新鮮竹片,然后將寬度統(tǒng)一切割為5 cm和7 cm 2類,同時(shí)打磨去除邊緣毛刺。依據(jù)1 600、1 700、1 800、1 900和2 000 mm長度分為5組,每組50根竹片。竹片分選定向試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9所示。

    圖9 竹片分選定向試驗(yàn)現(xiàn)場Fig. 9 Directional test of bamboo slice separation

    4.2 試驗(yàn)方案與指標(biāo)

    影響竹片分離率的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)為升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速和傾斜角,同時(shí)竹片長度對(duì)分選效果也有一定影響,在前期工藝性試驗(yàn)基礎(chǔ)上,詳細(xì)探究3種參數(shù)對(duì)竹片分離、定向效果的影響。試驗(yàn)指標(biāo)主要包括竹片分離率及竹青黃面識(shí)別率。每種長度毛竹試驗(yàn)組以不同升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速和傾斜角分別進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),排除干擾較大的誤差數(shù)據(jù)后,取竹片分離率和竹青黃識(shí)別率均值。

    竹片分離率ηzi為:

    (16)

    竹青黃面識(shí)別率ηs為:

    (17)

    式中:ηzi(i=1為寬度5 cm竹片,i=2為寬度7 cm竹片)為2種寬度竹片的分離率(%);ηs為竹青黃面識(shí)別率(%);nmi為進(jìn)入竹青黃面識(shí)別系統(tǒng)前卡槽內(nèi)僅有1根竹片的竹片總和(根);nz為系統(tǒng)識(shí)別出竹青黃面的竹片總和(根);ni為一次進(jìn)入分選機(jī)分選的竹片總數(shù)(根);n2為進(jìn)入竹青黃面識(shí)別系統(tǒng)的單根竹片總數(shù)(根)。

    4.3 單因素試驗(yàn)分析與討論

    4.3.1 不同升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速對(duì)竹片分離、定向效果的影響 當(dāng)分選機(jī)其他參數(shù)不變時(shí),升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速對(duì)竹片分選效果具有較大影響。試驗(yàn)前,設(shè)定升運(yùn)鏈傾斜角為35°,選用2 000 mm長竹片為試驗(yàn)組,試驗(yàn)過程中通過選擇不同電機(jī)轉(zhuǎn)速控制升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速,保證竹片分離率高于90%。選取升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速分別為2.90、2.50、2.10、1.70、1.30 m·s-1,每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次。剔除異常數(shù)據(jù),按照式(16)、(17)計(jì)算各升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速下竹片分離率和竹青黃面識(shí)別率,取平均值,結(jié)果如表2所示。

    表2 升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速對(duì)竹片分選定向效果的影響Tab.2 Effect of lifting chain rotating speed on the selection of bamboo slices

    由表2可知,竹青黃面識(shí)別率與升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān),升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速較慢,識(shí)別系統(tǒng)能夠獲得更為清晰的竹青黃面圖像,竹青黃面識(shí)別率較高。

    綜合分析可得,竹片分離率隨升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速加快先上升后下降,竹青黃面識(shí)別率隨升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速加快逐漸下降。故實(shí)際作業(yè)過程中,在盡可能加快升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速的同時(shí),需考慮對(duì)分選效率和竹青黃面識(shí)別率的影響。

    4.3.2 不同升運(yùn)鏈傾斜角對(duì)竹片黏連分離效果的影響 升運(yùn)鏈基點(diǎn)與最高點(diǎn)的高度差決定升運(yùn)鏈運(yùn)動(dòng)方向與水平面夾角α(簡稱升運(yùn)鏈傾斜角)。根據(jù)式(10)可知,升運(yùn)鏈傾斜角對(duì)竹片黏連分離效果影響較大。試驗(yàn)前,選用2 000 mm長竹片為試驗(yàn)組,設(shè)定升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速為2.10 m·s-1。選取升運(yùn)鏈傾斜角分別為45°、40°、35°、30°、25°,每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次,取平均值,結(jié)果如表3所示。

    表3 升運(yùn)鏈傾斜角對(duì)竹片黏連分離效果的影響Tab.3 Effect of lifting chain inclination angle on bamboo slice separation

    由表3可知,當(dāng)升運(yùn)鏈傾斜角較小時(shí),竹片容易聚集在升運(yùn)鏈最低處,因竹片黏連體與升運(yùn)鏈之間的摩擦力達(dá)不到抬升所需摩擦力,故竹片分離效果較差,分離率較低。當(dāng)升運(yùn)鏈傾斜角由25°增至45°,竹片分離率提升顯著,5 cm寬竹片分離率從94.1%升至96.3%,7 cm寬竹片分離率從93.3%升至95.5%。但實(shí)際生產(chǎn)中,當(dāng)升運(yùn)鏈傾斜角過大時(shí),竹片容易從升運(yùn)鏈卡槽中脫落,無法被提升至升運(yùn)鏈最高點(diǎn)進(jìn)入階梯式分離系統(tǒng),因此需要結(jié)合實(shí)際,兼顧竹片分離率和輸送效率。

    4.3.3 不同竹片長度對(duì)竹片黏連分離效果的影響 不同長度竹片,在堆疊狀態(tài)下接觸面面積不同,其相互間摩擦力略有差異,同時(shí)不同長度竹片質(zhì)量也不盡相同,根據(jù)振動(dòng)分離階段黏連竹片分離條件公式Ft/2mg+μ1cosα>μ2cosα,竹片質(zhì)量和相互間摩擦力對(duì)竹片黏連分離具有交互作用。為明確不同竹片長度對(duì)竹片黏連分離效果的影響,試驗(yàn)前,設(shè)定升運(yùn)鏈傾斜角為35°,升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速為2.10 m·s-1。由于工業(yè)利用的竹片長度通常為1 500~2 000 mm,故選取竹片長度分別為1 600、1 700、1 800、1 900、2 000 mm,每組試驗(yàn)至少重復(fù)3次,取平均值,結(jié)果如表4所示。

    表4 不同竹片長度對(duì)黏連分離效果的影響Tab.4 Effect of different bamboo length on separation efficiency

    由表4可知,隨著竹片長度增加,竹片分離率先上升后下降,但相比升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速和傾斜角對(duì)竹片黏連分離的影響較小。1 600~2 000 cm寬竹片分離率基本達(dá)到工業(yè)要求的95%以上分離率。

    4.4 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)與結(jié)果分析

    4.4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在完成升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速、升運(yùn)鏈傾斜角、竹片長度3種參數(shù)的單因素試驗(yàn)后,以5 cm寬竹片為試驗(yàn)樣本,以竹片分離率為試驗(yàn)特征值,將升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速、升運(yùn)鏈傾斜角、竹片長度3種因素分別設(shè)置5個(gè)水平,運(yùn)用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)優(yōu)化試驗(yàn),各因素范圍為: 升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速1.5~2.7 m·s-1、升運(yùn)鏈傾斜角25°~45°,竹片長度1 600~2 000 mm。通過F檢驗(yàn)得出3組因素對(duì)竹片分離效果影響的顯著性水平,進(jìn)而在約束條件下求解出3組因素的最優(yōu)解。試驗(yàn)因素及水平如表5所示。

    表5 影響因素及水平Tab.5 Level table of influence factor

    每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值,結(jié)果如表6所示。

    4.4.2 結(jié)果分析 采用Design-Expert 11軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析,并進(jìn)行多元回歸擬合,得到竹片分離率Y的回歸方程如下:

    Y=95.70+0.634 4x1-0.391 7x2-0.231 7x3+

    0.287 5x1x2-0.262 5x1x3+0.087 5x2x3+

    0.043 4x12-0.221 8x22-0.734 4x32。

    (18)

    由表7可知,回歸方程的失擬性檢驗(yàn)F1=2.28,P=0.143 6,表示失擬性差異不顯著; 回歸方程的顯著性檢驗(yàn)F2=17.10,P<0.000 1,表示回歸方程為極顯著,即回歸方程的預(yù)測值與實(shí)際值吻合度較好,回歸方程較為合理。

    F越大,表明試驗(yàn)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響越大,三因素對(duì)竹片分選效果的影響順序?yàn)樯\(yùn)鏈傾斜角>升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速>竹片長度。

    4.4.3 試驗(yàn)結(jié)果的響應(yīng)面分析 采用Design-Expert 11軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到升運(yùn)鏈傾斜角x1、升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速x2、竹片長度x3之間的顯著和較顯著交互作用以及對(duì)竹片分離率Y的影響。圖10 ~12分別為各因素間響應(yīng)曲面和等高線。

    由圖10A可知,當(dāng)升運(yùn)鏈傾斜角一定時(shí),竹片分離率Y隨升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速增加先增大后減小,最優(yōu)升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速范圍為1.6 ~2.1 m·s-1; 當(dāng)升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速一定時(shí),竹片分離率Y與升運(yùn)鏈傾斜角呈正相關(guān),最優(yōu)升運(yùn)鏈傾斜角范圍為35°~42°; 其中,升運(yùn)鏈傾斜角為竹片分離率的主要影響因素。由圖10B可知,升運(yùn)鏈傾斜角與升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速的交互效應(yīng)顯著。

    表6 各因素對(duì)竹片分離效果的影響二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Experimental results of quadratic orthogonal rotation combination

    由圖11A可知,當(dāng)升運(yùn)鏈傾斜角一定時(shí),竹片分離率Y隨竹片長度增加先增大后減小,最優(yōu)竹片長度范圍在1 680~1 820 mm之間; 當(dāng)竹片長度一定時(shí),竹片分離率Y與升運(yùn)鏈傾斜角呈正相關(guān),最優(yōu)升運(yùn)鏈傾斜角范圍為35°~45°; 其中,升運(yùn)鏈傾斜角為竹片分離率的主要影響因素。由圖11B可知,等高線為橢圓形,升運(yùn)鏈傾斜角與竹片長度的交互效應(yīng)顯著。

    由圖12A可知,當(dāng)升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速一定時(shí),竹片分離率Y隨竹片長度增加先增大后減小,最優(yōu)竹片長度范圍在1 610~1 720 mm之間; 當(dāng)竹片長度一定時(shí),竹片分離率Y隨升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速增加先增大后減小,最優(yōu)升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速范圍為1.3 ~2.0 m·s-1; 其中,升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速為竹片分離率的主要影響因素。由圖12B可知,等高線為近似圓形,升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速與竹片長度的交互效應(yīng)不顯著。

    4.4.4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證 采用Design-Expert 11軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)3種因素進(jìn)行約束條件下的求解,根據(jù)對(duì)響應(yīng)面的分析以及竹片分選作業(yè)實(shí)際工作條件和性能要求,選擇優(yōu)化約束條件為:

    YMaxY1(x1,x2,x3),

    (19)

    表7 竹片分離率Y方差分析①Tab.7 Y-variance analysis of bamboo slice separation rate

    圖10 Y=f(x1,x2)的響應(yīng)面(A)和等高線(B)Fig. 10 Response surface(A) and contour map(B) of Y=f(x1,x2)

    圖11 Y=f(x1,x3)的響應(yīng)面(A)和等高線(B)Fig. 11 Response surface(A) and contour map(B) of Y=f(x1,x3)

    通過優(yōu)化求解,得到竹片升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速1.6 ~2.0 m·s-1、升運(yùn)鏈傾斜角35°~42°、竹片長度1 750~1 850 mm時(shí),竹片分離輸送效果最好,竹片分離率達(dá)96.5%~96.8%。

    按照上述優(yōu)化工藝參數(shù),結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場實(shí)際條件以及較好的竹青黃面識(shí)別率,選定竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)的主要作業(yè)參數(shù)為升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速2.0 m·s-1,升運(yùn)鏈傾斜角40°,竹片長度1 800 mm,通過3組驗(yàn)證性試驗(yàn),得到相對(duì)應(yīng)的竹片分離率為96.7%,竹青黃面識(shí)別率為97.6%,表明相關(guān)優(yōu)化組合合理,能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

    5 結(jié)論

    1) 基于振動(dòng)和階梯分離方式設(shè)計(jì)的竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)破竹后成堆竹片的黏連分離、有序定向進(jìn)料、竹青黃面智能識(shí)別定向和粗銑自動(dòng)進(jìn)料,為竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)研發(fā)提供一種思路。

    2) 在竹片粗銑連續(xù)化定向進(jìn)料系統(tǒng)應(yīng)用試驗(yàn)中,升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速1.6~2.0 m·s-1、升運(yùn)鏈傾斜角35°~42°、竹片長度1 750~1 850 mm,竹片分離輸送效果最好,分離率達(dá)96.5%~96.8%; 實(shí)際生產(chǎn)中,可選定升運(yùn)鏈轉(zhuǎn)速2.0 m·s-1,升運(yùn)鏈傾斜角40°,在上述參數(shù)水平下,對(duì)長度1 800 mm竹片的分離效果最佳,分離率達(dá)96.7%,竹青黃面識(shí)別率達(dá)97.6%,竹片分選及竹青黃面識(shí)別效果較好,滿足現(xiàn)場應(yīng)用需求。

    圖12 Y=f(x2,x3)的響應(yīng)面(A)和等高線(B)Fig. 12 Response surface(A) and contour map(B) of Y=f(x2,x3)

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