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

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)