重组竹碾压疏解竹丝高效组合设备的创新研究

1、重组竹碾压疏解竹丝高效组合设备的创新研究 王志勇摘要：介绍了新研制的竹丝高效疏解组合设备的工作原理、结构特点、主要技术参数及工作过程。与旧设备测试比较表明，新设备将竹材去节、去青、去黄、点裂、疏解、展平等过程组合成一台机床，占地面积由40平米降到10平米，总动力由52.5千瓦变为24千瓦，降低60.38%，用工数由68人降为2人，碾压疏解竹丝能力由每小时300400千克提高到800900千克，竹材资源利用率由6065%增加到75%以上，竹丝疏解完全，产品质量达到国标要求，明显降低了重组竹生产成本，经济效益显著。 关键词：竹材加工； 重组竹； 竹丝； 碾压疏解设备； 创新设计与研发The inn

2、ovation research on mangle and defibering equipment of bamboo filament with high efficiency for reconstituted bamboo lumber Abstract: This paper described the working principle, structure characteristics, main technical parameters and working process of a new efficient combination of mangle and defi

3、bering equipment of reconstituted bamboo lumber which wasresearched and developed recently. In comparison with the traditional equipment test, the new device can getting rid ofbamboo knot, outboard bamboo, inboard bamboo, splitting in point, defibering and flattening and combined into one process. A

4、nd the covering area reduced from 40 square meters to 10 square meters. The total power reduced from 52.5 kw to 24 kw, and it reduced by 60.38%. The number of workers reduced from 68 to 2. In addition, the production efficiency increased from 300400 kg per hour to 800900 kg per hour. The resource ut

5、ilization increased from 6065% to more than 75%. Furthermore, the bamboo filament was defibered completely and the products quality also reached the national standard requirements. It greatly reduced the cost of producing recombinant bamboo and brought remarkable economic benefit. Key words: bamboo

6、processing; reconstituted bamboo lumber; bamboo filament; mangle and defibering equipment; creative design and innovation research 近几年，我国竹产业发展很快，尤其重组竹产品的研发，对竹产业的发展起到重大推动作用。重组竹是在不打乱竹质纤维排列方向，保留竹材基本特性前提下，经过碾压疏解设备加工成横向不断裂，纵向松散而又交错相连的网状竹束，再经干燥、施胶和热压(或冷压)等重新组合工序制成的高强度、幅面尺寸大、具有天然竹材纹理结构的新型人造板1。它突破了传统的切削加工方式

7、，采用碾压疏解机械设备加工竹材，为竹材的综合利用开辟了一条新的途径。 随着竹材资源的深入开发和竹加工企业生产规模持续加大，竹材加工设备也得到相应的快速发展。但与现代化木材加工企业比较，竹材加工设备、工艺技术和自动化程度仍然处于较低的水平。由于竹子纵向厚度尺寸不均匀，其茎杆本身直径小、中空，竹材外表面有较多突出的硬节，表面竹青含有蜡质，内腔面竹黄含有硅质，二者易开裂，不易被浸胶湿润；而且竹材强度和硬度显著高于一般木材，这些特性导致竹材不易加工，竹材资源利用率低，制约着竹材加工产业的发展。 重组竹竹材疏解方式一直围绕“效率、质量和利用率”三方面开展工作，从劳动强度大、效率较低的手工疏解2到类似重组

8、木的手工锤击和效果较好的辊压疏解3，到先软化再辊压疏解竹材的方式4-5及竹材先去青，再剖分，然后辗压成不断裂、纵向松散而交错相连，不打乱竹材纤维排列方向竹束的处理方法6。这种压丝机，压丝速度明显加快，有一定效果，但仅适用于宽度4cm以下竹条，同时竹材纵向上厚度不均匀，压丝机不能自动调节，加工前需挑选竹条厚度，效率低，难以大规模应用7。 针对小径竹，在疏解效果较好的YZ601压轧疏解机组合设备2的基础上，研制出慈竹、绿竹和毛竹等竹材重组竹碾压疏解机8，不去青不去黄，制备竹丝原料，通过点裂微创，疏解竹青竹黄分离后再胶合，可使竹材表面难以胶合的腊质层和硅质层呈点裂或线裂分离，满足胶钉胶合的要求，达到

9、改善胶合的目的，其重组竹力学性能，均优于压丝机和压轧疏解机。目前这方面专利有2个：CN1014486214A（公开日是20090722）（为一种大片竹束帘及其制造方法）CN201456160U（公开日是20100512）（为竹材展平疏解机），该类专利产品理论上竹资源利用率可达90%。 生产上现有的竹丝疏解设备，占地面积大，动力大。加工过程中单独去除竹青竹黄，或不去青、不去黄，竹青和竹黄疏解若干次，多次翻动，容易卡机、用工多，劳动强度大疏解不完全，浸胶难，导致竹材资源利用率低，效率低，生产成本高，制约着重组竹产业的快速发展，急需研发出一种新型的重组竹碾压疏解成竹丝的高效组合设备。 针对上述问题，

10、课题组在湖北省重大科技创新计划项目的支持下，通过高性能多用途竹基纤维复合材料生产加工技术转化示范，在现有竹材加工设备的基础上,创新研制出了一种竹材碾压疏解高效组合设备（获得国家发明专利ZL201210440728.7）及分离技术，动力小，占地面积小，用工少，劳动强度低，可在工业化生产时一次成型，将竹片疏解成竹纤维束竹丝，利于浸胶完全，保证重组竹产品质量，竹材利用率显著提高。该设备已委托授权批量生产，投放到竹产区，可为重组竹生产提供疏解完全的竹丝原料。本文对该设备的工作原理、结构特点及其主要技术参数、重组竹基本单元加工工作过程作一介绍，以期推动该设备在重组竹产业的应用和推广，以促进重组竹加工利用

11、效率和效益的提高。 1碾压疏解竹丝高效组合设备的设计原理与系统组成 1.1设计原理 原料疏解制备工艺是制造重组竹的关键工序，原料通过疏解设备后的效果和外观形态、横截面尺寸大小对重组竹结构材性影响显著。针对现有设备存在的问题，本着不直接去青、不去黄，降低劳动强度，提高竹材资源利用率和提高工作效率的原则，按照竹片疏解成横向不断裂，纵向松散、分离完全而相互粘连在一起的竹丝或网状竹丝束以利浸胶，保证产品质量和强度均匀性；按照竹材疏解成竹丝程序、功能和竹丝质量要求，设计将六台单一功能的独立机床设备，组合成一台高效组合设备，占地面积小，动力小，并且可根据竹片厚度变化自动调节间距施压，将竹材表面竹青、竹黄部

12、分用圆滚碾压、搓碾，点裂成丝，疏解成纤维束来解决大面积竹青腊质、竹黄硅质影响胶合问题。 1.2系统组成 竹材高效疏解机包括：一个机架，安装在所述的机架上的进料口、驱动装置和疏解进给装置。疏解进给装置为同组疏解进给装置及一个置于最后端的多组单元疏解进给装置，疏解进给装置组之间还安装有置于所述进料口平行中间线的上端和下端，用于刮去竹黄和竹青的圆轴刀。 竹材碾压疏解高效组合设备的疏解进给装置上端安装有带齿的疏解辊，下端安装有进给辊，或两端相反，其间距由弹性调节装置根据竹材的厚度自动调节，当辊间距较小时，即上下辊间距小于试材的高度方向厚度，会对试材在厚度方向上实施很大的载荷作用，当所产生的应力大于试材

13、内部破坏应力时，试材会沿宽度方向上延展变形，从而使竹材出现撕裂和裂纹裂隙。同时，碾压辊对试材的载荷作用又会产生足够的摩擦力，使试材能随着进给辊旋转方向进给，从而完成碾压疏解过程。 设备中的圆轴刀主要是去掉竹青及竹黄的蜡质层和硅质层，相同装置单元以此类推。即首先将竹料将竹黄向上经进料口进入第一组单元疏解进给装置去竹节、疏解、展平，经一组圆轴刀进行第一次初刮，再进入第组单元疏解进给装置疏解、展平，这三个过程主要都是对竹黄部位疏解，然后下一步进入高速运转的两组圆轴刀，再进入第三组单元疏解进给装置去疏解、展平，这组装置主要是去掉竹青及蜡质层，再经圆轴刀对竹黄部位精刮，最后进入多组单元疏解进给装置进行多

14、次疏解、展平，生产出产品。 2竹材碾压疏解高效组合设备的结构设计 2.1总体结构 设备总体结构如图1所示，尺寸为317013201060mm。整个设备由同组疏解（图1中2、4、7）、进给装置、安装在机架上的四个圆轴刀（图1中3、5、6、8）和一个置于最末端的多组单元疏解进给装置（图1中9、10）三个部分和电控面板（12）组成。 1进料口 2、4、7、同组疏解装置 3、5、 6 、8圆轴刀 9、10多组单元疏解装置 11机架 12控制面板 图1 竹材碾压疏解高效组合设备总体结构 进料口l安装在机架11上，然后安装第一组同组疏解进给装置。同组疏解进给装置包括两个平安装的单元疏解进给装置；而单元疏解

15、进给装置由一个圆形辊和疏解辊组成，圆形辊和疏解辊之间有使竹料通过的间隙，以进料口l为平面，分上、下相对应的的疏解辊和进给辊（圆形辊）组成；第二组同组疏解进给装置的疏解辊置于进料口(1)平行中间线的上端；第三组同组疏解进给装置的疏解辊置于进料口l平行中间线的下端；最末端多组单元疏解进给装置由三或四个单元疏解进给装置组成，其中三或四个单元中疏解辊交错排列。 此外，第一组同组疏解进给装置和第二组同组疏解进给装置之间安装有第一个圆轴刀3；第二组同组疏解进给装置和第三组同组疏解进给装置之间有置于进料口1平行中间线下端的第二、第三个圆轴刀4、5；第三组同组疏解进给装置和最后端的多组单元疏解进给装置之间有置

16、于进料口1平行中间线上端的第四个圆轴刀6。安装在机架上在平行中间线的上端的疏解辊、进给辊和圆轴刀还分别装有弹性调节装置，弹性调节装置由弹簧和导向块通过调节螺丝来控制弹簧的伸缩距离而起到调节的作用。 2.2疏解进给装置 图2为进给辊的结构示意图，图3为疏解辊的结构示意图。同组疏解进给装置由两个平行安装的单元疏解进给装置组成，其中疏解辊或进给辊同时并列排在所述平行中间线的上端或下端；由三或四个单元疏解、进给装置组成的疏解、进给装置称多组单元疏解进给装置，其中三或四个单元中疏解辊交错排列。进给辊也就是圆辊，圆辊上可以有和轴向相同的列齿，列齿作用主要是对竹料的进给作用。疏解辊的辊筒轴向分布若干列刀刃，

17、且疏解辊的圆周面上具有疏解齿，疏解齿的高度为竹片的0.50.75倍，齿的弧长为20mm，疏解齿之间呈交错布置，疏解齿之间宽度依照由进料口顺序为9mm、9mm、8mm、8mm、5mm、5mm。进给辊和疏解辊同步转动，其转速800转/分，二者作业面的宽度也同为100mm。所有的在进料口1水平面中心线以上的进给辊和疏辊都由弹簧和导向块来控制疏解压力，通过调节螺丝来控制弹簧的伸缩距离而起到调节的作用。 图2 进给辊的结构示意图 图3 疏解辊的结构示意图 2.3圆轴刀的结构设计 图4为圆轴刀结构示意图。第一组同组疏解进给装置和第二组同组疏解进给装置之间有置于进料口平行中间线的上端的第一个圆轴刀；第二组同

18、组疏解进给装置和第三组同组疏解进给装置之间有置于所述进料口平行中间线下端的第二、第三个圆轴刀；第三组同组疏解进给装置和最后端的多组单元疏解进给装置之间有置于所述进料口平行中间线上端的第四个圆轴刀。圆轴刀为六刃三角圆轴刀，刮去竹青的部份厚度为0.5lmm；刮去竹黄表层上的厚度为0.20.5mm，其刀刃作业面为100mm。安装在进料口l水平面中心线下方的圆轴刀的高低是通过调节螺杆、导向滑轨组合而成的调节装置来调节和控制刀具的高度。安装在进料口1水平面中心线上方的圆轴刀的高低是通过调节螺杆、弹簧来进行调节的，且上刀轴、圆轴刀、固定刀架会随着料的厚度变化而改变刀具的高度，且使刀具的切削厚度基本保持不变

19、。上述的圆轴刀的转速为4000转分。 图4 圆轴刀结构示意图 3 设备工作流程 图5为设备上的疏解辊、进给辊与毛竹竹片原料疏解成竹丝后的效果。设备的新型圆轴刀可控制去掉竹青的厚度0.5l.0mm范围内，去掉竹黄表层的脆硬层厚度在0.20.5mm范围内。去掉竹节、竹青和竹黄的表皮层后，竹片经多次展平、多次疏解，原料从进料口进去，一次性加工成为合格的竹束纤维，而且去掉的微量影响产品质量的带有蜡质层的竹青和竹黄，既提高了竹材利用率，节约了人力、能耗及竹子资源，且产品性能明显高于和优于现有产品的品质。竹片疏解完全成竹丝的工作流程如下：1)竹材预处理：将竹材开片成宽2060mm的竹片；2)将竹片竹黄向上

20、进入进料口；3)竹片进入第一展平疏解组进行去竹节、展平并对竹黄面进行第一次疏解；4)利用高速运转的初次圆轴刀初刮竹黄表层上的脆硬层；5)竹片进入第二展平疏解组对竹黄面进行第二次疏解；6)利用高速运转的两组圆轴刀去掉竹青及蜡质层；7)竹片进入第三碾平疏解组对竹青面进行第一次疏解；8)利用高速运转的圆轴刀二次分初、精刮竹青层及蜡质层；9)竹片进入第四碾平疏解组对竹青面进行第二次疏解；10)利用高速运转的圆轴刀二次精刮竹黄表层上的脆硬层；11)经第五组多组碾平疏解组分别对两面再次碾压、疏解后形成37100mm疏松网状纤维束。 图5 疏解辊、进给辊与毛竹竹片疏解效果 4竹材碾压疏解高效组合设备的性能评

21、价 4.1设备性能评价与竹材利用率 图6为重组竹生产上原来的竹材疏解设备（专利号：CN201456160U）； 图7为本文研制的高效组合重组竹竹材疏解新设备（专利号：ZL201210440728.7），该设备已批量生产，毛竹产区多车间实际应用，生产竹丝原料。 图6 原竹材疏解设备（专利号：CN201456160U）图7 新竹材疏解设备（专利号：ZL201210440728.7） 原竹丝疏解设备（图6）由一台15千瓦主机和5台7.5千瓦的附机联合组成，生产线长，占地面积约40平米，总动力为52.5千瓦。加工过程中单独去除竹青（或不去青）和竹黄，碾压碾搓成丝不完全，竹片纵向厚度不均匀难以疏解成丝束

22、；在不去青不去黄情况下，表面上竹材疏解利用率高达90%；竹丝加工过程中，竹青和竹黄沿着疏解辊进行若干次的疏解（竹壁较厚的竹材需要疏解56遍，中等厚度的竹材需要疏解67遍，竹壁较薄的竹材需要疏解89遍），疏解展平过程中，竹青或竹黄面必须朝向展平辊，展平时容易造成劈裂，竹节处容易压断，每疏解完一类别后对疏解辊的间隙进行调整，常出现卡机现象，需要使用人工，多次进行竹料翻动，才能进行正反疏解，用工多，劳动强度大，动力消耗大，效率也不高；由于竹束没有完全丝化，残留大量竹青竹黄，浸胶的过程中，胶粘剂难以充分地渗透到竹束及竹束纤维里面去，浸胶量达不到规定的要求，均匀性差，产品强度和质量不稳定，最终产品竹材资

23、源利用率约为6065%，效率低，生产成本高，制约着重组竹产业的快速发展。 竹材碾压疏解高效组合设备将竹材节、去青、去黄、点裂、疏解、展平等过程组合成一台机床，尺寸仅为317013201060mm，总动力为24kW，进给辊转数800转/分，疏解辊转数800转/分，加工宽度增加到100mm，疏解竹片原料能力大于800kg/h。与旧设备测试比较表明，占地面积由40平米降到10平米，总动力由52.5瓦变为24千瓦，降低60.38%，用工数由68人降为2人，碾压疏解竹丝能力由每小300400千提高到800900千克,竹材重组竹最终产品资源利用率由6065%，增加到75%以上，竹丝疏解完效果好，产品质量达

24、到国家标准。由于竹青剖篾、编织工艺用品价值更高，我们在竹材利用时发现如果竹青先剖篾，再疏解，最终产品竹材资源利用率可达90%以上，经济效益更好。综合评价本发明专利设备明显降低了重组竹生产成本，提高了资源利用率，经济效益显著。 4.2产品评价 本设备疏解竹丝竹束后，经过水热碳化处理、一次干燥、酚醛浸胶、二次干燥、冷压养生或热工艺流程，制造的重组竹产品。检测表明：重组竹密度范围为1.151.19g/cm3，静曲强度达131145MPa，弹性模量达1598216220MPa，吸水厚度膨胀率为7.567.75%，吸水宽度膨胀为1.852.05%；重组竹产品平均密度为1.17g/cm3，静曲强度平均为138MPa，弹性模量均值为16120MPa，吸水厚度膨胀率均值为7.6%，吸水宽度膨胀率均值为2.0%。产品性能远优于国家相关产品标准要求（GB/T 30364-2013）。 5结论 本新型竹材碾压疏解高效组合设备，将竹材去节、去青、去黄、点裂、疏解、展平等过程组合成一台机床，占地面积小（约10平米），一台设备一次性就可完成疏解；总动力为24千瓦，动消耗小，只需2人就可完成疏解工序，降低了劳动成本； 本设备一次疏解完成，可连续生产六小避免了原先六台组合设备需经过46 次疏解，占用劳