苎麻（Boehmeria nivea L.），又称为“中国草”，是一种源自中国的重要纤维植物[1]，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，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。对其茎秆进行剥制是获取苎麻纤维材料的必要环节，然而苎麻的高效剥制仍然是一个极具挑战的问题。传统的剥麻方法通常依赖于手工操作，劳动强度大且效率低下。随着劳动力老龄化等问题的出现，劳动力短缺已成为限制苎麻纤维产业发展的一个重要因素[2]。为了解决这一问题，研究人员对苎麻纤维剥制机械进行了探索，旨在保证苎麻剥制质量上提高苎麻纤维的剥离效率[3]。这些机械设备利用先进的工程原理和创新的剥离技术，为苎麻纤维机械化改进提供了新的突破点，但也存在着许多问题。因此，首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，梳理国内外苎麻机械的发展和研究过程，分析仿真技术在苎麻剥制机械中的应用，展望苎麻剥制机械发展趋势，探讨先进的参数优化方法在苎麻剥制机械改进优化中运用的可能性，将为苎麻剥制机械的研发提供重要参考。

1 苎麻茎秆力学性能研究现状

苎麻茎秆的形状呈圆柱形，其直径在不同生长阶段会发生变化。成熟的苎麻茎秆直径一般在8-12 mm之间，较细长柔软，表面光滑，并具有一定的韧性。

苎麻茎秆是由外至内依次由表皮层、韧皮纤维层、木质部和髓部组成的复杂结构。这些不同的组织层在力学性质上具有明显的差异。为了简化研究并便于分析，可以将苎麻茎秆看作由纤维韧皮层和木质部构成的空心圆柱体结构[4]。

为了更好地设计苎麻纤维剥制加工机械，学者对苎麻茎秆、木质部和韧皮纤维层的物理特性和机械力学特性参数进行了深入研究[5]。苏工兵等[6]的研究对苎麻茎秆的力学性能进行了细致分析。研究结果显示，苎麻茎秆的木质部与韧皮部在力学性能上存在明显差异，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，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。

在刘兆朋等[7]的研究中，使用成熟期苎麻底部茎秆作为材料，通过复合材料的微观力学研究方法，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，有助于全面了解苎麻茎秆的力学特性，为苎麻茎秆的剥制部件设计提供了重要的参考依据。

沈成等[8]的研究采用力学万能实验机，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。实验确定了中苎一号苎麻木质部的各项力学性能数据，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实验数据。

王加跃等[9]的研究利用自制夹具在力学万能实验机上对苎麻韧皮纤维进行了撕裂实验，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。实验结果显示，随着撕裂角度增大，苎麻韧皮纤维与麻骨间的撕裂力逐渐减小。相比于单侧反向撕裂，同一试样双侧反向撕裂的撕裂力约为其两倍。此外，不同部位的韧皮纤维在撕裂力方面存在约17%的变化幅度，节点处的撕裂力会显著增大。

徐鑫等[4]的研究，对苎麻茎秆、木质部和韧皮纤维层进行了力学性能测试。木质部和韧皮部展现了各自独特的力学性能参数，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，同异性面泊松比反映了不同平面上的形变关系。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，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。

Ntenga，R等[10]的研究针对于不同学者采用不同方法进行麻类纤维进行力学性能评价，所得结果差异很大的现象，选取320单根红麻纤维在4个速度水平、2个纤维水平和3个温度水平下进行实验，测得杨氏模量、拉伸强度和应力应变数据，使用威布尔和蒙特卡罗统计方法估计数据的分散度。结果表明，不同运动速度的离散度较低，随着实验温度上升，红麻的拉伸性能急剧下降。

马兰等[11]采用万能力学试验机对作饲料用时的不同品种的苎麻基部进行弯曲力测试，明确茎秆横截面积、重量、抗弯强度之间的关系。研究发现茎秆横截面积与重量之间存在显著正相关关系，相关系数为0.938。同时，在七个苎麻品种中，做饲料用时的抗弯强度呈现极显著差异，其中苎麻四川DB的抗弯强度最高，而苎麻G59的抗弯强度最低。该研究提供不同品种苎麻的弯曲强度，可为相关收获机械的设计提供借鉴。

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。通过对苎麻茎秆、木质部和韧皮纤维层进行力学性能测试，研究人员获得了苎麻在不同加载条件下的关键力学参数。这些参数包括抗弯弹性模量、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。这些数据结果为苎麻纤维剥制机具的设计提供了宝贵的参考和指导。

综上所述，苎麻力学性能实验为后续苎麻纤维剥制机具的设计提供了良好的指导和理论依据。这些实验数据和参数可以用于优化机具的结构设计，提高剥制效率和质量，并为苎麻材料的工程应用奠定坚实基础。

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，但早期并没有专门用于苎麻剥制的机具。1893年，法国人Ceron研制了第一台用于剥制剑麻纤维的Raspador剥麻机，后经改进用于苎麻剥麻。基于此基础，法、德、意、美日多国先后研制多种剥麻机。注册专利众多，但效果不甚理想[12]。

表1国外研制的动力剥麻机

Table.1 Power decorticating machine at abroad

|| ||

第二次世界大战期间，美国各州农业试验站开展苎麻动力剥麻机研究，成功研制出反拉式苎麻剥麻机，并在印度、菲律宾等国推广应用。典型机具有Baproma剥麻机、Plantec剥麻机（美国弗罗里达州农业试验站研制）和Plantec Senior300型剥麻机等。[13]

20世纪中叶，日本针对苎麻机械化剥制技术展开深入研究，并成功研制出多款苎麻剥麻机。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Cecoco S-50型、Cecoco 101型和Cecoco Raspador手工喂入剥麻机等。直至90年代，国际上苎麻种植面积逐年减少，日本与欧美等国结束苎麻相关自动化剥皮装置的研究。[14]

专利资料显示，SLYVAKOV V E[15]发明了一种用于提取麻类植物茎秆表皮纤维的设备，主要包含干燥室，压碎辊以及清洁装置三部分，在提取纤维的过程中避免了反复弯折，从而不损伤韧皮纤维，提升长纤维产量。

图1 麻类植物处理机

Fig.1 Processors for bast fiber crops

FULLER M[16]等人设计发明了一种麻类剥皮机，主要工作部件包含大小两种剥麻滚筒。其中，较小的剥麻滚筒打麻盘间距较小，用于初步处理茎叶折断麻骨，较大的剥麻滚筒打麻盘间距较大，用于配合剥制表皮纤维。通过多组滚筒之间的互相碾压喂料，共同完成剥皮工序，实现高效的剥麻作业。

图2 麻类剥皮机

Fig.2 Bast fiber crops barker

俄罗斯的ZHIVETIN V V[17]提出了一种设想，将亚麻纤维层的韧皮纤维纵向定向，对纤维层进行机械加工，使纤维缩短到预定长度,该设想用于提高纤维的功能质量，回收亚麻生产废料和更广泛的生产亚麻纤维。

PASHIN E L等[18]设计了一种麻类作物茎秆纤维分离机，包含水平输送机、破碎夹紧装置、破碎清理桶对和气动吸入系统。限制装置沿着破碎夹紧装置的边缘放置。每个破碎夹紧装置的背面都有一个防护罩，防止茎秆触碰破碎装置，消除茎秆缠绕问题，减小整体机器尺寸。PASHIN E L[19]随后在此机器上做出改进，通过一个杠杆装置切换滚筒的运动，模拟揉捏和压制工序，完成剥麻作业。改进后的机器简化了机器结构，降低了电机功率。

图3 麻类作物茎秆纤维分离机与其改进机型

Fig.3 Bast fiber crop stalk and fiber separating machine and its improved model

截至目前，中国苎麻产量超过全球的90%，国外苎麻相关生产机械研究基本处于停滞状态，未见国外有关苎麻剥制机械的最新进展。

2.2 国内研究现状

我国一直致力于苎麻剥制机械的研究，推动苎麻产业机械化生产。目前，我国已开发了50多种型号的苎麻剥制加工机具和设备，包括简易式刮麻器、人力反拉式剥麻机、直喂式剥麻机和横向喂入式剥麻机等。在研发过程中，研究人员不断改进和优化剥麻机械的设计，以提高剥麻质量和工作效率。他们关注机械的自动化程度和操作便捷性，致力于实现更高效、更稳定的苎麻剥制过程。通过不断创新和技术进步，我国在苎麻剥制机械领域取得了显著的成果。

表2 国内研制的剥麻机械

Table.2 Ramie decorticating machinery in China

|| ||

2.2.1 简易式刮麻器

自20世纪50年代开始，我国在苎麻加工领域进行了研究和改进，其中包括开发仿手工刮麻式苎麻剥麻机具。尽管简易刮麻器在调节间隙方面受到麻茎规格的限制，但其操作技术易于掌握，有效降低了劳动强度，成为苎麻生产中不可或缺的剥制工具。其中，沅江2号和72型刮麻器是典型的机型。

沅江2号刮麻器采用卧式单刀、脚踏结构，每次处理4-5片麻皮，通过夹紧麻皮并手工刮净梢部和基部的方式完成剥麻作业。该机具的原麻刮制效率为1-1.5 kg/h，鲜皮出麻率为12%-15%。这种刮麻器的设计使得操作相对简单，并且能够提高剥制效率，但其处理能力和出麻率相对有限[13]。

另一种典型的机型是72型刮麻器，它采用立式双刀型结构，并配备橡皮弹簧自紧刮麻装置，能够适应不同厚度的麻皮，并实现干净且色泽良好的刮制效果[20]。该机具的原麻刮制效率为1.5-2 kg/h，但其出麻率较高。具体而言，头麻、二麻和三麻的出麻率分别为12.64%、15.15%和13.60%。该刮麻器通过刀片结构和刮麻装置的改进，提高了剥制效率和麻皮质量。

注：Ａ-沅江２号刮麻器；１-木架；２-下刀片；３-圆条；４-上刀片；５-夹板；６-钢丝；７-弹片；８-挂麻杆；９-踏板。Ｂ-７２型刮麻器；１- 支杆；２-放皮架；３-竹棍；４-橡皮弹簧；５-立轴；６-圆条；７-动刀；８-定刀；９-支撑架。

Note: A-Yuanjiang No. 2 hemp scraper; 1- Wooden frame; 2- Lower blade; 3- Round bar; 4- Upper blade; 5- Splint; 6- steel wire; 7- Shrapnel; 8- Hanging hemp rod; 9- Pedal. B-72 type hemp scraper; 1- support rod; 2- Put leather rack; 3- Bamboo sticks; 4- Rubber spring; 5- Vertical axis; 6- Round bar; 7- Knife; 8- fixed knife; 9- Support frame.

图4 典型简易刮麻器

Fig.4 Typical simple scraper

总体而言，这些仿手工刮麻式苎麻剥麻机具在我国苎麻加工中起到了重要的作用。它们通过简便的操作方式提供相对较高的剥制效率，提高了苎麻生产的效率和质量。然而，这些机具的处理能力和出麻率仍有待提高，需要进一步改进和创新。此外，随着苎麻产业的发展和市场需求的变化，需要研发更先进、高效的剥麻机具，以满足苎麻加工的要求。

2.2.2 人力反拉式苎麻剥麻机

人力反拉式苎麻剥麻机是一种动力剥麻机，是当前市场上数量最多的机型之一[21]。其工作过程为操作人员手持苎麻茎秆一端进行喂入，完成一次剥麻作业后，操作人员将苎麻茎秆从机器中反向抽出，并将茎秆换向另一端进行加工。人力反拉式苎麻剥麻机主要分为单滚筒和双滚筒两种形式，主要区别在于剥麻装置的滚筒数量。单滚筒反拉式苎麻剥麻机的剥麻装置只有一个剥麻滚筒，而双滚筒反拉式苎麻剥麻机则具有两个剥麻滚筒[22]。

典型的单滚筒反拉式剥麻机是由中国农业科学院麻类研究所研制的6BZ-400型剥麻机。该剥麻机的工作流程是，人工将苎麻鲜茎喂入剥麻滚筒中，高速旋转的滚筒将苎麻茎秆与苎麻纤维打碎分离，并通过滚筒打板的作用将其抛出机外，得到洁净的原麻[23]。该机具有较高的剥麻工效，鲜茎出麻率为5.34%，原麻含胶率为24.21%，原麻含杂率为0.43%。此外，原麻的外观品质可达到一等一级原麻的标准。该机型的后续改进机型[24]，采用整机动力部分与剥麻部分可快速组合拆卸的设计，便于山地丘陵作业。此外，湖北省阳新县研制的59-121型剥麻机、湖南省南县八百弓农机厂研制的6BM-40A型剥麻机和江西工业大学（现南昌大学）研制的BM-C型剥麻机也曾小规模推广用于生产[25]。

典型的双滚筒反拉式剥麻机有上海松江张泽机械厂研制的ZB-1型剥麻机、四川省鑫农科技有限公司研制的CD-2型剥麻机、重庆市涪陵区农业局研制的FL-235型剥麻机和中国农业科学院麻类研究所研制的4BM-260型剥麻机。其中广泛用于生产的是中国农业科学院麻类研究所研制的4BM-260型双滚筒反拉式剥麻机和四川省鑫农科技有限公司研制的CD-2型剥麻机。4BM-260型剥麻机具有结构简单、剥麻质量较好的特点[26]。尽管相较于纯人工作业，双滚筒反拉式剥麻机可以提高3-5倍的工效，但其机械化程度较低，需要人力进行反拉操作，具有劳动强度大、工作效率较低的缺点，并且存在手部受伤等安全隐患。CD-2型剥麻机较一般剥麻机的独特之处在于既可用于处理麻皮，也可处理麻秆。体积小，重量为45Kg，适用于田间作业，可单人作业或多人同时作业。单人作业一般产量可达到6-7.5Kg/h，多人同时作业产量可达11.5-14Kg/h，洁净度可达97%以上[27]。双滚筒反拉式剥麻机相较于单滚筒式剥麻机具有较高的鲜茎出麻率，同时也具有能耗较低和纤维损伤较少的优点，但也存在纤维含杂率和含胶率较高的缺陷。

|| ||

图5 人力反拉式剥麻机

Fig.5 Manual pull-back ramie decorticators

2.2.3 直喂式苎麻剥麻机

直喂式苎麻剥麻机是一种多滚筒全自动直喂式剥麻机，由喂料装置、剥麻滚筒、纤维输出装置、动力及传动装置和机架等组成[28]。该机型通过调节底刀片距离实现对不同直径苎麻的刮麻功能，具有操作简单、劳动强度低、生产效率高的特点。剥麻滚筒的数量根据不同类型的剥麻机而异，一般为3至6对滚筒。在剥麻过程中，茎秆经喂入装置进入剥麻滚筒，在喂入辊的夹持输送过程中实现茎秆的碾碎和皮骨分离。多对剥麻滚筒的转速依次增大，使茎秆向后输送并进行刮打和梳理，最终得到剥制好的纤维。该类机型实现了连续喂入，操作简单，劳动强度低，相较于人力反拉式剥麻机，剥麻工效更高。

图6 典型直喂式剥麻机

Fig.6 Typical direct feeding ramie decorticator

然而，由于苎麻纤维较长且含胶率高，直喂式剥麻机在剥麻过程中容易发生滚筒缠麻现象。剥麻质量的稳定性受到茎秆长度和滚筒转速的影响，剥麻工效也有所限制。目前的直喂式剥麻机主要包括中国农业科学院麻类研究所研制的一次喂入式剥麻机[29]、华中农业大学研制的JBM-100型剥麻机[30]以及重庆市涪陵区农机局和农业局联合研制的FL-KB型复刮式剥麻机等。

这些直喂式剥麻机在剥麻过程中通过多滚筒的协同作用，有效提高了剥麻的工效，并实现了连续喂入的操作方式。然而，直喂式剥麻机所剥麻纤维含有较多麻骨，需要进一步清理麻骨，才能达到相关标准要求；而且滚筒缠麻现象仍然是直喂式剥麻机面临的挑战之一，需要通过进一步的技术改进和优化来解决。此外，还应考虑剥麻质量的稳定性和能耗的控制，以满足苎麻加工领域的需求，并提高剥麻工艺的可持续发展。

2.2.4 横向喂入式苎麻剥麻机

横向喂入式剥麻机是一种新型的剥麻机器[31]，基于人力反拉式剥麻机发展而来。该机型采用机械夹持输送替代人手反拉，一般由喂入装置、夹持输送装置、剥麻装置、纤维输出装置、动力及传动装置和机架等组成。夹持输送装置常见的类型有链条式、齿轮齿条式、橡胶带式和绳带式等。剥麻装置分为单滚筒式和双滚筒式，通常设计有两套剥麻装置。横向喂入式剥麻机实现了苎麻连续喂料，操作简单，剥麻质量稳定。它解决了人力反拉式剥麻机劳动强度大、安全性能差的问题，同时克服了直喂式剥麻机滚筒缠麻和基部剥麻不净等缺点，具有较高的剥麻工效。然而，该技术仍存在纤维夹持困难和装置大型化等技术难点。

|| ||

目前存在的横向喂入式剥麻机主要包括中国农业科学院麻类研究所研制的大型横向喂入式苎麻剥麻机[32]、连续夹持输送式剥麻机[33]以及湖北省咸宁市农业科学院农机研究所研制的6TM160型横喂式双向自动苎麻三脱机[34]。横喂式双向自动苎麻三脱机的结构包括喂麻装置、机械手、夹持与输送机构、两套三脱机构、托收机构、液压系统、动力及传动机构、控制系统和机架等。该机利用折、刮、挤的工作原理实现苎麻茎秆的纤维、麻骨和胶质的三脱过程。作业过程中，叶片滚筒相互啮合反向对辊式旋转，折刮去茎秆的表皮、麻骨和部分胶质，而挤压光滚则安装在入口和出口处并对辊式旋转，起到进一步分离纤维与麻骨以及挤压出纤维内胶质的作用。

上述横向喂入式苎麻剥制机械的工作原理基本相同，是苎麻茎秆前进方向与剥麻滚筒旋转方向垂直或有一定的夹角，通过剥麻滚筒对苎麻纤维的摩擦击打作业实现苎麻纤维的分离工序，但采用夹持输送链的形式、类型和结构形式等不尽相同，都可以实现剥麻作业，但是存在纤维损失率过大，或麻骨去除不干净的情况，需要进一步改进完善。

2.2.5螺旋式苎麻剥麻机

发明专利一种用于处理苎麻茎秆的分离设备[46]，创新性的采用螺旋碾压部件，与滚筒分离部件相结合进行苎麻剥制，还兼顾苎麻作物多用途利用，有望成为一种新型苎麻剥麻机，但未见生产样机。

图9苎麻茎秆螺旋式分离设备示意图

Fig.9 Schematic diagram of ramie stalk spiral separation equipment

3 麻类作物相关机械设备仿真研究现状

苎麻剥麻机的仿真研究主要涉及以下方面：机械结构建模和运动学仿真、力学特性分析、苎麻茎秆与机械的相互作用模拟等。首先，通过CAD软件对苎麻剥麻机的机械结构进行三维建模，包括各个部件的几何形状、尺寸和组装关系。这样可以在计算机环境中准确地重现剥麻机的实际结构。然后，利用运动学仿真软件（如SolidWorks）对机械运动进行模拟和分析，包括剥麻滚筒的旋转、传动装置的运动等。通过运动学仿真，可以了解机械各部件之间的相对运动关系、运动速度和加速度等参数。

其次，研究人员利用有限元分析软件（如ANSYS、ABAQUS）对苎麻剥麻机的力学特性进行模拟和分析。有限元分析可以通过将机械结构离散为有限个小单元，利用数值方法计算这些单元的应力、应变和变形等力学参数。通过力学特性分析，可以评估剥麻机在不同工作负荷下的受力情况、变形情况以及可能存在的强度和刚度问题。

此外，研究人员还可以使用多体动力学仿真软件（如ADAMS）对苎麻茎秆与剥麻机之间的相互作用进行模拟和分析。这种仿真可以考虑茎秆在剥麻过程中的弯曲、挤压、摩擦等因素，预测茎秆与机械接触的力学行为和力学特性。

通过这些仿真研究，研究人员可以深入理解苎麻剥麻机的工作原理、性能特性和机械与苎麻茎秆之间的相互作用，为剥麻机的设计、改进和优化提供理论指导和技术支持。仿真研究可以减少实验试错成本，提高设计效率，为苎麻剥麻机的性能和效率提升提供重要参考。

易春峰等[35]研究人员使用ANSYS软件进行了剑麻纤维的有限元模拟。为了简化模型，研究人员将剑麻纤维的随机分层简化为规则的分层排列，并将纤维宽度的差异简化为一致宽度的策略。通过这种简化，将剑麻的三维模型转化为了二维平面模型。在模拟中，研究人员计算了模型的刚度和内部应力，并将结果与实际情况进行了对比。这项研究为剑麻纤维的力学特性提供了重要的理论分析和仿真模拟方法。通过模拟研究，研究人员可以深入了解剑麻纤维的力学行为，为剑麻纤维材料的设计和应用提供科学依据和指导。同时，采用ANSYS软件进行仿真分析还为其他纤维材料的力学研究提供了有益的参考和方法。

晏科满等[36]进行了关于苎麻茎秆复合材料在低速冲击载荷下的分层研究。研究人员利用ABAQUS有限元软件对双层材料分层过程进行了模拟分析。研究的重点是探究韧皮纤维层与基体木质部在冲击载荷作用下的开裂和分层行为，并得到了各层材料的应力、位移云图和应变能分布曲线，如图10所示。为了模拟分层过程，研究中将苎麻茎秆的韧皮纤维层和木质部简化为复合材料层合板模型。通过对应力、位移和应变能等参数的分析，研究人员能够深入理解苎麻茎秆复合材料在冲击载荷下的响应和行为。模拟结果的准确性与实验结果的一致性验证了该研究的可靠性和有效性。这项研究为苎麻茎秆复合材料在冲击载荷下的分层行为提供了重要的理论分析和模拟方法。通过对复合材料层合板模型的建立和模拟分析，研究人员可以更好地理解和预测苎麻茎秆复合材料在实际工程中的性能和响应。同时，采用ABAQUS有限元软件进行模拟分析还为其他复合材料的研究提供了有益的参考和方法。

图10 苎麻茎秆试样冲击总体位移图

Fig.10 Overall impact displacement diagram of ramie stalk sample

邹舒畅等[37]的研究聚焦于收获期的苎麻茎秆，采用实验测试、力学建模和离散元模拟相结合的方法来研究苎麻茎秆的界面力学性能。首先，通过实验测试获得了必要的数据。其次，建立了苎麻茎秆韧皮部和木质部的离散元颗粒模型（如图11所示）。随后，利用EDEM软件进行了模拟分析，关注不同结构参数对苎麻茎秆剥离过程的潜在影响。与此同时，进行了苎麻茎秆分离的实验，以验证所优化参数的可靠性。结合实验和模拟分析，全面探究了苎麻茎秆的剥离特性及其相关影响因素。邹舒畅[38]的研究还涉及现有剥麻机的关键机构—辊齿结构。通过分析苎麻茎秆与辊齿结构之间的相互作用，建立了茎秆折断分离的动力学模型，并推导出辊齿转速、剥麻辊齿数和啮合深度等因素与茎秆分离力之间的关系表达式。利用EDEM软件建立的离散元模型，采用虚拟模型作为仿真平台，以脱骨量和剩皮量作为评价标准，运用正交实验方法对辊齿结构的参数与茎秆分离效果进行了仿真实验分析。最佳参数组合根据正交实验结果，并进行了台架验证实验。这项研究为苎麻茎秆分离机理提供了一种新的研究方法，并为研发新型苎麻茎秆分离机械设备提供了理论依据。邹舒畅的工作通过实验和仿真分析，对剥麻过程中的关键因素和参数进行了优化，提高了分离效率，为苎麻茎秆的工业化生产提供了重要的参考。

图11 苎麻茎秆实物及其离散元模型

Fig.11 Ramie stalk and its discrete element model

周杨等[39]使用ANSYS软件对工业大麻收获机械的切割器进行了网格划分（如图12所示），并进行了切割分析，通过模拟圆盘切割装置割断工业大麻的过程中力的变化以及切割效果，深入研究了工业大麻在切割过程中的割断规律。这项研究的结果可以为工业大麻收获机械的设计和改进提供重要的参考。通过深入了解工业大麻在切割过程中的割断规律，研究人员可以优化切割装置的设计，提高切割效率和质量，从而提升工业大麻的收获效果和生产效率。所采用的研究方法，可为苎麻剥麻机械的研究提供参考。

图12 工业大麻圆盘切割器网格划分

Fig.12 Industrial hemp disc cutter grid division

朱炯光等[40]进行了对偏心夹麻装置内部一对啮合齿轮的动力学分析，并使用ANSYS软件对上下夹麻辊进行了有限元分析（如图13所示）。有限元分析可以模拟上下夹麻辊在夹紧苎麻条时的形变情况。通过验证形变量是否符合设计要求，朱炯光可以确定夹麻辊的结构和材料是否满足使用要求，从而确保夹麻装置对苎麻条的夹紧效果和稳定性。

图13 偏心夹麻辊总形变图

Fig.13 Total deformation diagram of eccentric pinch roller

蒲应俊等[41]研究人员对苎麻茎秆的剥打过程进行了研究（如图14所示），并建立了相应的仿真模型。研究人员采用了ANSYS/LS-DYNA模块进行了剥麻过程的单因素仿真实验，并利用Box-Behnken实验设计方法进行了三因素三水平的正交实验。通过方差分析和响应面分析，确定了反拉式换位夹持苎麻剥麻机的最佳工作参数。通过仿真实验和分析，能够评估剥麻机的工作参数对苎麻茎秆剥打效果的影响。

1-上剥麻滚筒 2-下剥麻滚筒 3-苎麻茎秆 4-韧皮部 5-木质部

图14 剥麻滚筒与苎麻茎秆剥打模型示意图

Fig.14 Sketch of ramie stripping cylinder and ramie stalk stripping model

这项研究为苎麻茎秆分离机理提供了一种新的研究方法，通过仿真模型和实验分析，揭示了剥麻机在剥打过程中的关键参数和优化方案。这为研制新型苎麻茎秆分离机械设备提供了重要的理论依据，有助于提高苎麻的加工效率和质量。

Sadek Mohammad等[42]的研究在工业大麻上进行了直接剪切实验（如图15所示），测得其内聚力、内摩擦力与屈服强度，并使用PFC3D构建了离散元模型。在不同的载荷下进行模拟实验，并使用直接测量值对模型结果进行校准。结果表明，模拟情况与实际情况大体一致，该离散元模型模拟效果较好。该研究可供模拟苎麻剥制过程借鉴。

图15 虚拟剪切实验示意图

Fig.15 Virtual shear experiment diagram

麻类作物茎秆模型的正确建立，对后续仿真麻类作物加工处理过程非常重要，有学者研究建立了工业大麻茎秆模型，所采用的方法可为苎麻茎秆模型的建立提供有价值的信息。如Liu Xueqiang等[43]根据工业大麻剥皮辊的几何尺寸与形状，建立了剥皮辊的三维模型与工业大麻空心圆柱体几何模型。使用ANSYS软件分析该模型在横向均匀载荷分布作用下的应力应变分布（如图16所示），建立了工业大麻剥皮辊与工业大麻茎秆的动态仿真模型。

图16 工业大麻茎秆截面示意图与受力示意图

Fig.16 Schematic diagram of stem section and force of industrial hemp

此外，Liu Xueqiang等[44]利用LS-PREPOST函数对不同辊速下大麻茎秆的最大等效应力分布进行了拟合。使用ANSYS软件分析了在横向均匀分布载荷作用下大麻茎秆的应力应变分布。结果表明，工业大麻剥麻质量在很大程度上取决于剥皮辊的转速和喂料口进料速度，同时还应考虑韧皮纤维的破坏程度、茎秆的成熟度和含水量，以及力学性能和几何尺寸带来的差异。

而Del Masto, A等[45]使用有限元法研究了工业大麻纤维横截面形状与其拉伸性能之间的关系。依照纤维实际横截面形状，建立椭圆形状的截面有限元模型（如图17所示），在此基础上进行拉伸性能模拟实验。实验结果表明，工业大麻纤维的拉伸性能受到纤维截面椭圆度的直接影响，一种可能的原因是椭圆形横截面产生了高度不均匀的局部应力。上述研究表明采用有限元法建立麻类作物茎秆模型是可行的，并可以进行作物茎秆相关的力学特性分析，以及茎秆与机械的相互作用过程仿真研究。

(a)规则截面模型 (b)不规则截面模型

图17 简化的工业大麻纤维截面模型

Fig.17 Simplified cross-section model of industrial hemp fiber

4 苎麻剥麻机械存在的问题与发展趋势

4.1存在的问题

现存的苎麻剥制机械虽然有着减少劳动强度、提高苎麻剥制效率及帮助苎麻剥制产业化、规模化发展等诸多优点，但也存在一些不可避免的缺点。1.人力反拉式苎麻剥麻机作业过程中，滚筒带动苎麻剥离时产生的拉力容易牵引操作员将手带入机器内部，造成潜在的安全隐患；2.直喂式苎麻剥麻机作业过程中，由于关键部件(剥麻滚筒)运转方向与苎麻茎秆喂入方向一致，容易发生茎秆缠绕的问题，需要停机作业清理茎秆，影响机械工作效率。3.横向喂入式剥麻机械，存在纤维损失率过大，或纤维含杂率高的问题。如何从另外一个角度解决上述不同剥麻形式造成的问题，解析苎麻剥制难题，是麻类机械科研人员所面临的现状。

4.2发展趋势

1.苎麻剥麻机械的发展正朝着自动化和智能化方向迈进。自动化技术的应用可以实现苎麻的连续喂料和剥麻过程，从而减少了人工操作的需求，提高了工作效率和剥麻质量。同时，智能化技术的发展使得剥麻机能够通过传感器和控制系统实时监测和调节工作状态，提高了机器的自适应性和智能化程度[47]。

2.仿真技术将在苎麻剥麻机优化设计和改进中得到广泛应用。为了进一步提升苎麻剥麻机械的性能，优化设计和改进成为研究的重点。在这方面，仿真技术的应用起到了关键作用，可以深入理解剥麻机的工作原理和性能特性，并通过优化设计和改进机械的结构和运动来提高性能[48]。通过仿真分析，研究人员能够评估剥麻机的刚度、应力分布和变形情况，进而优化结构参数和工作参数，以提高剥麻效率和剥麻质量，同时降低能耗和纤维损伤，并增强机器的安全性能。

材料力学仿真在苎麻剥麻机械的研究中也扮演着重要角色。通过材料力学仿真，可以模拟苎麻茎秆的剥麻过程和纤维分离过程。常用的有限元分析等仿真方法能够评估剥麻机的刚度、应力分布和变形情况，从而优化剥麻机的结构参数和工作参数。此外，通过对苎麻茎秆力学性能的仿真研究，研究人员可以更好地理解剥麻过程中纤维与麻骨的相互作用，从而优化剥麻机的工作方式和剥麻装置。

另一个重要的发展方向是多物理场仿真的应用。苎麻剥麻机械的仿真研究可以结合流体力学、热传导和颗粒动力学等多物理场仿真，综合考虑茎秆的切割、皮骨分离、纤维打碎和排出等过程，进一步优化剥麻机的设计和工艺参数。

3.随着大数据和机器学习的快速发展，数据驱动的优化方法[49]将在苎麻剥麻机械研究中展现潜力。通过收集和分析剥麻机的工作数据和实验数据，可以建立模型和算法来优化剥麻机的工作参数和剥麻过程，从而提高剥麻效率和剥麻质量。

综上所述，苎麻剥麻机械的研究将朝着自动化、智能化、仿真技术和数据驱动的方向发展。通过多种技术方法和手段在苎麻剥麻研究方面的应用，可以深入了解剥麻机的工作原理和性能特性，为剥麻机的设计、改进和优化提供理论指导和技术支持。

参考文献：

[1] 陶爱芬,祁建民,林荔辉等.中国主要麻类作物的起源与演化概述[J].中国麻业科学，2016,38 (03):136-142.

[1] 汪波,彭定祥.苎麻产业现有问题的若干思考[J].中国麻业科学,2007(S2):393-395+403.

[2] 吕江南,龙超海,何宏彬等.苎麻动力剥麻机的研究与应用[J].中国麻业科学,2008(05):261-267.

[3] 徐鑫,郭克君,谭新建等.苎麻茎秆的力学性能研究[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2018,44(04):447-452.

[4] 向伟,马兰,刘佳杰等.我国苎麻纤维剥制加工技术及装备研究进展[J].中国农业科技导报,2019,21(11):59-69.

[5] 苏工兵,刘俭英,王树才等.苎麻茎秆木质部力学性能试验[J].农业机械学报,2007(05):62-65.

[6] 刘兆朋,谢方平,吴明亮等.苎麻成熟期底部茎秆的机械物理特性参数研究[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2011,37(03):329-332.

[7] 沈成,陈巧敏,李显旺等.苎麻茎秆轴向压缩力学试验与分析[J].浙江农业学报,2016,28(04): 688-692.

[8] 王加跃,吴明亮,吕江南等.苎麻韧皮纤维撕裂力的试验研究[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2017,43(05):565-569.

[9] NTENGA, SAÏDJO, BEDA, et al.Estimation of the Effects of the Cross-Head Speed and Temperature on the Mechanical Strength of Kenaf Bast Fibers Using Weibull and Monte-Carlo Statistics[J/OL].Fibers, 2019, 7(10): 89.

[10] 马兰,刘佳杰,向伟等.饲用苎麻基部茎秆弯曲特性测试[J].中国麻业科学,2022,44(02):80-87.

[11] Tara Sen, H.N.Jagannatha Reddy.Various Industrial Applications of Hemp, Kinaf, Flax and Ramie Natural Fibres[J].International Journal of Innovation, Management and Technology, 2011, 2 (3) :192-198.

[12] 王绍文,宋贻则.麻类作物生产机械[M].北京:中国农业出版社,1997:7-8.

[13] 向伟,马兰,刘佳杰等.苎麻剥制加工技术与装备研究进展[J].中国麻业科学,2019,41(01):24-35.

[14] Slyvakov V E. Machine for treatment of bast fibre plant stems removes woody matter by gentle compressive action, thus preserving long fibre content: BE882611-A. [P].1980-10-03.

[15] Fuller M, Chen L, Pote J. Decortication machine for bast fibre removal: US5465464-A. [P].1995-11-14.

[16] Zhivetin V V, Ryzhov A I, Ginzburg L N. Method for producing modified flax fiber involves lengthwise orienting bast fibers of fibrous layer, splitting fiber of fibrous layer by machining to shorten fiber to predetermined length and allows fibers of uniform length to be produced: RU2153541-C1. [P]. 2000-07-27.

[17] Pashin e L, Bezbabchenko A V, Boyko S V. Breaking-and-scutching machine for separating of fiber from treated bast-fiber crop stems: RUS. RU2282686-C1. [P]. 2006-08-27.

[18] Pashin e L, Polyanskii Yu B. Breaking-scutching machine to extract fibre from bast stock stems: RU2324022-C1. [P]. 2008-05-10.

[19] 湖北省蒲圻县科委.72型苎麻刮麻器[J].农业机械资料,1976,No.46,No.47(Z1):25-26.

[20] 龙超海.我国苎麻剥制加工机械的研究现状与发展[J].中国麻业,2006(04):200-203.

[21] 颜波,马兰,刘佳杰等.苎麻纤维机械化生产技术及装备研究进展[J].中国麻业科学,2021,43(05):260-271.

[22] 刘开群,陈迪宗,彭爱华.6BZ—400型苎麻剥麻机[J].农业科技通讯,1980(09):34.

[23] 颜波,马兰,刘佳杰等.凹板式山地剥麻机设计与试验[J].中国农机化学报,2022,43(09):17-23+87.

[24] 齐延璟.BM—C型苎麻剥麻机的研制[J].江西农业科技,1987,(12):29-31.

[25] 龙超海,吕江南,马兰等.4BM-260型苎麻剥麻机的研制[J].中国麻业科学,2011,33(02):76-80.

[26] 王喆.龙太郎CD-2型全浮式打击轮式剥麻机[J].农家顾问,2009,(05):52.

[27] 苎麻直喂式动力剥麻机中试与示范.湖北省,华中农业大学, 2005,01.

[28] 吕江南,龙超海,何宏彬.一次喂入式苎麻剥麻机剥麻工作部件研究初报[J].中国麻作,1998(03): 30-32.

[29] 肖成.JBM-100苎麻直喂式动力剥麻机[J].农家顾问,2007(01):48.

[30] XIANG W, YAN B, DUAN Y, et al. Design and Parameter Optimization of Transverse-Feed Ramie Decorticator[J]. Agriculture, 2023, 13(6): 1175

[31] 吕江南,龙超海,赵举等.横向喂入式苎麻剥麻机的设计与试验[J].农业工程学报, 2013,29(16): 16-21.

[32] 向伟,马兰,刘佳杰等.连续夹持输送式苎麻剥麻机研制[J].农业工程学报,2021,37(01):19-27.

[33] 饶正良, 横喂式双向自动苎麻三脱机的研制. 湖北省,咸宁市农业科学院,2014-10-27.

[34] 易春峰,王坤,潘云等.剑麻纤维强化复合材料计算机仿真研究方法的探索[J].中南林业科技大学学报,2012,32(07):128-132.

[35] 晏科满.冲击载荷下的苎麻茎秆分离试验与仿真[D].武汉:武汉纺织大学,2015.

[36] 邹舒畅.基于离散元法的苎麻茎秆分离数值模拟与试验研究[D]. 武汉:武汉纺织大学,2017.

[37] 邹舒畅,苏工兵,邵运果.基于离散元法的苎麻茎秆分离装置仿真优化与试验[J].中国农机化学报,2017,38(01):60-67.

[38] 周杨. 工业大麻圆盘切割装置的设计与试验研究[D].北京:中国农业科学院,2017.

[39] 朱炯光,郭克君,满大为等.偏心夹麻装置的设计与仿真[J].林业机械与木工设备，2019,47(12): 26-29.

[40] 蒲应俊,柳艺,杨明金等.自动反拉式换位夹持苎麻剥麻机设计与参数优化[J].农业工程学报,2023, 39(09): 44-54.

[41] M. A. SADEK, Y. CHEN, C. LAGUË, et al. Characterization of the Shear Properties of Hemp Fiber and Core Using the Discrete Element Method[J]. Transactions of the ASABE, 2011, 54(6): 2279-2285.

[42] LIU X Q, ZHANG J C, YANG H, et al. Mechanical Model and Finite-Element Simulation Analysis of Hemp Stalk[J/OL]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 275-277: 56-59.

[43] LIU X Q, ZHANG J C, ZHANG H, et al. Dynamic Load Simulation Analysis of Hemp Stalk[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 303-306: 2724-2726.

[44] DEL MASTO A, TRIVAUDEY F, GUICHERET-RETEL V, et al. Nonlinear tensile behaviour of elementary hemp fibres: a numerical investigation of the relationships between 3D geometry and tensile behaviour[J]. Journal of Materials Science, 2017, 52(11): 6591-6610.

[45] 中国农业科学院麻类研究所.用于处理苎麻茎秆的分离设备[P].中国. CN103820865B.2016-01-20.

[46] 刘振广.提升农机智能化水平助推智慧农业发展[J].南方农机,2023,54(12):188-190.

[47] 莫中凯.智能制造环境下智慧农机数控加工和仿真一体化研究[J].农机化研究，2022，44(7):133-137.

[48] 秦传俭,刘统池,李凯.大数据时代智慧农机的推广与应用[J].河北农机,2023(06):55-57.