棉秆重组材是以棉秆为原料,经疏解、剥皮后得到轴向不断裂、横向松散而又交织相连的棉秆束,再通过干燥、施胶、铺装、热压等一系列工序后形成的一种新型人造板材。但是,采用人工操作的剥皮工序,严重制约了棉秆重组材加工的机械化水平。本文从棉秆的结构特点、力学特性着手,进行去皮的理论分析与试验研究,并以此为基础开发棉秆挤压揉搓疏解剥皮机,提高生产效率,促进生物质资源有效利用。本文的主要研究内容与结果如下:(1)疏解棉秆建模与力学特性测试。为了分析疏解棉秆在机械剥皮状态中的形态变化,探索剥皮机理,将疏解棉秆简化成由木质部与韧皮部构成的长方体复合材料,以棉秆中部为研究对象,根据横观各向同性材料的特性,采用径向压缩、轴向拉伸、三点弯曲试验与复合材料力学理论计算得到木质部与韧皮部力学模型的全部弹性参数。试验结果表明:径向弹性模量分别为118.07MPa、127.71MPa,轴向弹性模量分别为1921.36MPa、1964.53MPa,同性面泊松比均为0.3,同性面剪切模量分别为45.41MPa、49.12MPa,异性面弯剪模量分别为33.09MPa、29.66MPa,异性面泊松比分别小于0.0793、0.0839。(2)棉秆挤压剥皮剪切力学特性的试验研究。为了确定合理的机械剥皮方式,同时对剥皮机构的设计提供基础依据,在自制棉秆剥皮试验台上进行棉秆轴向、切向剥皮剪切强度试验。建立含水率、取样部位、垂直压力与剥皮剪切强度之间的回归模型,测定不同皮附着长度的剥皮剪切强度,并比较泡水软化棉秆与新鲜棉秆剥皮剪切强度的差异。试验结果表明:取样部位、垂直压力对轴向与切向剥皮剪切强度影响显著(P<0.01);含水率对轴向和切向剥皮剪切强度的影响不显著(P>0.05),3个因素间的交互作用均不显著(P>0.05);切向剥皮方式优于轴向剥皮方式;新鲜棉秆的剥皮剪切强度较小,收获后及时剥皮效果好。棉秆宜采用切向剥皮,即挤压揉搓的方式进行机械剥皮。(3)挤压揉搓机构的设计及动态仿真研究。为了使剥皮机构能够施加切向往复揉搓作用,开发曲沟球轴承,以此为核心构建挤压揉搓机构,实现上下作业辊对棉秆的径向挤压与摆动揉搓。对挤压揉搓机构在ADAMS中进行运动仿真,仿真结果表明:上作业辊与下作业辊的转速相同、旋转方向相反,且下作业辊在旋转的同时可进行往复直线运动,实现了设计意图。为了研究挤压揉搓机构对棉秆木质部与韧皮部的分离机制,在ANSYS Workbench中建立疏解棉秆与挤压揉搓机构的有限元模型,并利用LS—DYNA求解器进行显式动力学分析,对疏解棉秆的动态剥皮过程进行仿真,仿真结果表明:剥皮过程中木质部与韧皮部结合界面上的最大剪切应力为3.7207MPa,2者可实现较好的分离。(4)挤压揉搓机构的关键零件—曲沟球轴承的试制及承载能力分析。曲沟球轴承的性能对挤压揉搓机构的运行平稳度、揉搓行程的精准度以及作业过程中的可靠度等都具有决定性影响。为了探索曲沟球轴承的结构特点对其性能的影响,在外圈滚道上选取从峰顶至谷底的5个位置为研究对象,计算了不同加载力下,滚动体与外圈滚道在5个位置处的接触应力,得到滚动体与外圈之间的接触应力从峰顶到谷底逐渐减小、随着加载力的增大而增加的趋势。试制曲沟球轴承并在自制的试验台上进行温升特性与振动特性测试,试验表明:在轴向力和径向力为50~250 N范围,随着加载力增大,温升幅度增加,运转10 min后,曲沟球轴承基本达到了热平衡状态,温升曲线趋于平缓;轴向力的增大会引起曲沟球轴承振动的增大,径向力对振动的影响规律与轴向力相同,但是作用不显著,在40r/min~80r/min的范围内,转速的提高会导致振动迅速增大。(5)挤压揉搓疏解剥皮机作业性能的试验研究。为了得到最佳的剥皮作业效果,试制挤压揉搓机构,将其安装在现有的II代疏解机上,构成具有挤压揉搓功能的棉秆疏解剥皮机,对该设备进行性能测试。选取含水率、喂入量、压紧弹簧压力、剥皮辊转速4个参数作为试验因素,以棉秆剥皮率、宽度扩展率作为试验评价指标,采用响应面法获得影响因素与评价指标之间的回归模型,进行参数优化后得到本研究设计的挤压揉搓疏解剥皮机的最佳工作参数组合条件为:含水率93.88%、喂入量2 PCS、压紧弹簧压力160N、剥皮辊转速46.76 r/min,此时,剥皮率为81.77%,宽度扩展率为122.69%。