關(guān)于我國甘蔗剝葉機器的發(fā)展狀況的論文
1我國發(fā)展現狀
我國生產(chǎn)的剝葉機或剝葉裝置的剝葉原理一般采用離心撞擊摩擦式。主要機型有云馬漢升的HS260整稈式甘蔗收割機、廣西來(lái)賓市農業(yè)機械化技術(shù)推廣站研制的6BZ－1型和華南農業(yè)大學(xué)研制的4ZBQ－9型等。
1．1離心撞擊摩擦式剝葉機原理
離心撞擊摩擦式剝葉機主要由輸入輥、第1級剝葉輥、第2級剝葉輥和輸出輥構成。工作時(shí)，剝葉輥筒高速旋轉，安裝在剝葉輥筒上的剝葉元件對甘蔗進(jìn)行打擊、擠壓和摩擦，從而使蔗葉脫落。前期的研究發(fā)現，剝葉過(guò)程有3個(gè)階段組成:接觸壓緊階段、彎曲變形階段和滑出剝葉階段我國糖廠(chǎng)對甘蔗收獲質(zhì)量的要求較為苛刻。根據GB/T10498－89標準規定，甘蔗扣雜范圍(包括葉梢、須根、梢頭和泥沙等)夾雜物不可以超過(guò)0．8%。這就要求剝葉機做到盡可能降低未剝凈率，提高蔗莖合格率。影響剝葉機剝葉效果的因素主要有剝葉元件的裝夾方式、剝葉輥轉速、上下剝葉元件的交錯深度和剝葉元件的排數等。近年來(lái)，國內一些高校和科研院所都對此進(jìn)行了大量試驗研究，主要通過(guò)數理統計分析、數學(xué)建模和計算機優(yōu)化的方法，探討影響因素與剝葉效果之間的關(guān)系，取得了一定的成果。
1．2剝葉元件材料及裝夾方式對剝葉質(zhì)量的影響剝
葉元件是甘蔗剝葉機的核心部件，它對蔗莖的打擊力直接影響著(zhù)剝葉效果，而其根部的應力也決定著(zhù)剝葉元件的工作壽命。在保證剝葉元件對蔗莖有足夠打擊力的前提下，應盡量減少剝葉元件根部的應力，延長(cháng)其工作壽命。首先，對剝葉元件的材質(zhì)有一定的要求，目前常用的材質(zhì)有鋼絲繩或膠指。前期研究表明，鋼絲繩剝葉元件韌性較差，對甘蔗損傷較大，且易產(chǎn)生疲勞斷裂。膠指材料較柔軟，甘蔗損傷程度低，但元件極易磨損。兩種材料都難以解決剝葉效果和剝葉元件工作壽命之間的矛盾，而高分子材料具有優(yōu)良的強度、韌性和耐磨性。疲勞試驗證明，在相同的工況下，高分子材料剝葉元件的疲勞壽命比鋼絲繩剝葉元件提高了近40%，比膠指材料剝葉元件提高了近30%。因此，選用高分子材料作為剝葉元件是合適的。2001年，廣西大學(xué)蘇文桂等人通過(guò)試驗對比分析和優(yōu)化，采用了如下方案:剝葉元件與剝葉輥筒裝夾螺旋角為30°，每組12排剝葉元件。該方案證明，非直線(xiàn)型剝葉元件排列方式能提高甘蔗剝葉機剝葉效果。除了裝夾螺旋角，剝葉元件前角也能對剝葉效果產(chǎn)生影響。2003年，廣西大學(xué)蒙艷玫等人采用數值模擬正交試驗方法分析得出:在其他條件一定的情況下(即剝葉元件長(cháng)度為125mm，裝夾螺旋角為20°，裝夾排數為3，交錯深度4mm)，前角是對應力影響最大的因素。負的前角能夠有效減小剝葉元件根部應力，但剝葉效果較差;而前角取正值時(shí)，根部應力過(guò)大，元件很容易折斷。綜合考慮，前角取0°［7］。
1．3剝葉輥轉速及剝葉元件交錯深度對剝葉效果的影響
剝葉輥轉速直接影響到剝葉效果、剝葉效率及剝葉元件的壽命。根據經(jīng)驗，剝葉機工作時(shí)，當剝葉元件相對于蔗莖達到15m/s左右的線(xiàn)速度時(shí)，才能取得較好的剝葉效果。這就需要剝葉輥筒達到一定的轉速。根據不同的剝葉輥筒直徑和剝葉元件長(cháng)度，剝葉輥筒的轉速范圍選擇也不同。有試驗研究表明，剝葉機工作速度對剝葉元件根部應力和打擊力的影響不大，但速度提高后剝葉元件打擊甘蔗的次數增多，有利于蔗葉的分離;而速度太高時(shí)，也會(huì )損傷甘蔗，縮短剝葉元件壽命。2009年，廣西大學(xué)楊堅教授等人以彎直蔗為研究對象，對剝葉元件交錯深度、剝葉輥筒轉速、輸入輥距離和輸出輥轉速等4個(gè)因素進(jìn)行室內模擬剝葉試驗，研究了各因素及交互作用對剝葉質(zhì)量的影響規律和機理，并優(yōu)化了影響因素。直蔗含雜率和折斷率分別為0～0．78%和0～8．43%，彎蔗含雜率和折斷率分別為0～0．5和0～18%。大量試驗研究表明，交錯深度對剝葉效果及剝葉元件壽命影響顯著(zhù)。在不同的機型及試驗條件下，最佳的交錯深度是不同的`。交錯深度過(guò)大，雖然有利于蔗葉的分離，但容易對甘蔗造成損傷，且消耗不必要的功率;交錯深度過(guò)小，則易造成剝葉不凈。試驗表明，由于多根喂入和帶尾部剝葉，常會(huì )造成剝葉機壅堵、卡死、含雜率和折斷率高的問(wèn)題。針對防堵問(wèn)題，廣西大學(xué)李立新等人采用螺旋傳動(dòng)原理設計了小型甘蔗收獲機物流防堵機構，并運用動(dòng)力學(xué)仿真軟件取得了較好的效果。同時(shí)，華南農業(yè)大學(xué)牟向偉等人設計了彈性齒輥筒式甘蔗剝葉裝置，并通過(guò)試驗優(yōu)化了主要參數，較好地解決了含雜率和折斷率較高的問(wèn)題，在連續多根喂入的情況下，含雜率、折斷率和斷尾率也分別達到了2．38%，25．93%和75．59%。此外，由于甘蔗生長(cháng)的高度不一，并存在倒伏現象，使得甘蔗收獲機前置式的斷尾機構存在切除誤差，不僅不能完全有效切除尾梢，而且有時(shí)還會(huì )加大甘蔗收獲機的切割損失;而在剝葉環(huán)節，由于剝葉元件的打擊力加上尾梢部自身的脆性，也能實(shí)現一定的斷尾功能。廣西大學(xué)麻芳蘭等人針對甘蔗尾梢蔗葉包裹緊密、不利于在剝葉環(huán)節實(shí)現甘蔗斷尾的問(wèn)題，設計了三角形布局的剝葉斷尾機構，有利于在剝葉過(guò)程中實(shí)現耙葉、剝葉和斷尾的功能，并在試驗平臺上進(jìn)行了正交試驗研究，得出了較優(yōu)的參數組合，含雜率達到0．21%，斷尾率達到100%。
2我國甘蔗剝葉機械發(fā)展存在的問(wèn)題
2．1含雜率與剝葉元件材料
含雜率是剝葉機的核心問(wèn)題，目前的研究也主要是以解決含雜率偏高為主要目標。雖然很多高校以及科研院所都各自取得了一定的成果，但一方面由于我國糖廠(chǎng)加工工藝的原因，對含雜率要求比較苛刻;另一方面，大量研究都是在一定的試驗條件下進(jìn)行的。而在甘蔗收獲現場(chǎng)，環(huán)境要復雜得多，蔗莖一般是多根并列連續喂入，有時(shí)會(huì )有兩三根甘蔗堆疊、交叉著(zhù)進(jìn)入剝葉機，容易造成蔗莖折斷，也會(huì )在蔗莖表面形成剝葉“死區”，嚴重影響了剝葉效果。若遇到雨天，蔗葉遇水后打滑，容易纏繞在剝葉元件上，造成工作中斷。由于剝葉機結構的原因，清理起來(lái)也非常困難。工作現場(chǎng)環(huán)境十分惡劣，要想按糖廠(chǎng)要求近乎完美地解決含雜率的問(wèn)題，目前仍是剝葉機研究的重中之重。對于剝葉元件的材料，已經(jīng)有試驗證明了某些高分子材料在力學(xué)性能和工作壽命方面較傳統的鋼絲、膠指有了很大提高。但是，剝葉元件的工況較為惡劣，蔗葉的脫落主要靠剝葉元件對蔗莖的打擊、擠壓和摩擦。工作時(shí)，剝葉輥筒的轉速一般會(huì )達到上千轉，剝葉元件也承受著(zhù)周期性的變形。剝葉元件失效主要有根部折斷和磨損過(guò)度兩種形式。一旦出現剝葉元件失效，就必須中斷工作，更換剝葉元件。由于更換比較繁瑣，勢必嚴重影響工作效率。所以，盡快找到更適合剝葉元件的材料也是目前剝葉機的關(guān)鍵問(wèn)題。
2．2整機協(xié)調性問(wèn)題
甘蔗剝葉這一環(huán)節作為一個(gè)系統性問(wèn)題，包含了未剝凈率、蔗莖合格率、工作效率、功耗和全天候作業(yè)等諸多方面。目前的研究往往只是針對其中一個(gè)或者幾個(gè)問(wèn)題，取得了一定的成果，但從全方位上看還沒(méi)有能夠一次性解決上述所有問(wèn)題的合適機型。所以，應盡快協(xié)調各問(wèn)題間的關(guān)系，研制出能夠統籌這些問(wèn)題的機型。
2．3甘蔗生產(chǎn)系統效益
我國糖廠(chǎng)對甘蔗收獲質(zhì)量相對于國外要求過(guò)高，從而造成甘蔗收獲機械尤其是剝葉環(huán)節壓力太大，這也是目前仍未有能滿(mǎn)足所有要求的合適機型的一個(gè)重要原因。在甘蔗種植生產(chǎn)方面，也存在農機與農藝協(xié)調的問(wèn)題。我國甘蔗種植多以家庭為單位，地塊較小且分散，為了提高產(chǎn)量，農戶(hù)選擇的種植行距多為0．7～1．1m。在澳大利亞，種植行距達到1．3m以上，且甘蔗的生產(chǎn)與榨糖整個(gè)產(chǎn)業(yè)往往由一家企業(yè)來(lái)負責，做到了規�；�(jīng)營(yíng)，降低了成本，非常有利于實(shí)現生產(chǎn)全程機械化，值得我國借鑒。
3結語(yǔ)
我國甘蔗收獲機械化的滯后嚴重影響了甘蔗產(chǎn)業(yè)體系的發(fā)展，其中甘蔗剝葉機械是收獲過(guò)程中非常重要的一環(huán)，且對甘蔗收獲質(zhì)量影響巨大。雖然，受各方面條件限制，能完滿(mǎn)解決剝葉質(zhì)量問(wèn)題的甘蔗剝葉機械仍然沒(méi)有出現，但是隨著(zhù)國內各相關(guān)研究單位對其不斷的探索與研究，并在各方面取得了階段性的進(jìn)展，相信符合廣大蔗農需求的甘蔗剝葉機的誕生已為期不遠。
作者：劉芳建 楊學(xué)軍 劉赟東 狄明利 廖娜 單位：中國農業(yè)機械化科學(xué)研究院
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