論我國甘蔗剝?nèi)~機(jī)器的發(fā)展?fàn)顩r

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1我國發(fā)展現(xiàn)狀

我國生產(chǎn)的剝?nèi)~機(jī)或剝?nèi)~裝置的剝?nèi)~原理一般采用離心撞擊摩擦式。主要機(jī)型有云馬漢升的HS260整稈式甘蔗收割機(jī)、廣西來賓市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣站研制的6BZ－1型和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的4ZBQ－9型等。

1．1離心撞擊摩擦式剝?nèi)~機(jī)原理

離心撞擊摩擦式剝?nèi)~機(jī)主要由輸入輥、第1級(jí)剝?nèi)~輥、第2級(jí)剝?nèi)~輥和輸出輥構(gòu)成。工作時(shí)，剝?nèi)~輥筒高速旋轉(zhuǎn)，安裝在剝?nèi)~輥筒上的剝?nèi)~元件對(duì)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(xiàn)，剝?nèi)~過程有3個(gè)階段組成:接觸壓緊階段、彎曲變形階段和滑出剝?nèi)~階段我國糖廠對(duì)甘蔗收獲質(zhì)量的要求較為苛刻。根據(jù)GB/T10498－89標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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0．8%。這就要求剝?nèi)~機(jī)做到盡可能降低未剝凈率，提高蔗莖合格率。影響剝?nèi)~機(jī)剝?nèi)~效果的因素主要有剝?nèi)~元件的裝夾方式、剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速、上下剝?nèi)~元件的交錯(cuò)深度和剝?nèi)~元件的排數(shù)等。近年來，國內(nèi)一些高校和科研院所都對(duì)此進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，主要通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)學(xué)建模和計(jì)算機(jī)優(yōu)化的方法，探討影響因素與剝?nèi)~效果之間的關(guān)系，取得了一定的成果。

1．2剝?nèi)~元件材料及裝夾方式對(duì)剝?nèi)~質(zhì)量的影響剝

葉元件是甘蔗剝?nèi)~機(jī)的核心部件，它對(duì)蔗莖的打擊力直接影響著剝?nèi)~效果，而其根部的應(yīng)力也決定著剝?nèi)~元件的工作壽命。在保證剝?nèi)~元件對(duì)蔗莖有足夠打擊力的前提下，應(yīng)盡量減少剝?nèi)~元件根部的應(yīng)力，延長其工作壽命。首先，對(duì)剝?nèi)~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?nèi)~元件韌性較差，對(duì)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?nèi)~效果和剝?nèi)~元件工作壽命之間的矛盾，而高分子材料具有優(yōu)良的強(qiáng)度、韌性和耐磨性。疲勞試驗(yàn)證明，在相同的工況下，高分子材料剝?nèi)~元件的疲勞壽命比鋼絲繩剝?nèi)~元件提高了近40%，比膠指材料剝?nèi)~元件提高了近30%。因此，選用高分子材料作為剝?nèi)~元件是合適的。2001年，廣西大學(xué)蘇文桂等人通過試驗(yàn)對(duì)比分析和優(yōu)化，采用了如下方案:剝?nèi)~元件與剝?nèi)~輥筒裝夾螺旋角為30°，每組12排剝?nèi)~元件。該方案證明，非直線型剝?nèi)~元件排列方式能提高甘蔗剝?nèi)~機(jī)剝?nèi)~效果。除了裝夾螺旋角，剝?nèi)~元件前角也能對(duì)剝?nèi)~效果產(chǎn)生影響。2003年，廣西大學(xué)蒙艷玫等人采用數(shù)值模擬正交試驗(yàn)方法分析得出:在其他條件一定的情況下(即剝?nèi)~元件長度為125mm，裝夾螺旋角為20°，裝夾排數(shù)為3，交錯(cuò)深度4mm)，前角是對(duì)應(yīng)力影響最大的因素。負(fù)的前角能夠有效減小剝?nèi)~元件根部應(yīng)力，但剝?nèi)~效果較差;而前角取正值時(shí)，根部應(yīng)力過大，元件很容易折斷。綜合考慮，前角取0°［7］。

1．3剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速及剝?nèi)~元件交錯(cuò)深度對(duì)剝?nèi)~效果的影響

剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速直接影響到剝?nèi)~效果、剝?nèi)~效率及剝?nèi)~元件的壽命。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，剝?nèi)~機(jī)工作時(shí)，當(dāng)剝?nèi)~元件相對(duì)于蔗莖達(dá)到15m/s左右的線速度時(shí)，才能取得較好的剝?nèi)~效果。這就需要?jiǎng)內(nèi)~輥筒達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速。根據(jù)不同的剝?nèi)~輥筒直徑和剝?nèi)~元件長度，剝?nèi)~輥筒的轉(zhuǎn)速范圍選擇也不同。有試驗(yàn)研究表明，剝?nèi)~機(jī)工作速度對(duì)剝?nèi)~元件根部應(yīng)力和打擊力的影響不大，但速度提高后剝?nèi)~元件打擊甘蔗的次數(shù)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?nèi)~元件壽命。2009年，廣西大學(xué)楊堅(jiān)教授等人以彎直蔗為研究對(duì)象，對(duì)剝?nèi)~元件交錯(cuò)深度、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速、輸入輥距離和輸出輥轉(zhuǎn)速等4個(gè)因素進(jìn)行室內(nèi)模擬剝?nèi)~試驗(yàn)，研究了各因素及交互作用對(duì)剝?nèi)~質(zhì)量的影響規(guī)律和機(jī)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(yàn)研究表明，交錯(cuò)深度對(duì)剝?nèi)~效果及剝?nèi)~元件壽命影響顯著。在不同的機(jī)型及試驗(yàn)條件下，最佳的交錯(cuò)深度是不同的。交錯(cuò)深度過大，雖然有利于蔗葉的分離，但容易對(duì)甘蔗造成損傷，且消耗不必要的功率;交錯(cuò)深度過小，則易造成剝?nèi)~不凈。試驗(yàn)表明，由于多根喂入和帶尾部剝?nèi)~，常會(huì)造成剝?nèi)~機(jī)壅堵、卡死、含雜率和折斷率高的問題。針對(duì)防堵問題，廣西大學(xué)李立新等人采用螺旋傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)了小型甘蔗收獲機(jī)物流防堵機(jī)構(gòu)，并運(yùn)用動(dòng)力學(xué)仿真軟件取得了較好的效果。同時(shí)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)牟向偉等人設(shè)計(jì)了彈性齒輥筒式甘蔗剝?nèi)~裝置，并通過試驗(yàn)優(yōu)化了主要參數(shù)，較好地解決了含雜率和折斷率較高的問題，在連續(xù)多根喂入的情況下，含雜率、折斷率和斷尾率也分別達(dá)到了2．38%，25．93%和75．59%。此外，由于甘蔗生長的高度不一，并存在倒伏現(xiàn)象，使得甘蔗收獲機(jī)前置式的斷尾機(jī)構(gòu)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(jī)的切割損失;而在剝?nèi)~環(huán)節(jié)，由于剝?nèi)~元件的打擊力加上尾梢部自身的脆性，也能實(shí)現(xiàn)一定的斷尾功能。廣西大學(xué)麻芳蘭等人針對(duì)甘蔗尾梢蔗葉包裹緊密、不利于在剝?nèi)~環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)甘蔗斷尾的問題，設(shè)計(jì)了三角形布局的剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)，有利于在剝?nèi)~過程中實(shí)現(xiàn)耙葉、剝?nèi)~和斷尾的功能，并在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了正交試驗(yàn)研究，得出了較優(yōu)的參數(shù)組合，含雜率達(dá)到0．21%，斷尾率達(dá)到100%。

2我國甘蔗剝?nèi)~機(jī)械發(fā)展存在的問題

2．1含雜率與剝?nèi)~元件材料

含雜率是剝?nèi)~機(jī)的核心問題，目前的研究也主要是以解決含雜率偏高為主要目標(biāo)。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加工工藝的原因，對(duì)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(yàn)條件下進(jìn)行的。而在甘蔗收獲現(xiàn)場，環(huán)境要復(fù)雜得多，蔗莖一般是多根并列連續(xù)喂入，有時(shí)會(huì)有兩三根甘蔗堆疊、交叉著進(jìn)入剝?nèi)~機(jī)，容易造成蔗莖折斷，也會(huì)在蔗莖表面形成剝?nèi)~“死區(qū)”，嚴(yán)重影響了剝?nèi)~效果。若遇到雨天，蔗葉遇水后打滑，容易纏繞在剝?nèi)~元件上，造成工作中斷。由于剝?nèi)~機(jī)結(jié)構(gòu)的原因，清理起來也非常困難。工作現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣，要想按糖廠要求近乎完美地解決含雜率的問題，目前仍是剝?nèi)~機(jī)研究的重中之重。對(duì)于剝?nèi)~元件的材料，已經(jīng)有試驗(yàn)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(tǒng)的鋼絲、膠指有了很大提高。但是，剝?nèi)~元件的工況較為惡劣，蔗葉的脫落主要靠剝?nèi)~元件對(duì)蔗莖的打擊、擠壓和摩擦。工作時(shí)，剝?nèi)~輥筒的轉(zhuǎn)速一般會(huì)達(dá)到上千轉(zhuǎn)，剝?nèi)~元件也承受著周期性的變形。剝?nèi)~元件失效主要有根部折斷和磨損過度兩種形式。一旦出現(xiàn)剝?nèi)~元件失效，就必須中斷工作，更換剝?nèi)~元件。由于更換比較繁瑣，勢必嚴(yán)重影響工作效率。所以，盡快找到更適合剝?nèi)~元件的材料也是目前剝?nèi)~機(jī)的關(guān)鍵問題。

2．2整機(jī)協(xié)調(diào)性問題

甘蔗剝?nèi)~這一環(huán)節(jié)作為一個(gè)系統(tǒng)性問題，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(duì)其中一個(gè)或者幾個(gè)問題，取得了一定的成果，但從全方位上看還沒有能夠一次性解決上述所有問題的合適機(jī)型。所以，應(yīng)盡快協(xié)調(diào)各問題間的關(guān)系，研制出能夠統(tǒng)籌這些問題的機(jī)型。

2．3甘蔗生產(chǎn)系統(tǒng)效益

我國糖廠對(duì)甘蔗收獲質(zhì)量相對(duì)于國外要求過高，從而造成甘蔗收獲機(jī)械尤其是剝?nèi)~環(huán)節(jié)壓力太大，這也是目前仍未有能滿足所有要求的合適機(jī)型的一個(gè)重要原因。在甘蔗種植生產(chǎn)方面，也存在農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝協(xié)調(diào)的問題。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(nóng)戶選擇的種植行距多為0．7～1．1m。在澳大利亞，種植行距達(dá)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)來負(fù)責(zé)，做到了規(guī)模化經(jīng)營，降低了成本，非常有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全程機(jī)械化，值得我國借鑒。

3結(jié)語

我國甘蔗收獲機(jī)械化的滯后嚴(yán)重影響了甘蔗產(chǎn)業(yè)體系的發(fā)展，其中甘蔗剝?nèi)~機(jī)械是收獲過程中非常重要的一環(huán)，且對(duì)甘蔗收獲質(zhì)量影響巨大。雖然，受各方面條件限制，能完滿解決剝?nèi)~質(zhì)量問題的甘蔗剝?nèi)~機(jī)械仍然沒有出現(xiàn)，但是隨著國內(nèi)各相關(guān)研究單位對(duì)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(nóng)需求的甘蔗剝?nèi)~機(jī)的誕生已為期不遠(yuǎn)。

作者：劉芳建 楊學(xué)軍 劉赟東 狄明利 廖娜 單位：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院