论我国甘蔗剥叶机器的发展状况

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1我国发展现状

我国生产的剥叶机或剥叶装置的剥叶原理一般采用离心撞击摩擦式。主要机型有云马汉升的HS260整秆式甘蔗收割机、广西来宾市农业机械化技术推广站研制的6BZ－1型和华南农业大学研制的4ZBQ－9型等。

1．1离心撞击摩擦式剥叶机原理

离心撞击摩擦式剥叶机主要由输入辊、第1级剥叶辊、第2级剥叶辊和输出辊构成。工作时，剥叶辊筒高速旋转，安装在剥叶辊筒上的剥叶元件对甘蔗进行打击、挤压和摩擦，从而使蔗叶脱落。前期的研究发现，剥叶过程有3个阶段组成:接触压紧阶段、弯曲变形阶段和滑出剥叶阶段我国糖厂对甘蔗收获质量的要求较为苛刻。根据GB/T10498－89标准规定，甘蔗扣杂范围(包括叶梢、须根、梢头和泥沙等)夹杂物不可以超过0．8%。这就要求剥叶机做到尽可能降低未剥净率，提高蔗茎合格率。影响剥叶机剥叶效果的因素主要有剥叶元件的装夹方式、剥叶辊转速、上下剥叶元件的交错深度和剥叶元件的排数等。近年来，国内一些高校和科研院所都对此进行了大量试验研究，主要通过数理统计分析、数学建模和计算机优化的方法，探讨影响因素与剥叶效果之间的关系，取得了一定的成果。

1．2剥叶元件材料及装夹方式对剥叶质量的影响剥

叶元件是甘蔗剥叶机的核心部件，它对蔗茎的打击力直接影响着剥叶效果，而其根部的应力也决定着剥叶元件的工作寿命。在保证剥叶元件对蔗茎有足够打击力的前提下，应尽量减少剥叶元件根部的应力，延长其工作寿命。首先，对剥叶元件的材质有一定的要求，目前常用的材质有钢丝绳或胶指。前期研究表明，钢丝绳剥叶元件韧性较差，对甘蔗损伤较大，且易产生疲劳断裂。胶指材料较柔软，甘蔗损伤程度低，但元件极易磨损。两种材料都难以解决剥叶效果和剥叶元件工作寿命之间的矛盾，而高分子材料具有优良的强度、韧性和耐磨性。疲劳试验证明，在相同的工况下，高分子材料剥叶元件的疲劳寿命比钢丝绳剥叶元件提高了近40%，比胶指材料剥叶元件提高了近30%。因此，选用高分子材料作为剥叶元件是合适的。2001年，广西大学苏文桂等人通过试验对比分析和优化，采用了如下方案:剥叶元件与剥叶辊筒装夹螺旋角为30°，每组12排剥叶元件。该方案证明，非直线型剥叶元件排列方式能提高甘蔗剥叶机剥叶效果。除了装夹螺旋角，剥叶元件前角也能对剥叶效果产生影响。2003年，广西大学蒙艳玫等人采用数值模拟正交试验方法分析得出:在其他条件一定的情况下(即剥叶元件长度为125mm，装夹螺旋角为20°，装夹排数为3，交错深度4mm)，前角是对应力影响最大的因素。负的前角能够有效减小剥叶元件根部应力，但剥叶效果较差;而前角取正值时，根部应力过大，元件很容易折断。综合考虑，前角取0°［7］。

1．3剥叶辊转速及剥叶元件交错深度对剥叶效果的影响

剥叶辊转速直接影响到剥叶效果、剥叶效率及剥叶元件的寿命。根据经验，剥叶机工作时，当剥叶元件相对于蔗茎达到15m/s左右的线速度时，才能取得较好的剥叶效果。这就需要剥叶辊筒达到一定的转速。根据不同的剥叶辊筒直径和剥叶元件长度，剥叶辊筒的转速范围选择也不同。有试验研究表明，剥叶机工作速度对剥叶元件根部应力和打击力的影响不大，但速度提高后剥叶元件打击甘蔗的次数增多，有利于蔗叶的分离;而速度太高时，也会损伤甘蔗，缩短剥叶元件寿命。2009年，广西大学杨坚教授等人以弯直蔗为研究对象，对剥叶元件交错深度、剥叶辊筒转速、输入辊距离和输出辊转速等4个因素进行室内模拟剥叶试验，研究了各因素及交互作用对剥叶质量的影响规律和机理，并优化了影响因素。直蔗含杂率和折断率分别为0～0．78%和0～8．43%，弯蔗含杂率和折断率分别为0～0．5和0～18%。大量试验研究表明，交错深度对剥叶效果及剥叶元件寿命影响显著。在不同的机型及试验条件下，最佳的交错深度是不同的。交错深度过大，虽然有利于蔗叶的分离，但容易对甘蔗造成损伤，且消耗不必要的功率;交错深度过小，则易造成剥叶不净。试验表明，由于多根喂入和带尾部剥叶，常会造成剥叶机壅堵、卡死、含杂率和折断率高的问题。针对防堵问题，广西大学李立新等人采用螺旋传动原理设计了小型甘蔗收获机物流防堵机构，并运用动力学仿真软件取得了较好的效果。同时，华南农业大学牟向伟等人设计了弹性齿辊筒式甘蔗剥叶装置，并通过试验优化了主要参数，较好地解决了含杂率和折断率较高的问题，在连续多根喂入的情况下，含杂率、折断率和断尾率也分别达到了2．38%，25．93%和75．59%。此外，由于甘蔗生长的高度不一，并存在倒伏现象，使得甘蔗收获机前置式的断尾机构存在切除误差，不仅不能完全有效切除尾梢，而且有时还会加大甘蔗收获机的切割损失;而在剥叶环节，由于剥叶元件的打击力加上尾梢部自身的脆性，也能实现一定的断尾功能。广西大学麻芳兰等人针对甘蔗尾梢蔗叶包裹紧密、不利于在剥叶环节实现甘蔗断尾的问题，设计了三角形布局的剥叶断尾机构，有利于在剥叶过程中实现耙叶、剥叶和断尾的功能，并在试验平台上进行了正交试验研究，得出了较优的参数组合，含杂率达到0．21%，断尾率达到100%。

2我国甘蔗剥叶机械发展存在的问题

2．1含杂率与剥叶元件材料

含杂率是剥叶机的核心问题，目前的研究也主要是以解决含杂率偏高为主要目标。虽然很多高校以及科研院所都各自取得了一定的成果，但一方面由于我国糖厂加工工艺的原因，对含杂率要求比较苛刻;另一方面，大量研究都是在一定的试验条件下进行的。而在甘蔗收获现场，环境要复杂得多，蔗茎一般是多根并列连续喂入，有时会有两三根甘蔗堆叠、交叉着进入剥叶机，容易造成蔗茎折断，也会在蔗茎表面形成剥叶“死区”，严重影响了剥叶效果。若遇到雨天，蔗叶遇水后打滑，容易缠绕在剥叶元件上，造成工作中断。由于剥叶机结构的原因，清理起来也非常困难。工作现场环境十分恶劣，要想按糖厂要求近乎完美地解决含杂率的问题，目前仍是剥叶机研究的重中之重。对于剥叶元件的材料，已经有试验证明了某些高分子材料在力学性能和工作寿命方面较传统的钢丝、胶指有了很大提高。但是，剥叶元件的工况较为恶劣，蔗叶的脱落主要靠剥叶元件对蔗茎的打击、挤压和摩擦。工作时，剥叶辊筒的转速一般会达到上千转，剥叶元件也承受着周期性的变形。剥叶元件失效主要有根部折断和磨损过度两种形式。一旦出现剥叶元件失效，就必须中断工作，更换剥叶元件。由于更换比较繁琐，势必严重影响工作效率。所以，尽快找到更适合剥叶元件的材料也是目前剥叶机的关键问题。

2．2整机协调性问题

甘蔗剥叶这一环节作为一个系统性问题，包含了未剥净率、蔗茎合格率、工作效率、功耗和全天候作业等诸多方面。目前的研究往往只是针对其中一个或者几个问题，取得了一定的成果，但从全方位上看还没有能够一次性解决上述所有问题的合适机型。所以，应尽快协调各问题间的关系，研制出能够统筹这些问题的机型。

2．3甘蔗生产系统效益

我国糖厂对甘蔗收获质量相对于国外要求过高，从而造成甘蔗收获机械尤其是剥叶环节压力太大，这也是目前仍未有能满足所有要求的合适机型的一个重要原因。在甘蔗种植生产方面，也存在农机与农艺协调的问题。我国甘蔗种植多以家庭为单位，地块较小且分散，为了提高产量，农户选择的种植行距多为0．7～1．1m。在澳大利亚，种植行距达到1．3m以上，且甘蔗的生产与榨糖整个产业往往由一家企业来负责，做到了规模化经营，降低了成本，非常有利于实现生产全程机械化，值得我国借鉴。

3结语

我国甘蔗收获机械化的滞后严重影响了甘蔗产业体系的发展，其中甘蔗剥叶机械是收获过程中非常重要的一环，且对甘蔗收获质量影响巨大。虽然，受各方面条件限制，能完满解决剥叶质量问题的甘蔗剥叶机械仍然没有出现，但是随着国内各相关研究单位对其不断的探索与研究，并在各方面取得了阶段性的进展，相信符合广大蔗农需求的甘蔗剥叶机的诞生已为期不远。

作者：刘芳建 杨学军 刘赟东 狄明利 廖娜 单位：中国农业机械化科学研究院