論我國甘蔗剝葉機器的發(fā)展狀況
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1我國發(fā)展現狀
我國生產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、廣西來賓市農業(yè)機械化技術推廣站研制的6BZ－1型和華南農業(yè)大學研制的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，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，剝葉過程有3個階段組成:接觸壓緊階段、彎曲變形階段和滑出剝葉階段我國糖廠對甘蔗收獲質量的要求較為苛刻。根據GB/T10498－89標準規(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，國內一些高校和科研院所都對此進行了大量試驗研究，主要通過數理統(tǒng)計分析、數學建模和計算機優(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剝葉效果，而其根部的應力也決定著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，延長其工作壽命。首先，對剝葉元件的材質有一定的要求，目前常用的材質有鋼絲繩或膠指。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，廣西大學蘇文桂等人通過試驗對比分析和優(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生影響。2003年，廣西大學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，根部應力過大，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。根據經驗，剝葉機工作時，當剝葉元件相對于蔗莖達到15m/s左右的線速度時，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，也會損傷甘蔗，縮短剝葉元件壽命。2009年，廣西大學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個因素進行室內模擬剝葉試驗，研究了各因素及交互作用對剝葉質量的影響規(guī)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。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，常會造成剝葉機壅堵、卡死、含雜率和折斷率高的問題。針對防堵問題，廣西大學李立新等人采用螺旋傳動原理設計了小型甘蔗收獲機物流防堵機構，并運用動力學仿真軟件取得了較好的效果。同時，華南農業(yè)大學牟向偉等人設計了彈性齒輥筒式甘蔗剝葉裝置，并通過試驗優(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，而且有時還會加大甘蔗收獲機的切割損失;而在剝葉環(huán)節(jié)，由于剝葉元件的打擊力加上尾梢部自身的脆性，也能實現一定的斷尾功能。廣西大學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(jié)實現甘蔗斷尾的問題，設計了三角形布局的剝葉斷尾機構，有利于在剝葉過程中實現耙葉、剝葉和斷尾的功能，并在試驗平臺上進行了正交試驗研究，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)展存在的問題
2．1含雜率與剝葉元件材料
含雜率是剝葉機的核心問題，目前的研究也主要是以解決含雜率偏高為主要目標。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行的。而在甘蔗收獲現場，環(huán)境要復雜得多，蔗莖一般是多根并列連續(xù)喂入，有時會有兩三根甘蔗堆疊、交叉著進入剝葉機，容易造成蔗莖折斷，也會在蔗莖表面形成剝葉“死區(qū)”，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，清理起來也非常困難。工作現場環(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，目前仍是剝葉機研究的重中之重。對于剝葉元件的材料，已經有試驗證明了某些高分子材料在力學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，剝葉輥筒的轉速一般會達到上千轉，剝葉元件也承受著周期性的變形。剝葉元件失效主要有根部折斷和磨損過度兩種形式。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鍵問題。
2．2整機協(xié)調性問題
甘蔗剝葉這一環(huán)節(jié)作為一個系統(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其中一個或者幾個問題，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型。所以，應盡快協(xié)調各問題間的關系，研制出能夠統(tǒng)籌這些問題的機型。
2．3甘蔗生產系統(tǒng)效益
我國糖廠對甘蔗收獲質量相對于國外要求過高，從而造成甘蔗收獲機械尤其是剝葉環(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型的一個重要原因。在甘蔗種植生產方面，也存在農機與農藝協(xié)調的問題。我國甘蔗種植多以家庭為單位，地塊較小且分散，為了提高產量，農戶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，且甘蔗的生產與榨糖整個產業(yè)往往由一家企業(yè)來負責，做到了規(guī)?；洜I，降低了成本，非常有利于實現生產全程機械化，值得我國借鑒。
3結語
我國甘蔗收獲機械化的滯后嚴重影響了甘蔗產業(yè)體系的發(fā)展，其中甘蔗剝葉機械是收獲過程中非常重要的一環(huán)，且對甘蔗收獲質量影響巨大。雖然，受各方面條件限制，能完滿解決剝葉質量問題的甘蔗剝葉機械仍然沒有出現，但是隨著國內各相關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 楊學軍 劉赟東 狄明利 廖娜 單位：中國農業(yè)機械化科學研究院