小型甘蔗剝葉機的試驗與研究

黎毓鵬，鄭廣平，宋詠春，張鐵異，吳 悅

（廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004）

甘蔗是我國南方省份的一種主要經濟作物。每年榨季甘蔗的收獲是一項既費工時又費勞力的艱苦作業。甘蔗收獲的工序一般包括：打頂、根部收割、脫葉、裝卸。其中脫葉勞動時間最長。國內外的統計資料表明，脫葉所占用的時間為整個收獲作業時間的65%左右。目前我國的甘蔗收獲仍沿用古老的人工作業方式，效率低下，嚴重制約了甘蔗規模生產的發展。研制新型的、具有我國南方地域特點的甘蔗剝葉機、實現甘蔗收獲機械化，是發展甘蔗規模生產的迫切需要。

1 各種剝葉方法的比較和分析

甘蔗收獲時莖葉很多，若不進行處理，將帶葉的甘蔗進行榨糖，葉子會粘附糖汁而被浪費掉，結果會使產糖量顯著減少，所以必須將這些莖葉盡可能在榨糖前除掉。日本制糖工藝要求，甘蔗的含雜率不能超過2%，我國糖廠基本控制在5%以下。

當今世界甘蔗莖葉的處理方式主要有三種：

（1）手工法。手工法即借助剝葉刀進行人工剝葉。這是最古老、原始、落后的作業方式。

（2）焚燒法。在美國、澳大利亞、古巴、巴西以及日本的南北大島、石垣島，甘蔗種植面積大，收獲前先進行枯葉焚燒，然后用切段式收獲機切斷收獲。這種作業方式生產效率高，但收獲的甘蔗必須在16 h內完成運輸和加工，以免變質，也即是要求整個制糖業的管理水平較高。另外，焚燒后的甘蔗糖份損失大，糖色變黃，需返工漂白。

（3）機械剝葉法。機械剝葉按剝葉原理分為：離心力撞擊摩擦法，壓縮空氣分離法。根據采用剝葉元件的不同，還可分為：鋼絲元件剝葉法，橡膠元件剝葉法，滾筒邊緣摩擦剝葉法，風動分離抓取法。按切段式收割和整桿式收割方式又可分為：分段剝葉法和整稈剝葉法。

我國蔗糖生產和管理水平較低，甘蔗收獲后常常存放一星期左右，此外大多數種蔗區蔗地小，不規則，不成片。焚燒法和與之相適應的分段式甘蔗收獲，以及后來發展起來的分段收獲然后剝葉的莖葉處理方式，均不適用于我國。整稈式甘蔗機械剝葉能較大幅度地提高勞動生產率，又不損失糖份，符合我國糖業生產的要求。毫無疑問，研制一種價格合理、適應于田間作業的小型整稈式甘蔗剝葉機，在蔗區一定有著廣闊的銷售市場。

2 剝葉裝置的基本工作原理與關鍵技術

剝葉滾筒高速旋轉時，滾筒上的剝葉元件因受離心力的作用而甩開。甘蔗在剝葉元件離心力、柔性打擊力及剝葉元件與蔗莖相對運動產生的摩擦力的共同作用下，其表面的枯葉被剝落。簡言之，剝葉元件就像一根皮鞭，當人用皮鞭狠狠地抽打甘蔗表面，其莖葉就被打碎打落下來，這就是離心式剝葉裝置基本的工作原理。

圖1 離心式剝葉裝置簡圖

2.1 小型甘蔗剝葉機應具備的技術指標

滿足田間作業要求的小型甘蔗剝葉機，應具有以下的技術指標：

（1）含雜率≤4%；

（2）傷皮率＜8%；

（3）折斷率≤5%；

（4）剝葉元件的壽命不能低于250 h；

（5）剝葉效率約2 t/h。

2.2 高質量剝葉機的關鍵技術

剝葉裝置是剝葉機的心臟和質量保證。一般說來，剝葉滾筒轉速愈高，打擊力度愈大，打擊次數愈多，剝葉越干凈。但打擊力度過大，甘蔗在剝葉區運動的動能發生劇變，產生縱向和橫向沖擊，甘蔗易彎曲折斷，剝葉元件也易于疲勞損傷，使用壽命降低。影響剝葉機質量的因素很多，其中以下數點是研制高質量剝葉機的關鍵技術：

（1）剝葉元件材料、形狀和熱處理技術；

（2）剝葉元件的分布裝夾方式；

（3）保證能同時輸送多條直徑大小不同的甘蔗的輸入、輸出機構。

3 甘蔗剝葉機的研制現狀

小型甘蔗剝葉機是在全機械化收獲機（一臺機械完成甘蔗打頂、收割、剝葉清理、堆集全部作業）的基礎上，根據東南亞各國甘蔗收獲特點而發展起來的。日本是較早研制小型甘蔗剝葉機的國家。日本40%的蔗區，種植面積大，甘蔗收獲使用全機械化類型的收獲機；60%的蔗區田塊小，不連片，推廣小型機械化收獲體系（由手扶式小型收割機、小型脫葉機和搬運裝置組成）。川村登等人于1975年連載報道了鋼絲式剝葉機的研究成果。實驗結果表明：鋼絲剝葉元件的使用壽命主要受鋼絲直徑、固定方式、旋轉速度、打擊節距的影響。滾筒轉速提高，含雜率降低，甘蔗折損率提高，鋼絲壽命降低。鋼絲拍打甘蔗時，當甘蔗干涉的長度增加，鋼絲應力增大，易形成疲勞損壞。打擊節距增大，對甘蔗折損率影響不大，但含雜率會增加。鋼絲初接觸甘蔗時受力最小，脫離時受力最大，力作用于鋼絲頂部，由裝夾的根部承受。滾筒結構按圖2設計，主要技術參數按表1選擇。在田間實驗的結果是每剝蔗35 t需更換鋼絲束，鋼絲壽命在70 h左右。

印度種植甘蔗3.2萬km2，83%是小農戶種植，甘蔗收獲大多是手工，剝葉使用剝葉刀。上世紀90年代旁遮普農業大學動力與機械系研制了風動、滾筒抓取式剝葉機，生產率380～823 kg/h，含雜率6.38%以下。

表1 小型甘蔗剝葉機主要技術參數表

圖2 滾筒結構簡圖

我國甘蔗產區主要在兩廣、福建、云南、海南等。甘蔗收獲機的研制和使用與外國比較起步較晚，目前獨立的小型甘蔗剝葉機仍處于研制階段。貴港甘蔗研究所曾為整稈式甘蔗收獲機的剝葉部分，研制了一種新式的裝夾方法。據報道，剝葉元件選用單根直徑0.7 mm，一束直徑10 mm的鋼絲繩，剝葉效果良好，正常收割0.015km2（22畝）后，鋼絲繩未有疲勞和折斷現象。該裝夾方法的最大特點（見圖3）即是鋼絲繩中部由護板支承。護板作用有二方面，一是扶托甘蔗和避免甘蔗插入芯軸；二是護板就像一個活動鏈支承鋼絲中部，在鋼絲繩不斷的彎伸中起一定的彈性作用。

圖3 鋼絲繩裝夾方法簡圖

4 結束語

小型甘蔗剝葉機，是最適合我國南方丘陵地帶甘蔗收獲的一種小型農機，能較大幅度地提高勞動生產率，對發展我國蔗糖業有很重要的意義。

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