三種甘蔗剝葉元件的試驗分析

摘要：針對甘蔗剝葉元件對剝葉效果影響的不同，通過對不同甘蔗剝葉元件的試驗分析，探討各種剝葉元件的剝葉質量，為剝葉裝置的選材提供參考。對現有3種剝葉元件（鋼絲繩、尼龍絲繩、橡膠脂）進行正交回歸試驗，分析各種元件與剝葉質量存在的關系，得出較優的剝葉元件。結果表明，剝葉滾筒轉速對剝葉質量影響最明顯，在各因素優化值區間下，橡膠脂剝葉元件的含雜率為0.293%，橡膠脂剝葉元件可作為甘蔗剝葉元件材料的較優選擇。

關鍵詞：甘蔗機械；剝葉元件；試驗分析；優化

中圖分類號：S225.5+3 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）09-2234-04

目前國內甘蔗收獲機械化方式中主要有整稈式和切段式兩種，切段式收獲機械沒有剝葉裝置，而整稈式收獲機械中則有剝葉裝置，對整稈式收獲機械中剝葉裝置的研究，能夠為剝葉裝置的改進提供試驗依據，從而提高剝葉質量和剝葉效率。當前國內對甘蔗剝葉機械（裝置）的研究也較為廣泛，采用的研究方法有物理樣機試驗、數理統計、計算機仿真、高速攝像分析等；研究主要內容有剝葉裝置的結構設計、各運動部件參數、剝葉元件的選材、壽命和剝葉質量等，其中剝葉元件的選材、壽命及剝葉質量是目前研究的熱點和難點。本文從剝葉元件的選材及剝葉質量之間的相互關系，通過正交試驗研究不同剝葉元件材料與剝葉質量存在的內在聯系，探討各種剝葉元件的剝葉質量，為剝葉裝置的選材提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗準備

試驗用的甘蔗材料為收割1 d后的臺糖10#，數量500根，甘蔗斷尾后測得平均長度為1 820.5 mm，平均直徑為22.56 mm，蔗葉含水率為27.3%，莖葉比約為1∶0.05，直蔗和彎蔗的比例為10∶1。購買3種不同材料的剝葉元件，分別為鋼絲、尼龍和橡膠脂，各12排，可供安裝在剝葉滾筒上。

1.2 設備

試驗設備采用廣西農業機械研究院研制的甘蔗剝葉試驗臺[1]，其結構主要由臺架、上下輸入輥、剝葉滾筒、上下輸出輥、鏈傳動機構、無級調速電機等組成。上下輸入輥的間距可調，與剝葉滾筒的水平方向距離可進行移動調節；輸出輥與剝葉滾筒之間的水平距離可調。設備的工作原理主要是通過剝葉滾筒旋轉，其上的剝葉元件與輸入輥傳送來的甘蔗發生摩擦撞擊，蔗葉便脫離拋向輸入輥的后方，隨后甘蔗在輸出輥的推送下也拋離剝葉裝置。

1.3 方案實施

根據國內外對甘蔗剝葉機械的相關研究[2-8]，影響剝葉質量的主要因素有：剝葉元件材料、剝葉元件排布方式、輸入輥轉速、輸入輥與剝葉滾筒水平方向的間距、剝葉滾筒轉速、輸出輥與剝葉滾筒水平方向的間距、輸出輥轉速等。以剝葉質量的主要指標含雜率（y）作為試驗指標，y=（殘存蔗葉量/剝葉后甘蔗總重量）×100%，y1為鋼絲剝葉元件的含雜率，y2為尼龍剝葉元件的含雜率，y3為橡膠脂剝葉元件的含雜率；輸入輥轉速（x1）、剝葉滾筒轉速（x2），輸入輥與剝葉滾筒水平方向的間距（x3）、輸出輥轉速（x4）作為試驗因素，采用正交試驗法，四因素三水平確定各因素的水平值，因素與水平如表1所示，選取L27（313）正交表進行試驗，每組試驗的甘蔗數量為5根，單根進行剝葉，測得的數據取平均值。

2 結果與分析

2.1 正交試驗結果

3種材料的剝葉元件進行試驗的次序分別是鋼絲剝葉元件、尼龍剝葉元件、橡膠脂剝葉元件。每種材料的剝葉元件進行的試驗次數都為27次，每次都測得其剝葉的含雜率。最終的試驗結果如表2所示。

2.2 正交試驗結果分析

2.2.1 數學模型 采用數理統計軟件SPSS對試驗結果數據進行回歸分析，分別得到3種材料剝葉元件含雜率的數學模型，如下：

■1=-3.571+0.007 x1+0.01 x2-x1x2×10-5-2.9 x2x3×10-5 +3.47 x32×10-5 （1）

■2=-3.844+0.006 x1+0.012 x2-0.001 x4-1.1 x1x2×10-5 -3.5 x2x3×10-5+4.24 x32×10-5 （2）

■3=-4.844+0.021 x2-0.007 x4-1.9 x1x2×10-5+3.22 x1x4×10-5-6.3 x2x3×10-5+7.72 x32×10-5 （3）

方程（1）、（2）、（3）中■1，■2，■3分別指的是鋼絲剝葉元件含雜率、尼龍剝葉元件含雜率和橡膠脂剝葉元件含雜率的回歸值。對所得的3個回歸方程及其系數進行顯著性檢驗，結果見表3。從表3可以看出，回歸方程在0.05內高度顯著，其系數也在不同程度上達到顯著水平，所得的回歸方程是合理的。

2.2.2 單因素對含雜率的影響分析 由“2.2.1”中3個關于含雜率的數學模型，在零水平的條件下可分別得到各因素與含雜率的函數關系圖，如圖1所示。

由圖1a可知，尼龍和橡膠脂剝葉元件的輸入輥轉速對含雜率的影響比較顯著，隨著輸入輥轉速增大，含雜率就減小；由圖1b可知，鋼絲和橡膠脂剝葉元件的滾筒轉速對含雜率的影響比較顯著，隨著滾筒轉速增大，含雜率減小；由圖1c可知，3種剝葉元件的輸入輥間距對含雜率的影響均為顯著，隨著間距的增大，含雜率減小；由圖1d可知，尼龍和橡膠脂剝葉元件的輸出輥轉速對含雜率的影響均為顯著，但尼龍剝葉元件的輸出輥轉速增大，含雜率減小更明顯。綜合以上4個圖形，可找出各因素的優化區間：輸入輥轉速區間為150～250 r/min，剝葉滾筒轉速區間為600～900 r/min，輸入輥間距區間為200～300 mm，輸出輥轉速區間為280～350 r/min。

2.2.3 回歸方程綜合分析與優化 試驗的主要目的是要分析出3種不同材料剝葉元件剝葉質量的差異，先從回歸方程定性方面分析，由方程（1）、（2）可知，鋼絲剝葉元件和尼龍剝葉元件的含雜率與試驗因素x1、x2、x3關系較為顯著，與試驗因素x4關系不顯著；由方程（3）可知，橡膠脂剝葉元件的含雜率與試驗中的4個因素關系均較為顯著。由表3中的回歸方程系數分析，方程（1）與方程（2）的擬合程度相當，方程（3）相對擬合程度相對差點，但對試驗結論無影響。

定量分析中需要把3個回歸方程的回歸值進行優化，然后比較各自回歸值的大小，就能清楚了解3種不同剝葉元件的剝葉質量的差異。采用MATLAB數學軟件對3個回歸方程進行綜合優化，優化過程需要先確定各因素的優化區間值，然后再對優化目標進行優化。各因素的優化區間值為各自的上下水平值區域，含雜率取值區間在0～10%。對方程（1）在四因素優化組合下：x1=250 r/min，x2=900 r/min，x3=300 mm，x4=0，可得到較優的值y1min=0.322%；對方程（2）在四因素優化組合下：x1=250 r/min，x2=900 r/min，x3=300 mm，x4=0，可得到較優的值y2min=0.347%；對方程（3）在四因素優化組合下：x1=248.925 r/min，x2=806.606 r/min，x3=300 mm，x4=312.228 r/min，可得到較優的值y3min=0.293%。

3 小結與討論

試驗對3種甘蔗剝葉元件進行綜合試驗對比，分析3種剝葉元件剝葉效果之間的差異。從優化過程中可知，剝葉滾筒轉速對含雜率的影響最顯著，隨著剝葉滾筒轉速數值增大，含雜率就隨之減小；從優化結果可知，方程（1）與方程（2）的優化結果差異不大，方程（3）的優化結果回歸值最小，即橡膠脂剝葉元件的含雜率最小，表明橡膠脂剝葉元件作為甘蔗剝葉機的剝葉材料比鋼絲和尼龍兩種材料好。與前人對甘蔗剝葉元件的試驗研究成果相比，本研究主要在剝葉元件材料選擇、剝葉效果分析上有明顯的區別：前人選擇一種或兩種剝葉元件材料，本文則選擇3種剝葉元件綜合進行分析；前人對相關試驗分析的結果顯示，含雜率一般在1%左右，剝葉元件材料為尼龍的剝葉效果較好，而本文的研究結果表明，含雜率優化后可達0.3%左右，橡膠脂材料為較優的剝葉元件材料。

根據以上對3種剝葉元件材料的試驗分析可以得知，橡膠脂剝葉元件是一種較為理想的剝葉材料，含雜率可達0.293%，剝葉滾筒的轉速對剝葉質量的影響最顯著。但影響甘蔗機械剝葉質量的因素很多，本研究僅僅分析了4種因素對含雜率的影響，還未考慮剝葉元件的排布方式、剝葉元件材料的受力分析及其壽命分析等因素，后期對甘蔗機械剝葉質量的研究還需要綜合多方面影響因素加以研究，以便得到更加合理的剝葉機械的結構參數、運動參數以及剝葉元件。

參考文獻：

[1] 楊 堅，黃麗麗，楊 望，等.彎、直蔗剝葉質量影響因素的試驗[J].農業工程學報，2009，25（4）：123-129.

[2] 蘇文桂，李尚平，王 勇，等.非直線型甘蔗剝葉元件排列方式的試驗研究[J].廣西大學學報（自然科學版），2001，26（4）：278-282.

[3] 王光炬，楊 堅，梁兆新，等.小型甘蔗剝葉機剝葉質量影響因素的試驗研究[J].農機化研究，2006（12）：142-145.

[4] 麻芳蘭，李尚平，何玉林，等.基于神經網絡的甘蔗收獲機剝葉元件性能研究[J].農業機械學報，2006，37（7）：69-73.

[5] 蒙艷玫，劉正士，李尚平，等.甘蔗收獲機械排刷式剝葉元件虛擬試驗分析[J].農業機械學報，2003，34（4）：43-46.

[6] 黃麗麗.甘蔗剝葉機剝葉質量影響因素的試驗研究[D].南寧：廣西大學，2008.

[7] 黃 瑞，梁 式，單 蘭，等.甘蔗剝葉機剝葉元件螺旋裝夾方式的試驗研究[J].農機化研究，2007（4）：99-101，105.

[8] 牟向偉，區穎剛，劉慶庭，等.彈性齒滾筒式甘蔗剝葉裝置[J].農業機械學報，2012，43（4）：60-65.