整稈式甘蔗收獲機蔗葉分離機構設計與試驗

麻芳蘭，蔡　力，楊代云，葉才福，趙　靜，鐘家勤，李　政

(廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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整稈式甘蔗收獲機蔗葉分離機構設計與試驗

麻芳蘭，蔡力，楊代云，葉才福，趙靜，鐘家勤，李政

(廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：為了進一步降低整稈式甘蔗收獲機的含雜率，滿足糖廠對機械化收割甘蔗的含雜率要求，結合甘蔗在蔗葉分離過程中的受力分析，對甘蔗起主要支撐作用的剝葉輥、輸出輥及除雜輥進行布局安裝，避開了蔗葉分布范圍，以利于實現較高的除雜率。通過在試驗平臺上進行的正交試驗研究，得出了該蔗葉分離機構的較優參數組合：刷片形狀為20mm梳齒型，除雜輥與甘蔗交錯深度0mm，除雜輥轉速140 r/min。試驗結果表明：此蔗葉分離機構具有較好的蔗葉分離效果，從而驗證了蔗葉分離機構的可行性。

關鍵詞：整稈式甘蔗收獲機；除雜；蔗葉分離；正交試驗

0引言

廣西是我國最大的蔗糖主產區，蔗糖業已經成為了廣西的支柱產業。據統計，自2002年起，廣西年產原料蔗已達3 840萬t，產糖203萬t，躍居全國首位；甘蔗種植面積已占到我國糖料總面積的65%左右，甘蔗糖的總產量占我國糖總產量的60%以上[1-3]。

由于受到廣西丘陵地貌的限制，加之機械裝備和用戶種植與農藝沒有很好地相結合、糖廠制糖工藝等的影響，國內在很長的一段時間內將還是以整稈式收獲機為主[4]。然而，整稈式甘蔗收獲機無法達到良好的除雜效果，收獲后的甘蔗中夾雜物較多，含雜率高達7%～10%[5-6]。國內的一些糖廠對機械化收獲的甘蔗含雜率有一定的要求，夾雜物含量一般不能超過5%，對人工砍蔗的原料蔗含雜率一般不能超過1%[5]。糖廠為了獲得優質的蔗糖，會對原料蔗進行前期處理，這些不含糖分的夾雜物會在制糖過程中吸收蔗糖而被排出，造成蔗糖損失。國外榨糖技術及設備相對來說比較先進，對于甘蔗的含雜率要求不是很苛刻，基本都是采用大型的吹風系統來實現蔗葉分離和除雜[7-8]。國內的蔗葉分離機構大多采用在剝葉機構與輸出機構之間增加了由兩個分葉輪組成的分葉機構，分葉輪的線速度與剝葉輪轉向相反，在蔗葉被剝葉刷打掉以后使得蔗葉還田而蔗稈輸送出去[9]，得出含雜率是3.1%，有著較好的蔗葉分離效果。這些研究為整稈式甘蔗收獲機的蔗葉分離機構設計提供了依據。

現有的蔗葉分離技術大多采用的是讓剝掉的蔗葉通過輸送通道下方的開口落下(即采用增加多級輸送)的方式實現；然而由于甘蔗收獲機車身長度有限，不能夠完全解決此問題，通道內出來的甘蔗經剝葉、斷尾后蔗莖和蔗葉雖然已分離，但有時還會附著在一起，下雨天時這種現象更加明顯[10]。

基于上述原因，本文結合甘蔗的自身材料特性及其在蔗葉分離過程中的受力分析，增加反向旋轉除雜輥，優化了設計物流系統，節省物流通道長度，使得纏繞在甘蔗上的蔗葉在反向旋轉的除雜輥作用下與甘蔗分離。同時，通過試驗平臺進行正交試驗，以驗證蔗葉分離機構的可行性，并為后續的蔗葉分離機構的研發提供數據上的準備。

1蔗葉分離機構的設計與分析

通過對蔗葉分離分布的試驗研究可知：由于甘蔗收獲機物流通道較短，蔗葉沒有足夠的空間和時間掉落，蔗葉就會與甘蔗稈一起拋出，且蔗葉隨著甘蔗稈一起輸出時，會分布在一定的區域。研究表明：從物流通道拋出的甘蔗質心位置在261mm范圍內上下波動，蔗葉質心分布在291mm范圍內波動，蔗葉主要堆積在離最后一級物流通道后方的700mm的范圍內[11]。為了使這部分甘蔗葉落在物流通道的下方，達到蔗葉還田的目的，需要適當地增加物流通道的長度。前期研究表明：在考慮加長輸送通道的同時，考慮增加1對反向旋轉的除雜輥和輸出輥，使得纏繞在甘蔗上的蔗葉在反向旋轉的除雜輥作用下與甘蔗稈分離，從通道下方落下。因此，本文提出了蔗葉分離機構的設計方案，旨在進一步降低含雜率。

1.1蔗葉分離機構的設計

前期的試驗及現場收割的情況表明，為了獲得理想的蔗葉分離效果，在蔗葉分離機構的設計中應該考慮以下3方面的因素：①摩擦力。在甘蔗輸送過程中，蔗葉分離機構應具備對甘蔗的反方向作用力，并具有一定的摩擦力，才能清除雜葉。②支撐作用。蔗葉分離機構對甘蔗應有一定的支撐作用，以確保獲得足夠的摩擦力。③甘蔗通過性。為確保甘蔗具有較好的通過性，除雜刷片的形狀尺寸應確保既能夠與甘蔗接觸，利于剝落蔗葉，同時也有利于甘蔗的通過。

為了滿足蔗葉分離的功能要求，蔗葉分離機構的設計與安裝采用了如圖1所示的方式。各個功能部件對甘蔗均有一定的支撐作用，因此形成了一種多點支撐的形式。為了確保蔗葉分離機構的布局能夠避開蔗葉分布范圍，除雜輥和輸送輥之間的間距為420mm，原有的物流通道只到第2級輸出輥；而現在設計的蔗葉分離裝置中的物流通道增加了除雜輥和第4級輸出輥，因此整個物流通道相當于加長了840mm，剛好避開了蔗葉分布范圍。

甘蔗的受力情況如圖2所示。甘蔗在蔗葉分離機構中主要受到的作用力是除雜輥對甘蔗沿甘蔗運動方向的軸向作用力Fx、垂直于甘蔗運動方向的作用力Fy及摩擦力f2。甘蔗經過第2級輸出滾輸送到除雜輥，除雜輥的除雜刷片作用于甘蔗表面，使得甘蔗受到垂直于于甘蔗運動方向的作用力Fy，在摩擦力f2作用下，除雜刷片將甘蔗葉與甘蔗莖稈分離。隨著甘蔗往后面繼續輸送，甘蔗將會受到滾筒對甘蔗沿甘蔗運動方向的軸向作用力Fx。隨后被第4級輸送輥夾住，此時甘蔗將受到向后輸送的動摩擦力f1，則整個運動過程中甘蔗受到的總作用力為F=f1-f2-fx。

圖2　甘蔗除雜過程中的受力分析圖

從整個受力分析過程中可以看出：由于除雜輥的運動方向與甘蔗輸送方向相反，相當于給蔗葉施加了一個反向力；當甘蔗輸送至除雜輥時，通過除雜刷片將蔗葉刷下，促使蔗葉在摩擦力的作用下脫離甘蔗稈莖，蔗葉從輸送通道下方排出，最后甘蔗經過第4級輸出輥輸出，從而實現蔗葉分離。因此，除雜刷片與甘蔗直接作用的摩擦力大小將直接影響除雜效果，設計時需要考慮除雜刷片的材料及結構等。

1.2影響蔗葉分離效果的因素分析

1.2.1除雜輥轉速

前期研究表明，除雜輥轉速對有效降低含雜率有一定的影響[11]：在輸送輥轉速一定的情況，除雜輥的轉速與作用間隔成反比，轉速越高，除雜刷對甘蔗的作用間隔越小，作用越密集；除雜元件對于甘蔗的作用力與除雜輥的轉速成正比，在其他參數一定的情況下，轉速越高，對于甘蔗的作用力越大，越有利于剝落纏繞蔗葉功能的實施。但是，轉速越高，對甘蔗作用力越大，將會對甘蔗順利輸出造成一定影響，容易出現比較嚴重的堵塞情況。因此，要選擇合適的轉速，才更有利于實現蔗葉分離。

1.2.2交錯深度

由甘蔗在除雜過程中的受力分析可以看出：在條件一定的情況下，除雜刷片與甘蔗的接觸面積大，則除雜效果好。也就是說，除雜輥對甘蔗作用力與交錯作用深度越大越有利于蔗葉的分離。在作用深度比較大的情況下，會導致除雜刷片對甘蔗的夾持作用過大；同時由于除雜輥為反向旋轉，除雜輥與甘蔗的交錯作用深度越大，甘蔗輸出空間越小，比較容易出現甘蔗被夾持卡死的現象，從而引起整個物流堵塞，影響甘蔗的輸出。所以，選取合理的交錯作用深度對于有效實現蔗葉分離具有重要的作用。

1.2.3除雜刷片形狀

在實際工作時，主要依靠除雜刷片的反向旋轉，即除雜刷片表面與甘蔗的摩擦作用來對纏繞的蔗葉進行剝落，達到蔗葉分離的目的。因此，除雜刷片的形狀尺寸選擇顯得尤為重要。參照前期課題組設計的剝葉輥和耙葉輥[12-13]，考慮輸送物流通暢性，在除雜刷片的設計上采用了長梳齒形狀。其有效長度為80mm，開口寬度為30mm。設計了3種不同形狀的除雜刷片，如圖3所示。其中，第1種為30mm寬度的矩形長梳齒，第2種為20mm寬度的矩形長梳齒，第3種為20mm寬度的三角齒型。

圖3　3種除雜刷片

2蔗葉分離機構試驗

2.1蔗葉分離機構正交試驗

2.1.1試驗設計

以刷片形狀(A)、除雜輥與甘蔗交錯作用深度(B)和除雜輥轉速(C)3個因素作為試驗因素，各因素選取3個水平，因素水平如表1所示。以含雜率和除雜率作為試驗指標，選用L9(34)正交表共進行9次試驗[14]，每組實驗重復5次，取其平均值。

表1　正交試驗因素與水平

2.1.2試驗材料

本次試驗所用的甘蔗是從甘蔗種植戶田地里實地購得，全為未經先期處理帶蔗葉含蔗尾的新鮮甘蔗，型號為粵糖159號。試驗時間為2014年1-2月，此時甘蔗已經完全成熟。

2.1.3試驗平臺

為了更好研究蔗葉分離機構的除雜率和含雜率，在自主研制的試驗平臺上進行正交試驗，整個蔗葉分離機構包括1對除雜輥、1對輸出輥及傳動系統組成，如圖4所示。其中，除雜輥轉速和輸出輥轉速分別由電機帶動，使用變頻器對除雜輥轉速進行調節，方便后續試驗的順利進行。當甘蔗和蔗葉經過除雜輥時，蔗葉被反向旋轉的刷片刷掉并落在輸送通道下方，甘蔗在輸出輥作用下繼續往后輸送，從而達到蔗葉分離的目的。試驗結果如表2所示。

1.輸送輥　2.耙葉輥　3.下剝葉輥　4.上剝葉輥

序號ABC含雜率/%除雜率/%111111.4172.5212221.3380.0313331.6687.8421230.4184.7522311.2791.8623121.4671.0731321.4696.1832131.2065.3933221.3676.8

2.2試驗結果分析

2.2.1含雜率

以含雜率為指標，對表2試驗結果進行方差分析，分析結果如表3所示。

表3　含雜率方差分析

F0.05(2,8)=4.46。

由表2的試驗結果發現：正交試驗中含雜率的綜合平均水平為1.28%，符合含雜率小于5%的要求。由此可知：采用這種方式布局的蔗葉分離裝置具有良好的蔗葉分離效果。

分析發現：當顯著性水平α=0.05時，除雜輥轉速對含雜率無顯著影響。前期的研究結果表明[8-10]，除雜輥轉速對含雜率的影響顯著。本文除雜輥的轉速水平取值是根據前期研究結果取100～140r/min，相對于含雜率這個指標而言，此取值范圍屬于較優的水平取值。轉速的提高主要是增加了除雜刷片對甘蔗的打擊次數，從而提高除雜質量。所以，盡管試驗中轉速對含雜率的影響并不顯著，但與前期的研究結論并不矛盾。

2.2.2除雜率

以除雜率為試驗指標的直觀分析與方差分析結果如表4、表5所示。

表4　直觀分析結果

續表4

表5　除雜率方差分析

F0.05(2,8)=4.46。

綜合分析可以得出：

1)正交因素A(刷片形狀)、B(除雜輥與甘蔗交錯深度)對除雜率沒有顯著性影響， C(除雜輥轉速)對除雜率有顯著性影響。

2)正交試驗中除雜率綜合水平為80.67%，說明設計的蔗葉分離機構具有較好的除雜效果，除雜目標達到預期設計要求。

3)在以除雜率為指標的情況下，除雜率越大越好，因此較優組合為A2B1C3。對比正交試驗表，組合A2B1C3并未出現在正交列表中，因此需要對其進行后續驗證試驗。

2.3較優參數組合的試驗驗證

以優化參數為目的，選取上文分析中較優組合A2B1C3及與其結果比較接近的組合A2B2C3、A3B1C3共3個組合進行驗證試驗，每組重復5次試驗，取其平均值，結果如表6所示。

表6　對照試驗結果

由表6可以看出：組合A2B1C3除雜率高于組合A2B2C3，但組合A2B2C3的含雜率低于組合A2B1C3。由于蔗葉分離機構更注重除雜效果，所以除雜率的比重略大于含雜率。綜合考慮以上的兩個指標，選取最優組合A2B1C3。

最優組合下的甘蔗除雜效果如圖5所示。驗證試驗中，含雜率綜合水平為1.21%、除雜率綜合水平為89.8%，說明設計的機構除雜目標達到預期要求。通過試驗效果圖可以看出：該蔗葉分離機構的除雜效果較理想，達到了預期目的。

圖5　試驗效果圖

3結論

1)對蔗葉分離機構采用合理的布局，設計的除雜輥和輸送輥之間的間距為420mm，相對于之前設計的物流通道，整個物流通道相當于加長了840mm，剛好避開了蔗葉分布范圍，可獲得良好的除雜效果。

2)通過試驗研究，得出了此蔗葉分離機構的較優參數組合為A2B1C3，即刷片形狀為20mm梳齒型，除雜輥與甘蔗交錯深度0mm，除雜輥轉速140r/min。

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Design and Experiment on Sugarcane Leaf Separation Mechanism of Whole-stalk Sugarcane Harvester

Ma Fanglan, Cai Li, Yang Daiyun，Ye Caifu, Zhao Jing, Zhong Jiaqin, Li Zheng

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004,China)

Abstract：In order to further reduce the trash content of the whole stalk sugarcane harvester, to meet the sugar-refinery requirements of the trash content of the whole sugarcane harvester, this article endeavors to analyze distribute and installation the stripping roller, conveyor roller and cleaning roller which function as supporting role, with the help of sugarcane’s force analysis when the sugarcane leaves were separated. The orthogonal experiment research tested on the experimental platform shows that the reasonable parameter groups of the separating roller were: the shape of the brush is the 20mm comb perforation, the interleaving depth between cleaning roller and sugarcane is 0mm, the rotation speed of the cleaning roller is 140r/min. The experiment results show that the mechanism is effective and feasible.

Key words：whole-stalk sugarcane harvester；ceaning leaves; sugarcane leaf separation；orthogonal experiment

文章編號：1003-188X(2016)04-0195-05

中圖分類號：S225.5+3

文獻標識碼：A

作者簡介：麻芳蘭(1976-)，女，廣西橫縣人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)422568295@qq.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51465004)；廣西自然科學基金項目(2014GXNSFAA118381)；廣西理工科學實驗中心(YXKT2014011)

收稿日期：2015-03-22