甘蔗斷尾現狀及斷尾機構分析

羅菊川++區穎剛+劉慶庭

摘要：針對整稈式聯合收獲機機械收獲后甘蔗夾雜物中青葉多、莖稈尾梢部分過長等問題，對國內外甘蔗尾梢部位確定及斷尾機構現狀進行深入分析，分析表明，斷尾位置控制、緊密包裹尾部葉鞘的撕裂剝除是當前阻礙斷尾除葉技術發展的2個關鍵技術難點，確定符合農藝要求又適合機械斷尾的斷尾位置，設計相應的斷尾機構，對推動甘蔗收獲機的發展有著積極和重要的意義。

關鍵詞：甘蔗；斷尾；機械；聯合收獲機；現狀

中圖分類號： S225.5+3；S220.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0412-04

收稿日期：2015-12-14

基金項目：國家自然科學青年基金（編號：51405163）。

作者簡介：羅菊川（1975—），女，廣東梅州人，博士，講師，主要從事甘蔗收獲機械研究。E-mail：juchuanluo@163.com。我國是世界第三大糖料生產國，甘蔗作為我國主要的糖料作物，蔗糖產量占我國食糖總產量的90%以上，在農業經濟中占有重要的地位[1-2]。目前，我國食糖的生產成本過高，甘蔗的生產成本約占蔗糖成本的60%～70%；2001—2012年食糖進口量呈急劇增加態勢，而出口量一直處于微量水平，近2年，食糖進口量約是出口量的35倍[3]；我國甘蔗生產的綜合機械化水平很低，勞動強度大、耗時長，占甘蔗生產成本比例較高的收獲環節基本上還是靠人工作業，而甘蔗收獲的機械化技術水平是嚴重制約甘蔗生產全程機械化的瓶頸。這些均導致我國的蔗糖產業缺乏市場競爭力，而實現甘蔗收獲機械化是降低蔗糖生產成本、增強國際競爭力的重要途徑，是當前蔗糖業迫在眉睫需要解決的任務。

整稈式甘蔗聯合收獲機的機型較小，設計及生產成本較低，適應我國目前農村生產及糖廠的加工條件，近一段時間內是我國甘蔗收獲機的重要機型。目前，整稈式甘蔗聯合收獲機收獲甘蔗后夾雜物中青葉多、莖稈尾梢過長等問題[4-5]嚴重影響該機械發展，斷尾除葉技術是該種機型急需攻克的技術難點[6]。通過對國內外甘蔗尾梢部位確定及斷尾機構現狀進行深入分析，指出阻礙斷尾除葉技術發展的關鍵技術難點，對推動甘蔗收獲機的發展有著積極和重要的意義。

1國內外甘蔗尾梢部位的確定

蔗尾由莖稈頂端生長點以下含糖分很少的尾部莖稈L以及包含葉片和葉鞘的蔗葉2部分組成（圖1），斷尾除葉工序包括剝去蔗莖上的蔗葉和斷除蔗尾2道工序。含糖量很少是一個模糊概念，國內外對蔗尾莖稈長度沒有統一的標準。輕工部對原料蔗的收獲規格為甘蔗梢部應砍至見白即見蔗肉，一般應從梢部的生長點向下砍至300 mm處[7]；行業標準《甘蔗收獲機械試驗方法》（JB/T6275—2007）和廣西南寧市地方標準規定，蔗梢包括生長點以下150 mm的蔗莖[8-9]；《糖料甘蔗》（GB/T 10498—2010）指出，采用機械收獲的，甘蔗夾雜物重量指標由產購雙方協商確定[10]；日本學者宮部芳照等以蔗梢以下展開葉第6葉作為梢頭部[11]，印度學者Uppal等則認為，蔗梢包括生長點以下3～4節[12]。蔗尾莖稈L部分切除太多，蔗農損失增加，切除太少，蔗尾莖稈含糖分很少，除增加無用的能量消耗外，還會影響糖分析出，使產糖量減少，同時，對生產企業而言還會增加原料成本，甚至留有生長點的蔗會繼續生長，影響原料糖的質量[13-14]。斷尾位置難統一、含雜問題阻礙了甘蔗收獲機械的發展[15]。

2國內外甘蔗斷尾機械研究現狀

甘蔗成熟收獲時，蔗莖尾部都是青葉，含水率高，主要采用機械去除蔗尾的方式，當前，國內外機械斷尾的方式主要有5種。

2.1人工送入旋轉刀具進行甘蔗斷尾

由人工拿起收割機砍倒的甘蔗，在甘蔗進入剝葉機前，利用剝葉機上旋轉的刀具將蔗尾切除。這種方式屬于半自動化作業，存在重復性勞動，勞動強度大，未從根本上解決切除蔗尾勞動強度大的問題。

2.2甘蔗處于直立狀態進行斷尾

1950年，Rasmussen設計的收割機設有切除嫩梢的旋轉切刀即斷尾機構，由水平放置的木支架支撐，收獲時，切刀先將直立狀態的甘蔗頭部嫩梢切除。20世紀60年代，Ray Venton 設計的收割機由2個轉盤割刀，與之相配合的指狀喂料器輸送鏈將蔗稈以垂直狀態送入喂料器，并將梢部切下。這種前置式的斷尾機構是由操作人員在目測基礎上，通過液壓機構調節刀具的升降，從而來控制蔗尾被切斷的長短[16]。目前，國外絕大部分甘蔗收獲機的斷尾機構都采用這種原理。我國甘蔗一般種植在丘陵地帶，甘蔗生長高度差別較大，且存在倒伏，而沿海蔗區更是倒伏嚴重，造成切斷的甘蔗尾長度誤差相對較大，這種大型甘蔗收獲機在我國不容易被接受[17]。

2.3甘蔗收割鋪倒，在剝葉前進行斷尾

任曉智根據蔗莖與蔗尾的直徑變化范圍不同設計了1種斷尾機構，該機構由1對相向轉動的傳動錐輥組成，經調節兩輥的間隙使甘蔗蔗莖順利通過，而甘蔗的尾梢則在螺旋壓條的壓力下進入兩錐輥間隙中，從而以尾梢作為切斷的定位點，通過設定的圓盤切尾刀從斷尾點處切斷蔗尾[18]。江少杰在前人研究基礎上，運用虛擬設計對甘蔗斷尾機構進行創新改進，并運用虛擬仿真技術，對設計的斷尾機構進行仿真驗證，并指出，由于大部分甘蔗在11月份進行青稈收獲，甘蔗的“雞蛋黃”部分在剝葉、斷尾前被綠葉包裹著，直徑可達12～13 mm，有的甚至更大，與蔗稈直徑相差不大，綠葉較多處到“雞蛋黃”處有20～30 cm的長度，這增加了斷尾機構智能判斷的難度[19]。另外，由于蔗葉自身生長排布的獨特性，甘蔗在有綠葉包裹處整個截面呈橢圓形，這使其在錐滾上滾動傳送時有一定困難；甘蔗在收獲時是連續交錯傳送的，這種方法也不太好實現甘蔗斷尾。

2.4甘蔗收割鋪倒，在剝葉過程中進行斷尾

2.4.1滾筒拉扯式國外印度學者Sharma等利用舊收獲機的抽風葉輪和液壓馬達制成一種甘蔗田間剝葉機，其抽風葉輪由液壓馬達驅動，作業時剝葉機沿蔗行移動，機上的葉輪轉動著把蔗行一側的蔗葉剝除，氣流式剝葉裝置由1對拋送輪和2個壓力風扇組成，工作時必須使甘蔗梢部先喂入，圓筒面上帶膠塊的拋送輪高速將甘蔗向后拋送，風扇的高壓氣流使蔗葉張開并阻止其向后輸送，這時蔗葉緊貼在拋送輪面上，由輪上的橡膠塊將其從蔗稈上扯下[20]。

不久，Sharma等又利用甘蔗未成熟的尾部與己成熟的莖部之間存在脆弱點、蔗尾剝葉時經常在此被折斷、蔗莖強度向尾部逐漸減弱這一特點研制了滾筒拉扯式的甘蔗剝葉機，該機構由喂入槽、滾筒、下輥、副輥、刮板輥、風扇和剛性固定在機架上的傾斜工作臺組成（圖2），能夠實現甘蔗剝葉過程中斷除尾梢部分[21]。工作時，甘蔗單條、雙條或多條一起由尾部先喂入，經喂入槽后進入對轉的滾筒和下輥之間，蔗莖被拉入，并被輥子滾壓，拉扯蔗尾和蔗葉；青葉和蔗尾被風扇吹向下輥和副輥所形成的凹部，風扇排氣口正處在凹部的上方，下輥和副輥將蔗尾和青葉向下拉，直到蔗莖尾部和青葉與蔗莖分離，掉在傾斜的臺面；刮板滾筒的轉動方向與蔗莖運動方向相反，其作用是梳理已去掉蔗尾的蔗莖，干凈的蔗莖離開機器掉在地上。這2種剝葉機都要求甘蔗尾部先喂入，存在剝葉工效低、含雜率不理想等問題，不適宜在推倒式整稈聯合收獲機上使用。

2.4.2刀片刮擦式任維義等利用彈性刀片式剝葉刀圓環內孔均布的6個弧形刀片，將從中通過的甘蔗蔗葉刮離；為適用于不同大小的甘蔗，2對送料輪的距離可連續調節，根據某一地區、某一品種甘蔗的長度和彎曲度，調好距離并鎖住，每組送料輪夾緊的間隙靠彈簧自動調節，隨甘蔗大小自動張開或縮??；為消除剝葉盲區、防止蔗葉堵塞，先由剝葉輪進行粗剝，再由后面的彈性刀進行精剝（圖3）；刀片夾緊力合適，刀片緩慢旋轉，甘蔗從刀片之間通過，將剩余的蔗葉割離[22-23]。這種剝葉機構甘蔗需單根喂入，工作效率低，脆弱的尾梢部在葉片剝除后經刀片旋轉振動可能斷除。

2.4.3中空軸爪式剝葉機械空心軸內孔均布4個剝葉爪，甘蔗進入后剝葉爪繞銷軸微轉，爪尖在彈簧作用下壓緊蔗莖表面，切入甘蔗葉內，切入力大小可由螺釘調節，當剝葉軸旋轉而甘蔗直線送進時，爪尖相對于甘蔗表面做螺旋運動（圖4）[24]。這種剝葉機構甘蔗同樣需單根喂入，工作效率低，脆弱的尾梢部在葉片剝除后經刀片旋轉振動可能斷除。

2.4.4離心沖擊式主要借助剝葉元件高速旋轉的離心力和摩擦力打擊蔗莖、剝離蔗葉，在剝葉過程中實現斷尾[25-26]。1972年，廣西農機研究所、廣東湛江地區農機所研制出工農-12型離心沖擊式剝葉機，主要由限速輥、剝葉輥、導向壓板、喂入托板、機架和傳動機構等組成，功效較手工提高2～3倍[27]。剝葉輥由12片膠片組成，每2片成1組相對排列安裝；剝葉時，將甘蔗根部送入喂入口，剝葉輥以800～1 000 r/min 速度旋轉把甘蔗帶進去，通過剝葉裝置、剝葉膠片，將葉片和葉鞘由剝葉輥的旋轉力將甘蔗梢部打斷，剝凈的甘蔗從蔗莖上全部剝下，甘蔗的梢端通過剝葉裝置時由限速膠輥輸出。這種剝葉機存在橡膠剝葉元件（橡膠片）容易磨損、壽命短，成本相對較高，彎曲厲害和短小的甘蔗剝葉易折斷等問題[28]。

2.4.5彈性齒滾筒式甘蔗剝葉裝置由牟向偉等設計，甘蔗由根部喂入，經輸送滾筒組在橡膠條的強制作用下進入剝葉滾筒組工作區域，剝葉元件的彈性齒與蔗葉接觸，剝葉后甘蔗經輸出滾筒組向后輸出（圖5）[29]。在這個剝葉過程中，甘蔗尾部越接近生長點處，甘蔗抗破壞強度越低[30]，因此，在剝掉或破壞包裹生長點附近的葉鞘后，甘蔗在剝葉輸送過程中抖動或受到滾筒擠壓，嫩脆的尾部可以斷掉。

2.4.6整稈式甘蔗收獲機剝葉斷尾由麻芳蘭等設計（圖6），剝葉輥上的剝葉刷依靠高速旋轉過程，其側面對甘蔗通過摩擦來剝離蔗葉，與此同時，經過耙葉作用的甘蔗尾梢，在缺乏蔗葉有效防護作用下受到剝葉刷的高速沖擊從而實現斷尾[26]。

以上這幾種在剝葉過程中實現斷尾的機構，都是利用蔗莖尾部非常脆弱易斷，撕裂破壞或剝除外部包裹緊密的葉鞘后，蔗尾在機構振動、滾筒擠壓或剝葉元件高速打擊下斷除，而機構本身并沒有對斷尾的位置進行控制。但是，甘蔗尾部的青葉葉鞘重疊覆蓋，包裹十分緊實，很難被撕裂和破壞，即使尾部折斷也有很多是尾部包裹在葉鞘里沒有完全分離，要想有效破壞和剝離包裹生長點部分的這些青葉，即使提高剝葉元件的轉速也難以做到，而且過高的轉速容易造成甘蔗折斷，特別是對于倒伏彎曲的甘蔗，整機功率消耗也大。另外，

我國甘蔗收獲期間陰雨天氣較多，雨后蔗葉濕潤[31]，大大增加了剝除青葉的難度，這部分難以剝除的青葉造成含雜率高，直接影響了剝葉機構的性能。

2.5甘蔗收割鋪倒，應用整機前部的切尾裝置和通道內設置的斷尾輪進行聯合斷尾

為適應甘蔗在生長過程中出現生長高度不一致的現象，肖宏儒等設計的整稈式甘蔗聯合收獲機，在收獲機前部安裝切梢裝置，作業時先切除甘蔗部分蔗梢；切梢后的甘蔗進入通道內進行剝葉，通道的尾部裝有鋸齒狀的斷梢輪，剝葉后的甘蔗經通道內輸出輪輸出時，甘蔗中蔗梢以下到第1個蔗節的部分經過斷尾輪徹底去除[32]。這樣經2道工序處理的蔗梢將被切除，滿足了糖廠對原料蔗斷梢的要求。

3自行研制斷尾機構的特點

利用甘蔗尾部機械強度顯著低于中部和基部的特點設計出一種斷尾機構，蔗莖在斷尾滾筒上下彈性元件輪流交替的作用下產生彎曲變形，當彈性元件具有適當的彈性、機構調整到合適的參數時，可以控制蔗莖在生長點以下4～6節折斷，從而使甘蔗尾部5～6片包裹緊密的青葉連同莖稈尾梢部分一起斷除，斷尾長度合理[33]。試驗證明，不需撕裂或破壞，緊密包裹蔗尾的葉鞘可在合適的斷尾位置進行斷尾。

4結論

整稈式甘蔗聯合收獲機適應我國目前農村生產及糖廠加工條件，在近一段時間內是我國研制的重要機型，斷尾除葉是阻礙這一機型發展的關鍵技術難點，主要體現在：一是蔗莖尾部頂端生長點被層層緊密包裹在葉鞘中，難以識別，再加上自然條件、甘蔗個體、品種、成熟狀態不同，甘蔗含糖分很少的尾部莖稈長度差異較大，斷尾位置難以控制，斷尾誤差很大；二是尾部重疊交錯、包裹非常緊實的葉鞘難以有效被破壞，蔗尾難以斷裂或斷裂的尾部與甘蔗莖稈不能完全分離，而且即使尾部斷裂分離，仍需要剝除包裹的葉鞘以達到含雜率低的要求，而要剝離這部分青葉葉鞘仍然是剝葉機構的技術難題。因此，確定符合農藝要求又適合于機械斷尾的斷尾位置，設計不需撕裂或破壞緊密包裹蔗尾的葉鞘并在該位置進行斷尾，對推動甘蔗收獲機的發展有著積極和重要的意義。

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