切段機收原料蔗含雜率快速檢測裝置設計與試驗

蔣姣麗，支 騰，梁 生，鄒小平，劉慶庭*

(1廣東省農業技術推廣中心，廣東廣州 510515；2華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室/工程學院，廣東廣州 510642)

0 引言

在制糖生產中，原料甘蔗占全部成本的比例超過70%，其質量好壞制約了制糖廠的一級糖產糖率和經濟效益，如何提高甘蔗進廠質量，成為制糖企業關心的首要并日益重視的問題[1]。近年來，隨著人工成本不斷提高，甘蔗收獲方式已由人工砍收逐步向機械收獲過渡[2]。目前主要以切段式收獲為主，而切段機收蔗中混有過多的泥沙、蔗葉、蔗梢和蔗蔸等雜質會導致制糖設備磨損、成本增加和一級糖產出率降低。目前，糖廠大多采取目測的方法估測進廠原料蔗的含雜率，估測結果主觀意識較強，估測的含雜率往往偏高，科學性較差，也容易引起糖廠和蔗農之間的糾紛。

國內學者對切段機收原料蔗含雜率快速檢測有一定的研究，張智剛等設計的切段式機收蔗含雜率檢測裝置采用圖像識別方法計算進廠原料蔗的含雜率[3]，其檢測條件具有一定的局限性，如為了能精準識別物料性質，要求通過檢測區域的甘蔗量少且打散均勻。李玲等設計的一種甘蔗收獲機含雜率智能檢測系統通過升降機構提升甘蔗，當甘蔗橫向移動時獲取圖像，并對每根甘蔗段的每個部位進行雜物檢測[4]，此檢測系統針對少量甘蔗段進行雜質檢測，不適宜糖廠入榨前端的快速檢測。針對國內現有切段機收原料蔗含雜率快速檢測裝置結構單一、使用范圍小、不適用于糖廠快速測雜要求的現狀，本文在參考國內外甘蔗除雜技術的基礎上，設計了一款原料蔗含雜率快速檢測裝置，并進行試驗研究。

1 整機結構與工作原理

切段機收原料蔗含雜率快速檢測裝置主要由振動臺架、接料裝置、一級篩面、二級篩面、風選除雜裝置、稱重臺等組成，如圖1所示。主要技術參數如表1所示。

表1 切段機收原料蔗含雜率快速檢測裝置的主要參數

圖1 切段機收原料蔗含雜率快速檢測裝置整體結構圖

該測雜裝置放置在糖廠機收蔗卸料槽一側的平整地面上。機收蔗運輸車通過自卸或卸料平臺將車廂內的原料蔗傾倒在集料槽內。切段機收原料蔗含雜率快速檢測工作流程如圖2所示。工作時，取料箱(約2.5 m3)從正在傾倒入蔗槽內的物料流接取一箱物料，然后運輸至稱重臺1進行稱重(m1)，稱重后由提升裝置將料廂提升到接料裝置上方，并將物料傾倒入接料箱內。

圖2 切段機收原料蔗含雜率快速檢測裝置作業流程圖

本文試驗在工廠實施，采用廠房內的行車將稱重后的接料箱(裝滿摻雜著蔗蔸、葉子、泥沙等雜質的原料蔗)吊運至接料裝置上方，并將物料傾倒如接料箱內。接料箱內的物料在重力作用下落到一級振動篩面上，接料箱內有一個限量板對物料下落量起到限制調節作用。一級篩上的振動鋼管將甘蔗打散，尺寸大于相鄰鋼管間距的蔗蔸留在一級篩上，蔗蔸順著振動鋼管滑落到集蔸槽中。經過一級篩上振動鋼管打散的物料通過振動鋼管之間的間隙下落到二級篩上。在物料由一級篩下落到二級篩的過程中，物料經過由風選除雜裝置風機吹風產生的高速氣流區域[5]。氣流方向與垂直于鉛錘方向，氣流將質量較輕的蔗葉和泥土吹出除去。在振動作用下，落在二級篩面上的物料內的泥沙通過篩孔去除，甘蔗段沿著二級篩面向下運動并收集在容器內，稱重臺2對除雜后的甘蔗段進行稱重(m2)。檢測系統計算按公式(1)計算得到含雜率(Jh)，完成原料蔗含雜率的快速檢測。

2 關鍵部件與參數設計

2.1 振動篩面結構設計

2.1.1 一級篩面

本裝置的一級篩面和集蔗蔸裝置由振動鋼管、三角支撐板、集蔸槽、支撐架組成，其結構如圖3(a)所示，鋼管中心距與間隙尺寸如圖3(b)所示。

圖3 一級篩面和蔗蔸收集槽

一級篩面由9根長2200 mm的無縫鋼管均勻排列而成，鋼管規格為φ40×3(直徑40 mm，壁厚3 mm)，鋼管質量《結構用無縫鋼管》國家標準(GB/T 8162-2018)[6]。湛江糖廠實地考察，蔗蔸的寬度一般為80 mm以上。所以，相鄰鋼管間的中心距設計為105 mm，間隙為65 mm，可以實現將蔗蔸留在篩面上進而分離蔗蔸和蔗段的作用。鋼管篩面下方設計有支撐裝置。為了保證篩面剛度的同時不影響篩面篩分蔗蔸，支撐裝置采用三角支撐板，如圖4所示，三角支撐板長度為1500 mm，高140 mm，厚度為5 mm。

圖4 三角支撐示意圖

2.1.2 二級篩面

本裝置的二級篩面由14個單元篩面排列組成，單元篩面示意圖如圖5所示，結構尺寸圖如圖6所示。切段式收獲機獲得的甘蔗段長一般為250 mm左右，甘蔗直徑20～40 mm。二級振動篩主要用于除去泥土和剩余的葉子，根據蔗段的大小尺寸，篩面由長476 mm，寬15 mm，厚2 mm的扁鐵排列而成，扁鐵厚度方向朝上(下)，相鄰扁鐵之間間隙15 mm，以方便泥土下落。為提高篩面剛度，厚2 mm的扁鐵由激光切割加工出2 mm寬、15 mm深的槽，相鄰槽之間的間隙為15 mm。476 mm長的篩面鋼板卡在槽內。篩面的安裝采用螺栓連接，方便拆卸。二級篩面尺寸如表2所示，為了有充足的距離進行氣流除雜，設計一、二級篩面之間高度差為800 mm。

表2 二級篩面尺寸

圖5 單個篩面示意圖

圖6 單個篩面結構尺寸圖

2.2 風選除雜裝置

一、二級篩面對原料蔗中混雜的甘蔗葉子除雜效果不明顯，為此在一、二級篩面之間設置了軸流風機。在物料由1級篩面下落到2級篩面的過程中，風機吹風將蔗葉和細碎泥土排出。軸流風機的特點是空氣從一端進入，并以與軸線平行的方向將其從另一端吹出。

本裝置采用的軸流風機型號為SF-7G，功率為3 kW，電壓為380 V，最大轉速為1450 r/min，風機出風口直徑為710 mm。在該裝置中，為了減小氣流的流動損失，提高風機的除雜效率，增大風機出口所覆蓋的范圍，設計了寬幅擴散型風罩，風罩出口處面積為0.56 m2，風罩外形尺寸如圖7所示。選取風罩出口的9個點為風速測量點，見圖8。

圖7 擴散型風罩

圖8 風機風罩出口截面風速測量點

在不同風機轉速下用風速儀直接測量各點的風速并求其平均值[7]。通過式(2)計算其流量與風速如表3所示。

表3 風罩出風口參數

式中：Q，流量(m3/h)；V，風速(m/s)；F，截面積(m2)。

2.3 振動臺的設計參數

振動臺包括電機、激振裝置、彈簧支撐裝置等[8]。振動臺的工作原理是：皮帶軟連接在電機的驅動下帶動激振軸，激振軸帶動偏心鐵塊產生離心力使振動臺以近似圓的運動軌跡振動，甘蔗在篩面進行拋擲運動，泥土和蔗葉則進行透篩運動，除去蔗葉及泥土。

2.3.1 篩網傾角

振動篩篩面與水平面之間的夾角θ稱作篩網傾角，θ的大小影響振動篩工作效率。θ過大，物料在二級振動篩面停留時間短，造成除雜不充分。θ較小，甘蔗段在篩面停留時間長，影響除雜效率。一般振動篩角度為0～15°。本文設計的二級振動篩面主要對物料內的泥土以及蔗葉碎片進行篩分，甘蔗段在篩面受力情況如圖9所示。

圖9 甘蔗段在二級振動篩面的受力分析

振動篩面上甘蔗段沿篩面滑落的加速度可由牛頓第二定律計算：

式(3)中：a，甘蔗段沿二級振動篩面下滑得加速度(m/s2)；g，重力加速度，一般取9.8 m/s2；θ，振動篩篩面與水平面之間的夾角(°)；μ，甘蔗段與二級振動篩面的摩擦系數。

相同物料和篩面材料情況下，θ越大，加速度越大。帶有角度調節機構可以調節振動篩篩面與水平面之間的夾角θ來改變加速度[5]。本文設計的θ為8°。

2.3.2 振動篩的參振質量

振動篩的參振質量計算公式為：

式(4)中：M0，篩體的質量；m，為激振裝置的參振質量；Ka，物料結合系數，通常取0.2；ma：篩分物料的質量[9]。

本振動篩篩體和激振裝置的總重量為1180 kg，振動篩工作時，落在篩網上的物料總質量最大為110 kg，由式(4)可得振動篩的最大參振質量為1202 kg。

2.3.3 振動篩的頻率

振動篩頻率f的計算公式為:

其中

式中：ω，電機旋轉角頻率；rad/s；n：電機轉速，r/min。可得振動篩電機轉速為960 r/min時，振動篩頻率為16 Hz。

2.3.4 振動篩的彈簧剛度

彈簧和上下彈簧座組成阻尼支撐裝置如圖10所示，阻尼支撐裝置是連接振動篩篩體和底座的部件，整個振動臺采用了4組8個彈簧作為阻尼，有效的支撐振動臺工作，減少了振動和沖擊[9]。彈簧規格為：線徑13 mm，外徑90 mm，內徑64 mm，彈簧中徑為77 mm，彈簧有效圈數為8圈。

圖10 彈簧支撐裝置

彈簧的剛度計算公式為：

式中G，彈簧鋼的切變模量。本文取G=8×104 MPa=8×1010 Pa；d，彈簧線徑(m)；d1，彈簧中徑(m)；n：彈簧有效圈數。

由式(7)可得，彈簧的剛度為104.1 N/mm。

2.4 檢測裝置

本裝置檢測裝置由2臺電子秤、數據線及物聯網稱重軟件等構成。稱重臺1對除雜前的原料蔗進行稱重得到m1，經過除雜后稱重臺2進行稱重得到m2。2臺稱重臺將得到的信號通過232信號傳遞到電腦的物聯網稱重軟件平臺，物聯網稱重平臺計算出原料蔗的含雜率。

3 切段機收原料蔗含雜率快速檢測裝置試驗

為了進一步驗證振切段機收原料蔗含雜率快速檢測裝置設計的可行性，根據總體結構設計方案，研制出該裝置(圖11)，并進行性能試驗。

圖11 快速檢測裝置

3.1 試驗條件

試驗設備如圖11所示。試驗材料位從廣東湛江砍收的甘蔗，品種為桂糖49號。將甘蔗切成250～300 mm的甘蔗段。試驗所用設備有TASi激光轉速儀(量程：2.5-99999 RPM；分辨率：0.1 RPM；精度：±0.05%讀數+1個字)、電子秤(量程：0～300 kg；精度0.01 kg)、行車、塑料布、塑料筐、變頻器等。

3.2 試驗方法與內容

采用正交試驗法[10]來對本文研究的快速檢測裝置進行試驗。選取喂入量、振動頻率、風機轉速為試驗因素。風機最低轉速應能夠將蔗葉去除，通過預試驗確定風機轉速為1250 r/min為最低轉速，1450 r/min為高大轉速。

根據接料裝置容積大小選擇喂入量110 kg作為最大喂入量，選取70、90、110 kg為喂入量的3個水平。根據振動試驗臺的振動物料下滑情況，當振動臺電機頻率低于14 Hz時，物料在振動篩面上下滑緩慢，選取振動篩頻率為14～16 Hz。試驗測得該試驗臺風機轉速1250、1350、1450 r/min三水平對應的振動頻率為14、15、16 Hz。選用L9(34)正交表設計正交試驗設計方案，如表4所示，第4列為空白列。

表4 正交試驗設計方案

為評價該裝置的除雜能力，以除雜率(r)為試驗指標。除雜率為物料除雜后，除去的雜質占除雜前物料中混入的雜質總重的百分比。r越大表明除雜能力越強，計算公式如下。

式中，m1為除雜前甘蔗與蔗葉、蔗蔸、泥沙等雜質的總質量；m2除雜后甘蔗與未除去的甘蔗葉等雜質的總質量；m為雜質總量。

3.3 試驗結果及分析

標4中的每個處理重復3次，取其平均值。試驗結果如表5所示，試驗所用時間見表6。

表5 試驗結果

表6 每個處理所用時間

試驗結果表明：該裝置能夠有效的去除原料蔗中的蔗蔸、蔗葉、泥土等雜質，除雜率≥92.5%。3分鐘內能夠快速檢測出物料的含雜率。對正交結果進行極差分析，結果如圖12所示。

圖12 除雜率各因素極差對比圖

從圖12中可得如下結果：

(1)通過對極差R值的比較可以看出影響除雜率3個因素極差大小的關系為RA＞RC＞RB，由此得出對于影響除雜率的因素由主到次關系依次為：A(風機轉速)、C(喂入量)、B(振動頻率)。

(2)僅從試驗結果直觀來看，試驗號7(A3B1C3)的除雜效果最好，檢測設備可以快速得到蔗段的含雜率。

(3)對比K值后可知，3種因素所對應的最優組合為A3B1C3(對應7號試驗)，即風機轉速1450 r/min、振動頻率14 Hz、喂入量110 kg。

4 結論與討論

(1)該研究設計的進廠原料蔗含雜率檢測裝置測試一個100 kg的樣本平均耗時3 min，除雜率≥92.5%，滿足糖廠對進廠機收原料蔗的含雜率快速檢測的需求。

(2)該裝置中影響除雜率的因素由主到次關系依次為：A(風機轉速)、C(喂入量)、B(振動頻率)，3種因素所對應得最優組合為A3B1C3。該組合下平均除雜率96.1%。

(3)試驗過程中，檢測裝置在試驗中未出現故障，穩定性較高，還有優化的空間。

(4)用于生產實踐時，該裝置難以將緊包在蔗段上的葉鞘去除。從糖廠反饋的意見是：這些葉鞘對榨糖影響不大，可以直接采用本文所研發的除雜裝置得到的含雜率，也可以根據甘蔗品種不同適當加大的個數值(包裹在蔗段上的葉鞘所帶來的含雜率)。