拉力式甘蔗剝葉機剝葉元件作業參數研究

摘要：拉力式甘蔗剝葉機剝葉元件合理的作業參數可有效改善剝葉機構剝葉質量，為降低含雜率，建立甘蔗剝葉過程仿真模型，采用單因素仿真試驗分析剝葉輥筒轉速、剝葉角度及剝葉輥筒中心距（剝葉元件交錯深度）對蔗葉所受峰值應力的影響規律和蔗葉的剝離斷裂情況，確定參數范圍；在仿真分析基礎上采用中心組合法進行多因素樣機試驗，探究3個作業參數對含雜率的影響規律并得出最佳作業參數：剝葉角度120°、剝葉輥筒中心距77.2 mm、剝葉輥筒轉速128 r/min、最小含雜率為2.03%，樣機試驗驗證所得含雜率結果為2.09%。為改善拉力式甘蔗剝葉機剝葉效果、提高作業適應性提供參考。

關鍵詞：甘蔗；拉力式；剝葉元件；剝葉效果

中圖分類號：S233.4

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 070122

05

Research on operation parameters of leaf cleaning element of pulling type

sugarcane leaf-stripping machine

Chen Mingdong， Lu Jingping， Lin Yundong， Feng Wukai， Zhong Yilüe

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

Abstract：

The reasonable operating parameters of the leaf stripping element of the tensile sugarcane leaf stripping machine can effectively improve the quality of the leaf stripping mechanism. In order to reduce the impurity rate， a simulation model of sugarcane leaf stripping process was established. The single factor simulation test was used to analyze the influence of the rotation speed of the leaf stripping roller， the leaf stripping angle and the center distance of the leaf stripping roller （the staggered depth of the leaf stripping element） on the peak stress of the sugarcane leaf and the peeling fracture of the sugarcane leaf， and the parameter range was determined. On the basis of simulation analysis， through the prototype test of sugarcane leaf stripping， the central combination method was used to explore the influence of three operating parameters on the impurity rate and the optimal operating parameters were obtained， including leaf stripping angle 120°， leaf stripping roller center distance 77.2 mm， leaf stripping roller speed 128 r/min， minimum impurity rate 2.03%. The impurity rate obtained from the prototype test was 2.09%. The results of this study provide a reference for improving the leaf stripping effect and operation adaptability of the pulling sugarcane leaf stripper.

Keywords：

sugarcane; tension type; leaf cleaning element; leaf stripping effect

0 引言

我國是全球最大的甘蔗種植國之一［1］。在廣西、廣東和云南的甘蔗產量幾乎占全國甘蔗總產量的80％［2］。目前我國甘蔗收獲環節機械化程度低［3］，在一些丘陵、山地等地區仍以人工作業為主［4］。我國甘蔗收獲以切斷式為主，其次為整稈式收獲［5］。而切斷式含雜率較高，影響糖料品質。整稈式收獲通常為離心式剝葉方法，具有結構簡單、剝葉效率較高的優點，但是普遍存在剝葉傷皮、剝葉元件壽命短、斷尾困難、含雜率達不到糖廠要求等問題。

由于剝葉機構是整稈式甘蔗收獲機的核心部件，因此剝葉機構的作業效率和質量，直接影響甘蔗含雜率。所以為了加速我國甘蔗收獲機械化進程，需要進一步探索適合我國甘蔗收獲的新方法，解決目前存在的剝葉含雜率高、剝葉元件壽命短的問題。

張增學［6］分析了梳刷式剝葉機的剝葉機理，指出影響剝葉效果的主要因素及其參數。謝盧鑫等［7］通過建立甘蔗剝葉過程仿真模型，得到了關鍵作業參數對未剝凈率的影響規律以及最終的作業參數。Alencastre等［8］研究發現甘蔗機械損傷影響收獲甘蔗的質量。

本文從新的剝葉機理進行分析，通過建立甘蔗剝葉仿真模型進一步分析蔗葉和剝葉元件的相互作用過程、二者的應力變化情況。在仿真分析的基礎上，進行田間剝葉試驗，研究剝葉輥筒轉速、剝葉角度、輥筒中心距對剝葉率的影響，并優化這三個參數，為提高拉力式甘蔗剝葉機構作業適應性、改善剝葉效果提供參考。

1 拉力式甘蔗剝葉機構

拉力式剝葉機構由喂入輥筒、風機、剝葉輥筒、輸出輥筒、動力及控制系統、傳動系統等主要部分組成，如圖1所示。整稈甘蔗被輸入輥筒傳送至剝葉裝置，蔗葉依靠風機產生的風力被吹入剝葉輥筒之間，蔗葉被拉斷并從下方排出，蔗莖由輸出輥筒喂出。本文模仿人工剝葉的方法，通過對蔗葉施加徑向拉力實現剝葉，如圖2所示。

在風機向下的風力作用下，蔗葉被吹入剝葉輥筒之間，在剝葉元件的摩擦和夾持作用下，蔗葉在與蔗莖連接處斷裂，完成剝葉。對于拉力式甘蔗剝葉方法，為提高剝葉效果，要使甘蔗進入剝葉箱后，蔗葉能被吹入剝葉輥筒對之間且被剝葉元件夾持住；需要保證蔗葉是從蔗葉根部被拉斷，而不是在蔗葉中部斷裂或被壓碎。

2 剝葉機構仿真模型建立及求解分析

2.1 力學性能試驗

選擇桂糖-44號甘蔗的蔗葉作為試驗對象。選擇長勢良好，高和蔗莖直徑相似的甘蔗，取生長點以下的完整青葉，將葉中脈和葉片分離，得到10組葉中脈和葉片試驗樣本，如圖3所示。

采用UTM5105X電子萬能材料試驗機對兩種樣本分別進行拉伸試驗，計算出樣本拉伸破壞時的最大抗拉強度，最大變形量和最大彈性模量等參數。由拉伸試驗結果可知，甘蔗葉片最大抗拉強度平均值為26.35 MPa，最大彈性模量平均值為882.39 MPa；甘蔗葉中脈最大抗拉強度平均值為37.20 MPa，最大彈性模量平均值為1439.20 MPa。由此得到仿真模型蔗葉的最大抗拉強度和最大彈性模量參數。

2.2 剝葉仿真三維模型

由于風機的作用是將蔗葉吹入剝葉輥筒之間，而本文主要考察蔗葉被拉斷時刻的情況，此時風機不會對剝葉效果產生影響。通過對單片蔗葉進行分析研究，可以簡化研究對象、減少工作量。因此本文將剝葉模型簡化為一組剝葉輥筒對、一片蔗葉和一根蔗莖。

參考實物數據，確定模型形狀尺寸，如圖4所示。

2.3 剝葉裝置仿真模型前處理

將模型導入ABAQUS軟件中，由于剝葉元件材料為Q235號鋼，其屈服強度遠大于蔗葉，另外蔗莖的作用為連接和輸送蔗葉，因此為減少工作量，將蔗莖和剝葉輥筒設為剛體，蔗葉設為柔性體。將剝葉元件、蔗莖、蔗葉的物理參數通過材料截面指派，輸入到對應模型。仿真模型材料參數如表1所示。表1中蔗葉參數為蔗葉各部位參數中的最大值，由截面不同，適量增減。

綜合考慮各部位的拉伸強度和剪切強度，設置蔗葉長度方向的最大拉伸應力為32.60 MPa、垂直方向的最大切應力為9.58 MPa作為蔗葉的失效條件，利用Fortran子程序設置當網格單元所受應力超過失效條件時，自動刪除該單元，模擬蔗葉的斷裂。

本文研究的剝葉過程屬于分析幾何非線性和蔗葉動態運動時材料失效的問題，故使用顯示動力學方法進行求解。在相互作用模塊，創建通用接觸。蔗葉和蔗莖之間添加綁定約束，剝葉輥筒和蔗莖設置剛性區域和參考點進行剛性約束。動摩擦系數設為0.52，靜摩擦系數為0.60。在蔗葉和蔗莖連接處添加綁定約束，設置蔗莖輸送速度和剝葉輥筒轉速，約束其他自由度，最后進行運算求解。

2.4 仿真模型結果分析

在剝葉仿真過程中發現，蔗葉與剝葉元件的接觸位置不斷變化，理論計算得到的轉速并不準確，需要多次調整蔗莖輸送速度和剝葉輥筒的轉速，才能得到準確的剝葉角度。蔗葉剝離過程如圖5所示。當t=0.89 s時，蔗葉根部開始斷裂，t=0.91 s時，蔗葉到達剝葉位置，蔗葉與蔗莖連接處受到的應力最大，為58.93 MPa，蔗葉被剝離，當t=0.92 s時，蔗葉完全脫落，剝葉過程結束。

3 試驗設計

3.1 單因素仿真試驗分析

為了分析剝葉角度、剝葉輥筒轉速、交錯深度對剝葉效果以及蔗葉所受最大應力的影響規律，假設3個因素之間沒有交互作用，以剝葉過程中蔗葉所受最大應力以及剝葉效果作為考察指標，進行單因素試驗。

在考慮剝葉角度對蔗葉最大應力的影響時，設置剝葉輥筒中心距為75 mm，剝葉輥筒轉速為136 r/min，調節蔗莖的輸送速度，使剝葉角度分別為90°、105°、120°、135°、150°；在考慮剝葉輥筒轉速對蔗葉最大應力的影響時，設置剝葉輥筒中心距為75 mm，剝葉角度為120°，調節剝葉輥筒轉速分別為100 r/min、112 r/min、124 r/min、136 r/min、148 r/min；在考慮交錯深度對蔗葉最大應力的影響時，設置剝葉輥筒轉速為136 r/min，剝葉角度為120°，輥筒中心距分別為65 mm、70 mm、75 mm、80 mm、85 mm。3個單因素試驗結果如圖6所示。

由6（a）可知，在同一中心距、轉速確定的情況下，隨著剝葉角度的增加，蔗葉所受最大應力先減小后增大，120°時應力最小，說明該角度下，蔗葉最容易被剝離，此結果與上文蔗葉剝離試驗的結果一致，剝葉角度為120°～150°，最大應力較小。由圖6（b）可知，在剝葉角度和剝葉輥筒轉速確定的情況下，隨著剝葉輥筒中心距的增加，蔗葉所受最大應力不斷減小，當中心距為85 mm時，蔗葉與剝葉元件發生相對位移，當中心距為65 mm時，蔗葉中部發生斷裂情況，說明中心距為65 mm和85 mm時，最大應力過大或過小均影響剝葉效果，因此中心距確定為70～80 mm。由圖6（c）可知，在同一中心距、剝葉角度確定的情況下，剝葉輥筒轉速提高，蔗葉受到的應力隨之增大，這說明轉速越高，剝葉元件對蔗葉的拉扯力越大，理論上剝葉效果越好，但轉速提高到148 r/min時，蔗葉中部發生斷裂，未能使蔗葉從根部被拉斷，剝葉失敗，這說明不能盲目增大剝葉輥筒速度，剝葉輥筒速度過大反而影響剝葉效果。轉速大于136 r/min后，最大應力值顯著增大，故選取剝葉輥筒轉速為112～136 r/min。

單因素仿真結果表明，合理的剝葉角度、剝葉輥筒轉速及兩剝葉輥筒中心距可以將蔗葉在剝葉過程中所受最大應力控制在合理范圍，選取剝葉角度范圍為120°～150°，中心距確定為70～80 mm，剝葉輥筒轉速為112～136 r/min。

喂入輥筒轉速、剝葉輥筒轉速及剝葉輥筒中心距對甘蔗剝葉效果均有顯著影響，但3個因素對剝葉效果的影響并非簡單的線性關系，所受應力的大小不能直接判斷剝葉效果的好壞，并且因素間可能存在交互作用，因此需要通過多因素樣機試驗做進一步研究。

3.2 多因素樣機試驗研究

拉力式甘蔗剝葉試驗裝置如圖7所示，主要由輸入輥筒，風機，剝葉輥筒，輸出輥筒組成。試驗分別為輸送輥筒和剝葉輥筒配備電機用于驅動和調速。

試驗對象為柳州市雒容鎮秀水村桂中農場的桂糖-42號甘蔗，選取蔗莖直徑大小相近，彎曲程度低，蔗葉完整的甘蔗進行試驗。

甘蔗從根部切斷后送入剝葉裝置進行剝葉，試驗時每次喂入3根甘蔗，每組試驗做10次。含雜率Y的計算如式（1）所示。含雜率越低，表示該試驗設備的剝葉效果越好。

Y=bB

（1）

式中：

b——

甘蔗剝葉后殘留在甘蔗上雜質質量；

B——

機械剝葉后帶有殘留雜質的甘蔗總質量。

該試驗在單因素試驗的基礎上，以剝葉角度、剝葉輥筒轉速、兩剝葉輥筒中心距作為試驗因素，以含雜率作為評價指標。采用Box-Behnken方案進行三因素三水平試驗，因素水平編碼表如表2所示，試驗方案設計如表3所示。x1、x2、x3為各因素編碼值。

根據表3的數據樣本，通過Design-Expert11.0軟件得到評價指標含雜率與自變量的二次多項式回歸模型。

Y=

42.22+0.32x1+0.96x2-3.24x3-

0.002x1x2+0.03x1x3-0.04x2x3-

0.001x12-0.002x22+0.02x32

由回歸模型的方差分析結果（表4）可知，回歸模型的P值小于0.01，表明回歸模型極顯著；模型失擬項的P值gt;0.05，說明模型失擬性不顯著，回歸模型擬合程度高。由3個自變量的P值可判斷剝葉角度對含雜率有極顯著影響，剝葉輥筒轉速對剝葉率有顯著影響。試驗因素對含雜率影響從大到小依次為剝葉角度、剝葉輥筒轉速、剝葉輥筒中心距。

根據回歸模型分析結果，利用Design-Expert11.0軟件繪制各因素交互效應3D響應曲面圖。剝葉角度與剝葉輥筒中心距對含雜率的響應曲面如圖8（a）所示，剝葉角度由120°增加為150°的過程中，含雜率隨著中心距增加，出現先減小后增大的趨勢；中心距由70 mm增加到80 mm的過程中，含雜率隨著剝葉角度的增大而增大。剝葉輥筒轉速與剝葉角度對含雜率的響應曲面如圖8（b）所示，剝葉角度由120°增加為150°的過程中，含雜率隨著剝葉輥筒轉速增加，出現先減小后增大的趨勢；剝葉輥筒轉速由112 r/min增加到136 r/min的過程中，含雜率隨著剝葉角度的增大而增大。剝葉輥筒轉速與剝葉輥筒中心距對含雜率的響應曲面如圖8（c）所示，剝葉輥筒轉速由112 r/min增加到136 r/min的過程中，含雜率隨著剝葉輥筒中心距的增加，出現先減小后增大的趨勢；中心距由70 mm增加到80 mm的過程中，含雜率隨著剝葉輥筒轉速的增大，出現先減小后增大的趨勢。

運用Design-Expert11.0軟件中的Optimization功能，以含雜率最小作為條件，求解回歸模型得到的最優參數為剝葉角度120°、剝葉輥筒中心距77.2 mm、剝葉輥筒轉速128 r/min、最小含雜率為2.03%。

3.3 試驗驗證

以剝葉角度120°、剝葉輥筒中心距77.2 mm、剝葉輥筒轉速128 r/min作為試驗因素，以含雜率作為評價指標。經樣機試驗驗證，最優參數條件下所得含雜率結果為2.09%，與回歸模型分析結果基本一致。

4 結論

1） 利用萬能試驗機得到葉片以及葉中脈的力學特性參數。建立剝葉仿真模型，得到剝葉角度為120°時蔗葉所受應力曲線與所受拉力曲線、最大應力為58.93 MPa、蔗葉所受最大拉力為46.5 N等。通過單因素仿真試驗，以剝葉過程最大應力與蔗葉是否從根部斷裂為前提，對剝葉滾筒轉速、剝葉輥筒中心距、剝葉角度3個因素進行初步優選，確定參數范圍。

2） 針對優選值附近區域多因素樣機試驗，運用試驗設計軟件Design-Expert設計試驗，得出含雜率與剝葉角度、剝葉輥筒速度、剝葉輥筒中心距的二次多項式回歸模型。以最低含雜率作為指標參數，最后得出最優組合參數為剝葉角度120°、剝葉輥筒中心距77.2 mm、剝葉輥筒轉速128 r/min、最小含雜率為2.03%，樣機試驗所得含雜率結果為2.09%。

參 考 文 獻

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