整稈式甘蔗收獲機(jī)蔗葉分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

麻芳蘭，蔡　力，楊代云，葉才福，趙　靜，鐘家勤，李　政

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004)

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整稈式甘蔗收獲機(jī)蔗葉分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

麻芳蘭，蔡力，楊代云，葉才福，趙靜，鐘家勤，李政

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：為了進(jìn)一步降低整稈式甘蔗收獲機(jī)的含雜率，滿(mǎn)足糖廠對(duì)機(jī)械化收割甘蔗的含雜率要求，結(jié)合甘蔗在蔗葉分離過(guò)程中的受力分析，對(duì)甘蔗起主要支撐作用的剝?nèi)~輥、輸出輥及除雜輥進(jìn)行布局安裝，避開(kāi)了蔗葉分布范圍，以利于實(shí)現(xiàn)較高的除雜率。通過(guò)在試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行的正交試驗(yàn)研究，得出了該蔗葉分離機(jī)構(gòu)的較優(yōu)參數(shù)組合：刷片形狀為20mm梳齒型，除雜輥與甘蔗交錯(cuò)深度0mm，除雜輥轉(zhuǎn)速140 r/min。試驗(yàn)結(jié)果表明：此蔗葉分離機(jī)構(gòu)具有較好的蔗葉分離效果，從而驗(yàn)證了蔗葉分離機(jī)構(gòu)的可行性。

關(guān)鍵詞：整稈式甘蔗收獲機(jī)；除雜；蔗葉分離；正交試驗(yàn)

0引言

廣西是我國(guó)最大的蔗糖主產(chǎn)區(qū)，蔗糖業(yè)已經(jīng)成為了廣西的支柱產(chǎn)業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2002年起，廣西年產(chǎn)原料蔗已達(dá)3 840萬(wàn)t，產(chǎn)糖203萬(wàn)t，躍居全國(guó)首位；甘蔗種植面積已占到我國(guó)糖料總面積的65%左右，甘蔗糖的總產(chǎn)量占我國(guó)糖總產(chǎn)量的60%以上[1-3]。

由于受到廣西丘陵地貌的限制，加之機(jī)械裝備和用戶(hù)種植與農(nóng)藝沒(méi)有很好地相結(jié)合、糖廠制糖工藝等的影響，國(guó)內(nèi)在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)將還是以整稈式收獲機(jī)為主[4]。然而，整稈式甘蔗收獲機(jī)無(wú)法達(dá)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(dá)7%～10%[5-6]。國(guó)內(nèi)的一些糖廠對(duì)機(jī)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(guò)5%，對(duì)人工砍蔗的原料蔗含雜率一般不能超過(guò)1%[5]。糖廠為了獲得優(yōu)質(zhì)的蔗糖，會(huì)對(duì)原料蔗進(jìn)行前期處理，這些不含糖分的夾雜物會(huì)在制糖過(guò)程中吸收蔗糖而被排出，造成蔗糖損失。國(guó)外榨糖技術(shù)及設(shè)備相對(duì)來(lái)說(shuō)比較先進(jìn)，對(duì)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(fēng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)蔗葉分離和除雜[7-8]。國(guó)內(nèi)的蔗葉分離機(jī)構(gòu)大多采用在剝?nèi)~機(jī)構(gòu)與輸出機(jī)構(gòu)之間增加了由兩個(gè)分葉輪組成的分葉機(jī)構(gòu)，分葉輪的線(xiàn)速度與剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)向相反，在蔗葉被剝?nèi)~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(jī)的蔗葉分離機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

現(xiàn)有的蔗葉分離技術(shù)大多采用的是讓剝掉的蔗葉通過(guò)輸送通道下方的開(kāi)口落下(即采用增加多級(jí)輸送)的方式實(shí)現(xiàn)；然而由于甘蔗收獲機(jī)車(chē)身長(zhǎng)度有限，不能夠完全解決此問(wèn)題，通道內(nèi)出來(lái)的甘蔗經(jīng)剝?nèi)~、斷尾后蔗莖和蔗葉雖然已分離，但有時(shí)還會(huì)附著在一起，下雨天時(shí)這種現(xiàn)象更加明顯[10]。

基于上述原因，本文結(jié)合甘蔗的自身材料特性及其在蔗葉分離過(guò)程中的受力分析，增加反向旋轉(zhuǎn)除雜輥，優(yōu)化了設(shè)計(jì)物流系統(tǒng)，節(jié)省物流通道長(zhǎng)度，使得纏繞在甘蔗上的蔗葉在反向旋轉(zhuǎn)的除雜輥?zhàn)饔孟屡c甘蔗分離。同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行正交試驗(yàn)，以驗(yàn)證蔗葉分離機(jī)構(gòu)的可行性，并為后續(xù)的蔗葉分離機(jī)構(gòu)的研發(fā)提供數(shù)據(jù)上的準(zhǔn)備。

1蔗葉分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

通過(guò)對(duì)蔗葉分離分布的試驗(yàn)研究可知：由于甘蔗收獲機(jī)物流通道較短，蔗葉沒(méi)有足夠的空間和時(shí)間掉落，蔗葉就會(huì)與甘蔗稈一起拋出，且蔗葉隨著甘蔗稈一起輸出時(shí)，會(huì)分布在一定的區(qū)域。研究表明：從物流通道拋出的甘蔗質(zhì)心位置在261mm范圍內(nèi)上下波動(dòng)，蔗葉質(zhì)心分布在291mm范圍內(nèi)波動(dòng)，蔗葉主要堆積在離最后一級(jí)物流通道后方的700mm的范圍內(nèi)[11]。為了使這部分甘蔗葉落在物流通道的下方，達(dá)到蔗葉還田的目的，需要適當(dāng)?shù)卦黾游锪魍ǖ赖拈L(zhǎng)度。前期研究表明：在考慮加長(zhǎng)輸送通道的同時(shí)，考慮增加1對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的除雜輥和輸出輥，使得纏繞在甘蔗上的蔗葉在反向旋轉(zhuǎn)的除雜輥?zhàn)饔孟屡c甘蔗稈分離，從通道下方落下。因此，本文提出了蔗葉分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，旨在進(jìn)一步降低含雜率。

1.1蔗葉分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

前期的試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)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(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮以下3方面的因素：①摩擦力。在甘蔗輸送過(guò)程中，蔗葉分離機(jī)構(gòu)應(yīng)具備對(duì)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(jī)構(gòu)對(duì)甘蔗應(yīng)有一定的支撐作用，以確保獲得足夠的摩擦力。③甘蔗通過(guò)性。為確保甘蔗具有較好的通過(guò)性，除雜刷片的形狀尺寸應(yīng)確保既能夠與甘蔗接觸，利于剝落蔗葉，同時(shí)也有利于甘蔗的通過(guò)。

為了滿(mǎn)足蔗葉分離的功能要求，蔗葉分離機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與安裝采用了如圖1所示的方式。各個(gè)功能部件對(duì)甘蔗均有一定的支撐作用，因此形成了一種多點(diǎn)支撐的形式。為了確保蔗葉分離機(jī)構(gòu)的布局能夠避開(kāi)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(jí)輸出輥；而現(xiàn)在設(shè)計(jì)的蔗葉分離裝置中的物流通道增加了除雜輥和第4級(jí)輸出輥，因此整個(gè)物流通道相當(dāng)于加長(zhǎng)了840mm，剛好避開(kāi)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(jī)構(gòu)中主要受到的作用力是除雜輥對(duì)甘蔗沿甘蔗運(yùn)動(dòng)方向的軸向作用力Fx、垂直于甘蔗運(yùn)動(dòng)方向的作用力Fy及摩擦力f2。甘蔗經(jīng)過(guò)第2級(jí)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(yùn)動(dòng)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(xù)輸送，甘蔗將會(huì)受到滾筒對(duì)甘蔗沿甘蔗運(yùn)動(dòng)方向的軸向作用力Fx。隨后被第4級(jí)輸送輥夾住，此時(shí)甘蔗將受到向后輸送的動(dòng)摩擦力f1，則整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中甘蔗受到的總作用力為F=f1-f2-fx。

圖2　甘蔗除雜過(guò)程中的受力分析圖

從整個(gè)受力分析過(guò)程中可以看出：由于除雜輥的運(yùn)動(dòng)方向與甘蔗輸送方向相反，相當(dāng)于給蔗葉施加了一個(gè)反向力；當(dāng)甘蔗輸送至除雜輥時(shí)，通過(guò)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(jīng)過(guò)第4級(jí)輸出輥輸出，從而實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)時(shí)需要考慮除雜刷片的材料及結(jié)構(gòu)等。

1.2影響蔗葉分離效果的因素分析

1.2.1除雜輥轉(zhuǎn)速

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

1.2.2交錯(cuò)深度

由甘蔗在除雜過(guò)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(shuō)，除雜輥對(duì)甘蔗作用力與交錯(cuò)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(huì)導(dǎo)致除雜刷片對(duì)甘蔗的夾持作用過(guò)大；同時(shí)由于除雜輥為反向旋轉(zhuǎn)，除雜輥與甘蔗的交錯(cuò)作用深度越大，甘蔗輸出空間越小，比較容易出現(xiàn)甘蔗被夾持卡死的現(xiàn)象，從而引起整個(gè)物流堵塞，影響甘蔗的輸出。所以，選取合理的交錯(cuò)作用深度對(duì)于有效實(shí)現(xiàn)蔗葉分離具有重要的作用。

1.2.3除雜刷片形狀

在實(shí)際工作時(shí)，主要依靠除雜刷片的反向旋轉(zhuǎn)，即除雜刷片表面與甘蔗的摩擦作用來(lái)對(duì)纏繞的蔗葉進(jìn)行剝落，達(dá)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(shè)計(jì)的剝?nèi)~輥和耙葉輥[12-13]，考慮輸送物流通暢性，在除雜刷片的設(shè)計(jì)上采用了長(zhǎng)梳齒形狀。其有效長(zhǎng)度為80mm，開(kāi)口寬度為30mm。設(shè)計(jì)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(zhǎng)梳齒，第2種為20mm寬度的矩形長(zhǎng)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(jī)構(gòu)試驗(yàn)

2.1蔗葉分離機(jī)構(gòu)正交試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以刷片形狀(A)、除雜輥與甘蔗交錯(cuò)作用深度(B)和除雜輥轉(zhuǎn)速(C)3個(gè)因素作為試驗(yàn)因素，各因素選取3個(gè)水平，因素水平如表1所示。以含雜率和除雜率作為試驗(yàn)指標(biāo)，選用L9(34)正交表共進(jìn)行9次試驗(yàn)[14]，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次，取其平均值。

表1　正交試驗(yàn)因素與水平

2.1.2試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用的甘蔗是從甘蔗種植戶(hù)田地里實(shí)地購(gòu)得，全為未經(jīng)先期處理帶蔗葉含蔗尾的新鮮甘蔗，型號(hào)為粵糖159號(hào)。試驗(yàn)時(shí)間為2014年1-2月，此時(shí)甘蔗已經(jīng)完全成熟。

2.1.3試驗(yàn)平臺(tái)

為了更好研究蔗葉分離機(jī)構(gòu)的除雜率和含雜率，在自主研制的試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，整個(gè)蔗葉分離機(jī)構(gòu)包括1對(duì)除雜輥、1對(duì)輸出輥及傳動(dòng)系統(tǒng)組成，如圖4所示。其中，除雜輥轉(zhuǎn)速和輸出輥轉(zhuǎn)速分別由電機(jī)帶動(dòng)，使用變頻器對(duì)除雜輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，方便后續(xù)試驗(yàn)的順利進(jìn)行。當(dāng)甘蔗和蔗葉經(jīng)過(guò)除雜輥時(shí)，蔗葉被反向旋轉(zhuǎn)的刷片刷掉并落在輸送通道下方，甘蔗在輸出輥?zhàn)饔孟吕^續(xù)往后輸送，從而達(dá)到蔗葉分離的目的。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

1.輸送輥　2.耙葉輥　3.下剝?nèi)~輥　4.上剝?nèi)~輥

序號(hào)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(yàn)結(jié)果分析

2.2.1含雜率

以含雜率為指標(biāo)，對(duì)表2試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)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(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：正交試驗(yàn)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(fā)現(xiàn)：當(dāng)顯著性水平α=0.05時(shí)，除雜輥轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率無(wú)顯著影響。前期的研究結(jié)果表明[8-10]，除雜輥轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響顯著。本文除雜輥的轉(zhuǎn)速水平取值是根據(jù)前期研究結(jié)果取100～140r/min，相對(duì)于含雜率這個(gè)指標(biāo)而言，此取值范圍屬于較優(yōu)的水平取值。轉(zhuǎn)速的提高主要是增加了除雜刷片對(duì)甘蔗的打擊次數(shù)，從而提高除雜質(zhì)量。所以，盡管試驗(yàn)中轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響并不顯著，但與前期的研究結(jié)論并不矛盾。

2.2.2除雜率

以除雜率為試驗(yàn)指標(biāo)的直觀分析與方差分析結(jié)果如表4、表5所示。

表4　直觀分析結(jié)果

續(xù)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(cuò)深度)對(duì)除雜率沒(méi)有顯著性影響， C(除雜輥轉(zhuǎn)速)對(duì)除雜率有顯著性影響。

2)正交試驗(yàn)中除雜率綜合水平為80.67%，說(shuō)明設(shè)計(jì)的蔗葉分離機(jī)構(gòu)具有較好的除雜效果，除雜目標(biāo)達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

3)在以除雜率為指標(biāo)的情況下，除雜率越大越好，因此較優(yōu)組合為A2B1C3。對(duì)比正交試驗(yàn)表，組合A2B1C3并未出現(xiàn)在正交列表中，因此需要對(duì)其進(jìn)行后續(xù)驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.3較優(yōu)參數(shù)組合的試驗(yàn)驗(yàn)證

以?xún)?yōu)化參數(shù)為目的，選取上文分析中較優(yōu)組合A2B1C3及與其結(jié)果比較接近的組合A2B2C3、A3B1C3共3個(gè)組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，每組重復(fù)5次試驗(yàn)，取其平均值，結(jié)果如表6所示。

表6　對(duì)照試驗(yàn)結(jié)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(jī)構(gòu)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(gè)指標(biāo)，選取最優(yōu)組合A2B1C3。

最優(yōu)組合下的甘蔗除雜效果如圖5所示。驗(yàn)證試驗(yàn)中，含雜率綜合水平為1.21%、除雜率綜合水平為89.8%，說(shuō)明設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)除雜目標(biāo)達(dá)到預(yù)期要求。通過(guò)試驗(yàn)效果圖可以看出：該蔗葉分離機(jī)構(gòu)的除雜效果較理想，達(dá)到了預(yù)期目的。

圖5　試驗(yàn)效果圖

3結(jié)論

1)對(duì)蔗葉分離機(jī)構(gòu)采用合理的布局，設(shè)計(jì)的除雜輥和輸送輥之間的間距為420mm，相對(duì)于之前設(shè)計(jì)的物流通道，整個(gè)物流通道相當(dāng)于加長(zhǎng)了840mm，剛好避開(kāi)了蔗葉分布范圍，可獲得良好的除雜效果。

2)通過(guò)試驗(yàn)研究，得出了此蔗葉分離機(jī)構(gòu)的較優(yōu)參數(shù)組合為A2B1C3，即刷片形狀為20mm梳齒型，除雜輥與甘蔗交錯(cuò)深度0mm，除雜輥轉(zhuǎn)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(hào)：1003-188X(2016)04-0195-05

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465004)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014GXNSFAA118381)；廣西理工科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心(YXKT2014011)

收稿日期：2015-03-22