甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾系統(tǒng)的設(shè)計與轉(zhuǎn)速優(yōu)化

謝盧鑫，王 俊，程紹明，胡金冰

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058）

甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾系統(tǒng)的設(shè)計與轉(zhuǎn)速優(yōu)化

謝盧鑫，王 俊※，程紹明，胡金冰

（浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州 310058）

為了考察碎葉輪、剝?nèi)~輪及斷尾輪轉(zhuǎn)速對甘蔗剝?nèi)~斷尾效果的影響規(guī)律，設(shè)計并制造了作業(yè)轉(zhuǎn)速可調(diào)的甘蔗割后集成作業(yè)試驗臺，并進(jìn)行甘蔗剝?nèi)~斷尾試驗。采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計方法，以碎葉輪轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速和斷尾輪轉(zhuǎn)速為試驗因素，以甘蔗未剝凈率、斷尾率、傷皮率和未折斷率為試驗指標(biāo)，利用SAS9.3軟件進(jìn)行回歸分析和響應(yīng)面分析，研究單因子及交互效應(yīng)對響應(yīng)值的影響規(guī)律；結(jié)合非線性優(yōu)化的計算方法，對試驗臺各工作部件的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算，確立影響甘蔗剝?nèi)~斷尾質(zhì)量的最佳參數(shù)組合為：碎葉輪轉(zhuǎn)速為512.9 r/min、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速為418.8 r/min、斷尾輪轉(zhuǎn)速為307.0 r/min，此時未剝凈率為4.98%、斷尾率為88.39%、傷皮率為5.19%、未折斷率為96.21%，試驗驗證表明未剝凈率為4.86%、斷尾率為90%、傷皮率為4.78%、未折斷率為97.50%，試驗驗證與理論結(jié)果一致，因此所建立的回歸模型合理，對設(shè)計與提高整桿式甘蔗收獲機(jī)的收獲質(zhì)量有重要參考價值。

機(jī)械化；優(yōu)化；模型；甘蔗；未剝凈率；斷尾率；傷皮率；未折斷率

謝盧鑫，王 俊，程紹明，胡金冰.甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾系統(tǒng)的設(shè)計與轉(zhuǎn)速優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32（6）：50-57.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.007 http://www.tcsae.org

Xie Luxin,Wang Jun,Cheng Shaoming,Hu Jinbing.Design and speed optimization of leaf-crushing and tail-breaking system of sugarcane harvester[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE）,2016,32(6): 50-57.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.007 http://www.tcsae.org

0 引言

甘蔗作為主要的制糖原料和經(jīng)濟(jì)作物，廣泛種植于廣西、云南、廣東和海南等地，據(jù)統(tǒng)計，2012年中國甘蔗種植面積高達(dá)179.5萬hm2，是世界第三大產(chǎn)糖國[1]，盡管如此，國內(nèi)甘蔗機(jī)械化收獲水平依然很低，嚴(yán)重制約了中國蔗糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

與國外相比，國內(nèi)甘蔗機(jī)械化收獲以整桿式為主[2-4]，盡管從20世紀(jì)60年代便開始研究甘蔗的機(jī)械化收獲，但迄今為止還沒有生產(chǎn)出性能優(yōu)良、適應(yīng)性強(qiáng)的甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)，市場上推廣使用的整桿式甘蔗收獲機(jī)除了很難適應(yīng)生長高度、倒伏狀況不一的甘蔗外，含雜率也十分嚴(yán)重[5-8]。為此，國內(nèi)學(xué)者做了大量研究工作[9-13]，牟向偉等[14]設(shè)計了一種彈性齒滾筒式甘蔗剝?nèi)~機(jī)構(gòu)；麻芳蘭[15]則提出了一種采用三角形布局方式的剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)；羅菊川[16]利用甘蔗莖稈尾部機(jī)械強(qiáng)度低于中部和基部的特點設(shè)計了一種斷尾機(jī)構(gòu)；劉芳建[17]則探索了一種逆剝?nèi)~方式。

盡管針對甘蔗剝?nèi)~斷尾性能優(yōu)化的研究很多，但上述試驗均未涉及碎葉輪，而針對剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)與碎葉機(jī)構(gòu)工作參數(shù)組合對甘蔗剝?nèi)~斷尾效果等影響的研究更鮮有報道。為此，本文利用自行研制的甘蔗割后集成作業(yè)系統(tǒng)，采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計的試驗方法研究碎葉輪、剝?nèi)~輪及斷尾輪轉(zhuǎn)速對甘蔗剝?nèi)~斷尾效果的影響規(guī)律，獲取因素的最佳作業(yè)參數(shù)，為整桿式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)提高斷尾率和未折斷率，降低未剝凈率和傷皮率提供借鑒。

1 甘蔗割后集成作業(yè)系統(tǒng)試驗臺設(shè)計

實踐表明，利用滾筒高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和摩擦力將附著在甘蔗表皮的蔗葉剝離是一種非常理想的剝?nèi)~方式，但如果在剝?nèi)~前將甘蔗表皮的蔗葉劃碎則能夠大大提高剝?nèi)~效果；而利用甘蔗尾部抗變形、抗沖擊等機(jī)械強(qiáng)度顯著低于其他部位的特點設(shè)計的防竄動式斷尾機(jī)構(gòu)[18]可以有效解決目前前置切梢器適應(yīng)性差、切割精度低等問題。

基于上述分析，本文旨在設(shè)計一種甘蔗割后作業(yè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)對經(jīng)切割器切割后的甘蔗依次進(jìn)行喂入系統(tǒng)、劃碎蔗葉、剝離蔗葉、擊斷末梢及輸出系統(tǒng)作業(yè)，從而獲得含雜率較低的榨糖原料。

1.1 主要工作部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，甘蔗割后集成作業(yè)系統(tǒng)主要由喂入滾筒1、一二級碎葉輪2、一二級剝?nèi)~輪3、輸出滾筒4和斷尾輪5等組成，各輪轉(zhuǎn)速均在200～1 000 r/min范圍內(nèi)獨立可調(diào)。其中，喂入滾筒半徑為115 mm，其邊緣均勻分布12個外徑為54 mm的空心橡膠管，管壁厚6 mm，上下滾筒間距為20 mm；碎葉輪直徑為120 mm，表面均勻安裝8排碎葉元件，碎葉元件底部為螺旋狀，直徑和總長度分別為2、90 mm，采用冷拉彈性鋼絲齒；上下剝?nèi)~輪采用對稱布置，其直徑為120 mm，外緣均勻分布6排長度為75 mm、厚度為10 mm的橡膠剝?nèi)~板；斷尾輪半徑為160 mm，上下斷尾元件采用高度分別為45、63 mm的彈性筋條，且下滾筒外側(cè)端面為鋸齒狀，可有效防止甘蔗竄動(如圖2所示)；輸出滾筒直徑為90 mm，輸送元件高32 mm并開有梯形槽。作業(yè)前，通過轉(zhuǎn)速表調(diào)節(jié)好各滾筒轉(zhuǎn)速，分別保持一、二級碎葉輪及剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速一致并穩(wěn)定運行，將甘蔗由根部喂入喂入滾筒，經(jīng)過碎葉、剝?nèi)~和斷尾工序后，甘蔗由試驗臺后方輸出，即完成一次剝?nèi)~斷尾試驗。

圖1 甘蔗割后集成作業(yè)系統(tǒng)Fig.1 Integrated operating system test bench after sugarcane harvest

圖2 斷尾輪示意圖Fig.2 Structure of tail wheel

1.2 工作原理

甘蔗進(jìn)入作業(yè)系統(tǒng)后，首先需要喂入滾筒對其產(chǎn)生向前的摩擦力以保證順利輸送，但是又不能損傷蔗皮。因此，本試驗臺將輸送元件設(shè)計為柔性橡膠管的形式；隨后碎葉輪上的碎葉元件接觸甘蔗表皮并在高速旋轉(zhuǎn)作用下不斷對蔗葉產(chǎn)生劃切作用，最終將蔗葉破碎，如圖3（a）所示，碎葉輪上安裝有彈性鋼絲齒[19]，該裝置能夠在甘蔗通過時劃碎蔗葉但不損傷蔗皮，有利于提高剝?nèi)~效果；剝?nèi)~輪上的剝?nèi)~刷在轉(zhuǎn)動過程中會對蔗莖產(chǎn)生全方位的擠壓疏刷作用，并能夠切入緊密包裹在蔗莖表面的蔗皮，將其撕扯剝離蔗莖[20-21]，其在剝?nèi)~過程中的運動情況如圖3（b）所示。為了能夠?qū)⒄崛~徹底剝離干凈，本作業(yè)系統(tǒng)采用兩級碎葉裝置和剝?nèi)~裝置；經(jīng)過2次碎葉和剝?nèi)~工序后，蔗葉基本被剝離干凈，隨后甘蔗在輸出滾筒的作用下繼續(xù)向后輸送至斷尾輪，其下滾筒對甘蔗起支撐作用，而上滾筒則不斷旋轉(zhuǎn)擊打蔗莖，工作機(jī)理與剝?nèi)~輪類似。由于甘蔗尾部較脆弱，機(jī)械強(qiáng)度明顯低于中部和根部[16]，當(dāng)試驗臺參數(shù)調(diào)整到適當(dāng)水平時，蔗尾3～5節(jié)便會在斷尾輪高頻率的打擊作用下折斷。

圖3 甘蔗在碎葉輪和剝?nèi)~輪作用下的受力及運動分析Fig.3 Analysis of stress and motion of Sugarcane with action of leafcrushing and leaf-cleaning impeller

整機(jī)工作原理如圖4所示，經(jīng)過該作業(yè)系統(tǒng)的甘蔗含雜率低，斷尾效果好，有利于提高榨糖品質(zhì)。

圖4 甘蔗割后集成作業(yè)系統(tǒng)工作原理Fig.4 Working principle of integrated operating system

2 試驗方案

2.1 試驗材料

試驗甘蔗采用云南省甘蔗研究所種植的云蔗07—2178，試驗前統(tǒng)計甘蔗中部的平均直徑為27.1 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.3 mm；甘蔗平均高度為1 643 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為4.8 mm；甘蔗平均節(jié)數(shù)為14.5節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)差為0.9節(jié)；隨機(jī)選取10根甘蔗，對莖稈及根部、中部和頂部葉片進(jìn)行含水率測試，測得節(jié)間平均含水量為74.1%，節(jié)點處平均含水率為67.6%，各部位葉片平均含水率分別為33.2%、54.2%和61.3%；隨機(jī)選取10根甘蔗，截取中部的4節(jié)并榨汁，利用折射儀分別測量其糖度[22]，平均值為22.3°Bx，測試環(huán)境溫度為21.5℃。

2.2 試驗方法

選擇碎葉輪轉(zhuǎn)速X1、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速X2與斷尾輪轉(zhuǎn)速X3作為試驗因素，控制喂入滾筒轉(zhuǎn)速恒定為260 r/min[13]，采用三因素二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計安排試驗，試驗因素水平編碼表如表1所示。試驗時，甘蔗由根部分別喂入，每組試驗使用6根甘蔗，取其平均值。

表1 因素水平編碼表Table 1 Coding levels for factors of experiment

2.3 試驗指標(biāo)

以未剝凈率Y1、斷尾率Y2、傷皮率Y3和未折斷率Y4為考察指標(biāo)。試驗時，先測量甘蔗質(zhì)量，經(jīng)過試驗臺試驗后再測量甘蔗的質(zhì)量，最后手工剝掉殘留蔗葉后再測量甘蔗質(zhì)量[23-24]。

式中m1為經(jīng)過試驗臺試驗后甘蔗的質(zhì)量，kg；m2為手工剝掉殘留蔗葉后甘蔗的質(zhì)量，kg；M為試驗前甘蔗的質(zhì)量，kg；n為完成一組試驗后成功斷尾的甘蔗數(shù)，根；N為每組試驗所用甘蔗數(shù)，根；j為完成一組試驗后甘蔗傷皮的節(jié)數(shù)，節(jié)；J為每組試驗甘蔗的總節(jié)數(shù)，節(jié)；z為完成一組試驗基部未折斷的甘蔗數(shù)，根；Z為每組試驗所用甘蔗數(shù)，根。

3 試驗結(jié)果與分析

采用SAS9.3分析軟件并結(jié)合MATLAB優(yōu)化工具箱對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，三因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗安排與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗方案及結(jié)果Table 2 Experiment scheme and results

3.1 回歸方程的建立與檢驗

由表2試驗結(jié)果，運用SAS9.3軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果如表3所示。方差分析表明，在99%的置信區(qū)間內(nèi)，對未剝凈率Y1影響極顯著的因素是X1，而在95%的置信區(qū)間內(nèi)影響顯著，模型的P值和復(fù)相關(guān)指數(shù)（R2）分別為0.002 3、86.84%，失擬項的P值為0.535 6，說明回歸模型極顯著且擬合精度較高；失擬不顯著，說明未控制因素對試驗結(jié)果影響很小，所選的二次回歸模型是適當(dāng)?shù)?。同理，對斷尾率、傷皮率和未折斷率顯著性檢驗可知，回歸方程與實際擬合較好。剔除不顯著項，簡化后的回歸方程如表4所示。

表3 試驗結(jié)果統(tǒng)計分析Table 3 Statistical analysis for results of experiment

表4 響應(yīng)值回歸方程Table 4 Regression equations of response value

3.2 各因素對各項指標(biāo)影響主次分析

由于試驗所建立的回歸方程中3個變量均為無量綱的標(biāo)準(zhǔn)化編碼值，其偏回歸系數(shù)不受因素取值的大小和單位的影響，因此可利用其絕對值大小來判定各因子的重要程度[25]，另外，回歸系數(shù)的正負(fù)可以反應(yīng)因子效應(yīng)對目標(biāo)函數(shù)的作用方向，即正（負(fù)）值反應(yīng)因子的提升有利于提高（降低）試驗指標(biāo)。各因素在試驗取值范圍內(nèi)對試驗指標(biāo)的貢獻(xiàn)率如表5所示。其中，各試驗因子對未剝凈率的貢獻(xiàn)率依次為：X1＞X2＞X3；對斷尾率的貢獻(xiàn)率依次為：X3＞X1＞X2；對傷皮率的貢獻(xiàn)率依次為：X3＞X2＞X1；對未折斷率的貢獻(xiàn)率依次為：X3＞X2＞X1。

3.3 各因素對各項性能指標(biāo)的影響規(guī)律

為進(jìn)一步探討各因素的單獨作用對目標(biāo)函數(shù)的影響效應(yīng)，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行降維分析，分別將三因素中的兩因素固定在零水平，即可得到單因素為決策變量的偏回歸模型。如圖5所示。

表5 各因子對試驗指標(biāo)的貢獻(xiàn)率Table 5 Contribution of factors on response indices

3.3.1 未剝凈率

由圖5a可知，在-1.682≤Xi≤1.682（i=1，2，3）范圍內(nèi)，Xi表征的效應(yīng)曲線均為開口向上的拋物線，即隨著碎葉輪轉(zhuǎn)速X1、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速X2及斷尾輪轉(zhuǎn)速X3的增加，未剝凈率均表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當(dāng)碎葉輪轉(zhuǎn)速的編碼值為1.29（此時碎葉輪實際轉(zhuǎn)速為576 r/min）時，未剝凈率Y1最低為3.62%；當(dāng)剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速的編碼值為-0.5（此時剝?nèi)~輪實際轉(zhuǎn)速為480 r/min）時，未剝凈率Y1最低為5.41%；當(dāng)斷尾輪轉(zhuǎn)速的編碼值為0（此時斷尾輪實際轉(zhuǎn)速為300 r/min）時，未剝凈率Y1最低為5.83%。

3.3.2 斷尾率

由圖5b可知，在-1.682≤Xi≤1.682（i=1，2，3）范圍內(nèi)，X1、X2表征的效應(yīng)曲線均為斜率為負(fù)的直線，即隨著碎葉輪轉(zhuǎn)速X1、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速X2的增加，斷尾率均減小，當(dāng)碎葉輪和剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速的編碼值為-1.682（此時碎葉輪實際轉(zhuǎn)速為400 r/min，剝?nèi)~輪實際轉(zhuǎn)速為350 r/min）時，斷尾率Y2最高，分別為99.35%、95.89%；而X3表征的效應(yīng)曲線為開口向下的拋物線，當(dāng)斷尾輪轉(zhuǎn)速的編碼值為0.94（此時斷尾輪實際轉(zhuǎn)速為356 r/min）時，斷尾率Y2最高為90.10%。

3.3.3 傷皮率

由圖5c可知，在-1.682≤Xi≤1.682（i=1，2，3）范圍內(nèi)，X1、X2表征的效應(yīng)曲線均為斜率為正的直線，即隨著碎葉輪轉(zhuǎn)速X1、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速X2的增加，傷皮率均增大，當(dāng)碎葉輪和剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速的編碼值為-1.682（此時碎葉輪、剝?nèi)~輪實際轉(zhuǎn)速分別為400 r/min、350 r/min）時，傷皮率Y3最低，分別為4.41%、3.11%；而X3表征的效應(yīng)曲線為開口向下的拋物線，當(dāng)斷尾輪轉(zhuǎn)速的編碼值為-1.682（此時斷尾輪實際轉(zhuǎn)速為200 r/min）時，傷皮率Y3最低為0.29%。

3.3.4 未折斷率

由圖5d可知，在-1.682≤X3≤1.682范圍內(nèi)，X3表征的效應(yīng)曲線為開口向下的拋物線，當(dāng)斷尾輪轉(zhuǎn)速的編碼值為-0.31（此時斷尾輪實際轉(zhuǎn)速為282 r/min）時，未折斷率Y4最高為98.11%。

圖5 單因子效應(yīng)曲線Fig.5 Curves of single factor effect

3.4 互作效應(yīng)分析

3.4.1 未剝凈率互作效應(yīng)分析

由未剝凈率方差分析可知，在ɑ=0.1水平只有X1X2達(dá)到顯著水平，對其作圖如圖6a所示。分析可知，隨著碎葉輪轉(zhuǎn)速和剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速的增加，未剝凈率表現(xiàn)出不斷降低且逐漸變緩的趨勢，這是由于轉(zhuǎn)速的增加可以提高碎葉輪和剝?nèi)~輪對甘蔗的作用頻率，從而更充分地將蔗葉剝離，且剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速對未剝凈率的影響強(qiáng)度更大。當(dāng)碎葉輪轉(zhuǎn)速的編碼值在1.5附近、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速編碼值在零水平附近時，未剝凈率最低。

3.4.2 斷尾率互作效應(yīng)分析

由斷尾率方差分析可知，在ɑ=0.1水平只有X2X3達(dá)到顯著水平，對其作圖如圖6b所示。分析可知，隨著剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速X2和斷尾輪轉(zhuǎn)速X3的增加，斷尾率表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，但均維持在較高水平。在較低的斷尾輪轉(zhuǎn)速下，斷尾率隨剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速的升高反而降低，這是因為剝?nèi)~輪對甘蔗有輔助輸送功能，提高剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速會加快甘蔗的傳送速度，從而降低斷尾輪對甘蔗的打擊頻率，造成斷尾率降低。

3.4.3 傷皮率互作效應(yīng)分析

X1X2、X2X3在ɑ=0.1水平達(dá)到顯著水平。其中，X1X2互作效應(yīng)情況如圖6c所示。分析可知，隨著碎葉輪轉(zhuǎn)速X1和剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速X2的降低，傷皮率逐漸下降，這是由于轉(zhuǎn)速的降低減少了碎葉輪和剝?nèi)~輪對甘蔗打擊疏刷的頻率和作用力，傷皮率的最小值理論上可降至0%。X2X3互作效應(yīng)情況如圖6d所示，分析可知，剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速X2和斷尾輪轉(zhuǎn)速X3的互作效應(yīng)對傷皮率的表現(xiàn)和X1X2的表現(xiàn)類似，這說明降低剝?nèi)~輪和斷尾輪轉(zhuǎn)速也可有效減少作業(yè)過程中對甘蔗的破壞。

3.4.4 未折斷率互作效應(yīng)分析

由未折斷率方差分析可知，X1X2、X1X3互作效應(yīng)在ɑ= 0.1水平均不顯著，但X2X3達(dá)到極顯著水平，對其作圖如圖6e所示。分析可知，隨著剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速X2和斷尾輪轉(zhuǎn)速X3的增加，未折斷率表現(xiàn)出先降低后增加的趨勢，但均維持在較高水平。剝?nèi)~輪和斷尾輪轉(zhuǎn)速相差越大則未折斷率越低，當(dāng)剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速過高而斷尾輪轉(zhuǎn)速過低時，容易造成甘蔗的擠壓和堵塞，當(dāng)剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速過低而斷尾輪轉(zhuǎn)速過高時則又會導(dǎo)致斷尾輪對甘蔗的打擊頻率增大，并伴隨兩者對甘蔗的撕扯作用，這兩種情況均會增大甘蔗折斷的幾率。

4 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

4.1 試驗臺參數(shù)優(yōu)化

在實際生產(chǎn)過程中，未剝凈率和斷尾率對榨糖用甘蔗出糖品質(zhì)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傷皮率和未折斷率的影響，機(jī)械化收獲的甘蔗一般要求在收獲后20 h內(nèi)進(jìn)廠加工，以保證足夠的新鮮度[26]，因此可適當(dāng)降低對傷皮率和未折斷率的要求。采用綜合平衡法來分析最優(yōu)參數(shù)組合，在保證較優(yōu)的未剝凈率和斷尾率水平下，盡量降低傷皮率，利用MATLAB在-1.682≤Xi≤1.682（i=1，2，3）范圍內(nèi)尋找試驗臺作業(yè)過程中的綜合最優(yōu)工作參數(shù)為：X1=0.218，X2=-0.582，X3=0.118，即試驗臺碎葉輪轉(zhuǎn)速為512.9 r/min，剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速為418.8 r/min，斷尾輪轉(zhuǎn)速為307.0 r/min時，未剝凈率達(dá)到4.98%，斷尾率為88.39%，傷皮率為5.19%，未折斷率為96.21%。

4.2 試驗驗證

為了驗證最優(yōu)工作參數(shù)的有效性，選用40根甘蔗進(jìn)行驗證試驗，試驗過程如圖7所示，試驗后分析計算各試驗指標(biāo)，結(jié)果如表6所示。

圖6 因子交互作用圖Fig.6 Interaction effects of factors

圖7 試驗臺驗證試驗Fig.7 Verification experiments of test bench

表6 驗證試驗結(jié)果Table 6 Results of verification experiments

對比綜合最優(yōu)解的理論值和試驗值，試驗結(jié)果和理論值基本相符。因此，由本試驗臺試驗分析得出的綜合最優(yōu)結(jié)果正確可信，可有效提高甘蔗碎葉、剝?nèi)~和斷尾質(zhì)量。

4.3 討 論

1）碎葉輪的主要作用是在剝?nèi)~工序前將蔗葉劃碎并且不損傷蔗皮，保證后續(xù)的剝?nèi)~作業(yè)順利進(jìn)行，兩級碎葉輪和剝?nèi)~輪的協(xié)同作用有利于降低未剝凈率。

2）過低或過高的轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致未剝凈率升高，這是由于較低的轉(zhuǎn)速會削弱各作業(yè)部件的作用力和作用頻率，而較高的轉(zhuǎn)速則又會導(dǎo)致作業(yè)不徹底。

3）碎葉輪和剝?nèi)~輪、剝?nèi)~輪和斷尾輪之間轉(zhuǎn)速的相對值對試驗指標(biāo)均會造成影響，各滾筒轉(zhuǎn)速差太大會增大對甘蔗的擠壓或撕扯作用并最終導(dǎo)致試驗指標(biāo)不理想。因此，協(xié)調(diào)好兩者之間的速度關(guān)系對改善試驗指標(biāo)十分重要。

4）各作業(yè)部件在作業(yè)過程中對甘蔗還具有輔助輸送的作用。

5）試驗臺的工作效率取決于各工作部件之間的協(xié)同作用。

5 結(jié)論

1）各因素對未剝凈率的影響貢獻(xiàn)率依次為：碎葉輪轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速、斷尾輪轉(zhuǎn)速；對斷尾率的影響貢獻(xiàn)率依次為：斷尾輪轉(zhuǎn)速、碎葉輪轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速；對傷皮率的影響貢獻(xiàn)率依次為：斷尾輪轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速、碎葉輪轉(zhuǎn)速；對未折斷率的影響貢獻(xiàn)率依次為：斷尾輪轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速、碎葉輪轉(zhuǎn)速。

2）未剝凈率與碎葉輪轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速和斷尾輪轉(zhuǎn)速的因子效應(yīng)曲線均為開口向上的拋物線；斷尾率與碎葉輪轉(zhuǎn)速和剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速的單因子效應(yīng)關(guān)系為斜率為負(fù)的直線，與斷尾輪的單因子效應(yīng)曲線為開口向下的拋物線；傷皮率與碎葉輪轉(zhuǎn)速和剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速的單因子效應(yīng)關(guān)系為斜率為正的直線，與斷尾輪的單因子效應(yīng)曲線為開口向下的拋物線；碎葉輪轉(zhuǎn)速和剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速對未折斷率的影響不顯著，而斷尾輪轉(zhuǎn)速對未折斷率有顯著影響，其單因子效應(yīng)曲線為開口向下的拋物線。

3）最優(yōu)參數(shù)組合為：碎葉輪轉(zhuǎn)速為512.9 r/min、剝?nèi)~輪轉(zhuǎn)速為418.8 r/min、斷尾輪轉(zhuǎn)速為307.0 r/min，此時未剝凈率達(dá)到4.98%，斷尾率為88.39%，傷皮率為5.19%，未折斷率為96.21%；試驗驗證結(jié)果與理論分析一致。

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Design and speed optimization of leaf-crushing and tail-breaking system of sugarcane harvester

Xie Luxin,Wang Jun※,Cheng Shaoming,Hu Jinbing
(College of Biosystems Engineering and Food Science,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China)

As the most important procedures during sugarcane harvesting,leaves cleaning and tails severing are influenced by different growth height and lodging status,and the operating speeds of the rollers not only affect the operating efficiency of the sugarcane harvester,but also influence the quality of harvesting.In order to investigate the effect laws on the quality of peeling leaves and breaking tails of leaf-crushing impeller,leaf-cleaning impeller and tail wheel,the leaf-crushing and tail-breaking system was designed and manufactured for sugarcane harvester test bench after sugarcane harvesting.In the system,elastic wire springs were arranged uniformly on the leaf-crushing impellers,the outer edge of the leaf-cleaning impeller were installed with rubber plates,and the severing tail components on the tail wheels were elastic rib.As the test bench works,the rolling leaf-crushing impeller,leaf-cleaning impeller and tail wheel lacerated and peeled leaves attached tightly on the canes by producing centrifugal and frictional force.According to the mechanical properties that antideformation and impact resistance of the tails were significantly lower than other parts,the anti-float mechanism was designed for breaking tails,the groove of the circular arc can prevent the lateral movement and ensure the smooth transportation of the sugarcane.The experiments of peeling leaves and breaking tails of sugarcanes were conducted in Zhejiang University,2015.A quadratic general rotary unitized design was carried out with leaf-crushing impeller speed, leaf-cleaning speed and tail wheel speed as experimental factors,and with non-cleaning rate,tail broken rate,skin broken rate and non-break rate as experiment indices.By using SAS 9.3 regression analysis method,response surface method and combined with nonlinear optimization calculation method,the working parameters were calculated optimally,and the optimal factor combination was established.The results indicated that,the tail-broken rate and skin broken rate were influenced by the speeds of the three impellers significantly,however,the non-break rate was influenced by the speed of tail wheel only,but it had no effect on the non-cleaning rate.The contribution rate order of non-cleaning rate was leaf-crushing impeller speed,leaf-cleaning speed and tail wheel speed.The contribution rate order of tail broken rate was tail wheel speed,leaf-crushing impeller speed and leaf-cleaning speed.The contribution rate order of skin broken rate was tail wheel speed,leaf-cleaning speed and leaf-crushing impeller speed.The contribution rate order of non-break rate was tail wheel speed,leaf-cleaning speed and leaf-crushing impeller speed.The optimum parameter combination of the test bench after optimization was 512.9 r/min of leaf-crushing impeller speed,418.8 r/min of leaf-cleaning speed and 307.0 r/min of tail wheel speed.At this level,non-cleaning rate achieved theoretical optimum value of 4.98%,tail broken rate was 88.39%, skin broken rate was 5.19%and non-break rate was 96.21%.Verification experiment showed that the experimental value of non-cleaning rate was 4.86%,tail broken rate was 90%,skin broken rate was 4.78%and non-break rate was 97.5%,which indicated that the experimental values were consistent with predicted results,and regression models established by the experiment were appropriate,which can provide references to design whole-stalk sugarcane harvester and improve the harvesting quality.

mechanization;optimization;models;sugarcane;non-cleaning rate;tail broken rate;skin broken rate;nonbreak rate

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.06.007

S225.5+3

A

1002-6819（2016）-06-0050-08

2015-10-12

2016-01-27

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項經(jīng)費項目（201003009-8）

謝盧鑫，男，云南曲靖人，博士生，主要從事經(jīng)濟(jì)作物收獲機(jī)械研究。杭州 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，310058。

Email:xlx123@zju.edu.cn

※通信作者：王俊，男，浙江東陽人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事經(jīng)濟(jì)作物種植與收獲機(jī)械研究。杭州 浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，310058。Email:jwang@zju.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：王俊（10 013）