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1我國發(fā)展現(xiàn)狀
我國生產(chǎn)的剝?nèi)~機或剝?nèi)~裝置的剝?nèi)~原理一般采用離心撞擊摩擦式。主要機型有云馬漢升的HS260整稈式甘蔗收割機、廣西來賓市農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣站研制的6BZ-1型和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的4ZBQ-9型等。
1.1離心撞擊摩擦式剝?nèi)~機原理
離心撞擊摩擦式剝?nèi)~機主要由輸入輥、第1級剝?nèi)~輥、第2級剝?nèi)~輥和輸出輥構(gòu)成。工作時,剝?nèi)~輥筒高速旋轉(zhuǎn),安裝在剝?nèi)~輥筒上的剝?nèi)~元件對甘蔗進(jìn)行打擊、擠壓和摩擦,從而使蔗葉脫落。前期的研究發(fā)現(xiàn),剝?nèi)~過程有3個階段組成:接觸壓緊階段、彎曲變形階段和滑出剝?nèi)~階段我國糖廠對甘蔗收獲質(zhì)量的要求較為苛刻。根據(jù)GB/T10498-89標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,甘蔗扣雜范圍(包括葉梢、須根、梢頭和泥沙等)夾雜物不可以超過0.8%。這就要求剝?nèi)~機做到盡可能降低未剝凈率,提高蔗莖合格率。影響剝?nèi)~機剝?nèi)~效果的因素主要有剝?nèi)~元件的裝夾方式、剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速、上下剝?nèi)~元件的交錯深度和剝?nèi)~元件的排數(shù)等。近年來,國內(nèi)一些高校和科研院所都對此進(jìn)行了大量試驗研究,主要通過數(shù)理統(tǒng)計分析、數(shù)學(xué)建模和計算機優(yōu)化的方法,探討影響因素與剝?nèi)~效果之間的關(guān)系,取得了一定的成果。
1.2剝?nèi)~元件材料及裝夾方式對剝?nèi)~質(zhì)量的影響剝
葉元件是甘蔗剝?nèi)~機的核心部件,它對蔗莖的打擊力直接影響著剝?nèi)~效果,而其根部的應(yīng)力也決定著剝?nèi)~元件的工作壽命。在保證剝?nèi)~元件對蔗莖有足夠打擊力的前提下,應(yīng)盡量減少剝?nèi)~元件根部的應(yīng)力,延長其工作壽命。首先,對剝?nèi)~元件的材質(zhì)有一定的要求,目前常用的材質(zhì)有鋼絲繩或膠指。前期研究表明,鋼絲繩剝?nèi)~元件韌性較差,對甘蔗損傷較大,且易產(chǎn)生疲勞斷裂。膠指材料較柔軟,甘蔗損傷程度低,但元件極易磨損。兩種材料都難以解決剝?nèi)~效果和剝?nèi)~元件工作壽命之間的矛盾,而高分子材料具有優(yōu)良的強度、韌性和耐磨性。疲勞試驗證明,在相同的工況下,高分子材料剝?nèi)~元件的疲勞壽命比鋼絲繩剝?nèi)~元件提高了近40%,比膠指材料剝?nèi)~元件提高了近30%。因此,選用高分子材料作為剝?nèi)~元件是合適的。2001年,廣西大學(xué)蘇文桂等人通過試驗對比分析和優(yōu)化,采用了如下方案:剝?nèi)~元件與剝?nèi)~輥筒裝夾螺旋角為30°,每組12排剝?nèi)~元件。該方案證明,非直線型剝?nèi)~元件排列方式能提高甘蔗剝?nèi)~機剝?nèi)~效果。除了裝夾螺旋角,剝?nèi)~元件前角也能對剝?nèi)~效果產(chǎn)生影響。2003年,廣西大學(xué)蒙艷玫等人采用數(shù)值模擬正交試驗方法分析得出:在其他條件一定的情況下(即剝?nèi)~元件長度為125mm,裝夾螺旋角為20°,裝夾排數(shù)為3,交錯深度4mm),前角是對應(yīng)力影響最大的因素。負(fù)的前角能夠有效減小剝?nèi)~元件根部應(yīng)力,但剝?nèi)~效果較差;而前角取正值時,根部應(yīng)力過大,元件很容易折斷。綜合考慮,前角取0°[7]。
1.3剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速及剝?nèi)~元件交錯深度對剝?nèi)~效果的影響
剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速直接影響到剝?nèi)~效果、剝?nèi)~效率及剝?nèi)~元件的壽命。根據(jù)經(jīng)驗,剝?nèi)~機工作時,當(dāng)剝?nèi)~元件相對于蔗莖達(dá)到15m/s左右的線速度時,才能取得較好的剝?nèi)~效果。這就需要剝?nèi)~輥筒達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速。根據(jù)不同的剝?nèi)~輥筒直徑和剝?nèi)~元件長度,剝?nèi)~輥筒的轉(zhuǎn)速范圍選擇也不同。有試驗研究表明,剝?nèi)~機工作速度對剝?nèi)~元件根部應(yīng)力和打擊力的影響不大,但速度提高后剝?nèi)~元件打擊甘蔗的次數(shù)增多,有利于蔗葉的分離;而速度太高時,也會損傷甘蔗,縮短剝?nèi)~元件壽命。2009年,廣西大學(xué)楊堅教授等人以彎直蔗為研究對象,對剝?nèi)~元件交錯深度、剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速、輸入輥距離和輸出輥轉(zhuǎn)速等4個因素進(jìn)行室內(nèi)模擬剝?nèi)~試驗,研究了各因素及交互作用對剝?nèi)~質(zhì)量的影響規(guī)律和機理,并優(yōu)化了影響因素。直蔗含雜率和折斷率分別為0~0.78%和0~8.43%,彎蔗含雜率和折斷率分別為0~0.5和0~18%。大量試驗研究表明,交錯深度對剝?nèi)~效果及剝?nèi)~元件壽命影響顯著。在不同的機型及試驗條件下,最佳的交錯深度是不同的。交錯深度過大,雖然有利于蔗葉的分離,但容易對甘蔗造成損傷,且消耗不必要的功率;交錯深度過小,則易造成剝?nèi)~不凈。試驗表明,由于多根喂入和帶尾部剝?nèi)~,常會造成剝?nèi)~機壅堵、卡死、含雜率和折斷率高的問題。針對防堵問題,廣西大學(xué)李立新等人采用螺旋傳動原理設(shè)計了小型甘蔗收獲機物流防堵機構(gòu),并運用動力學(xué)仿真軟件取得了較好的效果。同時,華南農(nóng)業(yè)大學(xué)牟向偉等人設(shè)計了彈性齒輥筒式甘蔗剝?nèi)~裝置,并通過試驗優(yōu)化了主要參數(shù),較好地解決了含雜率和折斷率較高的問題,在連續(xù)多根喂入的情況下,含雜率、折斷率和斷尾率也分別達(dá)到了2.38%,25.93%和75.59%。此外,由于甘蔗生長的高度不一,并存在倒伏現(xiàn)象,使得甘蔗收獲機前置式的斷尾機構(gòu)存在切除誤差,不僅不能完全有效切除尾梢,而且有時還會加大甘蔗收獲機的切割損失;而在剝?nèi)~環(huán)節(jié),由于剝?nèi)~元件的打擊力加上尾梢部自身的脆性,也能實現(xiàn)一定的斷尾功能。廣西大學(xué)麻芳蘭等人針對甘蔗尾梢蔗葉包裹緊密、不利于在剝?nèi)~環(huán)節(jié)實現(xiàn)甘蔗斷尾的問題,設(shè)計了三角形布局的剝?nèi)~斷尾機構(gòu),有利于在剝?nèi)~過程中實現(xiàn)耙葉、剝?nèi)~和斷尾的功能,并在試驗平臺上進(jìn)行了正交試驗研究,得出了較優(yōu)的參數(shù)組合,含雜率達(dá)到0.21%,斷尾率達(dá)到100%。
2我國甘蔗剝?nèi)~機械發(fā)展存在的問題
2.1含雜率與剝?nèi)~元件材料
含雜率是剝?nèi)~機的核心問題,目前的研究也主要是以解決含雜率偏高為主要目標(biāo)。雖然很多高校以及科研院所都各自取得了一定的成果,但一方面由于我國糖廠加工工藝的原因,對含雜率要求比較苛刻;另一方面,大量研究都是在一定的試驗條件下進(jìn)行的。而在甘蔗收獲現(xiàn)場,環(huán)境要復(fù)雜得多,蔗莖一般是多根并列連續(xù)喂入,有時會有兩三根甘蔗堆疊、交叉著進(jìn)入剝?nèi)~機,容易造成蔗莖折斷,也會在蔗莖表面形成剝?nèi)~“死區(qū)”,嚴(yán)重影響了剝?nèi)~效果。若遇到雨天,蔗葉遇水后打滑,容易纏繞在剝?nèi)~元件上,造成工作中斷。由于剝?nèi)~機結(jié)構(gòu)的原因,清理起來也非常困難。工作現(xiàn)場環(huán)境十分惡劣,要想按糖廠要求近乎完美地解決含雜率的問題,目前仍是剝?nèi)~機研究的重中之重。對于剝?nèi)~元件的材料,已經(jīng)有試驗證明了某些高分子材料在力學(xué)性能和工作壽命方面較傳統(tǒng)的鋼絲、膠指有了很大提高。但是,剝?nèi)~元件的工況較為惡劣,蔗葉的脫落主要靠剝?nèi)~元件對蔗莖的打擊、擠壓和摩擦。工作時,剝?nèi)~輥筒的轉(zhuǎn)速一般會達(dá)到上千轉(zhuǎn),剝?nèi)~元件也承受著周期性的變形。剝?nèi)~元件失效主要有根部折斷和磨損過度兩種形式。一旦出現(xiàn)剝?nèi)~元件失效,就必須中斷工作,更換剝?nèi)~元件。由于更換比較繁瑣,勢必嚴(yán)重影響工作效率。所以,盡快找到更適合剝?nèi)~元件的材料也是目前剝?nèi)~機的關(guān)鍵問題。
2.2整機協(xié)調(diào)性問題
甘蔗剝?nèi)~這一環(huán)節(jié)作為一個系統(tǒng)性問題,包含了未剝凈率、蔗莖合格率、工作效率、功耗和全天候作業(yè)等諸多方面。目前的研究往往只是針對其中一個或者幾個問題,取得了一定的成果,但從全方位上看還沒有能夠一次性解決上述所有問題的合適機型。所以,應(yīng)盡快協(xié)調(diào)各問題間的關(guān)系,研制出能夠統(tǒng)籌這些問題的機型。
2.3甘蔗生產(chǎn)系統(tǒng)效益
我國糖廠對甘蔗收獲質(zhì)量相對于國外要求過高,從而造成甘蔗收獲機械尤其是剝?nèi)~環(huán)節(jié)壓力太大,這也是目前仍未有能滿足所有要求的合適機型的一個重要原因。在甘蔗種植生產(chǎn)方面,也存在農(nóng)機與農(nóng)藝協(xié)調(diào)的問題。我國甘蔗種植多以家庭為單位,地塊較小且分散,為了提高產(chǎn)量,農(nóng)戶選擇的種植行距多為0.7~1.1m。在澳大利亞,種植行距達(dá)到1.3m以上,且甘蔗的生產(chǎn)與榨糖整個產(chǎn)業(yè)往往由一家企業(yè)來負(fù)責(zé),做到了規(guī)?;?jīng)營,降低了成本,非常有利于實現(xiàn)生產(chǎn)全程機械化,值得我國借鑒。
3結(jié)語
我國甘蔗收獲機械化的滯后嚴(yán)重影響了甘蔗產(chǎn)業(yè)體系的發(fā)展,其中甘蔗剝?nèi)~機械是收獲過程中非常重要的一環(huán),且對甘蔗收獲質(zhì)量影響巨大。雖然,受各方面條件限制,能完滿解決剝?nèi)~質(zhì)量問題的甘蔗剝?nèi)~機械仍然沒有出現(xiàn),但是隨著國內(nèi)各相關(guān)研究單位對其不斷的探索與研究,并在各方面取得了階段性的進(jìn)展,相信符合廣大蔗農(nóng)需求的甘蔗剝?nèi)~機的誕生已為期不遠(yuǎn)。
作者:劉芳建 楊學(xué)軍 劉赟東 狄明利 廖娜 單位:中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院