小型甘蔗剝?nèi)~機(jī)的試驗(yàn)與研究

黎毓鵬，鄭廣平，宋詠春，張鐵異，吳 悅

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004）

甘蔗是我國(guó)南方省份的一種主要經(jīng)濟(jì)作物。每年榨季甘蔗的收獲是一項(xiàng)既費(fèi)工時(shí)又費(fèi)勞力的艱苦作業(yè)。甘蔗收獲的工序一般包括：打頂、根部收割、脫葉、裝卸。其中脫葉勞動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)資料表明，脫葉所占用的時(shí)間為整個(gè)收獲作業(yè)時(shí)間的65%左右。目前我國(guó)的甘蔗收獲仍沿用古老的人工作業(yè)方式，效率低下，嚴(yán)重制約了甘蔗規(guī)模生產(chǎn)的發(fā)展。研制新型的、具有我國(guó)南方地域特點(diǎn)的甘蔗剝?nèi)~機(jī)、實(shí)現(xiàn)甘蔗收獲機(jī)械化，是發(fā)展甘蔗規(guī)模生產(chǎn)的迫切需要。

1 各種剝?nèi)~方法的比較和分析

甘蔗收獲時(shí)莖葉很多，若不進(jìn)行處理，將帶葉的甘蔗進(jìn)行榨糖，葉子會(huì)粘附糖汁而被浪費(fèi)掉，結(jié)果會(huì)使產(chǎn)糖量顯著減少，所以必須將這些莖葉盡可能在榨糖前除掉。日本制糖工藝要求，甘蔗的含雜率不能超過(guò)2%，我國(guó)糖廠基本控制在5%以下。

當(dāng)今世界甘蔗莖葉的處理方式主要有三種：

（1）手工法。手工法即借助剝?nèi)~刀進(jìn)行人工剝?nèi)~。這是最古老、原始、落后的作業(yè)方式。

（2）焚燒法。在美國(guó)、澳大利亞、古巴、巴西以及日本的南北大島、石垣島，甘蔗種植面積大，收獲前先進(jìn)行枯葉焚燒，然后用切段式收獲機(jī)切斷收獲。這種作業(yè)方式生產(chǎn)效率高，但收獲的甘蔗必須在16 h內(nèi)完成運(yùn)輸和加工，以免變質(zhì)，也即是要求整個(gè)制糖業(yè)的管理水平較高。另外，焚燒后的甘蔗糖份損失大，糖色變黃，需返工漂白。

（3）機(jī)械剝?nèi)~法。機(jī)械剝?nèi)~按剝?nèi)~原理分為：離心力撞擊摩擦法，壓縮空氣分離法。根據(jù)采用剝?nèi)~元件的不同，還可分為：鋼絲元件剝?nèi)~法，橡膠元件剝?nèi)~法，滾筒邊緣摩擦剝?nèi)~法，風(fēng)動(dòng)分離抓取法。按切段式收割和整桿式收割方式又可分為：分段剝?nèi)~法和整稈剝?nèi)~法。

我國(guó)蔗糖生產(chǎn)和管理水平較低，甘蔗收獲后常常存放一星期左右，此外大多數(shù)種蔗區(qū)蔗地小，不規(guī)則，不成片。焚燒法和與之相適應(yīng)的分段式甘蔗收獲，以及后來(lái)發(fā)展起來(lái)的分段收獲然后剝?nèi)~的莖葉處理方式，均不適用于我國(guó)。整稈式甘蔗機(jī)械剝?nèi)~能較大幅度地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，又不損失糖份，符合我國(guó)糖業(yè)生產(chǎn)的要求。毫無(wú)疑問(wèn)，研制一種價(jià)格合理、適應(yīng)于田間作業(yè)的小型整稈式甘蔗剝?nèi)~機(jī)，在蔗區(qū)一定有著廣闊的銷(xiāo)售市場(chǎng)。

2 剝?nèi)~裝置的基本工作原理與關(guān)鍵技術(shù)

剝?nèi)~滾筒高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾筒上的剝?nèi)~元件因受離心力的作用而甩開(kāi)。甘蔗在剝?nèi)~元件離心力、柔性打擊力及剝?nèi)~元件與蔗莖相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦力的共同作用下，其表面的枯葉被剝落。簡(jiǎn)言之，剝?nèi)~元件就像一根皮鞭，當(dāng)人用皮鞭狠狠地抽打甘蔗表面，其莖葉就被打碎打落下來(lái)，這就是離心式剝?nèi)~裝置基本的工作原理。

圖1 離心式剝?nèi)~裝置簡(jiǎn)圖

2.1 小型甘蔗剝?nèi)~機(jī)應(yīng)具備的技術(shù)指標(biāo)

滿足田間作業(yè)要求的小型甘蔗剝?nèi)~機(jī)，應(yīng)具有以下的技術(shù)指標(biāo)：

（1）含雜率≤4%；

（2）傷皮率＜8%；

（3）折斷率≤5%；

（4）剝?nèi)~元件的壽命不能低于250 h；

（5）剝?nèi)~效率約2 t/h。

2.2 高質(zhì)量剝?nèi)~機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

剝?nèi)~裝置是剝?nèi)~機(jī)的心臟和質(zhì)量保證。一般說(shuō)來(lái)，剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速愈高，打擊力度愈大，打擊次數(shù)愈多，剝?nèi)~越干凈。但打擊力度過(guò)大，甘蔗在剝?nèi)~區(qū)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能發(fā)生劇變，產(chǎn)生縱向和橫向沖擊，甘蔗易彎曲折斷，剝?nèi)~元件也易于疲勞損傷，使用壽命降低。影響剝?nèi)~機(jī)質(zhì)量的因素很多，其中以下數(shù)點(diǎn)是研制高質(zhì)量剝?nèi)~機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)：

（1）剝?nèi)~元件材料、形狀和熱處理技術(shù)；

（2）剝?nèi)~元件的分布裝夾方式；

（3）保證能同時(shí)輸送多條直徑大小不同的甘蔗的輸入、輸出機(jī)構(gòu)。

3 甘蔗剝?nèi)~機(jī)的研制現(xiàn)狀

小型甘蔗剝?nèi)~機(jī)是在全機(jī)械化收獲機(jī)（一臺(tái)機(jī)械完成甘蔗打頂、收割、剝?nèi)~清理、堆集全部作業(yè)）的基礎(chǔ)上，根據(jù)東南亞各國(guó)甘蔗收獲特點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的。日本是較早研制小型甘蔗剝?nèi)~機(jī)的國(guó)家。日本40%的蔗區(qū)，種植面積大，甘蔗收獲使用全機(jī)械化類(lèi)型的收獲機(jī)；60%的蔗區(qū)田塊小，不連片，推廣小型機(jī)械化收獲體系（由手扶式小型收割機(jī)、小型脫葉機(jī)和搬運(yùn)裝置組成）。川村登等人于1975年連載報(bào)道了鋼絲式剝?nèi)~機(jī)的研究成果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鋼絲剝?nèi)~元件的使用壽命主要受鋼絲直徑、固定方式、旋轉(zhuǎn)速度、打擊節(jié)距的影響。滾筒轉(zhuǎn)速提高，含雜率降低，甘蔗折損率提高，鋼絲壽命降低。鋼絲拍打甘蔗時(shí)，當(dāng)甘蔗干涉的長(zhǎng)度增加，鋼絲應(yīng)力增大，易形成疲勞損壞。打擊節(jié)距增大，對(duì)甘蔗折損率影響不大，但含雜率會(huì)增加。鋼絲初接觸甘蔗時(shí)受力最小，脫離時(shí)受力最大，力作用于鋼絲頂部，由裝夾的根部承受。滾筒結(jié)構(gòu)按圖2設(shè)計(jì)，主要技術(shù)參數(shù)按表1選擇。在田間實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是每剝蔗35 t需更換鋼絲束，鋼絲壽命在70 h左右。

印度種植甘蔗3.2萬(wàn)km2，83%是小農(nóng)戶種植，甘蔗收獲大多是手工，剝?nèi)~使用剝?nèi)~刀。上世紀(jì)90年代旁遮普農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械系研制了風(fēng)動(dòng)、滾筒抓取式剝?nèi)~機(jī)，生產(chǎn)率380～823 kg/h，含雜率6.38%以下。

表1 小型甘蔗剝?nèi)~機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

圖2 滾筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

我國(guó)甘蔗產(chǎn)區(qū)主要在兩廣、福建、云南、海南等。甘蔗收獲機(jī)的研制和使用與外國(guó)比較起步較晚，目前獨(dú)立的小型甘蔗剝?nèi)~機(jī)仍處于研制階段。貴港甘蔗研究所曾為整稈式甘蔗收獲機(jī)的剝?nèi)~部分，研制了一種新式的裝夾方法。據(jù)報(bào)道，剝?nèi)~元件選用單根直徑0.7 mm，一束直徑10 mm的鋼絲繩，剝?nèi)~效果良好，正常收割0.015km2（22畝）后，鋼絲繩未有疲勞和折斷現(xiàn)象。該裝夾方法的最大特點(diǎn)（見(jiàn)圖3）即是鋼絲繩中部由護(hù)板支承。護(hù)板作用有二方面，一是扶托甘蔗和避免甘蔗插入芯軸；二是護(hù)板就像一個(gè)活動(dòng)鏈支承鋼絲中部，在鋼絲繩不斷的彎伸中起一定的彈性作用。

圖3 鋼絲繩裝夾方法簡(jiǎn)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

小型甘蔗剝?nèi)~機(jī)，是最適合我國(guó)南方丘陵地帶甘蔗收獲的一種小型農(nóng)機(jī)，能較大幅度地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，對(duì)發(fā)展我國(guó)蔗糖業(yè)有很重要的意義。

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