甘蔗斷尾現(xiàn)狀及斷尾機(jī)構(gòu)分析

羅菊川++區(qū)穎剛+劉慶庭

摘要：針對整稈式聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)械收獲后甘蔗夾雜物中青葉多、莖稈尾梢部分過長等問題，對國內(nèi)外甘蔗尾梢部位確定及斷尾機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析，分析表明，斷尾位置控制、緊密包裹尾部葉鞘的撕裂剝除是當(dāng)前阻礙斷尾除葉技術(shù)發(fā)展的2個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，確定符合農(nóng)藝要求又適合機(jī)械斷尾的斷尾位置，設(shè)計(jì)相應(yīng)的斷尾機(jī)構(gòu)，對推動甘蔗收獲機(jī)的發(fā)展有著積極和重要的意義。

關(guān)鍵詞：甘蔗；斷尾；機(jī)械；聯(lián)合收獲機(jī)；現(xiàn)狀

中圖分類號： S225.5+3；S220.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）06-0412-04

收稿日期：2015-12-14

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)青年基金（編號：51405163）。

作者簡介：羅菊川（1975—），女，廣東梅州人，博士，講師，主要從事甘蔗收獲機(jī)械研究。E-mail：juchuanluo@163.com。我國是世界第三大糖料生產(chǎn)國，甘蔗作為我國主要的糖料作物，蔗糖產(chǎn)量占我國食糖總產(chǎn)量的90%以上，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位[1-2]。目前，我國食糖的生產(chǎn)成本過高，甘蔗的生產(chǎn)成本約占蔗糖成本的60%～70%；2001—2012年食糖進(jìn)口量呈急劇增加態(tài)勢，而出口量一直處于微量水平，近2年，食糖進(jìn)口量約是出口量的35倍[3]；我國甘蔗生產(chǎn)的綜合機(jī)械化水平很低，勞動強(qiáng)度大、耗時(shí)長，占甘蔗生產(chǎn)成本比例較高的收獲環(huán)節(jié)基本上還是靠人工作業(yè)，而甘蔗收獲的機(jī)械化技術(shù)水平是嚴(yán)重制約甘蔗生產(chǎn)全程機(jī)械化的瓶頸。這些均導(dǎo)致我國的蔗糖產(chǎn)業(yè)缺乏市場競爭力，而實(shí)現(xiàn)甘蔗收獲機(jī)械化是降低蔗糖生產(chǎn)成本、增強(qiáng)國際競爭力的重要途徑，是當(dāng)前蔗糖業(yè)迫在眉睫需要解決的任務(wù)。

整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)的機(jī)型較小，設(shè)計(jì)及生產(chǎn)成本較低，適應(yīng)我國目前農(nóng)村生產(chǎn)及糖廠的加工條件，近一段時(shí)間內(nèi)是我國甘蔗收獲機(jī)的重要機(jī)型。目前，整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)收獲甘蔗后夾雜物中青葉多、莖稈尾梢過長等問題[4-5]嚴(yán)重影響該機(jī)械發(fā)展，斷尾除葉技術(shù)是該種機(jī)型急需攻克的技術(shù)難點(diǎn)[6]。通過對國內(nèi)外甘蔗尾梢部位確定及斷尾機(jī)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行深入分析，指出阻礙斷尾除葉技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，對推動甘蔗收獲機(jī)的發(fā)展有著積極和重要的意義。

1國內(nèi)外甘蔗尾梢部位的確定

蔗尾由莖稈頂端生長點(diǎn)以下含糖分很少的尾部莖稈L以及包含葉片和葉鞘的蔗葉2部分組成（圖1），斷尾除葉工序包括剝?nèi)フ崆o上的蔗葉和斷除蔗尾2道工序。含糖量很少是一個(gè)模糊概念，國內(nèi)外對蔗尾莖稈長度沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。輕工部對原料蔗的收獲規(guī)格為甘蔗梢部應(yīng)砍至見白即見蔗肉，一般應(yīng)從梢部的生長點(diǎn)向下砍至300 mm處[7]；行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《甘蔗收獲機(jī)械試驗(yàn)方法》（JB/T6275—2007）和廣西南寧市地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，蔗梢包括生長點(diǎn)以下150 mm的蔗莖[8-9]；《糖料甘蔗》（GB/T 10498—2010）指出，采用機(jī)械收獲的，甘蔗夾雜物重量指標(biāo)由產(chǎn)購雙方協(xié)商確定[10]；日本學(xué)者宮部芳照等以蔗梢以下展開葉第6葉作為梢頭部[11]，印度學(xué)者Uppal等則認(rèn)為，蔗梢包括生長點(diǎn)以下3～4節(jié)[12]。蔗尾莖稈L部分切除太多，蔗農(nóng)損失增加，切除太少，蔗尾莖稈含糖分很少，除增加無用的能量消耗外，還會影響糖分析出，使產(chǎn)糖量減少，同時(shí)，對生產(chǎn)企業(yè)而言還會增加原料成本，甚至留有生長點(diǎn)的蔗會繼續(xù)生長，影響原料糖的質(zhì)量[13-14]。斷尾位置難統(tǒng)一、含雜問題阻礙了甘蔗收獲機(jī)械的發(fā)展[15]。

2國內(nèi)外甘蔗斷尾機(jī)械研究現(xiàn)狀

甘蔗成熟收獲時(shí)，蔗莖尾部都是青葉，含水率高，主要采用機(jī)械去除蔗尾的方式，當(dāng)前，國內(nèi)外機(jī)械斷尾的方式主要有5種。

2.1人工送入旋轉(zhuǎn)刀具進(jìn)行甘蔗斷尾

由人工拿起收割機(jī)砍倒的甘蔗，在甘蔗進(jìn)入剝?nèi)~機(jī)前，利用剝?nèi)~機(jī)上旋轉(zhuǎn)的刀具將蔗尾切除。這種方式屬于半自動化作業(yè)，存在重復(fù)性勞動，勞動強(qiáng)度大，未從根本上解決切除蔗尾勞動強(qiáng)度大的問題。

2.2甘蔗處于直立狀態(tài)進(jìn)行斷尾

1950年，Rasmussen設(shè)計(jì)的收割機(jī)設(shè)有切除嫩梢的旋轉(zhuǎn)切刀即斷尾機(jī)構(gòu)，由水平放置的木支架支撐，收獲時(shí)，切刀先將直立狀態(tài)的甘蔗頭部嫩梢切除。20世紀(jì)60年代，Ray Venton 設(shè)計(jì)的收割機(jī)由2個(gè)轉(zhuǎn)盤割刀，與之相配合的指狀喂料器輸送鏈將蔗稈以垂直狀態(tài)送入喂料器，并將梢部切下。這種前置式的斷尾機(jī)構(gòu)是由操作人員在目測基礎(chǔ)上，通過液壓機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)刀具的升降，從而來控制蔗尾被切斷的長短[16]。目前，國外絕大部分甘蔗收獲機(jī)的斷尾機(jī)構(gòu)都采用這種原理。我國甘蔗一般種植在丘陵地帶，甘蔗生長高度差別較大，且存在倒伏，而沿海蔗區(qū)更是倒伏嚴(yán)重，造成切斷的甘蔗尾長度誤差相對較大，這種大型甘蔗收獲機(jī)在我國不容易被接受[17]。

2.3甘蔗收割鋪倒，在剝?nèi)~前進(jìn)行斷尾

任曉智根據(jù)蔗莖與蔗尾的直徑變化范圍不同設(shè)計(jì)了1種斷尾機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由1對相向轉(zhuǎn)動的傳動錐輥組成，經(jīng)調(diào)節(jié)兩輥的間隙使甘蔗蔗莖順利通過，而甘蔗的尾梢則在螺旋壓條的壓力下進(jìn)入兩錐輥間隙中，從而以尾梢作為切斷的定位點(diǎn)，通過設(shè)定的圓盤切尾刀從斷尾點(diǎn)處切斷蔗尾[18]。江少杰在前人研究基礎(chǔ)上，運(yùn)用虛擬設(shè)計(jì)對甘蔗斷尾機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，并運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，對設(shè)計(jì)的斷尾機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并指出，由于大部分甘蔗在11月份進(jìn)行青稈收獲，甘蔗的“雞蛋黃”部分在剝?nèi)~、斷尾前被綠葉包裹著，直徑可達(dá)12～13 mm，有的甚至更大，與蔗稈直徑相差不大，綠葉較多處到“雞蛋黃”處有20～30 cm的長度，這增加了斷尾機(jī)構(gòu)智能判斷的難度[19]。另外，由于蔗葉自身生長排布的獨(dú)特性，甘蔗在有綠葉包裹處整個(gè)截面呈橢圓形，這使其在錐滾上滾動傳送時(shí)有一定困難；甘蔗在收獲時(shí)是連續(xù)交錯(cuò)傳送的，這種方法也不太好實(shí)現(xiàn)甘蔗斷尾。

2.4甘蔗收割鋪倒，在剝?nèi)~過程中進(jìn)行斷尾

2.4.1滾筒拉扯式國外印度學(xué)者Sharma等利用舊收獲機(jī)的抽風(fēng)葉輪和液壓馬達(dá)制成一種甘蔗田間剝?nèi)~機(jī)，其抽風(fēng)葉輪由液壓馬達(dá)驅(qū)動，作業(yè)時(shí)剝?nèi)~機(jī)沿蔗行移動，機(jī)上的葉輪轉(zhuǎn)動著把蔗行一側(cè)的蔗葉剝除，氣流式剝?nèi)~裝置由1對拋送輪和2個(gè)壓力風(fēng)扇組成，工作時(shí)必須使甘蔗梢部先喂入，圓筒面上帶膠塊的拋送輪高速將甘蔗向后拋送，風(fēng)扇的高壓氣流使蔗葉張開并阻止其向后輸送，這時(shí)蔗葉緊貼在拋送輪面上，由輪上的橡膠塊將其從蔗稈上扯下[20]。

不久，Sharma等又利用甘蔗未成熟的尾部與己成熟的莖部之間存在脆弱點(diǎn)、蔗尾剝?nèi)~時(shí)經(jīng)常在此被折斷、蔗莖強(qiáng)度向尾部逐漸減弱這一特點(diǎn)研制了滾筒拉扯式的甘蔗剝?nèi)~機(jī)，該機(jī)構(gòu)由喂入槽、滾筒、下輥、副輥、刮板輥、風(fēng)扇和剛性固定在機(jī)架上的傾斜工作臺組成（圖2），能夠?qū)崿F(xiàn)甘蔗剝?nèi)~過程中斷除尾梢部分[21]。工作時(shí)，甘蔗單條、雙條或多條一起由尾部先喂入，經(jīng)喂入槽后進(jìn)入對轉(zhuǎn)的滾筒和下輥之間，蔗莖被拉入，并被輥?zhàn)訚L壓，拉扯蔗尾和蔗葉；青葉和蔗尾被風(fēng)扇吹向下輥和副輥所形成的凹部，風(fēng)扇排氣口正處在凹部的上方，下輥和副輥將蔗尾和青葉向下拉，直到蔗莖尾部和青葉與蔗莖分離，掉在傾斜的臺面；刮板滾筒的轉(zhuǎn)動方向與蔗莖運(yùn)動方向相反，其作用是梳理已去掉蔗尾的蔗莖，干凈的蔗莖離開機(jī)器掉在地上。這2種剝?nèi)~機(jī)都要求甘蔗尾部先喂入，存在剝?nèi)~工效低、含雜率不理想等問題，不適宜在推倒式整稈聯(lián)合收獲機(jī)上使用。

2.4.2刀片刮擦式任維義等利用彈性刀片式剝?nèi)~刀圓環(huán)內(nèi)孔均布的6個(gè)弧形刀片，將從中通過的甘蔗蔗葉刮離；為適用于不同大小的甘蔗，2對送料輪的距離可連續(xù)調(diào)節(jié)，根據(jù)某一地區(qū)、某一品種甘蔗的長度和彎曲度，調(diào)好距離并鎖住，每組送料輪夾緊的間隙靠彈簧自動調(diào)節(jié)，隨甘蔗大小自動張開或縮??；為消除剝?nèi)~盲區(qū)、防止蔗葉堵塞，先由剝?nèi)~輪進(jìn)行粗剝，再由后面的彈性刀進(jìn)行精剝（圖3）；刀片夾緊力合適，刀片緩慢旋轉(zhuǎn)，甘蔗從刀片之間通過，將剩余的蔗葉割離[22-23]。這種剝?nèi)~機(jī)構(gòu)甘蔗需單根喂入，工作效率低，脆弱的尾梢部在葉片剝除后經(jīng)刀片旋轉(zhuǎn)振動可能斷除。

2.4.3中空軸爪式剝?nèi)~機(jī)械空心軸內(nèi)孔均布4個(gè)剝?nèi)~爪，甘蔗進(jìn)入后剝?nèi)~爪繞銷軸微轉(zhuǎn)，爪尖在彈簧作用下壓緊蔗莖表面，切入甘蔗葉內(nèi)，切入力大小可由螺釘調(diào)節(jié)，當(dāng)剝?nèi)~軸旋轉(zhuǎn)而甘蔗直線送進(jìn)時(shí)，爪尖相對于甘蔗表面做螺旋運(yùn)動（圖4）[24]。這種剝?nèi)~機(jī)構(gòu)甘蔗同樣需單根喂入，工作效率低，脆弱的尾梢部在葉片剝除后經(jīng)刀片旋轉(zhuǎn)振動可能斷除。

2.4.4離心沖擊式主要借助剝?nèi)~元件高速旋轉(zhuǎn)的離心力和摩擦力打擊蔗莖、剝離蔗葉，在剝?nèi)~過程中實(shí)現(xiàn)斷尾[25-26]。1972年，廣西農(nóng)機(jī)研究所、廣東湛江地區(qū)農(nóng)機(jī)所研制出工農(nóng)-12型離心沖擊式剝?nèi)~機(jī)，主要由限速輥、剝?nèi)~輥、導(dǎo)向壓板、喂入托板、機(jī)架和傳動機(jī)構(gòu)等組成，功效較手工提高2～3倍[27]。剝?nèi)~輥由12片膠片組成，每2片成1組相對排列安裝；剝?nèi)~時(shí)，將甘蔗根部送入喂入口，剝?nèi)~輥以800～1 000 r/min 速度旋轉(zhuǎn)把甘蔗帶進(jìn)去，通過剝?nèi)~裝置、剝?nèi)~膠片，將葉片和葉鞘由剝?nèi)~輥的旋轉(zhuǎn)力將甘蔗梢部打斷，剝凈的甘蔗從蔗莖上全部剝下，甘蔗的梢端通過剝?nèi)~裝置時(shí)由限速膠輥輸出。這種剝?nèi)~機(jī)存在橡膠剝?nèi)~元件（橡膠片）容易磨損、壽命短，成本相對較高，彎曲厲害和短小的甘蔗剝?nèi)~易折斷等問題[28]。

2.4.5彈性齒滾筒式甘蔗剝?nèi)~裝置由牟向偉等設(shè)計(jì)，甘蔗由根部喂入，經(jīng)輸送滾筒組在橡膠條的強(qiáng)制作用下進(jìn)入剝?nèi)~滾筒組工作區(qū)域，剝?nèi)~元件的彈性齒與蔗葉接觸，剝?nèi)~后甘蔗經(jīng)輸出滾筒組向后輸出（圖5）[29]。在這個(gè)剝?nèi)~過程中，甘蔗尾部越接近生長點(diǎn)處，甘蔗抗破壞強(qiáng)度越低[30]，因此，在剝掉或破壞包裹生長點(diǎn)附近的葉鞘后，甘蔗在剝?nèi)~輸送過程中抖動或受到滾筒擠壓，嫩脆的尾部可以斷掉。

2.4.6整稈式甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾由麻芳蘭等設(shè)計(jì)（圖6），剝?nèi)~輥上的剝?nèi)~刷依靠高速旋轉(zhuǎn)過程，其側(cè)面對甘蔗通過摩擦來剝離蔗葉，與此同時(shí)，經(jīng)過耙葉作用的甘蔗尾梢，在缺乏蔗葉有效防護(hù)作用下受到剝?nèi)~刷的高速沖擊從而實(shí)現(xiàn)斷尾[26]。

以上這幾種在剝?nèi)~過程中實(shí)現(xiàn)斷尾的機(jī)構(gòu)，都是利用蔗莖尾部非常脆弱易斷，撕裂破壞或剝除外部包裹緊密的葉鞘后，蔗尾在機(jī)構(gòu)振動、滾筒擠壓或剝?nèi)~元件高速打擊下斷除，而機(jī)構(gòu)本身并沒有對斷尾的位置進(jìn)行控制。但是，甘蔗尾部的青葉葉鞘重疊覆蓋，包裹十分緊實(shí)，很難被撕裂和破壞，即使尾部折斷也有很多是尾部包裹在葉鞘里沒有完全分離，要想有效破壞和剝離包裹生長點(diǎn)部分的這些青葉，即使提高剝?nèi)~元件的轉(zhuǎn)速也難以做到，而且過高的轉(zhuǎn)速容易造成甘蔗折斷，特別是對于倒伏彎曲的甘蔗，整機(jī)功率消耗也大。另外，

我國甘蔗收獲期間陰雨天氣較多，雨后蔗葉濕潤[31]，大大增加了剝除青葉的難度，這部分難以剝除的青葉造成含雜率高，直接影響了剝?nèi)~機(jī)構(gòu)的性能。

2.5甘蔗收割鋪倒，應(yīng)用整機(jī)前部的切尾裝置和通道內(nèi)設(shè)置的斷尾輪進(jìn)行聯(lián)合斷尾

為適應(yīng)甘蔗在生長過程中出現(xiàn)生長高度不一致的現(xiàn)象，肖宏儒等設(shè)計(jì)的整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)，在收獲機(jī)前部安裝切梢裝置，作業(yè)時(shí)先切除甘蔗部分蔗梢；切梢后的甘蔗進(jìn)入通道內(nèi)進(jìn)行剝?nèi)~，通道的尾部裝有鋸齒狀的斷梢輪，剝?nèi)~后的甘蔗經(jīng)通道內(nèi)輸出輪輸出時(shí)，甘蔗中蔗梢以下到第1個(gè)蔗節(jié)的部分經(jīng)過斷尾輪徹底去除[32]。這樣經(jīng)2道工序處理的蔗梢將被切除，滿足了糖廠對原料蔗斷梢的要求。

3自行研制斷尾機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)

利用甘蔗尾部機(jī)械強(qiáng)度顯著低于中部和基部的特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一種斷尾機(jī)構(gòu)，蔗莖在斷尾滾筒上下彈性元件輪流交替的作用下產(chǎn)生彎曲變形，當(dāng)彈性元件具有適當(dāng)?shù)膹椥?、機(jī)構(gòu)調(diào)整到合適的參數(shù)時(shí)，可以控制蔗莖在生長點(diǎn)以下4～6節(jié)折斷，從而使甘蔗尾部5～6片包裹緊密的青葉連同莖稈尾梢部分一起斷除，斷尾長度合理[33]。試驗(yàn)證明，不需撕裂或破壞，緊密包裹蔗尾的葉鞘可在合適的斷尾位置進(jìn)行斷尾。

4結(jié)論

整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)適應(yīng)我國目前農(nóng)村生產(chǎn)及糖廠加工條件，在近一段時(shí)間內(nèi)是我國研制的重要機(jī)型，斷尾除葉是阻礙這一機(jī)型發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在：一是蔗莖尾部頂端生長點(diǎn)被層層緊密包裹在葉鞘中，難以識別，再加上自然條件、甘蔗個(gè)體、品種、成熟狀態(tài)不同，甘蔗含糖分很少的尾部莖稈長度差異較大，斷尾位置難以控制，斷尾誤差很大；二是尾部重疊交錯(cuò)、包裹非常緊實(shí)的葉鞘難以有效被破壞，蔗尾難以斷裂或斷裂的尾部與甘蔗莖稈不能完全分離，而且即使尾部斷裂分離，仍需要剝除包裹的葉鞘以達(dá)到含雜率低的要求，而要剝離這部分青葉葉鞘仍然是剝?nèi)~機(jī)構(gòu)的技術(shù)難題。因此，確定符合農(nóng)藝要求又適合于機(jī)械斷尾的斷尾位置，設(shè)計(jì)不需撕裂或破壞緊密包裹蔗尾的葉鞘并在該位置進(jìn)行斷尾，對推動甘蔗收獲機(jī)的發(fā)展有著積極和重要的意義。

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