剝?nèi)~元件安裝方式對(duì)甘蔗剝?nèi)~效果的影響機(jī)理

鄧 鵬，陸靜平

（廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

0 引言

現(xiàn)如今，我國年產(chǎn)甘蔗約1億噸，是全球最大的甘蔗種植國之一，也是全球最大的食糖消費(fèi)國之一[1]。隨著近幾年農(nóng)機(jī)事業(yè)的快速發(fā)展，我國甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化的程度不斷提高，多項(xiàng)生產(chǎn)機(jī)械化技術(shù)在甘蔗生產(chǎn)領(lǐng)域得到充分的發(fā)揮[2]。但我國甘蔗收獲機(jī)械化程度還不高，與一些發(fā)達(dá)國家相比，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后的[3-5]，在我國一些丘陵等地形比較惡劣的地方還是手工作業(yè)[6]。在整個(gè)甘蔗生產(chǎn)、收獲環(huán)節(jié)中，投入勞動(dòng)力最多、勞動(dòng)強(qiáng)度最高的環(huán)節(jié)是收獲環(huán)節(jié)，約占總工量的60%[7]。剝?nèi)~是甘蔗收獲中耗費(fèi)時(shí)間最多的工序，它占人工收獲作業(yè)量的65%以上[8]。因此在甘蔗收獲期間，需要投入大量勞動(dòng)力到甘蔗收獲當(dāng)中，但隨著勞動(dòng)力成本逐步增高，種植甘蔗所獲得的收益逐漸減少，這會(huì)嚴(yán)重影響我國制糖業(yè)的發(fā)展[9]。目前，國內(nèi)整稈式甘蔗收獲機(jī)的剝?nèi)~系統(tǒng)運(yùn)用最廣泛的剝?nèi)~方法是離心力式剝?nèi)~法[10，11]，這種剝?nèi)~方法未能解決的難題是剝?nèi)~元件的使用壽命短和剝?nèi)~含雜率高，又由于我國地形復(fù)雜，甘蔗收獲機(jī)適應(yīng)性差，導(dǎo)致甘蔗收獲機(jī)械未能在全國推廣開來[12]。糖廠要求原料甘蔗的含雜率一般不超過1%[13]，糖廠之所以對(duì)含雜率有嚴(yán)格的要求，原因是蔗葉雜質(zhì)在壓榨中不僅帶走糖份，還加快設(shè)備磨損。目前通過改變剝?nèi)~系統(tǒng)參數(shù)來提高剝?nèi)~質(zhì)量的方法都存在一定的局限性，例如提高剝?nèi)~輥筒的線速度，可以一定程度降低含雜率，但當(dāng)剝?nèi)~輥筒線速度過大時(shí)，可能會(huì)對(duì)甘蔗蔗莖造成損傷，甚至使甘蔗被折斷，剝?nèi)~元件的使用壽命也將縮短，而且還會(huì)增加剝?nèi)~系統(tǒng)的功耗。

因此，為提高甘蔗剝?nèi)~質(zhì)量，深入研究整稈式甘蔗收獲機(jī)械的剝?nèi)~機(jī)理，對(duì)甘蔗機(jī)械化收獲具有重要的指導(dǎo)意義。在不改變剝?nèi)~系統(tǒng)參數(shù)如剝?nèi)~輥筒線速度的情況下，按照甘蔗蔗葉的生長特性與規(guī)律[14]，選擇合適的剝?nèi)~方式，提高剝?nèi)~質(zhì)量。對(duì)甘蔗剝?nèi)~過程進(jìn)行受力分析，對(duì)螺旋角為零、螺旋角不為零以及順剝和逆剝等三種剝?nèi)~方式進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析這三種剝?nèi)~方式對(duì)剝?nèi)~效果的影響，進(jìn)而探究剝?nèi)~機(jī)理。

1 甘蔗在剝?nèi)~過程中的受力分析

甘蔗在剝?nèi)~過程中，其所受力的大小和方向會(huì)影響到甘蔗剝?nèi)~效果以及剝?nèi)~質(zhì)量，因此需對(duì)甘蔗剝?nèi)~過程進(jìn)行分析，探究甘蔗所受力對(duì)剝?nèi)~效果的影響。

甘蔗剝?nèi)~流程如下：甘蔗從根部被切斷后，會(huì)以一定的速度輸送到剝?nèi)~箱的喂入口，在輸入輥筒的夾持摩擦力作用下，甘蔗進(jìn)入剝?nèi)~箱內(nèi)部，剝?nèi)~輥筒運(yùn)轉(zhuǎn)，使甘蔗受到垂直于剝?nèi)~元件的切向力Ft和摩擦力F1，在切向力與摩擦力的打擊和刮擦作用下，蔗葉會(huì)被剝離，完成剝?nèi)~后的甘蔗在輸出輥筒的夾持輸送下，從喂出口輸出。為了便于分析，簡化后的甘蔗受力分析模型如圖1（a）所示。

圖1 甘蔗受力分析以及空間力Ft模型

在剝?nèi)~過程中，假設(shè)剝?nèi)~元件打擊甘蔗前，剝?nèi)~輥筒的角速度為ω20，打擊后，剝?nèi)~輥筒的角速度為ω21，則：

切向力（打擊力）：

其中，m為剝?nèi)~元件的質(zhì)量；t為速度變化時(shí)間。

假設(shè)切向力Ft是個(gè)空間矢量，則其模型如圖1（b）所示。

可得切向力Ft在X、Y以及Z軸三個(gè)方向的分量分別為：

由式（1）可得：切向力Ft的大小與剝?nèi)~元件的質(zhì)量和剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速有關(guān)，且隨著剝?nèi)~元件的質(zhì)量和剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速的增大而增大。

切向力Ft在X、Y以及Z軸三個(gè)方向的分量的作用各不相同，F(xiàn)tx的主要作用是橫向打擊甘蔗，它會(huì)使甘蔗左右擺動(dòng)，會(huì)讓蔗葉受到一個(gè)周向力，使蔗葉從周向被剝離；Fty的主要作用是縱向打擊甘蔗，可以促使甘蔗向前運(yùn)動(dòng)，使蔗葉脫離蔗莖；Ftz的主要作用是垂直打擊甘蔗，它會(huì)使甘蔗上下晃動(dòng)，還會(huì)影響蔗莖表皮損傷的程度。Ftx和Fty的存在，可能會(huì)影響到甘蔗剝?nèi)~時(shí)的穩(wěn)定性以及剝?nèi)~效果，但根據(jù)試驗(yàn)研究，橫向力的存在，會(huì)使甘蔗剝?nèi)~的效果更好。

2 三種剝?nèi)~方式的試驗(yàn)研究

經(jīng)過試驗(yàn)研究，剝?nèi)~元件為片狀排刷式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，它是由高分子材料注塑而成的。在甘蔗剝?nèi)~時(shí)，用螺栓將三片這種結(jié)構(gòu)的剝?nèi)~元件固定在一起，其裝夾簡圖如圖2（b）所示，這三片剝?nèi)~元件的主要作用是進(jìn)行剝?nèi)~，這樣組合在一起可提高剝?nèi)~元件的強(qiáng)度和韌性，增加剝?nèi)~元件的使用壽命。

圖2 高分子材料剝?nèi)~元件以及其裝夾方式

2.1 螺旋角為零的剝?nèi)~方式

螺旋角為零的剝?nèi)~方式是指剝?nèi)~元件在剝?nèi)~輥筒上的安裝位置與剝?nèi)~輥筒的母線夾角為零。螺旋角為零的剝?nèi)~方式根據(jù)剝?nèi)~元件與剝?nèi)~輥筒半徑的夾角情況分為前角為零、正前角及負(fù)前角三種剝?nèi)~方式。

2.1.1 前角為零的剝?nèi)~方式

前角為零即據(jù)剝?nèi)~元件與剝?nèi)~輥筒半徑的夾角為零，這種剝?nèi)~方式的簡圖如圖3（a）所示，其優(yōu)點(diǎn)是剝?nèi)~元件的安裝比較簡便。

圖3 前角為零、正前角以及負(fù)前角剝?nèi)~方式

2.1.2 正前角剝?nèi)~方式

正前角即剝?nèi)~元件與剝?nèi)~輥筒半徑的夾角為正，這種剝?nèi)~方式的簡圖如圖3（b）所示，這里取前角γ0=20°。這種剝?nèi)~方式可以讓剝?nèi)~元件插入蔗葉與蔗莖包裹的部位，并將蔗葉與蔗莖分離開。

2.1.3 負(fù)前角剝?nèi)~方式

負(fù)前角即剝?nèi)~元件與剝?nèi)~輥筒半徑的夾角為負(fù)，這種剝?nèi)~方式的簡圖如圖3（c）所示，這里取前角γ0=-20°。設(shè)置負(fù)前角剝?nèi)~方式試驗(yàn)的主要目的是與前角為零和正前角的試驗(yàn)形成對(duì)比。

2.1.4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

該試驗(yàn)是在所研制的樣機(jī)上進(jìn)行。在剝?nèi)~輥筒和輸入輸出輥筒轉(zhuǎn)速都相同的情況下，測(cè)得三種前角進(jìn)行剝?nèi)~試驗(yàn)時(shí)的含雜率和甘蔗損傷情況。

（1）試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 螺旋角為零的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得：在剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速和喂入喂出滾筒轉(zhuǎn)速等參數(shù)都相同的情況下，γ0=20°時(shí)，含雜率最低，即剝?nèi)~效果最好；γ0=-20°，含雜率最高，即剝?nèi)~效果最差；γ0=0°時(shí)，含雜率在γ0=20°與γ0=-20°兩者含雜率之間，故剝?nèi)~效果排在兩者之間?？捎纱说贸觯簞?nèi)~效果與前角γ0大小有關(guān)。

試驗(yàn)中，剝?nèi)~前角γ0越大，剝?nèi)~效果越好，可通過以下分析來解釋。如圖4所示，A、B、C分別表示剝?nèi)~前角γ0=20°、γ0=0°和γ0=-20°的三個(gè)剝?nèi)~元件，這三個(gè)剝?nèi)~元件在剝?nèi)~過程中的打擊角分別為α1、α2和α3，由圖可知，這三個(gè)角的大小關(guān)系為α1＜α2＜α3。由式（3）可知：切向力（打擊力）在Y方向上的分量為：

在這里β=0，所以：

由式（6）可得：Fty與打擊角α成反比，即α越大，F(xiàn)ty越小。當(dāng)前角γ0=20°時(shí)，打擊角α1最小，切向力Fty最大；當(dāng)前角γ0=-20°時(shí)，打擊角α3最大，切向力最??；當(dāng)前角γ0=20°時(shí)，打擊角α2介于α1與α3之間，因而切向力Fty的大小也介于前面兩種情況的切向力之間。即由此可得出結(jié)論：在甘蔗剝?nèi)~過程中，甘蔗受到的打擊力越大，剝?nèi)~效果越好。試驗(yàn)從另一個(gè)角度說明：剝?nèi)~效果與打擊力密切相關(guān)。

但這并不意味著剝?nèi)~前角γ0越大越好，因?yàn)殡S著γ0增大，剝?nèi)~元件工作狀況就變得更加惡劣，從而降低它的使用壽命。同時(shí)，也會(huì)增加甘蔗表面的損傷。通過試驗(yàn)研究，正前角采用20°左右為宜。

圖4 前角對(duì)剝?nèi)~效果的影響

2.2 螺旋角剝?nèi)~方式

2.2.1 剝?nèi)~元件排列形式

螺旋角剝?nèi)~方式是指剝?nèi)~元件在剝?nèi)~輥筒上的安裝位置與剝?nèi)~輥筒的母線成一定角度，這里取螺旋角β=10°，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5所示。

圖5 螺旋角剝?nèi)~方式

2.2.2 試驗(yàn)

試驗(yàn)是在所研制的樣機(jī)上進(jìn)行。剝?nèi)~元件材料是高分子材料。剝?nèi)~前角γ0=20°，甘蔗品種為新臺(tái)糖1號(hào)。在剝?nèi)~輥筒和輸入輸出輥筒轉(zhuǎn)速都相同的情況下，測(cè)得上、下剝?nèi)~滾筒螺旋角β旋向相同以及相反進(jìn)行剝?nèi)~試驗(yàn)時(shí)的含雜率和甘蔗損傷情況。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 螺旋角不為零的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在剝?nèi)~輥筒轉(zhuǎn)速和喂入喂出輥筒轉(zhuǎn)速等參數(shù)都相同的情況下，上、下剝?nèi)~輥筒螺旋角β旋向相同的剝?nèi)~方式即γ0=20°、β=10°時(shí)含雜率為0.22%；γ0=20°、β=0°時(shí)含雜率為0.5%（表1），即前者含雜率比后者低了一倍多，可得出結(jié)論：一定大小的螺旋角能夠改善剝?nèi)~質(zhì)量。

一定大小的螺旋角能夠改善剝?nèi)~質(zhì)量，分析如下：按照甘蔗蔗葉的生長特性與變化規(guī)律，在甘蔗收獲季節(jié)，甘蔗尾部的葉鞘是緊緊包裹在莖稈上的。當(dāng)人工進(jìn)行剝?nèi)~時(shí)，工人是用手沿著蔗稈生長的反方向拉扯蔗葉的，此時(shí)葉片會(huì)連同葉鞘一起從莖稈上被剝離，但是沿著莖稈的生長方向拉扯葉片，葉片很容易被拉斷，葉鞘則殘留在蔗莖上。所以對(duì)于機(jī)械收獲甘蔗，如果剝?nèi)~元件打擊甘蔗時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向與蔗葉的生長方向大致一致，剝?nèi)~元件必須快速地接觸到甘蔗的各個(gè)部位，才有可能將蔗葉剝離蔗莖，對(duì)于剝?nèi)~元件未能打擊到的部分會(huì)留下蔗葉殘?jiān)M(jìn)而會(huì)增大含雜率，降低剝?nèi)~質(zhì)量。由于更密集地打擊和刮擦蔗莖，使剝?nèi)~元件以更高的頻率與蔗莖接觸，會(huì)降低剝?nèi)~元件的使用壽命，還可能傷害到蔗莖表皮或者將蔗稈折斷。當(dāng)剝?nèi)~元件的安裝具有一定螺旋時(shí)，剝?nèi)~元件打擊和刮擦蔗莖的力F可沿X、Y方向分成兩個(gè)力FX、FY，如圖6所示。FX是周向力，方向與甘蔗在剝?nèi)~機(jī)中的運(yùn)動(dòng)方向垂直，使蔗葉從周向被剝離。FY是縱向力，它一邊打擊和刮擦蔗莖，一邊幫助將剝?nèi)~后的甘蔗排出機(jī)外。

圖6 F在X、Y方向上的分量

（2）由數(shù)據(jù)可知，上、下剝?nèi)~輥筒螺旋角β旋向相同剝?nèi)~方式的剝?nèi)~效果比上、下剝?nèi)~輥筒螺旋角β旋向相反剝?nèi)~方式的剝?nèi)~效果好，可通過以下分析來解釋：根據(jù)甘蔗植株生長特性，蔗葉是以一定的旋向包裹在蔗莖上的，當(dāng)周向力FX跟蔗葉旋向相同時(shí)，蔗葉不容易被剝下。上、下剝?nèi)~輥筒的剝?nèi)~元件螺旋角旋向相反時(shí)，甘蔗在剝?nèi)~過程中所受的周向力如圖7（a）所示，即甘蔗的上、下表面受到同向周向力作用，這種情況可能會(huì)使周向力的方向跟蔗葉的旋向相同，導(dǎo)致周向力FX的剝?nèi)~效果不好，所以起剝?nèi)~作用只剩下縱向力FY，由于真正起剝?nèi)~作用的力減小了，所以剝?nèi)~質(zhì)量也就相對(duì)降低了。上下剝?nèi)~輥筒剝?nèi)~元件螺旋角旋向相同時(shí)，甘蔗剝?nèi)~過程中受到的周向力如圖7（b）所示，即甘蔗上下表面受到反向周向力作用，所以肯定有一個(gè)周向力FX跟蔗葉的旋向相反，進(jìn)而FX和FY都起到了剝?nèi)~作用，故剝?nèi)~質(zhì)量就相對(duì)提高了。

一定大小的螺旋角能夠改善剝?nèi)~質(zhì)量，但并不意味著螺旋角越大剝?nèi)~效果越好，因?yàn)楫?dāng)有螺旋角存在時(shí)，甘蔗會(huì)左右竄動(dòng)，影響甘蔗剝?nèi)~時(shí)的穩(wěn)定性，經(jīng)過試驗(yàn)研究，螺旋角β取10°左右為宜。

圖7 上、下滾筒剝?nèi)~元件螺旋角旋向相反以及相同時(shí)示意圖

2.3 順剝和逆剝方式

2.3.1 順剝方式

順剝是指剝?nèi)~滾筒上面的剝?nèi)~元件打擊蔗葉時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向與蔗葉的自然生長方向相同，如圖8（a）所示。

2.3.2 逆剝方式

逆剝是指剝?nèi)~輥筒上面的剝?nèi)~元件打擊蔗葉時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向與蔗葉的自然生長方向相反[11]，如圖8（b）所示。

圖8 順剝和逆剝方式

2.3.3 試驗(yàn)

試驗(yàn)是在所研制的樣機(jī)上進(jìn)行。剝?nèi)~元件的材料是高分子材料。剝?nèi)~前角γ0=0°，螺旋角β=0°。甘蔗品種為新臺(tái)糖1號(hào)。試驗(yàn)時(shí)，每次喂入單根甘蔗。測(cè)得以順剝和逆剝進(jìn)行剝?nèi)~試驗(yàn)時(shí)的含雜率和甘蔗損傷情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 順剝和逆剝方式的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，逆剝方式比順剝方式的剝?nèi)~效果好。人工進(jìn)行剝?nèi)~時(shí)，是用手沿著甘蔗生長的逆方向拉扯蔗葉的，此時(shí)葉片會(huì)連同葉鞘一起從莖稈上被剝離。

逆剝方式就是模擬人工剝?nèi)~方式，人工剝?nèi)~的試驗(yàn)證明，如果逆著蔗葉自然生長方向給蔗葉一個(gè)力，只要蔗葉被推到與蔗莖成90°左右的角度，蔗葉就自然脫落下來。原因分析：沿著蔗莖生長方向拉扯蔗葉，需要克服葉鞘與鞘基的連接力和葉鞘與蔗莖之間摩擦力，由于在甘蔗收獲時(shí)期，葉鞘是緊緊包裹在蔗莖上，所以葉鞘與蔗莖之間摩擦力會(huì)很大，這兩個(gè)力加起來顯然遠(yuǎn)大于甘蔗葉片所能承受的拉力，因此蔗葉沒有被清除，葉片反而被拉斷，而沿著蔗莖生長的反方向拉扯葉片時(shí)，要使蔗葉剝離蔗莖，拉力需要克服葉鞘與鞘基的連接力和葉鞘與蔗莖之間的包裹力，但不是一次性克服兩個(gè)力，也不是一次性克服整片葉鞘的包裹力，而是只克服垂直于蔗莖的一小部分葉鞘的包裹力，因此，在拉力的連續(xù)作用下，葉鞘逐步脫離蔗莖，葉鞘被剝離后，拉力再克服葉鞘與鞘基的連接力，顯然，這種剝?nèi)~方式需要的拉力小于葉片所能承受的拉力，所以能剝?nèi)~且葉片沒被拉斷。

逆剝時(shí)，剝?nèi)~滾筒上面的剝?nèi)~元件打擊蔗葉時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向與蔗葉的自然生長方向相反，所以容易將蔗葉剝下來。順剝時(shí)，剝?nèi)~輥筒上面的剝?nèi)~元件打擊蔗葉時(shí)的運(yùn)動(dòng)方向與蔗葉的自然生長方向相同，剝?nèi)~輥筒上的剝?nèi)~元件必須打擊和刮擦到蔗稈的各個(gè)部位才有可能將蔗葉剝離干凈，對(duì)于剝?nèi)~元件未能打擊到的部分會(huì)留下蔗葉殘?jiān)?，進(jìn)而會(huì)增大含雜率，降低剝?nèi)~質(zhì)量。順剝時(shí)，還會(huì)使蔗葉被壓在蔗稈上，因而增大了蔗稈與蔗葉之間的摩擦力，剝?nèi)~更加困難。

3 結(jié)論

甘蔗收獲機(jī)械剝?nèi)~機(jī)理的試驗(yàn)研究說明：

（1）當(dāng)剝?nèi)~元件在剝?nèi)~輥筒上的安裝具有一定正前角γ0時(shí)，其剝?nèi)~效果要比前角為零或?yàn)樨?fù)角時(shí)的要好。當(dāng)然并非γ0越大越好，因?yàn)殡S著γ0增大，剝?nèi)~元件工作狀況就變得更加惡劣，從而降低它的壽命。同時(shí)，也增加甘蔗表面的損傷。建議采用20°左右的正前角。

（2）在其它條件相同情況下，當(dāng)剝?nèi)~元件在剝?nèi)~輥筒上具有一定螺旋角β時(shí)，剝?nèi)~效果比螺旋角為零時(shí)的要好。同時(shí)也應(yīng)注意到，只有當(dāng)上、下剝?nèi)~滾筒上剝?nèi)~元件的螺旋角旋向相同時(shí)，這種好的剝?nèi)~效果才能體現(xiàn)出來。在甘蔗剝?nèi)~過程中，若有螺旋角的存在，可能會(huì)使甘蔗左右竄動(dòng)，降低甘蔗剝?nèi)~時(shí)的穩(wěn)定性，所以β角不適太大，建議取β=10°左右。

（3）逆剝方式比順剝方式的剝?nèi)~效果要好，所以在甘蔗剝?nèi)~過程中應(yīng)采用逆剝方式進(jìn)行剝?nèi)~。