甘蔗剥叶机械的研究与应用

甘蔗剥叶机械的研究与应用

1生产的机械化程度中国是世界上重要的甘蔗生产国。同时，甘蔗不仅是中国南方的重要作物，也是中国糖业的主要原料。种植区主要分布在广西、广东、海南、云南、福建等省区。目前,我国甘蔗生产机械化程度比较低,除耕地整地外,种植、收获等主要生产环节均依赖于人力、畜力。而收获是甘蔗生产中耗时最长、最为艰苦的作业环节,约占甘蔗生产总作业量的55%。据有关文献报道,人工收获各环节劳动时间比分别为:收割17.2%、剥叶59.1%、清理打捆10.9%、装运12.8%。由此可见,甘蔗收获中又数剥叶所占劳动时间最长。人工剥叶不仅劳动强度大,生产成本高,且作业效率低,每人每小时仅为60～80根。因此我国甘蔗剥叶向机械化发展是必然趋势,也是甘蔗收获机械化的关键所在。2切段式收获作业甘蔗收获时若不对蔗叶进行清除,榨糖时蔗叶便会粘附较多糖汁而使产糖量显著减少。目前蔗叶清除方法有两种,一种是人工或机械剥叶法,一种是焚烧法。其中焚烧法只适于切段式甘蔗收获机。发达的制糖大国机械化程度高,收获前先用火焚烧蔗叶,然后再用切段式甘蔗收获机把甘蔗砍切成段。这种作业方式生产率高,但烧去蔗叶后的甘蔗需立即收获,并且收获后的成段甘蔗还需在24小时内完成运输和加工,否则易变质。我国蔗区主要为丘陵、坡地,蔗田地块小,不规则。加之我国糖厂运输和管理水平较低,工艺、设备落后,80%的甘蔗从田间收获到榨糖需4～5天,采用蔗叶焚烧法的切段式收获不适合于我国。较适合我国的是整杆式收获,可采用人工或机械去叶。整杆式收获又分为整杆联合式和整杆分段式。联合式即整杆收割和剥叶一起连续完成;分段式为先整杆收割,然后把砍下的整杆甘蔗集中,再用剥叶机剥叶。联合式的剥叶部分只是收获机械的一个主要部件,而分段式的剥叶机是一台独立的机器。因我国整杆联合式收割机与剥叶机技术均不成熟,故目前甘蔗剥叶基本上都还是人工作业。我国只有20%～30%的土地属连片种植,适于联合式收获,因此分段式收获仍然是必需的。研制适于我国的甘蔗剥叶机械并推广应用于生产中已成当务之急。3国内外甘蔗叶片机械的背景技术和开发3.1日本甘蔗剥叶机甘蔗剥叶机械在国外的研究应用比国内要早很多。自1950年开始,因整杆式收获成为当时的主要收割方式,剥叶机械技术自那时起便有了较快的发展;但20世纪80～90年代起,澳大利亚、美国、巴西、古巴等产糖大国,甘蔗收获普遍采用高效的大型切段式收获,并且这一技术已成为现代甘蔗收获技术的主流。其不需设置剥叶元件,收获前先用火焚烧蔗叶,再在收获中靠收割机大功率的吹风系统去除剩余蔗叶。但亚洲国家普遍地块小、地形复杂,切断式甘蔗收获技术并不适于亚洲的甘蔗生产,采用切段式收获常造成效率低下,以致机械收获成本高于人工。日本自20世纪70年代起开始研制甘蔗剥叶机,是较早研制剥叶机的国家之一。日本60%的蔗区地块小,不连片,其根据实际情况大力发展整杆式分段收获,并且主要使用小型机械化收获系统,由小型收割机、小型剥叶机和搬运装置组成。其中川村登等人于1975年就连续报道了钢丝绳式剥叶机的研究成果。其代表机型是日本京都大学和鹿儿岛大学研制的钢丝绳式甘蔗剥叶机,滚筒转速为800r/min,通过旋转的钢丝绳打击蔗茎去除蔗叶。20世纪90年代,印度旁遮普农业大学研制的甘蔗剥叶机采用滚筒抓取式进行剥叶。与此同时,泰国根据其地块小与地形复杂的特点也研制了小型收获系统,不过最突出的问题就是剥叶等收获后续处理没有得到较好的解决。目前,日本剥叶机有配套手扶拖拉机式和手推式两种形式,并且着重于剥叶元件材料的研究,剥叶机的含杂率为1%左右,剥叶元件寿命为处理甘蔗55t。剥叶机有久保田公司生产的BMC-250型剥叶机等。该类机型在日本经过近30年的改进与发展,技术上已较成熟。但总的来说,其在世界主要产糖国的应用范围还不广泛。3.2国内甘蔗剥叶机的研制与推广我国甘蔗剥叶机有动力自走式和手推车式两种。前者以手扶拖拉机为配套动力,后者以柴油机、汽油机为配套动力。但工作原理基本上都是采用离心式滚筒剥叶。当滚筒高速旋转时,滚筒上的剥叶元件因受离心力作用而向外甩开,对甘蔗进行打击、推挤、摩擦而使蔗叶脱离。我国自20世纪60年代起研制甘蔗剥叶机,1961年广东研制出首台剥叶机,配套动力为2.2～3.3kW的汽油机,主要由传动系统、滚筒、排列于滚筒上的胶指、出入口装置以及机架组成,生产率约2.5t/小时。20世纪70年代后,研制的重点是以手扶拖拉机为配套动力的甘蔗剥叶机。代表机型有湛农-4型,配套动力为工农-10型手扶拖拉机。其主要由前喂入台、方向盘、后喂入辊、后输出集蔗台、剥叶滚筒、尾轮、前喂入辊等组成,生产率约2t/小时。此外,剥叶机的主要代表机型还有广西大学研制的4ZB-6A型,广西农机研究院研制的4ZB-12型,南宁手扶拖拉机厂研制的6BZ-5单工位、6BZ-9双工位甘蔗剥叶机,广西农机推广总站和来宾市农机推广站研制的6BZ-1型等。重庆科技学院也设计研制了一种小型整杆刀片式甘蔗剥叶机,主要由工作台、甘蔗过孔、甘蔗喂入输送装置、剥叶装置、滑槽、动力、传动装置和刀架座组成。甘蔗喂入输送装置及剥叶装置安装在工作台上,动力通过传动装置连接甘蔗喂入输送装置。在科研方面,1998年华南农业大学与广前糖业公司合作,购置了澳大利亚专为发展中国家研制的整杆式甘蔗收获机和日本生产的小型甘蔗剥叶机,在甘蔗收割、剥叶方面进行了研究。另外,华南农业大学1999年1月至2002年12月承担了引进国际先进农业科学技术项目“小型甘蔗收获和剥叶机具及技术”,对引进的样机进行了消化吸收,并结合我国的实际情况进行了改进。2002年1月至2003年12月,承担了广东省科技计划项目“小型甘蔗收割剥叶机具研究”,试制了2台样机并进行了田间试验。虽然近几年华南农业大学、广西大学、广西农业机械研究院、湛江农垦等单位均进行了大量的相关研究,并取得了一定的进展,但甘蔗剥叶机在我国并未得到较好的推广应用。近年,在我国主要蔗区使用过的剥叶机还有澳大利亚机型,但因其造价高、日常维护复杂,蔗农难以接受。4含杂率偏高和剥叶元件寿命短我国技术成熟、适合生产实际的剥叶机械当前基本上还没有。有些是因体积大、质量大、不能适合野外作业;有些是因为整机适应性差无法应用,因我国蔗区在甘蔗收获季节常阴雨连绵,蔗叶经雨淋后韧性增加,不容易去除,并且蔗叶还常缠绕于滚筒上,致使剥叶机无法正常作业;有些是因含杂率偏高、剥叶元件寿命短、甘蔗损伤率高等原因而未推广,含杂率偏高和剥叶元件寿命短是当前的两大难题。机械剥叶的含杂率与人工相比普遍偏高,而我国糖厂对甘蔗含杂率有较严格的要求,一般要求在5%以下,含杂率高会降低蔗糖的产量和品质。甘蔗剥叶机的核心部件为剥叶元件,剥叶元件常用钢丝绳、钢刷、胶指、尼龙和环链等材料制作。其中钢丝绳和钢刷不易装夹,而且容易疲劳断裂,并对蔗茎有损伤;环链耐用度虽较好,但蔗茎损伤率高。故目前基本上是采用胶指和尼龙丝作剥叶元件,但这两种材料均使用寿命短。另外,甘蔗剥叶机主要是由输送装置、剥叶装置、动力装置等组成。有的甘蔗输送装置采用传动滚筒形式,由于上下滚筒的相对距离是固定设置的,难以自动适应不同粗细的甘蔗,其剥叶装置一般只对应设置一个,剥叶不干净,效率低。有的剥叶装置采用螺旋式结构,易损伤甘蔗表皮,而且剥叶装置和甘蔗喂入输送装置的相对位置固定不变,难以适应不同弯曲度的甘蔗。5提高剥叶效率一台性能良好的甘蔗剥叶机,除能适应全天候作业和各类甘蔗外,还应在保证较好的工作质量,即不超过一定的糖分损失量、含杂率及甘蔗损伤率的前提下,具备较好的剥叶效率,同时具备一定的使用寿命。基于这一原则,我国发展甘蔗剥叶机械应着重解决以下几个问题。5.1甘蔗含杂率高我国已有的剥叶机往往在雨后作业质量差且效率低,甚至不能正常作业。另外,主要蔗区均为热带台风地带,甘蔗多倒伏、弯曲,对于较弯曲的甘蔗,已有剥叶机作业性能不稳定,含杂率高。因此在以后的研究中,应着重提高剥叶机的整机适应性,以满足全天候作业及各类型甘蔗剥叶的生产需求。5.2影响剥叶元件寿命及剥叶质量的因素剥叶元件是剥叶机的核心,剥叶元件易磨损,使用寿命低,针对这一难题,世界各国都展开了关于剥叶元件的材料与装夹形式等方面的研究,但至今并未有实质性进展。有关文献资料表明,影响剥叶元件寿命及剥叶质量的因素主要有:剥叶元件对蔗茎的打击力、摩擦力、打击次数;剥叶滚筒的数量、转速;剥叶元件在滚筒上的装夹与排列方式;剥叶元件的材料、几何结构参数和热处理技术等。一般滚筒转速提高,打击次数愈多,打击力度愈大,剥叶越干净,含杂率降低。但消耗功率大,剥叶元件寿命缩短,甘蔗损伤率提高。因此,着重研究在滚筒数量和转速不变的情况下增加打击力和摩擦力的方法,对降低动力消耗、减少作业成本、提高剥叶元件使用寿命、降低含杂率具有重要的意义。5.3甘蔗剥叶机的计算机模拟研究应进一步加强基础与应用基础研究,即对甘蔗剥叶运动机理和剥叶元件的材料性能进行深入系统地研究。并将新技术应用到甘蔗剥叶机械的研发中。通过计算机图像处理技术,拍摄和记录剥叶元件在剥叶过程中的形状及空间位置的变化,分析剥叶过程,得到最佳剥叶机构、最佳剥叶元件排列方式等。为研制适合我国蔗区生产条件且性能良好、高效的甘蔗剥叶机提供理论依据。要利用计算机仿真技术对剥叶机的设计开发进行研究,以降低研制成本,提高设计