甘蔗剥叶机械的研究现状

甘蔗剥叶机械的研究现状

甘蔗是我国最重要的栽培植物之一。种植过程通常包括：土壤收获、叶片分离、运输。甘蔗收获作业劳动强度大,占整个甘蔗种植过程作业量的55%,而甘蔗剥叶所需要的时间为整个收获作业时间的65%左右。甘蔗剥叶机械化作业能降低生产成本,提高作业效率,但也存在一些问题,如当甘蔗收获时节下雨导致甘蔗拥有一定湿度时,无法正常剥叶,收获的甘蔗含杂率超过5%,剥叶元件容易磨损等。因此对甘蔗剥叶机械存在的问题进行分析具有重要意义。1甘蔗叶片机械的研究和开发1.1高效节能型甘蔗收获技术在日本方法中的应用国外甘蔗剥叶机械研究起步要比国内的早,在19世纪80年代就已开始研制。在20世纪60年代美国、澳大利亚等发达国家,已实行全部的机械化收获。收获时主要使用的是大型切断式联合收割机,其蔗叶先通过焚烧,再靠大功率的吹风系统吹除。此类收获机械收获的甘蔗含杂率较高,在7%～15%之间。根据亚洲种植规模小并且地势复杂等情况,可以判定主流的切断式甘蔗收获技术不适合在国内应用,其收获成本也高,收获质量达不到糖厂的要求。20世纪70年代日本开始研制甘蔗剥叶机,根据日本60%的蔗地小且不连片的实际情况发展了分段收获机械,其代表机型为日本京都大学和鹿儿岛大学研制的钢丝绳式甘蔗剥叶机。该机转速为800r/min,钢丝初接触甘蔗时受力较小,脱离时受力较大,钢丝顶部受力,由装夹根部承受,利用旋转钢丝绳打击冲刷蔗茎用以去除蔗叶,其收获的甘蔗含杂率为2%～4%。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。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,剥叶的含杂率为1%左右,剥叶元件寿命为处理甘蔗55t。其典型机型是BMC-250型剥叶机,经过近30年的改进与发展,技术已较成熟,但总的来说,其应用范围还不广泛。1.2w甘蔗剥叶机我国甘蔗产区主要是在两广、福建、云南、海南等地。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,主要结构为5个部分,即传动系统、滚筒、滚筒上排列的剥叶手指、出入口装置和机架,利用冲击和摩擦使蔗叶和叶鞘脱落,配套动力为2.2～3.3kW的汽油机,生产率为2.5t/台·h。该机型经过改进,成为现在典型的机器机构,为广西农机研究所研制的4ZB-12型甘蔗剥叶机(图1)。20世纪70年代,广东、广西研制的工农-12型剥叶机和5ZB-10型剥叶机,都是采用橡胶剥叶元件,样机都经过生产性试验,但因橡胶元件容易磨损,寿命短,因而没有大范围推广应用。1998～1999年,广西农机所和广西大学研制了两种采用尼龙丝剥叶元件的甘蔗剥叶机,经过鉴定,主要指标达到了日本同类机产品的相同水平,但由于其生产含杂率过高,得不到我国制糖企业的认可,故无法推广应用。我国主要蔗区大多引进澳大利亚和日本的甘蔗剥叶机,因其价格高,日常维护复杂麻烦,故蔗农难以承受。同时受我国甘蔗种植地形和阶段性经济规模的限制的影响,难以在全国推广。2国内甘蔗剥叶机研究现状近几年华南农业大学、广西大学、广西农机机械研究所和湛江农机机械研究所等有关高等院校和单位进行了大量的研究,甘蔗剥叶机也取得了良好的进展,但甘蔗剥叶机并没有在我国得到推广应用。这是由于地势特点和种植方式的制约、环境气候的不利影响、剥叶元件寿命较低和含杂率过高等问题成为我国甘蔗剥叶机械顺利应用推广的主要瓶颈。2.1甘蔗剥叶机应符合我国蔗区地形特征我国主要蔗区大多在丘陵地区,有着蔗田不成片,甘蔗种植不规则,田间管理不够科学,甘蔗长势参差不齐等问题。另外,我国农村甘蔗种植在山区的较多,蔗地海拔高差大,运输道路坡度大,对甘蔗剥叶机械作业和运输都非常不利。因此,研制适用于我国蔗区地形特点的甘蔗剥叶机应满足以下几点要求:(1)体积小、转弯半径小,适用于小片蔗地工作;(2)能方便地转移到海拔高度差不同的甘蔗地工作;(3)在坡地作业时,应具备足够的平衡能力和附着力。2.2甘蔗剥叶机械化的发展方向我国甘蔗产地大多分布在热带、亚洲带季风气候影响区,甘蔗倒伏率高达30%～40%。增加了甘蔗收获剥叶的复杂性和随机性。在我国,大量的倒伏弯蔗还需要人工切割和剥叶,在一定程度上制约了甘蔗收获剥叶全面机械化。同时,我国甘蔗收获季节常处于多阴雨连绵天气,蔗叶在淋雨后韧性增加,不但剥叶困难,而且容易造成蔗叶缠绕滚筒,使剥叶无法顺利进行。因此,研制对倒伏弯蔗适应性强的剥叶机对甘蔗剥叶机械化的发展则更具意义。因此,以现有剥叶机为试验平台,对影响弯蔗剥叶质量的因素进行试验研究和优化分析,以改善甘蔗剥叶机对倒伏甘蔗的适应性、提高现有剥叶机的综合剥叶性能是今后的研究的方向。2.3合收获剥叶机国内研究者经过几十年的努力研制各种既能满足我国制糖企业的要求,又能适用于我国丘陵地区各种地形的甘蔗收获作业的机械。但是因为各种原因很难做到两全其美。研制的整杆式的甘蔗联合收获剥叶机,其主要问题是机型体量大,田间转弯不方便;同时,机型的结构复杂化,导致机型造价昂贵,蔗农难以接受;独立式的整杆甘蔗剥叶机械结构相对简单,却多了拖拉机装卸和连接动力等作业,操作麻烦,同时甘蔗的收获切割和剥叶作业分开操作需增加甘蔗堆积和转移工序,会使劳动强度大大增加,反而降低作业效率。此外,由于我国甘蔗地地面不平整,甘蔗剥叶机械在工作作业的时候,机架会产生振动,对设备结构不利,对剥叶性能影响较大。常常导致甘蔗而剥叶效果差,折断率高,糖厂难以接受,故无法应用于生产。2.3.1剥叶元件的材质和工作速度剥叶元件装置是剥叶机的核心,剥叶滚筒转速越大,打击力度就越大,剥叶越干净。但同时随着打击力度的增大,甘蔗受到横向冲击力导致折损,剥叶元件也容易损坏,影响剥叶质量的因素很多,如材料、工作速度、元件形状对剥叶元件性能影响显著。(1)剥叶元件的材料。常用的剥叶元件有钢丝绳、胶指两种。单条钢丝组合的剥叶元件在高速摩擦下容易断裂,通常使用的是几条直径为1mm的钢丝集结成束,这样可以增加其使用寿命。胶指式剥叶元件由橡胶制成,常用的有菱形和矩形胶指,胶指以一定间距排列,靠滚筒高速旋转时产生的离心力抛开,从而将蔗叶剥离。大量研究表明,钢丝绳剥叶元件由于弹性、韧性比较差,打击甘蔗时,容易造成甘蔗折损,且钢丝应力增大从而断裂损坏。胶质材料做成的剥叶元件因材质比较柔软,打击甘蔗产生的折损率较低,但是元件更加容易磨损,此两种材料在剥叶效果和使用寿命上均存在不足。研究表明,剥叶元件在工作时根部容易产生断裂,而高分子因具有材质轻,拥有较好的强度、韧性、耐磨性等特点,在相同的环境下,比钢丝绳剥叶元件使用寿命要高出40%,比胶质材料的剥叶元件多出30%,所以高分子材料应用应作为今后主要研究方向。(3)剥叶机工作速度对剥叶元件的影响。剥叶机工作速度提高后,剥叶元件打击甘蔗的次数增加,打击力度增大,更加方便蔗叶脱离蔗体,甘蔗含杂率有所降低,所以剥叶机工作速度对剥叶效率有影响。但是由于剥叶元件材质问题,继续增大速度的话,会导致蔗体损伤,剥叶元件寿命也会减短。所以,剥叶机工作速度对剥叶元件的寿命有直接影响,有研究表明,剥叶机工作速度为1000r/min是比较合适的。(4)剥叶元件的形状。剥叶时,剥叶元件一边固定,一边自由,自由端弯曲受力工作,所以要求剥叶元件柔性和刚性都要具备。柔性太大,打击力不够,剥叶不够干净,含杂率高;刚性太大,则剥叶元件容易受损。为了保证柔性与刚性,采用多层剥叶元件装夹的方法,如图2a所示,后排的剥叶元件支撑前面的剥叶元件,在最外层加层弹性板使受力更加分散,提高了剥叶元件的承受能力和使用寿命。又考虑到剥叶元件装夹、拆卸的方便,应设计为片段形式,如图2b所示。2.3.2机械的工作过程含杂率为残余蔗叶质量与剥叶后甘蔗质量比值的百分数,含杂率越高,机械性能越差,将带叶的甘蔗进行榨糖时,蔗叶会粘住糖分,会使产糖量明显减少。机械的工作参数直接影响含杂率的大小,如输入辊距离,剥叶滚筒转速等。在相同的因素条件下,研究尼龙剥叶刷剥叶元件比菱形剥叶胶脂剥叶元件的剥叶含杂率低,剥叶效果好。(1)输出辊距离和输送辊转速对剥叶含杂率的影响经菱形剥叶胶指模拟结果分析得知,剥叶含杂率随输入辊距离增大而增加。输出辊的距离、剥叶滚筒和输送辊的转速都对剥叶含杂率有着较大的影响。输出辊距离与剥叶含杂率成抛物线关系,刚开始随着输出辊距离增大而含杂率减小,含杂率到达最低值后随着输出辊的距离继续增大而增大。输送辊的转速与剥叶含杂率也呈抛物线关系,刚开始随着输送辊转速变大而含杂率也变大,到达最大值后,随着输送辊转速变大而降低。而剥叶滚筒随着转速的增大,含杂率减小。(2)输送辊转速对含杂率的影响在输入辊距离与剥叶滚筒转速的共同作用下,剥叶滚筒的转速对含杂率变化起主要作用,当剥叶滚筒转速变大时,含杂率减小。当输出辊距离和输送辊转速都增大时,含杂率先增大,再减小。其中,输送辊转速变化对含杂率影响较明显。由菱形剥叶胶指的试验结果可知,输送辊转速和剥叶滚筒转速、输入辊距离与剥叶滚筒转速、输出辊距离和输送辊转速、输出辊距离和剥叶滚筒转速的交互作用对含杂率影响较为明显。目前国内影响甘蔗剥叶质量的研究主要通过数理统计分析、数学建模和计算机优化的方法,探讨影响因素与剥叶率之间的关系。针对2种常见的剥叶元件,菱形剥叶胶指和尼龙剥叶刷剥叶元件用MathCAD2001进行了优化分析,得出了较优组合,其结果见表1。由表1可知,2种剥叶元件的含杂率分别为0.42%和0.182%。2.3.3直蔗与弯蔗的断裂断裂试验甘蔗剥叶机收获时的折断率会影响甘蔗的变质速率,折断率高会导致糖分损失较快。因此,折断率是衡量甘蔗剥叶机剥叶性能一项重要指标。剥叶元件交错深度、剥叶辊转速等工作参数直接影响折断率大小,而且在相同因数下,弯蔗的折断率要高于直蔗。以弯蔗为例,弯蔗折断率与元件交错深度呈抛物线,随着交错深度的增大,甘蔗折断率先减小后增大,减小和增大的幅度较大。弯蔗折断率随着剥叶辊转速的增大,先增大后减小,增大减小较快。输入辊距离与弯蔗折断率呈单调线性关系;随着距离增大,弯蔗折断率减小,且减小的幅度较大。最后,随着输送辊转速增大,弯蔗折断率先减小后增加,但是变化较小。3影响含杂率的因素(1)剥叶元件是制约剥叶机械发展的主要问题,目前多采用胶指和尼龙丝作剥叶元件。但这2种材料的使用寿命较短,影响了剥叶机的推广使用。因此,应着重研究生产成本低、整机质量轻、剥叶效率高,使之适应复杂地形和国情的小型甘蔗剥