整秆式甘蔗收获机蔗叶分离机构设计与试验

麻芳兰，蔡　力，杨代云，叶才福，赵　静，钟家勤，李　政

(广西大学 机械工程学院，南宁　530004)



整秆式甘蔗收获机蔗叶分离机构设计与试验

麻芳兰，蔡力，杨代云，叶才福，赵静，钟家勤，李政

(广西大学 机械工程学院，南宁530004)

摘要：为了进一步降低整秆式甘蔗收获机的含杂率，满足糖厂对机械化收割甘蔗的含杂率要求，结合甘蔗在蔗叶分离过程中的受力分析，对甘蔗起主要支撑作用的剥叶辊、输出辊及除杂辊进行布局安装，避开了蔗叶分布范围，以利于实现较高的除杂率。通过在试验平台上进行的正交试验研究，得出了该蔗叶分离机构的较优参数组合：刷片形状为20mm梳齿型，除杂辊与甘蔗交错深度0mm，除杂辊转速140 r/min。试验结果表明：此蔗叶分离机构具有较好的蔗叶分离效果，从而验证了蔗叶分离机构的可行性。

关键词：整秆式甘蔗收获机；除杂；蔗叶分离；正交试验

0引言

广西是我国最大的蔗糖主产区，蔗糖业已经成为了广西的支柱产业。据统计，自2002年起，广西年产原料蔗已达3 840万t，产糖203万t，跃居全国首位；甘蔗种植面积已占到我国糖料总面积的65%左右，甘蔗糖的总产量占我国糖总产量的60%以上[1-3]。

由于受到广西丘陵地貌的限制，加之机械装备和用户种植与农艺没有很好地相结合、糖厂制糖工艺等的影响，国内在很长的一段时间内将还是以整秆式收获机为主[4]。然而，整秆式甘蔗收获机无法达到良好的除杂效果，收获后的甘蔗中夹杂物较多，含杂率高达7%～10%[5-6]。国内的一些糖厂对机械化收获的甘蔗含杂率有一定的要求，夹杂物含量一般不能超过5%，对人工砍蔗的原料蔗含杂率一般不能超过1%[5]。糖厂为了获得优质的蔗糖，会对原料蔗进行前期处理，这些不含糖分的夹杂物会在制糖过程中吸收蔗糖而被排出，造成蔗糖损失。国外榨糖技术及设备相对来说比较先进，对于甘蔗的含杂率要求不是很苛刻，基本都是采用大型的吹风系统来实现蔗叶分离和除杂[7-8]。国内的蔗叶分离机构大多采用在剥叶机构与输出机构之间增加了由两个分叶轮组成的分叶机构，分叶轮的线速度与剥叶轮转向相反，在蔗叶被剥叶刷打掉以后使得蔗叶还田而蔗秆输送出去[9]，得出含杂率是3.1%，有着较好的蔗叶分离效果。这些研究为整秆式甘蔗收获机的蔗叶分离机构设计提供了依据。

现有的蔗叶分离技术大多采用的是让剥掉的蔗叶通过输送通道下方的开口落下(即采用增加多级输送)的方式实现；然而由于甘蔗收获机车身长度有限，不能够完全解决此问题，通道内出来的甘蔗经剥叶、断尾后蔗茎和蔗叶虽然已分离，但有时还会附着在一起，下雨天时这种现象更加明显[10]。

基于上述原因，本文结合甘蔗的自身材料特性及其在蔗叶分离过程中的受力分析，增加反向旋转除杂辊，优化了设计物流系统，节省物流通道长度，使得缠绕在甘蔗上的蔗叶在反向旋转的除杂辊作用下与甘蔗分离。同时，通过试验平台进行正交试验，以验证蔗叶分离机构的可行性，并为后续的蔗叶分离机构的研发提供数据上的准备。

1蔗叶分离机构的设计与分析

通过对蔗叶分离分布的试验研究可知：由于甘蔗收获机物流通道较短，蔗叶没有足够的空间和时间掉落，蔗叶就会与甘蔗秆一起抛出，且蔗叶随着甘蔗秆一起输出时，会分布在一定的区域。研究表明：从物流通道抛出的甘蔗质心位置在261mm范围内上下波动，蔗叶质心分布在291mm范围内波动，蔗叶主要堆积在离最后一级物流通道后方的700mm的范围内[11]。为了使这部分甘蔗叶落在物流通道的下方，达到蔗叶还田的目的，需要适当地增加物流通道的长度。前期研究表明：在考虑加长输送通道的同时，考虑增加1对反向旋转的除杂辊和输出辊，使得缠绕在甘蔗上的蔗叶在反向旋转的除杂辊作用下与甘蔗秆分离，从通道下方落下。因此，本文提出了蔗叶分离机构的设计方案，旨在进一步降低含杂率。

1.1蔗叶分离机构的设计

前期的试验及现场收割的情况表明，为了获得理想的蔗叶分离效果，在蔗叶分离机构的设计中应该考虑以下3方面的因素：①摩擦力。在甘蔗输送过程中，蔗叶分离机构应具备对甘蔗的反方向作用力，并具有一定的摩擦力，才能清除杂叶。②支撑作用。蔗叶分离机构对甘蔗应有一定的支撑作用，以确保获得足够的摩擦力。③甘蔗通过性。为确保甘蔗具有较好的通过性，除杂刷片的形状尺寸应确保既能够与甘蔗接触，利于剥落蔗叶，同时也有利于甘蔗的通过。

为了满足蔗叶分离的功能要求，蔗叶分离机构的设计与安装采用了如图1所示的方式。各个功能部件对甘蔗均有一定的支撑作用，因此形成了一种多点支撑的形式。为了确保蔗叶分离机构的布局能够避开蔗叶分布范围，除杂辊和输送辊之间的间距为420mm，原有的物流通道只到第2级输出辊；而现在设计的蔗叶分离装置中的物流通道增加了除杂辊和第4级输出辊，因此整个物流通道相当于加长了840mm，刚好避开了蔗叶分布范围。

甘蔗的受力情况如图2所示。甘蔗在蔗叶分离机构中主要受到的作用力是除杂辊对甘蔗沿甘蔗运动方向的轴向作用力Fx、垂直于甘蔗运动方向的作用力Fy及摩擦力f2。甘蔗经过第2级输出滚输送到除杂辊，除杂辊的除杂刷片作用于甘蔗表面，使得甘蔗受到垂直于于甘蔗运动方向的作用力Fy，在摩擦力f2作用下，除杂刷片将甘蔗叶与甘蔗茎秆分离。随着甘蔗往后面继续输送，甘蔗将会受到滚筒对甘蔗沿甘蔗运动方向的轴向作用力Fx。随后被第4级输送辊夹住，此时甘蔗将受到向后输送的动摩擦力f1，则整个运动过程中甘蔗受到的总作用力为F=f1-f2-fx。

图2　甘蔗除杂过程中的受力分析图

从整个受力分析过程中可以看出：由于除杂辊的运动方向与甘蔗输送方向相反，相当于给蔗叶施加了一个反向力；当甘蔗输送至除杂辊时，通过除杂刷片将蔗叶刷下，促使蔗叶在摩擦力的作用下脱离甘蔗秆茎，蔗叶从输送通道下方排出，最后甘蔗经过第4级输出辊输出，从而实现蔗叶分离。因此，除杂刷片与甘蔗直接作用的摩擦力大小将直接影响除杂效果，设计时需要考虑除杂刷片的材料及结构等。

1.2影响蔗叶分离效果的因素分析

1.2.1除杂辊转速

前期研究表明，除杂辊转速对有效降低含杂率有一定的影响[11]：在输送辊转速一定的情况，除杂辊的转速与作用间隔成反比，转速越高，除杂刷对甘蔗的作用间隔越小，作用越密集；除杂元件对于甘蔗的作用力与除杂辊的转速成正比，在其他参数一定的情况下，转速越高，对于甘蔗的作用力越大，越有利于剥落缠绕蔗叶功能的实施。但是，转速越高，对甘蔗作用力越大，将会对甘蔗顺利输出造成一定影响，容易出现比较严重的堵塞情况。因此，要选择合适的转速，才更有利于实现蔗叶分离。

1.2.2交错深度

由甘蔗在除杂过程中的受力分析可以看出：在条件一定的情况下，除杂刷片与甘蔗的接触面积大，则除杂效果好。也就是说，除杂辊对甘蔗作用力与交错作用深度越大越有利于蔗叶的分离。在作用深度比较大的情况下，会导致除杂刷片对甘蔗的夹持作用过大；同时由于除杂辊为反向旋转，除杂辊与甘蔗的交错作用深度越大，甘蔗输出空间越小，比较容易出现甘蔗被夹持卡死的现象，从而引起整个物流堵塞，影响甘蔗的输出。所以，选取合理的交错作用深度对于有效实现蔗叶分离具有重要的作用。

1.2.3除杂刷片形状

在实际工作时，主要依靠除杂刷片的反向旋转，即除杂刷片表面与甘蔗的摩擦作用来对缠绕的蔗叶进行剥落，达到蔗叶分离的目的。因此，除杂刷片的形状尺寸选择显得尤为重要。参照前期课题组设计的剥叶辊和耙叶辊[12-13]，考虑输送物流通畅性，在除杂刷片的设计上采用了长梳齿形状。其有效长度为80mm，开口宽度为30mm。设计了3种不同形状的除杂刷片，如图3所示。其中，第1种为30mm宽度的矩形长梳齿，第2种为20mm宽度的矩形长梳齿，第3种为20mm宽度的三角齿型。

图3　3种除杂刷片

2蔗叶分离机构试验

2.1蔗叶分离机构正交试验

2.1.1试验设计

以刷片形状(A)、除杂辊与甘蔗交错作用深度(B)和除杂辊转速(C)3个因素作为试验因素，各因素选取3个水平，因素水平如表1所示。以含杂率和除杂率作为试验指标，选用L9(34)正交表共进行9次试验[14]，每组实验重复5次，取其平均值。

表1　正交试验因素与水平

2.1.2试验材料

本次试验所用的甘蔗是从甘蔗种植户田地里实地购得，全为未经先期处理带蔗叶含蔗尾的新鲜甘蔗，型号为粤糖159号。试验时间为2014年1-2月，此时甘蔗已经完全成熟。

2.1.3试验平台

为了更好研究蔗叶分离机构的除杂率和含杂率，在自主研制的试验平台上进行正交试验，整个蔗叶分离机构包括1对除杂辊、1对输出辊及传动系统组成，如图4所示。其中，除杂辊转速和输出辊转速分别由电机带动，使用变频器对除杂辊转速进行调节，方便后续试验的顺利进行。当甘蔗和蔗叶经过除杂辊时，蔗叶被反向旋转的刷片刷掉并落在输送通道下方，甘蔗在输出辊作用下继续往后输送，从而达到蔗叶分离的目的。试验结果如表2所示。

1.输送辊　2.耙叶辊　3.下剥叶辊　4.上剥叶辊

序号ABC含杂率/%除杂率/%111111.4172.5212221.3380.0313331.6687.8421230.4184.7522311.2791.8623121.4671.0731321.4696.1832131.2065.3933221.3676.8

2.2试验结果分析

2.2.1含杂率

以含杂率为指标，对表2试验结果进行方差分析，分析结果如表3所示。

表3　含杂率方差分析

F0.05(2,8)=4.46。

由表2的试验结果发现：正交试验中含杂率的综合平均水平为1.28%，符合含杂率小于5%的要求。由此可知：采用这种方式布局的蔗叶分离装置具有良好的蔗叶分离效果。

分析发现：当显著性水平α=0.05时，除杂辊转速对含杂率无显著影响。前期的研究结果表明[8-10]，除杂辊转速对含杂率的影响显著。本文除杂辊的转速水平取值是根据前期研究结果取100～140r/min，相对于含杂率这个指标而言，此取值范围属于较优的水平取值。转速的提高主要是增加了除杂刷片对甘蔗的打击次数，从而提高除杂质量。所以，尽管试验中转速对含杂率的影响并不显著，但与前期的研究结论并不矛盾。

2.2.2除杂率

以除杂率为试验指标的直观分析与方差分析结果如表4、表5所示。

表4　直观分析结果

续表4

表5　除杂率方差分析

F0.05(2,8)=4.46。

综合分析可以得出：

1)正交因素A(刷片形状)、B(除杂辊与甘蔗交错深度)对除杂率没有显著性影响， C(除杂辊转速)对除杂率有显著性影响。

2)正交试验中除杂率综合水平为80.67%，说明设计的蔗叶分离机构具有较好的除杂效果，除杂目标达到预期设计要求。

3)在以除杂率为指标的情况下，除杂率越大越好，因此较优组合为A2B1C3。对比正交试验表，组合A2B1C3并未出现在正交列表中，因此需要对其进行后续验证试验。

2.3较优参数组合的试验验证

以优化参数为目的，选取上文分析中较优组合A2B1C3及与其结果比较接近的组合A2B2C3、A3B1C3共3个组合进行验证试验，每组重复5次试验，取其平均值，结果如表6所示。

表6　对照试验结果

由表6可以看出：组合A2B1C3除杂率高于组合A2B2C3，但组合A2B2C3的含杂率低于组合A2B1C3。由于蔗叶分离机构更注重除杂效果，所以除杂率的比重略大于含杂率。综合考虑以上的两个指标，选取最优组合A2B1C3。

最优组合下的甘蔗除杂效果如图5所示。验证试验中，含杂率综合水平为1.21%、除杂率综合水平为89.8%，说明设计的机构除杂目标达到预期要求。通过试验效果图可以看出：该蔗叶分离机构的除杂效果较理想，达到了预期目的。

图5　试验效果图

3结论

1)对蔗叶分离机构采用合理的布局，设计的除杂辊和输送辊之间的间距为420mm，相对于之前设计的物流通道，整个物流通道相当于加长了840mm，刚好避开了蔗叶分布范围，可获得良好的除杂效果。

2)通过试验研究，得出了此蔗叶分离机构的较优参数组合为A2B1C3，即刷片形状为20mm梳齿型，除杂辊与甘蔗交错深度0mm，除杂辊转速140r/min。

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Design and Experiment on Sugarcane Leaf Separation Mechanism of Whole-stalk Sugarcane Harvester

Ma Fanglan, Cai Li, Yang Daiyun，Ye Caifu, Zhao Jing, Zhong Jiaqin, Li Zheng

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004,China)

Abstract：In order to further reduce the trash content of the whole stalk sugarcane harvester, to meet the sugar-refinery requirements of the trash content of the whole sugarcane harvester, this article endeavors to analyze distribute and installation the stripping roller, conveyor roller and cleaning roller which function as supporting role, with the help of sugarcane’s force analysis when the sugarcane leaves were separated. The orthogonal experiment research tested on the experimental platform shows that the reasonable parameter groups of the separating roller were: the shape of the brush is the 20mm comb perforation, the interleaving depth between cleaning roller and sugarcane is 0mm, the rotation speed of the cleaning roller is 140r/min. The experiment results show that the mechanism is effective and feasible.

Key words：whole-stalk sugarcane harvester；ceaning leaves; sugarcane leaf separation；orthogonal experiment

文章编号：1003-188X(2016)04-0195-05

中图分类号：S225.5+3

文献标识码：A

作者简介：麻芳兰(1976-)，女，广西横县人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)422568295@qq.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51465004)；广西自然科学基金项目(2014GXNSFAA118381)；广西理工科学实验中心(YXKT2014011)

收稿日期：2015-03-22