剥叶元件安装方式对甘蔗剥叶效果的影响机理

邓 鹏，陆静平

（广西大学 机械工程学院，广西 南宁 530004）

0 引言

现如今，我国年产甘蔗约1亿吨，是全球最大的甘蔗种植国之一，也是全球最大的食糖消费国之一[1]。随着近几年农机事业的快速发展，我国甘蔗生产机械化的程度不断提高，多项生产机械化技术在甘蔗生产领域得到充分的发挥[2]。但我国甘蔗收获机械化程度还不高，与一些发达国家相比，是远远落后的[3-5]，在我国一些丘陵等地形比较恶劣的地方还是手工作业[6]。在整个甘蔗生产、收获环节中，投入劳动力最多、劳动强度最高的环节是收获环节，约占总工量的60%[7]。剥叶是甘蔗收获中耗费时间最多的工序，它占人工收获作业量的65%以上[8]。因此在甘蔗收获期间，需要投入大量劳动力到甘蔗收获当中，但随着劳动力成本逐步增高，种植甘蔗所获得的收益逐渐减少，这会严重影响我国制糖业的发展[9]。目前，国内整秆式甘蔗收获机的剥叶系统运用最广泛的剥叶方法是离心力式剥叶法[10，11]，这种剥叶方法未能解决的难题是剥叶元件的使用寿命短和剥叶含杂率高，又由于我国地形复杂，甘蔗收获机适应性差，导致甘蔗收获机械未能在全国推广开来[12]。糖厂要求原料甘蔗的含杂率一般不超过1%[13]，糖厂之所以对含杂率有严格的要求，原因是蔗叶杂质在压榨中不仅带走糖份，还加快设备磨损。目前通过改变剥叶系统参数来提高剥叶质量的方法都存在一定的局限性，例如提高剥叶辊筒的线速度，可以一定程度降低含杂率，但当剥叶辊筒线速度过大时，可能会对甘蔗蔗茎造成损伤，甚至使甘蔗被折断，剥叶元件的使用寿命也将缩短，而且还会增加剥叶系统的功耗。

因此，为提高甘蔗剥叶质量，深入研究整秆式甘蔗收获机械的剥叶机理，对甘蔗机械化收获具有重要的指导意义。在不改变剥叶系统参数如剥叶辊筒线速度的情况下，按照甘蔗蔗叶的生长特性与规律[14]，选择合适的剥叶方式，提高剥叶质量。对甘蔗剥叶过程进行受力分析，对螺旋角为零、螺旋角不为零以及顺剥和逆剥等三种剥叶方式进行试验研究，分析这三种剥叶方式对剥叶效果的影响，进而探究剥叶机理。

1 甘蔗在剥叶过程中的受力分析

甘蔗在剥叶过程中，其所受力的大小和方向会影响到甘蔗剥叶效果以及剥叶质量，因此需对甘蔗剥叶过程进行分析，探究甘蔗所受力对剥叶效果的影响。

甘蔗剥叶流程如下：甘蔗从根部被切断后，会以一定的速度输送到剥叶箱的喂入口，在输入辊筒的夹持摩擦力作用下，甘蔗进入剥叶箱内部，剥叶辊筒运转，使甘蔗受到垂直于剥叶元件的切向力Ft和摩擦力F1，在切向力与摩擦力的打击和刮擦作用下，蔗叶会被剥离，完成剥叶后的甘蔗在输出辊筒的夹持输送下，从喂出口输出。为了便于分析，简化后的甘蔗受力分析模型如图1（a）所示。

图1 甘蔗受力分析以及空间力Ft模型

在剥叶过程中，假设剥叶元件打击甘蔗前，剥叶辊筒的角速度为ω20，打击后，剥叶辊筒的角速度为ω21，则：

切向力（打击力）：

其中，m为剥叶元件的质量；t为速度变化时间。

假设切向力Ft是个空间矢量，则其模型如图1（b）所示。

可得切向力Ft在X、Y以及Z轴三个方向的分量分别为：

由式（1）可得：切向力Ft的大小与剥叶元件的质量和剥叶辊筒转速有关，且随着剥叶元件的质量和剥叶辊筒转速的增大而增大。

切向力Ft在X、Y以及Z轴三个方向的分量的作用各不相同，Ftx的主要作用是横向打击甘蔗，它会使甘蔗左右摆动，会让蔗叶受到一个周向力，使蔗叶从周向被剥离；Fty的主要作用是纵向打击甘蔗，可以促使甘蔗向前运动，使蔗叶脱离蔗茎；Ftz的主要作用是垂直打击甘蔗，它会使甘蔗上下晃动，还会影响蔗茎表皮损伤的程度。Ftx和Fty的存在，可能会影响到甘蔗剥叶时的稳定性以及剥叶效果，但根据试验研究，横向力的存在，会使甘蔗剥叶的效果更好。

2 三种剥叶方式的试验研究

经过试验研究，剥叶元件为片状排刷式结构，其结构如图2（a）所示，它是由高分子材料注塑而成的。在甘蔗剥叶时，用螺栓将三片这种结构的剥叶元件固定在一起，其装夹简图如图2（b）所示，这三片剥叶元件的主要作用是进行剥叶，这样组合在一起可提高剥叶元件的强度和韧性，增加剥叶元件的使用寿命。

图2 高分子材料剥叶元件以及其装夹方式

2.1 螺旋角为零的剥叶方式

螺旋角为零的剥叶方式是指剥叶元件在剥叶辊筒上的安装位置与剥叶辊筒的母线夹角为零。螺旋角为零的剥叶方式根据剥叶元件与剥叶辊筒半径的夹角情况分为前角为零、正前角及负前角三种剥叶方式。

2.1.1 前角为零的剥叶方式

前角为零即据剥叶元件与剥叶辊筒半径的夹角为零，这种剥叶方式的简图如图3（a）所示，其优点是剥叶元件的安装比较简便。

图3 前角为零、正前角以及负前角剥叶方式

2.1.2 正前角剥叶方式

正前角即剥叶元件与剥叶辊筒半径的夹角为正，这种剥叶方式的简图如图3（b）所示，这里取前角γ0=20°。这种剥叶方式可以让剥叶元件插入蔗叶与蔗茎包裹的部位，并将蔗叶与蔗茎分离开。

2.1.3 负前角剥叶方式

负前角即剥叶元件与剥叶辊筒半径的夹角为负，这种剥叶方式的简图如图3（c）所示，这里取前角γ0=-20°。设置负前角剥叶方式试验的主要目的是与前角为零和正前角的试验形成对比。

2.1.4 试验结果及分析

该试验是在所研制的样机上进行。在剥叶辊筒和输入输出辊筒转速都相同的情况下，测得三种前角进行剥叶试验时的含杂率和甘蔗损伤情况。

（1）试验数据，试验数据见表1。

表1 螺旋角为零的试验数据

（2）试验结果分析

由试验数据可得：在剥叶辊筒转速和喂入喂出滚筒转速等参数都相同的情况下，γ0=20°时，含杂率最低，即剥叶效果最好；γ0=-20°，含杂率最高，即剥叶效果最差；γ0=0°时，含杂率在γ0=20°与γ0=-20°两者含杂率之间，故剥叶效果排在两者之间。可由此得出：剥叶效果与前角γ0大小有关。

试验中，剥叶前角γ0越大，剥叶效果越好，可通过以下分析来解释。如图4所示，A、B、C分别表示剥叶前角γ0=20°、γ0=0°和γ0=-20°的三个剥叶元件，这三个剥叶元件在剥叶过程中的打击角分别为α1、α2和α3，由图可知，这三个角的大小关系为α1＜α2＜α3。由式（3）可知：切向力（打击力）在Y方向上的分量为：

在这里β=0，所以：

由式（6）可得：Fty与打击角α成反比，即α越大，Fty越小。当前角γ0=20°时，打击角α1最小，切向力Fty最大；当前角γ0=-20°时，打击角α3最大，切向力最小；当前角γ0=20°时，打击角α2介于α1与α3之间，因而切向力Fty的大小也介于前面两种情况的切向力之间。即由此可得出结论：在甘蔗剥叶过程中，甘蔗受到的打击力越大，剥叶效果越好。试验从另一个角度说明：剥叶效果与打击力密切相关。

但这并不意味着剥叶前角γ0越大越好，因为随着γ0增大，剥叶元件工作状况就变得更加恶劣，从而降低它的使用寿命。同时，也会增加甘蔗表面的损伤。通过试验研究，正前角采用20°左右为宜。

图4 前角对剥叶效果的影响

2.2 螺旋角剥叶方式

2.2.1 剥叶元件排列形式

螺旋角剥叶方式是指剥叶元件在剥叶辊筒上的安装位置与剥叶辊筒的母线成一定角度，这里取螺旋角β=10°，其结构简图如图5所示。

图5 螺旋角剥叶方式

2.2.2 试验

试验是在所研制的样机上进行。剥叶元件材料是高分子材料。剥叶前角γ0=20°，甘蔗品种为新台糖1号。在剥叶辊筒和输入输出辊筒转速都相同的情况下，测得上、下剥叶滚筒螺旋角β旋向相同以及相反进行剥叶试验时的含杂率和甘蔗损伤情况。试验数据见表2。

表2 螺旋角不为零的试验数据

2.2.3 试验结果分析

（1）由试验数据可知：在剥叶辊筒转速和喂入喂出辊筒转速等参数都相同的情况下，上、下剥叶辊筒螺旋角β旋向相同的剥叶方式即γ0=20°、β=10°时含杂率为0.22%；γ0=20°、β=0°时含杂率为0.5%（表1），即前者含杂率比后者低了一倍多，可得出结论：一定大小的螺旋角能够改善剥叶质量。

一定大小的螺旋角能够改善剥叶质量，分析如下：按照甘蔗蔗叶的生长特性与变化规律，在甘蔗收获季节，甘蔗尾部的叶鞘是紧紧包裹在茎秆上的。当人工进行剥叶时，工人是用手沿着蔗秆生长的反方向拉扯蔗叶的，此时叶片会连同叶鞘一起从茎秆上被剥离，但是沿着茎秆的生长方向拉扯叶片，叶片很容易被拉断，叶鞘则残留在蔗茎上。所以对于机械收获甘蔗，如果剥叶元件打击甘蔗时的运动方向与蔗叶的生长方向大致一致，剥叶元件必须快速地接触到甘蔗的各个部位，才有可能将蔗叶剥离蔗茎，对于剥叶元件未能打击到的部分会留下蔗叶残渣，进而会增大含杂率，降低剥叶质量。由于更密集地打击和刮擦蔗茎，使剥叶元件以更高的频率与蔗茎接触，会降低剥叶元件的使用寿命，还可能伤害到蔗茎表皮或者将蔗秆折断。当剥叶元件的安装具有一定螺旋时，剥叶元件打击和刮擦蔗茎的力F可沿X、Y方向分成两个力FX、FY，如图6所示。FX是周向力，方向与甘蔗在剥叶机中的运动方向垂直，使蔗叶从周向被剥离。FY是纵向力，它一边打击和刮擦蔗茎，一边帮助将剥叶后的甘蔗排出机外。

图6 F在X、Y方向上的分量

（2）由数据可知，上、下剥叶辊筒螺旋角β旋向相同剥叶方式的剥叶效果比上、下剥叶辊筒螺旋角β旋向相反剥叶方式的剥叶效果好，可通过以下分析来解释：根据甘蔗植株生长特性，蔗叶是以一定的旋向包裹在蔗茎上的，当周向力FX跟蔗叶旋向相同时，蔗叶不容易被剥下。上、下剥叶辊筒的剥叶元件螺旋角旋向相反时，甘蔗在剥叶过程中所受的周向力如图7（a）所示，即甘蔗的上、下表面受到同向周向力作用，这种情况可能会使周向力的方向跟蔗叶的旋向相同，导致周向力FX的剥叶效果不好，所以起剥叶作用只剩下纵向力FY，由于真正起剥叶作用的力减小了，所以剥叶质量也就相对降低了。上下剥叶辊筒剥叶元件螺旋角旋向相同时，甘蔗剥叶过程中受到的周向力如图7（b）所示，即甘蔗上下表面受到反向周向力作用，所以肯定有一个周向力FX跟蔗叶的旋向相反，进而FX和FY都起到了剥叶作用，故剥叶质量就相对提高了。

一定大小的螺旋角能够改善剥叶质量，但并不意味着螺旋角越大剥叶效果越好，因为当有螺旋角存在时，甘蔗会左右窜动，影响甘蔗剥叶时的稳定性，经过试验研究，螺旋角β取10°左右为宜。

图7 上、下滚筒剥叶元件螺旋角旋向相反以及相同时示意图

2.3 顺剥和逆剥方式

2.3.1 顺剥方式

顺剥是指剥叶滚筒上面的剥叶元件打击蔗叶时的运动方向与蔗叶的自然生长方向相同，如图8（a）所示。

2.3.2 逆剥方式

逆剥是指剥叶辊筒上面的剥叶元件打击蔗叶时的运动方向与蔗叶的自然生长方向相反[11]，如图8（b）所示。

图8 顺剥和逆剥方式

2.3.3 试验

试验是在所研制的样机上进行。剥叶元件的材料是高分子材料。剥叶前角γ0=0°，螺旋角β=0°。甘蔗品种为新台糖1号。试验时，每次喂入单根甘蔗。测得以顺剥和逆剥进行剥叶试验时的含杂率和甘蔗损伤情况，试验数据见表3。

表3 顺剥和逆剥方式的试验数据

2.3.4 试验结果分析

由试验数据可知，逆剥方式比顺剥方式的剥叶效果好。人工进行剥叶时，是用手沿着甘蔗生长的逆方向拉扯蔗叶的，此时叶片会连同叶鞘一起从茎秆上被剥离。

逆剥方式就是模拟人工剥叶方式，人工剥叶的试验证明，如果逆着蔗叶自然生长方向给蔗叶一个力，只要蔗叶被推到与蔗茎成90°左右的角度，蔗叶就自然脱落下来。原因分析：沿着蔗茎生长方向拉扯蔗叶，需要克服叶鞘与鞘基的连接力和叶鞘与蔗茎之间摩擦力，由于在甘蔗收获时期，叶鞘是紧紧包裹在蔗茎上，所以叶鞘与蔗茎之间摩擦力会很大，这两个力加起来显然远大于甘蔗叶片所能承受的拉力，因此蔗叶没有被清除，叶片反而被拉断，而沿着蔗茎生长的反方向拉扯叶片时，要使蔗叶剥离蔗茎，拉力需要克服叶鞘与鞘基的连接力和叶鞘与蔗茎之间的包裹力，但不是一次性克服两个力，也不是一次性克服整片叶鞘的包裹力，而是只克服垂直于蔗茎的一小部分叶鞘的包裹力，因此，在拉力的连续作用下，叶鞘逐步脱离蔗茎，叶鞘被剥离后，拉力再克服叶鞘与鞘基的连接力，显然，这种剥叶方式需要的拉力小于叶片所能承受的拉力，所以能剥叶且叶片没被拉断。

逆剥时，剥叶滚筒上面的剥叶元件打击蔗叶时的运动方向与蔗叶的自然生长方向相反，所以容易将蔗叶剥下来。顺剥时，剥叶辊筒上面的剥叶元件打击蔗叶时的运动方向与蔗叶的自然生长方向相同，剥叶辊筒上的剥叶元件必须打击和刮擦到蔗秆的各个部位才有可能将蔗叶剥离干净，对于剥叶元件未能打击到的部分会留下蔗叶残渣，进而会增大含杂率，降低剥叶质量。顺剥时，还会使蔗叶被压在蔗秆上，因而增大了蔗秆与蔗叶之间的摩擦力，剥叶更加困难。

3 结论

甘蔗收获机械剥叶机理的试验研究说明：

（1）当剥叶元件在剥叶辊筒上的安装具有一定正前角γ0时，其剥叶效果要比前角为零或为负角时的要好。当然并非γ0越大越好，因为随着γ0增大，剥叶元件工作状况就变得更加恶劣，从而降低它的寿命。同时，也增加甘蔗表面的损伤。建议采用20°左右的正前角。

（2）在其它条件相同情况下，当剥叶元件在剥叶辊筒上具有一定螺旋角β时，剥叶效果比螺旋角为零时的要好。同时也应注意到，只有当上、下剥叶滚筒上剥叶元件的螺旋角旋向相同时，这种好的剥叶效果才能体现出来。在甘蔗剥叶过程中，若有螺旋角的存在，可能会使甘蔗左右窜动，降低甘蔗剥叶时的稳定性，所以β角不适太大，建议取β=10°左右。

（3）逆剥方式比顺剥方式的剥叶效果要好，所以在甘蔗剥叶过程中应采用逆剥方式进行剥叶。