甘蔗整秆剥叶关键技术与剥叶机理研究

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1、2013年11月农机化研究第11期甘蔗整秆剥叶关键技术与剥叶机理研究牟向伟，黄煜，万理，黄植功，韦春荣，李寒阳(广西师范大学电子工程学院，广西桂林541004)摘要:甘蔗是我国主要的糖料作物，目前我国甘蔗机械化收获技术水平较低导致蔗糖生产成本较高;而剥叶关键技术研究是甘蔗机械化收获技术发展的关键环节之一。针对上述问题，分析了国内外关于甘蔗整秆剥叶关键技术与剥叶机理的研究现状，指出叶鞘剥离机理是甘蔗整秆剥叶关键技术研究的重点内容。同时，提出了3个拟解决的关键科学问题:①叶鞘的基本破坏强度和破坏形式以及叶鞘剥离

2、机理;②剥叶元件对叶鞘的破坏作用机理及其运动状态方程与动力学模型;③基于叶鞘剥离机理理论的甘蔗整秆剥叶关键技术。关键词:甘蔗;整秆;剥叶;关键技术;机理+中图分类号:S225．53文献标识码:A文章编号:1003－188X(2013)11－0013－05高时，蔗叶和蔗尾惯性较大，与蔗茎一起输出，含杂率0引言较高。采用离心力冲击技术的剥叶机主要由剥叶滚甘蔗是我国主要的糖料作物，蔗糖产量占我国食筒以及安装在滚筒上剥叶元件组成，其基本原理是依糖总产量的90%以上，在我国农业经济中占有重要地靠滚筒转动产生的离心力带

3、动剥叶元件接触甘蔗茎位。近年来，甘蔗收获人工成本快速增长，已成为制秆，对蔗叶施加冲击力和摩擦力将蔗叶从蔗茎上脱约蔗糖产业发展的瓶颈。甘蔗生产机械化发展滞后离，如图1(c)所示。该技术是目前独立的小型剥叶机导致我国蔗糖成本高于世界平均水平，不具备国际市和整秆式联合收割机普遍采用的剥叶技术，其主要存［1］场竞争力。实现甘蔗收获机械化，是降低生产成在的问题是剥叶元件的使用寿命短，接触式剥叶对甘［2］本，提高竞争力的重要途径。据统计，人工收获作蔗茎秆损伤较大且剥叶含杂率高。［3－4］业中剥叶工序耗时最长，耗费劳动量

4、也最多。由此可见，剥叶关键技术与机理研究成为甘蔗机械化收获技术发展的关键环节之一。1甘蔗整秆剥叶关键技术研究甘蔗整秆剥叶主要采用机械去除法，按照原理分为刀片刮擦技术、滚筒抓取撕扯技术和离心力冲击技术3种。刀片刮擦技术利用刀片或中空轴爪通过刮擦［5－6］(a)刀片刮擦技术作用将蔗叶刮掉，如图1(a)所示。该技术缺点是甘蔗单根喂入，效率低且作业要求高，难以在甘蔗联合收割机上应用。印度研制的甘蔗剥叶机采用滚筒抓取式技术，主要由风扇和橡胶包辊等部分组成。通过风扇将蔗叶和蔗尾吹向机器下方，橡胶包辊将蔗尾与蔗叶抓取并向

5、下撕扯，实现蔗尾和蔗叶与茎秆的分［7］离，如图1(b)所示。该方法的缺点是喂入速度较收稿日期:2013－01－17基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目(51205071);广西师范大学博士科研启动基金项目(2013－2014)作者简介:牟向伟(1982－)，男，山东栖霞人，博士，(E－mail)xwmou@mailbox．gxnu．edu．cn。(b)滚筒抓取撕扯技术·13·2013年11月农机化研究第11期［26－27］直蔗。2甘蔗整秆剥叶机理研究在对剥叶关键技术和关键部件研究的基础上，国内外学者通

6、过一些基础试验和理论分析对甘蔗叶的剥离形式和破坏机理进行了初步研究。宮部芳照等利用万能试验机测试把蔗叶从茎上拉下来的拉力，认为拉力值随着蔗叶在茎上的位置不同和相对于茎秆的拉伸方向而不同。拉力与茎秆呈45°角平均拉力最(c)离心力冲击技术图1甘蔗整秆剥叶关键技术大，呈135°角时最小，蔗叶越接近甘蔗尾部拉力值越剥叶元件是剥叶机的关键部件，剥叶元件的材料大，造成蔗叶机械破坏不仅仅靠拉力作用，而是应该［28］和形状等对甘蔗剥叶质量影响较大，其使用寿命差别包括多个力的作用。PAULO等采用自制试验设备［8－9］来模

7、拟甘蔗剥叶过程，测试甘蔗叶的破坏力，在甘蔗也较大。常见的剥叶元件有钢丝刷、环链、尼龙刷和橡胶指等。日本研究人员对圆柱滚刀、钢丝刷、V型茎秆的径向上施加压紧作用力，同时在轴向施加拉伸带、环链等剥叶元件的剥叶效果进行了大量试验，研作用力，在径向压力作用下产生的轴向摩擦力破坏蔗究表明圆柱滚刀剥叶效率低且甘蔗损伤严重;钢丝叶，结果表明，要将蔗叶除掉需要在茎秆径向时间刷、V型带剥叶效果好，对甘蔗损伤小，但是磨损严重;0.8MPa的压力并产生315N的摩擦力，且与蔗叶所处［29］柔性环链使用寿命较长，对蔗茎损伤小，效果

8、较好。茎秆的位置无关。滚筒磨损研究表明，表面粗糙的辊纹有利于提高滚筒对橡胶指的剥叶机理进行了初步探讨，建立了如［10～12］的耐磨性。在引进日本研究成果的基础上，国内图2所示的力学模型。研究以高分子材料(尼龙)、橡胶等材料为研究重点。结果表明，高分子材料的寿命比钢丝绳和胶指材料有大幅提升，目前我国甘蔗剥叶机上使用比较多为尼龙［13－14］刷和橡胶指两种形式。在此基础上，通过物理测试、虚拟仿真和样机剥叶试验等方法研