甘蔗剝?nèi)~機械的研究與應(yīng)用

甘蔗剝?nèi)~機械的研究與應(yīng)用

1生產(chǎn)的機械化程度中國是世界上重要的甘蔗生產(chǎn)國。同時，甘蔗不僅是中國南方的重要作物，也是中國糖業(yè)的主要原料。種植區(qū)主要分布在廣西、廣東、海南、云南、福建等省區(qū)。目前,我國甘蔗生產(chǎn)機械化程度比較低,除耕地整地外,種植、收獲等主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)均依賴于人力、畜力。而收獲是甘蔗生產(chǎn)中耗時最長、最為艱苦的作業(yè)環(huán)節(jié),約占甘蔗生產(chǎn)總作業(yè)量的55%。據(jù)有關(guān)文獻報道,人工收獲各環(huán)節(jié)勞動時間比分別為:收割17.2%、剝?nèi)~59.1%、清理打捆10.9%、裝運12.8%。由此可見,甘蔗收獲中又數(shù)剝?nèi)~所占勞動時間最長。人工剝?nèi)~不僅勞動強度大,生產(chǎn)成本高,且作業(yè)效率低,每人每小時僅為60～80根。因此我國甘蔗剝?nèi)~向機械化發(fā)展是必然趨勢,也是甘蔗收獲機械化的關(guān)鍵所在。2切段式收獲作業(yè)甘蔗收獲時若不對蔗葉進行清除,榨糖時蔗葉便會粘附較多糖汁而使產(chǎn)糖量顯著減少。目前蔗葉清除方法有兩種,一種是人工或機械剝?nèi)~法,一種是焚燒法。其中焚燒法只適于切段式甘蔗收獲機。發(fā)達的制糖大國機械化程度高,收獲前先用火焚燒蔗葉,然后再用切段式甘蔗收獲機把甘蔗砍切成段。這種作業(yè)方式生產(chǎn)率高,但燒去蔗葉后的甘蔗需立即收獲,并且收獲后的成段甘蔗還需在24小時內(nèi)完成運輸和加工,否則易變質(zhì)。我國蔗區(qū)主要為丘陵、坡地,蔗田地塊小,不規(guī)則。加之我國糖廠運輸和管理水平較低,工藝、設(shè)備落后,80%的甘蔗從田間收獲到榨糖需4～5天,采用蔗葉焚燒法的切段式收獲不適合于我國。較適合我國的是整桿式收獲,可采用人工或機械去葉。整桿式收獲又分為整桿聯(lián)合式和整桿分段式。聯(lián)合式即整桿收割和剝?nèi)~一起連續(xù)完成;分段式為先整桿收割,然后把砍下的整桿甘蔗集中,再用剝?nèi)~機剝?nèi)~。聯(lián)合式的剝?nèi)~部分只是收獲機械的一個主要部件,而分段式的剝?nèi)~機是一臺獨立的機器。因我國整桿聯(lián)合式收割機與剝?nèi)~機技術(shù)均不成熟,故目前甘蔗剝?nèi)~基本上都還是人工作業(yè)。我國只有20%～30%的土地屬連片種植,適于聯(lián)合式收獲,因此分段式收獲仍然是必需的。研制適于我國的甘蔗剝?nèi)~機械并推廣應(yīng)用于生產(chǎn)中已成當務(wù)之急。3國內(nèi)外甘蔗葉片機械的背景技術(shù)和開發(fā)3.1日本甘蔗剝?nèi)~機甘蔗剝?nèi)~機械在國外的研究應(yīng)用比國內(nèi)要早很多。自1950年開始,因整桿式收獲成為當時的主要收割方式,剝?nèi)~機械技術(shù)自那時起便有了較快的發(fā)展;但20世紀80～90年代起,澳大利亞、美國、巴西、古巴等產(chǎn)糖大國,甘蔗收獲普遍采用高效的大型切段式收獲,并且這一技術(shù)已成為現(xiàn)代甘蔗收獲技術(shù)的主流。其不需設(shè)置剝?nèi)~元件,收獲前先用火焚燒蔗葉,再在收獲中靠收割機大功率的吹風系統(tǒng)去除剩余蔗葉。但亞洲國家普遍地塊小、地形復雜,切斷式甘蔗收獲技術(shù)并不適于亞洲的甘蔗生產(chǎn),采用切段式收獲常造成效率低下,以致機械收獲成本高于人工。日本自20世紀70年代起開始研制甘蔗剝?nèi)~機,是較早研制剝?nèi)~機的國家之一。日本60%的蔗區(qū)地塊小,不連片,其根據(jù)實際情況大力發(fā)展整桿式分段收獲,并且主要使用小型機械化收獲系統(tǒng),由小型收割機、小型剝?nèi)~機和搬運裝置組成。其中川村登等人于1975年就連續(xù)報道了鋼絲繩式剝?nèi)~機的研究成果。其代表機型是日本京都大學和鹿兒島大學研制的鋼絲繩式甘蔗剝?nèi)~機,滾筒轉(zhuǎn)速為800r/min,通過旋轉(zhuǎn)的鋼絲繩打擊蔗莖去除蔗葉。20世紀90年代,印度旁遮普農(nóng)業(yè)大學研制的甘蔗剝?nèi)~機采用滾筒抓取式進行剝?nèi)~。與此同時,泰國根據(jù)其地塊小與地形復雜的特點也研制了小型收獲系統(tǒng),不過最突出的問題就是剝?nèi)~等收獲后續(xù)處理沒有得到較好的解決。目前,日本剝?nèi)~機有配套手扶拖拉機式和手推式兩種形式,并且著重于剝?nèi)~元件材料的研究,剝?nèi)~機的含雜率為1%左右,剝?nèi)~元件壽命為處理甘蔗55t。剝?nèi)~機有久保田公司生產(chǎn)的BMC-250型剝?nèi)~機等。該類機型在日本經(jīng)過近30年的改進與發(fā)展,技術(shù)上已較成熟。但總的來說,其在世界主要產(chǎn)糖國的應(yīng)用范圍還不廣泛。3.2國內(nèi)甘蔗剝?nèi)~機的研制與推廣我國甘蔗剝?nèi)~機有動力自走式和手推車式兩種。前者以手扶拖拉機為配套動力,后者以柴油機、汽油機為配套動力。但工作原理基本上都是采用離心式滾筒剝?nèi)~。當滾筒高速旋轉(zhuǎn)時,滾筒上的剝?nèi)~元件因受離心力作用而向外甩開,對甘蔗進行打擊、推擠、摩擦而使蔗葉脫離。我國自20世紀60年代起研制甘蔗剝?nèi)~機,1961年廣東研制出首臺剝?nèi)~機,配套動力為2.2～3.3kW的汽油機,主要由傳動系統(tǒng)、滾筒、排列于滾筒上的膠指、出入口裝置以及機架組成,生產(chǎn)率約2.5t/小時。20世紀70年代后,研制的重點是以手扶拖拉機為配套動力的甘蔗剝?nèi)~機。代表機型有湛農(nóng)-4型,配套動力為工農(nóng)-10型手扶拖拉機。其主要由前喂入臺、方向盤、后喂入輥、后輸出集蔗臺、剝?nèi)~滾筒、尾輪、前喂入輥等組成,生產(chǎn)率約2t/小時。此外,剝?nèi)~機的主要代表機型還有廣西大學研制的4ZB-6A型,廣西農(nóng)機研究院研制的4ZB-12型,南寧手扶拖拉機廠研制的6BZ-5單工位、6BZ-9雙工位甘蔗剝?nèi)~機,廣西農(nóng)機推廣總站和來賓市農(nóng)機推廣站研制的6BZ-1型等。重慶科技學院也設(shè)計研制了一種小型整桿刀片式甘蔗剝?nèi)~機,主要由工作臺、甘蔗過孔、甘蔗喂入輸送裝置、剝?nèi)~裝置、滑槽、動力、傳動裝置和刀架座組成。甘蔗喂入輸送裝置及剝?nèi)~裝置安裝在工作臺上,動力通過傳動裝置連接甘蔗喂入輸送裝置。在科研方面,1998年華南農(nóng)業(yè)大學與廣前糖業(yè)公司合作,購置了澳大利亞專為發(fā)展中國家研制的整桿式甘蔗收獲機和日本生產(chǎn)的小型甘蔗剝?nèi)~機,在甘蔗收割、剝?nèi)~方面進行了研究。另外,華南農(nóng)業(yè)大學1999年1月至2002年12月承擔了引進國際先進農(nóng)業(yè)科學技術(shù)項目“小型甘蔗收獲和剝?nèi)~機具及技術(shù)”,對引進的樣機進行了消化吸收,并結(jié)合我國的實際情況進行了改進。2002年1月至2003年12月,承擔了廣東省科技計劃項目“小型甘蔗收割剝?nèi)~機具研究”,試制了2臺樣機并進行了田間試驗。雖然近幾年華南農(nóng)業(yè)大學、廣西大學、廣西農(nóng)業(yè)機械研究院、湛江農(nóng)墾等單位均進行了大量的相關(guān)研究,并取得了一定的進展,但甘蔗剝?nèi)~機在我國并未得到較好的推廣應(yīng)用。近年,在我國主要蔗區(qū)使用過的剝?nèi)~機還有澳大利亞機型,但因其造價高、日常維護復雜,蔗農(nóng)難以接受。4含雜率偏高和剝?nèi)~元件壽命短我國技術(shù)成熟、適合生產(chǎn)實際的剝?nèi)~機械當前基本上還沒有。有些是因體積大、質(zhì)量大、不能適合野外作業(yè);有些是因為整機適應(yīng)性差無法應(yīng)用,因我國蔗區(qū)在甘蔗收獲季節(jié)常陰雨連綿,蔗葉經(jīng)雨淋后韌性增加,不容易去除,并且蔗葉還常纏繞于滾筒上,致使剝?nèi)~機無法正常作業(yè);有些是因含雜率偏高、剝?nèi)~元件壽命短、甘蔗損傷率高等原因而未推廣,含雜率偏高和剝?nèi)~元件壽命短是當前的兩大難題。機械剝?nèi)~的含雜率與人工相比普遍偏高,而我國糖廠對甘蔗含雜率有較嚴格的要求,一般要求在5%以下,含雜率高會降低蔗糖的產(chǎn)量和品質(zhì)。甘蔗剝?nèi)~機的核心部件為剝?nèi)~元件,剝?nèi)~元件常用鋼絲繩、鋼刷、膠指、尼龍和環(huán)鏈等材料制作。其中鋼絲繩和鋼刷不易裝夾,而且容易疲勞斷裂,并對蔗莖有損傷;環(huán)鏈耐用度雖較好,但蔗莖損傷率高。故目前基本上是采用膠指和尼龍絲作剝?nèi)~元件,但這兩種材料均使用壽命短。另外,甘蔗剝?nèi)~機主要是由輸送裝置、剝?nèi)~裝置、動力裝置等組成。有的甘蔗輸送裝置采用傳動滾筒形式,由于上下滾筒的相對距離是固定設(shè)置的,難以自動適應(yīng)不同粗細的甘蔗,其剝?nèi)~裝置一般只對應(yīng)設(shè)置一個,剝?nèi)~不干凈,效率低。有的剝?nèi)~裝置采用螺旋式結(jié)構(gòu),易損傷甘蔗表皮,而且剝?nèi)~裝置和甘蔗喂入輸送裝置的相對位置固定不變,難以適應(yīng)不同彎曲度的甘蔗。5提高剝?nèi)~效率一臺性能良好的甘蔗剝?nèi)~機,除能適應(yīng)全天候作業(yè)和各類甘蔗外,還應(yīng)在保證較好的工作質(zhì)量,即不超過一定的糖分損失量、含雜率及甘蔗損傷率的前提下,具備較好的剝?nèi)~效率,同時具備一定的使用壽命?；谶@一原則,我國發(fā)展甘蔗剝?nèi)~機械應(yīng)著重解決以下幾個問題。5.1甘蔗含雜率高我國已有的剝?nèi)~機往往在雨后作業(yè)質(zhì)量差且效率低,甚至不能正常作業(yè)。另外,主要蔗區(qū)均為熱帶臺風地帶,甘蔗多倒伏、彎曲,對于較彎曲的甘蔗,已有剝?nèi)~機作業(yè)性能不穩(wěn)定,含雜率高。因此在以后的研究中,應(yīng)著重提高剝?nèi)~機的整機適應(yīng)性,以滿足全天候作業(yè)及各類型甘蔗剝?nèi)~的生產(chǎn)需求。5.2影響剝?nèi)~元件壽命及剝?nèi)~質(zhì)量的因素剝?nèi)~元件是剝?nèi)~機的核心,剝?nèi)~元件易磨損,使用壽命低,針對這一難題,世界各國都展開了關(guān)于剝?nèi)~元件的材料與裝夾形式等方面的研究,但至今并未有實質(zhì)性進展。有關(guān)文獻資料表明,影響剝?nèi)~元件壽命及剝?nèi)~質(zhì)量的因素主要有:剝?nèi)~元件對蔗莖的打擊力、摩擦力、打擊次數(shù);剝?nèi)~滾筒的數(shù)量、轉(zhuǎn)速;剝?nèi)~元件在滾筒上的裝夾與排列方式;剝?nèi)~元件的材料、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和熱處理技術(shù)等。一般滾筒轉(zhuǎn)速提高,打擊次數(shù)愈多,打擊力度愈大,剝?nèi)~越干凈,含雜率降低。但消耗功率大,剝?nèi)~元件壽命縮短,甘蔗損傷率提高。因此,著重研究在滾筒數(shù)量和轉(zhuǎn)速不變的情況下增加打擊力和摩擦力的方法,對降低動力消耗、減少作業(yè)成本、提高剝?nèi)~元件使用壽命、降低含雜率具有重要的意義。5.3甘蔗剝?nèi)~機的計算機模擬研究應(yīng)進一步加強基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究,即對甘蔗剝?nèi)~運動機理和剝?nèi)~元件的材料性能進行深入系統(tǒng)地研究。并將新技術(shù)應(yīng)用到甘蔗剝?nèi)~機械的研發(fā)中。通過計算機圖像處理技術(shù),拍攝和記錄剝?nèi)~元件在剝?nèi)~過程中的形狀及空間位置的變化,分析剝?nèi)~過程,得到最佳剝?nèi)~機構(gòu)、最佳剝?nèi)~元件排列方式等。為研制適合我國蔗區(qū)生產(chǎn)條件且性能良好、高效的甘蔗剝?nèi)~機提供理論依據(jù)。要利用計算機仿真技術(shù)對剝?nèi)~機的設(shè)計開發(fā)進行研究,以降低研制成本,提高設(shè)計