賴 曉,楊 鵬,王偉權(quán),楊 峰,張澤強(qiáng),龐月生

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南寧 530004)

0 引言

小型甘蔗收獲機(jī)的研發(fā)對提高我國食糖的國際競爭力具有重要意義[1-3]。小型甘蔗收獲機(jī)的剝凈率是考量收獲機(jī)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo),而蔗尾部位的葉片較多且與蔗桿生長連接緊密,如不斷除蔗尾則難以提高剝凈率。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對此展開了研究:麻芳蘭等設(shè)計了三角形剝?nèi)~輪布局的剝?nèi)~機(jī)構(gòu);牟向偉等設(shè)計了帶彈性齒的剝?nèi)~滾筒;劉芳建探索了逆向剝?nèi)~的方式;謝盧鑫等則通過試驗(yàn)研究了帶碎葉輪的剝?nèi)~斷尾系統(tǒng)[4-7]。這些研究有力地推動了小型甘蔗收獲機(jī)的剝?nèi)~斷尾功能改善,但目前其剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)的斷尾率仍需提高。

1 剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與存在的問題

1.1 剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)

小型甘蔗聯(lián)合收割機(jī)較成熟的剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)主要包括1對周布橡膠圓柱的輸入輥、1對均布高分子剝?nèi)~刷的剝?nèi)~輥和1對同樣周布橡膠圓柱的輸出輥,均呈上下對稱分布,上下剝?nèi)~輥的剝?nèi)~刷與甘蔗有一定的交錯深度,如圖1所示。

1.2 剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)存在的問題

目前,小型整稈式甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)對甘蔗中部蔗葉的剝凈率低于2%,傷蔗率低于10%,但蔗尾部分的剝?nèi)~效果不甚理想,沒有達(dá)到至少80%斷尾率的功能要求[8-10]。

對剝?nèi)~后的甘蔗進(jìn)行觀察可以看到:成熟的甘蔗蔗尾常有5～6片蔗葉層層緊密包裹,剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)難以把蔗尾打斷,且蔗尾即使斷掉也無法與蔗稈分離。剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)剝?nèi)~后的甘蔗如圖2所示。

圖2 剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)剝?nèi)~后的甘蔗Fig.2 Sugarcane after cleaning leaves

2 剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理分析

甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理如圖3所示。

圖3 剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)工作機(jī)理簡圖Fig.3 Mechanism working theory sketch

甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)主要通過剝?nèi)~輥上的剝?nèi)~刷高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力F對甘蔗莖稈進(jìn)行打擊和刮擦,從而剝落蔗葉。其中,甘蔗尾梢部是甘蔗中最為脆弱的部分(俗稱“雞蛋黃”),用較小的打擊力便可以將其折斷。在剝?nèi)~過程中,針對甘蔗莖稈中部與尾梢部的彈性模量和硬度之間的差異,在輸入輥和輸出輥夾持力N1、N2和剝?nèi)~刷的打擊力F作用下,甘蔗的莖稈受到按一定頻率持續(xù)不斷的打擊;當(dāng)打擊力落在甘蔗最脆弱的尾稍時,蔗尾折斷,從而達(dá)到斷尾的目的

根據(jù)材料力學(xué),在剝?nèi)~刷的打擊下甘蔗受到的最大彎曲正應(yīng)力為

(1)

式中M—蔗莖截面的彎矩(N·m);

WZ—蔗莖的抗彎截面系數(shù)(mm)3。

蔗莖截面近似圓形,在沒有蔗葉包裹時其抗彎截面系數(shù)為

(2)

其中,d為甘蔗尾莖打斷處直徑(m)。

如果尾部莖稈包裹著5～6片蔗葉,則其抗彎截面系數(shù)增大為

(3)

其中,T為甘蔗尾莖打斷處包裹葉片厚度(mm)。

甘蔗尾稍處的直徑一般為12～13mm,包裹上5～6片葉子后厚度增加約0.5mm,將數(shù)值代入式(2)和式(3),可得無蔗葉狀態(tài)下蔗莖抗彎截面系數(shù)為169.65mm3,而包裹葉片的蔗莖抗彎截面系數(shù)增大到215.69mm3,從而顯著降低了蔗尾所受的彎曲正應(yīng)力。

此外,蔗葉柔韌的纖維組織還起到了一定的減震緩沖作用,使得蔗尾更不易被剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)打斷。所以,要提高甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾的效果,必須要先將甘蔗尾稍的蔗葉耙開,但沒必要把尾稍蔗葉粉碎。其原因是當(dāng)它被輸入輥夾持經(jīng)受剝?nèi)~輥打擊時可以起到一定的對蔗尾的拉扯作用,更有利于斷尾。

3 甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計

根據(jù)前述“耙葉—剝?nèi)~—斷尾”的設(shè)計理念,要更好地實(shí)現(xiàn)斷尾功能,宜在剝?nèi)~輥前增設(shè)1對耙葉輥以實(shí)現(xiàn)撕開尾部蔗葉的目的。耙葉輥的設(shè)計類似于剝?nèi)~輥,在旋轉(zhuǎn)的輥筒外圓周上布置相應(yīng)的橡膠功能元件,而耙齒的結(jié)構(gòu)對耙開蔗葉的功能實(shí)現(xiàn)具有關(guān)鍵作用,因此耙葉齒的設(shè)計尤為重要。

根據(jù)蔗尾葉片多層緊密包裹纏繞的形態(tài),耙葉齒的設(shè)計采用了鉤齒狀橡膠楔形齒,耙齒頂如鉤狀端凸起,耙葉齒兩側(cè)面有類似搓衣板的凸起筋條,如圖4所示。設(shè)計思路是:耙葉輥高速運(yùn)轉(zhuǎn)時,耙齒頂端的鉤狀凸起在沖擊力作用下便能強(qiáng)勁地從緊密包裹纏繞的蔗葉中鉤進(jìn)去,然后齒側(cè)的凸起筋條對蔗葉進(jìn)行層層刮擦、撕扯,從而把蔗葉一層一層耙開。

圖4 耙葉齒模型圖Fig.4 Leaf-raking teeth model

將4組耙葉齒均布安裝到耙葉輥上,每組11個齒,安裝好的耙葉輥如圖5所示。

圖5 耙葉輥模型圖Fig.5 Leaf-raking roller model

4 樣機(jī)試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用甘蔗為新鮮帶完整蔗尾的粵糖20號,蔗稈直徑平均在17～23mm之間,無明顯損傷。

4.2 試驗(yàn)方法

通過L27(313)正交試驗(yàn)方法,以甘蔗在蔗尾部位打斷的數(shù)量比即斷尾率作為指標(biāo)。斷尾率至少達(dá)到80%以上為達(dá)標(biāo),斷尾率越高越好。試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 斷尾試驗(yàn)設(shè)計表Table 1 Thetail-breaking experiment design

4.3 試驗(yàn)樣機(jī)與儀器

試驗(yàn)在廣西大學(xué)機(jī)械學(xué)院甘蔗收獲機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。根據(jù)試驗(yàn)需求,課題組自行設(shè)計制造了如圖6所示的小型甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)臺架。臺架主要由安裝支架、1對夾持輸入輥、3個剝?nèi)~斷尾輥、1對夾持輸出輥及動力傳動部件等組成。輸入輥、輸出輥和剝?nèi)~輥分別由3個25W電機(jī)驅(qū)動,各自以1臺型號MF-7.5K-380數(shù)字變頻器單獨(dú)進(jìn)行變速。

圖6 斷尾試驗(yàn)樣機(jī)Fig.6 Leaf-cleaning and tail-breaking experiment porotype

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果如下表2所示。27次試驗(yàn)平均斷尾率為82.96%,達(dá)到了斷尾目標(biāo)要求,斷尾的情況如圖7所示。

表2 正交試驗(yàn)表Table 2 Orthogonal table

圖7 打斷的蔗尾Fig.7 Sugarcane tails broken off

4.4 結(jié)果分析

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果對4個影響因素進(jìn)行極差分析,結(jié)果如圖8所示。

圖8 各因素斷尾率極差圖Fig.8 Rage analysis of breaking tail

以斷尾率為試驗(yàn)指標(biāo)的方差分析表如表3所示。

表3 方差分析表Table 3 Anova table

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果與方差分析表,綜合分析可以得出如下結(jié)論:

1)在α=0.05顯著性水平下,對斷尾率指標(biāo)有顯著影響的因素有:耙葉輥轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輥與甘蔗交錯作用深度、耙葉輥與甘蔗交錯作用深度,以及耙葉輥轉(zhuǎn)速與剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速的交互作用和耙葉輥轉(zhuǎn)速與耙葉輥跟甘蔗交錯作用深度的交互作用,而剝?nèi)~輥與甘蔗交錯作用深度與耙葉輥轉(zhuǎn)速的交互作用對斷尾的影響不明顯。

2)對27次試驗(yàn)的斷尾率進(jìn)行綜合平均,可得改進(jìn)后剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)的斷尾率平均值為82.96%。這表明,改進(jìn)后的機(jī)構(gòu)斷尾功能得到明顯提高,斷尾目標(biāo)已達(dá)到預(yù)期斷尾率80%以上的要求。

3)耙葉輥轉(zhuǎn)速、耙葉輥與甘蔗交錯作用深度,以及耙葉輥轉(zhuǎn)速與剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速的交互作用、耙葉輥轉(zhuǎn)速與耙葉輥跟甘蔗交錯作用深度的交互作用是顯著影響斷尾率的因素,表明設(shè)計帶鉤狀耙葉齒的耙葉輥對尾部蔗葉進(jìn)行耙開,對提高斷尾功能確實(shí)具有關(guān)鍵性作用。

4)平均含雜率1.781%,仍然保持低于2%的低含雜率,完全滿足含雜率的要求。

5)綜合分析表明,在以斷尾率為指標(biāo)情況下的較優(yōu)組合為M2N3S3T3。

5 結(jié)論

1)剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)改進(jìn)后的斷尾率綜合水平為82.96%。臺架正交試驗(yàn)顯示對斷尾率影響顯著的因素有:耙葉輥轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速、剝?nèi)~輥與甘蔗交錯作用深度、耙葉輥與甘蔗交錯作用深度,以及耙葉輥轉(zhuǎn)速與剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速的交互作用、耙葉輥轉(zhuǎn)速與耙葉輥跟甘蔗交錯作用深度的交互作用。這說明,新設(shè)計的剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)提高了斷尾功能,使得斷尾率達(dá)到預(yù)期80%以上的要求。

2)甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)的耙葉輥轉(zhuǎn)速和耙葉刷與甘蔗間交錯深度對甘蔗斷尾率有顯著影響,說明耙葉輥的設(shè)計對蔗尾蔗葉先進(jìn)行耙開以協(xié)助斷尾,對改善斷尾功能是有關(guān)鍵作用的。

3)為了得到最好的剝?nèi)~斷尾效果,各個因素水平設(shè)置為:耙葉輥轉(zhuǎn)速700r/min,剝?nèi)~輥轉(zhuǎn)速1000r/min,剝?nèi)~輥與甘蔗交錯作用深度是40mm,耙葉輥與甘蔗交錯作用深度的最佳水平為60mm。