小型甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)改進(jìn)與試驗(yàn)研究

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(duì)提高我國(guó)食糖的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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(zhǎng)連接緊密,如不斷除蔗尾則難以提高剝凈率。國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)此展開了研究:麻芳蘭等設(shè)計(jì)了三角形剝?nèi)~輪布局的剝?nèi)~機(jī)構(gòu);牟向偉等設(shè)計(jì)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(dòng)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(duì)周布橡膠圓柱的輸入輥、1對(duì)均布高分子剝?nèi)~刷的剝?nèi)~輥和1對(duì)同樣周布橡膠圓柱的輸出輥,均呈上下對(duì)稱分布,上下剝?nèi)~輥的剝?nèi)~刷與甘蔗有一定的交錯(cuò)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(shí),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(shí)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(shí)可以起到一定的對(duì)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(jì)

根據(jù)前述“耙葉—?jiǎng)內(nèi)~—斷尾”的設(shè)計(jì)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(duì)耙葉輥以實(shí)現(xiàn)撕開尾部蔗葉的目的。耙葉輥的設(shè)計(jì)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(duì)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(jì)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(jì)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(jì)思路是:耙葉輥高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),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(duì)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(gè)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(hào),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(jì)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(jì)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(tái)架。臺(tái)架主要由安裝支架、1對(duì)夾持輸入輥、3個(gè)剝?nèi)~斷尾輥、1對(duì)夾持輸出輥及動(dòng)力傳動(dòng)部件等組成。輸入輥、輸出輥和剝?nèi)~輥分別由3個(gè)25W電機(jī)驅(qū)動(dòng),各自以1臺(tái)型號(hào)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(duì)4個(gè)影響因素進(jìn)行極差分析,結(jié)果如圖8所示。

圖8 各因素?cái)辔猜蕵O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(duì)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(cuò)作用深度、耙葉輥與甘蔗交錯(cuò)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(cuò)作用深度的交互作用,而剝?nèi)~輥與甘蔗交錯(cuò)作用深度與耙葉輥轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)斷尾的影響不明顯。

2)對(duì)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(cuò)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(cuò)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(jì)帶鉤狀耙葉齒的耙葉輥對(duì)尾部蔗葉進(jìn)行耙開,對(duì)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(tái)架正交試驗(yàn)顯示對(duì)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(cuò)作用深度、耙葉輥與甘蔗交錯(cuò)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(cuò)作用深度的交互作用。這說明,新設(shè)計(jì)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(cuò)深度對(duì)甘蔗斷尾率有顯著影響,說明耙葉輥的設(shè)計(jì)對(duì)蔗尾蔗葉先進(jìn)行耙開以協(xié)助斷尾,對(duì)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(gè)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(cuò)作用深度是40mm,耙葉輥與甘蔗交錯(cuò)作用深度的最佳水平為60mm。