剥叶滚筒之间水平距离的调整对甘蔗剥叶的影响*

唐献全

(广州航海学院，广东 广州　510725)

0　引　言

柳州市星鸣农机科技公司生产6BZ-4型甘蔗剥叶机，该型剥叶机使用三个剥叶滚筒且呈倒三角形排列，两个剥叶滚筒在上面，一个剥叶滚筒在下面。采用弹簧钢丝作为剥叶元件，这种剥叶元件具有一定刚性和弹性。工作时剥叶滚筒旋转，带动剥叶元件不断打击蔗杆和蔗叶连接处的叶鞘，叶鞘在多次打击下就会断裂脱落，而剥叶元件的弹性则较好地保护了蔗杆使其不受损伤。在我国受到甘蔗压榨条件限制，蔗杆送到糖厂往往不能及时进行压榨，若蔗杆有伤痕就会发生腐烂变质的情况，该型剥叶机对甘蔗损伤较小较好地解决了这一问题。对于剥叶元件的选用很多学者做出了较为深入的研究。20世纪70年代日本研制出钢丝式剥叶机，2002年麻芳兰、涂汉进等学者对胶指剥叶元件和尼龙剥叶元件进行研究，但采用这些剥叶元件的剥叶机都有各自优点和不足。星鸣农机科技公司生产6BZ-4型剥叶机剥叶效果较好，受到蔗农欢迎和认可。笔者研究的目的是探索该型剥叶机三个剥叶滚筒之间水平距离的调整对甘蔗剥叶的影响，从而给该机型的生产和设计提供一些借鉴之处。笔者研究分为两部分：一是在ADAMS仿真分析软件中建立仿真分析模型，从理论上分析距离调整对甘蔗剥叶的影响；二是通过试验来分析剥叶滚筒之间水平距离调整对剥叶影响。

1　剥叶滚筒之间水平的调整与设计

6BZ-4型甘蔗剥叶机三个剥叶滚筒的位置是固定不变的，不能够调整。样机设计时要考虑剥叶滚筒之间水平距离参数的调整。调整时水平距离每次调整40 mm，可调整4次。考虑到剥叶滚筒之间水平最小距离为420 mm，剥叶滚筒之间水平距离变动范围在420～580 mm区间。

为了便于剥叶滚筒之间水平距离的调整，设计时上面两个剥叶滚筒可以在水平方向左右滑动，所以在剥叶滚筒两侧固定轴承座的位置上设计了5个水平调节孔，如图1所示。整机安装图，如图2所示。

图1　水平调节孔和滑动孔槽图2　整机安装图

2　剥叶滚筒之间水平距离调整对剥叶影响的仿真分析

2.1　输入条件

在ADAMS仿真分析软件中建立仿真分析模型。初始输入条件，甘蔗直径为30 mm，甘蔗喂入速度为1 000 mm/s，滚筒转速为800 r/min，滚筒输入扭矩为3 460 N·mm，碰撞接触参数参照尼龙与钢的参数。剥叶元件伸出端与甘蔗中心垂面水平距离l为5 mm。剥叶滚筒之间水平距离210 mm，垂直距离172 mm。

2.2　剥叶滚筒之间水平距离为230 mm时接触点的切向力分析

在ADAMS模型中,把滚筒之间水平距离调整为230 mm，如图3所示。仿真运行时间End Time设置为1 s，步数Steps设置为4000，仿真类型设置为动力学仿真，其余采用缺省设置。运行后进入后处理程序，剥叶元件的伸出端MARKER点在X方向上的位移与X和Y方向接触力绘制在同一图中，3个接触点状况如图4(a)、(b)、(c)所示。

图3　输入条件和三个接触点

图4　X、Y方向的接触力和MARKER点的位移

从图4(a)中看到剥叶元件与甘蔗共接触了12次，后几次的接触相对平稳一些。处理时，取后3次接触来进行计算，如图5所示。根据峰值点X和Y方向力及甘蔗接触特点得3次接触每个峰值点的切向力，结果在表1中。由上述3次接触切向力的计算结果可以计算出切向力的平均值。

则可计算contact1接触点切向力为284.3 N。

从图4(b)中看到剥叶元件与甘蔗共接触了6次。处理时，取后3次接触来进行计算。通过计算Contact2接触点切向力为292.7 N，计算同Contact1接触点。

从图4(c)中看到剥叶元件与甘蔗共接触了9次。处理时，取后3次接触来进行计算。通过计算Contact3接触点切向力为297.9 N，计算同Contact1接触点。

图5　contact1三次接触X、Y方向的接触力和MARKER点得位移

表1　峰值点切向力计算结果

2.3　剥叶滚筒之间水平距离为210 mm时接触点的切向力分析

把剥叶滚筒之间的距离调整为210 mm，其他输入条件与前面同，仿真设置与前面相同。仿真运行后进入后处理程序。同上述算法相同，contact1接触点切向力为272.7 N；Contact2接触点切向力为217.7 N；Contact3接触点切向力平均值为279.5 N。

2.4　剥叶滚筒之间水平距离为250 mm时接触点的切向力分析

把剥叶滚筒之间的距离调整为250 mm，其他输入条件与前面同，仿真设置与前面相同。仿真运行后进入后处理程序。同上述算法相同，contact1接触点切向力为326.1 N；Contact2接触点切向力为390.0 N；Contact3接触点切向力平均值为153.2 N。

2.5　剥叶滚筒之间水平距离调整对剥叶的影响

(1) 滚筒之间水平距离调整对接触点切向力的影响

（2）组装混凝土进入到输送泵的过程中，需要做好混凝土的检查工作，以防止砂石与水泥等杂物进入到混凝土中，从而有效减少混凝土使用性能较低的情况。

滚筒之间水平距离增加20 mm和40 mm与未增加前三个接触点的切向力列在表2中。

表2　三个接触点的切向力　/N

从表中可以看出随着水平距离的增加contact1、contact2和 contact3三个接触点切向力有时出现减小情况，但从总体上看接触点切向力还是增加的。

(2) 滚筒之间水平距离增加对剥叶的影响

由上述分析可知，滚筒之间水平距离增加使得接触点的切向力增加，剥叶元件与甘蔗接触时，更容易把甘蔗的叶鞘撕开，从而达到良好的剥叶效果。

3　剥叶滚筒之间水平距离对剥叶影响的试验与分析

3.1　试验材料

试验材料选用湛江雷州半岛幸福农场基地甘蔗，所用甘蔗品种为新台糖22号。选用甘蔗为基地大田自然生长的甘蔗，甘蔗根部直径在18～33 mm之间，高度在1 800～2 600 mm之间。在甘蔗生长期间由于受到台风的影响，甘蔗都出现了倒伏现象，因此试验使用的甘蔗也都是弯曲的，如图6所示。甘蔗采用人工收割方式来获得。

3.2　试验指标

甘蔗剥叶机剥叶效果好，剥叶后的杂质就少；相反，剥叶效果差，杂质就多，因此含杂率是非常重要的一个指标。剥叶后的甘蔗和杂质分别进行称重，杂质重量与剥叶后的甘蔗重量之比为含杂率。

3.3　含杂率回归模型分析

把试验的结果整理、统计和计算得到二次回归方程，回归方程为：

y=0.02411-2.2820×10-5x+1.8376×10-9x2

为了更清晰反映转速和含杂率的关系，把回归方程通过曲线形式表现出来，剥叶滚筒转速与含杂率的回归方程曲线，如图7所示。

图6　试验用甘蔗　　　　　图7　水平距离与含杂率的关系

试验结果表明，剥叶滚筒之间水平距离的增加含杂率降低，水平距离减小含杂率升高。在仿真分析中，随着剥叶滚筒之间水平距离增加，接触点的切向力随之增加，接触点的切向力增加对剥叶有利。反之，剥叶滚筒之间水平距离减小，接触点的切向力随之减小，接触点的切向力减小对剥叶不利。试验结果验证了仿真分析是正确的。

4　结　论

仿真分析中，剥叶滚筒之间水平距离增加，接触点的切向力也在增加。说明剥叶元件与甘蔗接触时，更容易把甘蔗的叶鞘撕开，越有利于剥叶。通过试验后绘制出的含杂率的回归方程曲线，可知剥叶滚筒之间水平距离的增加，剥叶之后含杂率减小。说明剥叶滚筒之间水平距离越大剥叶的效果越好，这与仿真分析的结论是一致的。