弹簧铰链式自适应甘蔗剥叶机构设计

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甘蔗收获作业工作量约占甘蔗种植作业工作总量的55%，其中剥叶时间约占甘蔗收获时间的60%左右，是甘蔗收获作业中时间最长、劳动强度最大的作业环节，也是影响甘蔗种植机械化作业水平的关键环节。美国、巴西 、古巴、澳大利亚等国的甘蔗种植多为大规模连片种植，已基本实现种、管、收全程机械化作业 ，甘蔗收获大都应用高效的大功率联合收获机 ，在甘蔗收获前先用火焚烧甘蔗茎叶，再由大型联合收获机将甘蔗切为蔗段，并由收获机上的轴流式抽风机去除剩余包叶，收获机不设剥叶机构。中国、日本、印度、泰国、菲律宾等亚洲国家的蔗区多为丘陵地带，山坡地、虚地居多，地形复杂，甘蔗种植不规则、不成片，不适合使用大型联合收获机作业，主要推广由甘蔗收获机、甘蔗剥叶机和运输机械组成的小型分段式收获系统，甘蔗剥叶主要使用独立式甘蔗剥叶机或在整杆式甘蔗收201 1年度广西高等学衅研资助项目 (编号：200103YB193)收稿日期 ：2013-05-16获机上安装剥叶机构完成。

剥叶机构是甘蔗剥叶机的核心装置。自2O世纪80年代以来，我国相关科研院所和高等院校加大了对包括甘蔗剥叶机在内的甘蔗收获机械的研制力度，并从13本、澳大利亚等国引进先进机型进行消化吸收，成功研制出-批主要技术指标达到国外同类机型水平的剥叶机 ，主要配置离心滚筒式剥叶机构。从整体上看，我国研制的各型甘蔗剥叶机 ，剥叶效果仍不理想，含杂率、伤皮率 、折断率以及剥叶元件寿命、整机适应性等主要技术指标仍不能满足市场要求，尤其是剥叶元件寿命短和含杂率高两大关键技术问题仍未能取得根本性突破，影响甘蔗剥叶机的推广使用。因此，加强甘蔗剥叶机构的研制，对于提升我国甘蔗种植业的机械化作业水平，具有重要的现实意义。

1离心滚筒式剥叶机构存在的主要问题分析目前国内市场上的整杆式甘蔗收获机或独立式甘蔗剥叶机，大多配置由送料轮、剥叶滚筒、湛年远 等：弹簧铰链式自适应甘蔗剥叶机构设计 研究与剥叶元件等部分组成的离心滚筒式剥叶机构，如图 l所示。甘蔗由送料轮喂人剥叶机构，利用剥叶元件高速旋转时产生的离心摩擦力打击甘蔗茎杆而将蔗叶剥除b 。-般使用柴油机、汽油机或手扶拖拉机为配套动力 ，常用的剥叶元件材料有钢丝绳 、钢刷、橡胶指、尼龙丝和环链等。

1.送料轮 2.剥叶滚筒 3.剥叶兀件 4.甘蔗图 l 离心滚筒式剥叶机构离心滚筒式剥叶机构存在的主要问题如下。

(1)剥叶效果不理想。限于甘蔗剥叶机理方面的问题，离心滚筒式甘蔗剥叶机构在剥叶时 ，甘蔗茎叶不是被剥落，而是依靠剥叶元件对蔗叶的反复击打、摩擦、扯拽而使之脱落，剥叶元件对甘蔗表皮的损伤大。剥叶滚筒-般沿甘蔗径向对称布置两个，不论剥叶元件在剥叶滚筒上如何装夹，均会存在剥叶肓区，剥叶不干净，含杂率、伤皮率较高。

(2)剥 叶 元件 寿 命短。剥叶元件在工作中受打击力 、摩擦力大 ，且属周期性变化 的交变应力 ，橡胶指、尼龙丝等剥叶元件易磨损 ，钢丝 、钢刷等剥叶元件则易发生疲劳折断 ，-般处理甘蔗不超过55吨，且钢丝 、钢刷剥叶元件的伤皮率较高。环链剥叶元件的使用寿命相对较长，但伤皮率高，剥叶后的甘蔗须眷安排压榨处理 ，与国内蔗糖业的生产管理水平不相适应，难以为国内糖厂和广大蔗农接受。

(3)剥叶元件维护不便。为增强甘蔗剥叶机对山坡地的适应能力，国内的甘蔗剥叶机大都设计得比较小巧，剥叶元件-般安装在-个相对密封的狭姓间内，开放性差，操作空间小，剥叶元件的维护、更换麻烦。

(4)自适应能力差。我国蔗区主要分布在广东、广西、辅、海南等南方省区，均为热带或亚热带台风地带，甘蔗种植期间多台风和阴雨天气，甘蔗倒伏多，弯曲度大且不规则。离心滚筒式剥叶机构的输送传动装置大多采用固定结构，前 、后送料轮之间的相对距离 固定或可调范围小 ，有些剥叶机的上 、下剥叶滚筒也采用固定结构，难以自动适应不同蔗径和不同弯曲度的甘蔗剥叶，甘蔗剥叶机的折断率较高。

2弹簧铰链式自适应剥叶机构设计2.1尾叶切剥机构尾叶切剥是甘蔗剥叶的第-道工序，其目的是将蔗尾切除，并将甘蔗尾部的嫩叶剥落，为甘蔗茎叶剥落做好准备。尾叶切剥机构主要由切尾锯片、切尾刀筒、尾叶剥落刀安装杆、尾叶剥落刀等部分构成，如图2所示。

刀筒上开设有两个对称的刀杆安装口，以方便尾叶剥落刀安装杆和尾叶剥落刀的安装与维修，同(a)尾叶切剥原理 (b)装配示意图1.切尾锯片 2.切尾刀筒 3.尾叶剥落刀安装杆 4.转动销 5.锯片固定螺钉6.弹簧 7.尾叶剥落刀 8.内六角螺钉 9.刀片锁紧螺钉图2 尾叶切剥机构 与开发时用作尾叶出料口，剥下的蔗尾嫩叶由刀杆安装 口排出。切尾锯片用螺钉固定在刀筒上，尾叶剥落刀安装杆通过转动销安装在刀筒上并由弹簧压紧，尾叶剥落刀用螺钉紧固在安装杆内，如图2(b)所示。

切剥尾叶时，切尾锯片、尾"tgO落刀安装杆以及尾叶剥落刀随切尾刀筒高速旋转，利用锯片切除蔗尾后，将甘蔗送入切尾刀筒，高速旋转的尾叶剥落刀在弹簧力和离心力的共同作用下压紧在蔗杆表面，利用尾叶剥落刀对1.机架 2.送料轮安装架 3.前下送料轮轴 4.前下送料轮 5.前上送料轮轴6.前上送料轮 7.螺栓组件图4 前送料轮安装示意图甘蔗的切割作用而将蔗尾嫩叶剥落。由于尾叶剥落刀安装杆设计为弹簧铰链机构，可绕转动销轴线旋转 ，因而可以 自动适应甘蔗蔗径的大小变化，如图2(a)所示。

2.2主剥叶机构设计主剥叶机构主要由送料轮 、剥叶刀、弹簧铰链机构等部分构成。左、右剥叶刀和下剥叶刀通过铰链与固定的机架连接，并由弹簧压紧，剥叶刀杆可绕铰链转动以自动适应甘蔗蔗径的变化。

不剥叶时，左 、右剥叶刀在弹簧力的作用下闭合 ，上剥叶刀在平衡块的重力作用下向上张开以方便甘蔗喂人，下剥叶刀则在弹簧力作用下向上抬起。为方便甘蔗喂人剥叶机构 ，在左、右剥叶刀的上部焊接有两块V形导向板，如图3所示。

甘蔗剥叶时，将切尾后的甘蔗从 v形导向板向下压人剥叶机构并向前喂人送料轮 ，利用送料轮与甘蔗之间的摩擦力将甘蔗自动向前输送。此时，甘蔗将平衡块向上托起 ，使上剥叶刀向下转动而压紧在蔗杆上表面，左 、右剥叶刀和下剥叶刀则在弹簧力的作用下压紧在蔗杆表面，四把剥叶刀呈同心圆包裹住甘蔗茎杆，利用剥叶刀与甘蔗之间的相对运动而将甘蔗茎叶铲剥脱落。

为适应不同蔗径的甘蔗通过，在前 、后两个上送料轮的上方安装有调节弹簧，当甘蔗蔗径变化时，两个上送料轮均可上、下浮动，从而 自动适应甘蔗蔗径的变化。为适应不同弯曲度的甘蔗通过，后送料轮的安装位置固定，前料轮的安装位置则可利用安装架上的槽形结构进行调整，从而适应不同弯曲度的甘蔗通过 ，避免甘蔗因弯曲度过大而折断，如图4所示。

3剥叶效果分析1.机架 2.左剥叶刀 3.上剥叶刀 4.甘蔗 5.右剥叶刀 6.后上送料轮 7、8、12、15、l6.弹簧 .9.前上送料轮 l0.平衡块 11.下剥叶刀 13.前下送料轮 14.后下送料轮图3 主剥叶机构剥叶机设计为双工位手推车式，在主剥叶机构左右两侧配置两个尾叶切剥机构，如图 5所示。剥叶机以2.27 kW柴油机为配套动力，动力转速3 000 r/min，送料轮转速800 r/min，切尾刀筒转速2 400 r/min。剥叶试验数据如下 ：含杂率≤3%，折断率≤3%，伤皮率≤2%，生产率 ≥800根/h，油耗 ≤0.9 kg/t。

湛年远 等：弹簧铰链式自适应甘蔗剥叶机构设计 研究与1、3.尾叶切剥机构 2.主剥叶机构图5 剥叶机构配置示意图4主要结论(1)剥叶效果好。四把剥叶刀呈同心圆压紧在蔗杆表面，对甘蔗茎叶进行铲剥式剥叶，不留剥叶肓区，剥叶干净彻底。只要左、右剥叶刀和下剥叶刀的弹簧预紧力调整合适，即可较好地控制剥叶刀对蔗茎表皮的损伤，较好地克服了离心滚筒式剥叶机构含杂率和伤皮率高的问题，剥叶效果好。

(2)自适应能力强。尾叶切剥机构和主剥叶机构的剥叶刀均设计为弹簧铰链机构，两个上送料轮设计为弹性浮动结构，能够自动适应甘蔗蔗径的变化。前 、后送料轮之间的相对距离可调 ，在将甘蔗适当分组后，能够较好地适应不同弯曲(上接 第 37页)[3]Liacouras PC，Wayne JS.Computational modeling to pre-dict mechanical function of joints：application to the low-er leg with simulation of two cadaver studies[J J.J Bio-mech Eng，2007， 129： 811-817。

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(3)剥叶刀使用寿命长，维护维修方便。剥叶刀使用优质碳素结构钢制作并经热处理，抗磨损能力强。采用铲剥式剥叶，避免了离心打击式剥叶法的交变应力，剥叶刀的使用寿命长。四把主剥叶刀安装在剥叶机构的外部，尾叶剥落刀则安装在切尾刀筒开口处的安装杆上并由螺钉锁紧，结构上完全开放，拆装、维护、更换方便。

尾叶剥落刀安装杆通过转动销与切尾刀筒联接，转动销由切尾锯片封装在切尾刀筒内，卸下切尾锯片，利用内六角螺钉取出转动销，即可方便地将尾叶剥落刀安装杆整体取出，安装、维护非常方便。