摘要：針對(duì)甘蔗剝?nèi)~元件對(duì)剝?nèi)~效果影響的不同，通過對(duì)不同甘蔗剝?nèi)~元件的試驗(yàn)分析，探討各種剝?nèi)~元件的剝?nèi)~質(zhì)量，為剝?nèi)~裝置的選材提供參考。對(duì)現(xiàn)有3種剝?nèi)~元件（鋼絲繩、尼龍絲繩、橡膠脂）進(jìn)行正交回歸試驗(yàn)，分析各種元件與剝?nèi)~質(zhì)量存在的關(guān)系，得出較優(yōu)的剝?nèi)~元件。結(jié)果表明，剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)剝?nèi)~質(zhì)量影響最明顯，在各因素優(yōu)化值區(qū)間下，橡膠脂剝?nèi)~元件的含雜率為0.293%，橡膠脂剝?nèi)~元件可作為甘蔗剝?nèi)~元件材料的較優(yōu)選擇。

關(guān)鍵詞：甘蔗機(jī)械；剝?nèi)~元件；試驗(yàn)分析；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：S225.5+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）09-2234-04

目前國(guó)內(nèi)甘蔗收獲機(jī)械化方式中主要有整稈式和切段式兩種，切段式收獲機(jī)械沒有剝?nèi)~裝置，而整稈式收獲機(jī)械中則有剝?nèi)~裝置，對(duì)整稈式收獲機(jī)械中剝?nèi)~裝置的研究，能夠?yàn)閯內(nèi)~裝置的改進(jìn)提供試驗(yàn)依據(jù)，從而提高剝?nèi)~質(zhì)量和剝?nèi)~效率。當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)甘蔗剝?nèi)~機(jī)械（裝置）的研究也較為廣泛，采用的研究方法有物理樣機(jī)試驗(yàn)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、計(jì)算機(jī)仿真、高速攝像分析等；研究主要內(nèi)容有剝?nèi)~裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、各運(yùn)動(dòng)部件參數(shù)、剝?nèi)~元件的選材、壽命和剝?nèi)~質(zhì)量等，其中剝?nèi)~元件的選材、壽命及剝?nèi)~質(zhì)量是目前研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文從剝?nèi)~元件的選材及剝?nèi)~質(zhì)量之間的相互關(guān)系，通過正交試驗(yàn)研究不同剝?nèi)~元件材料與剝?nèi)~質(zhì)量存在的內(nèi)在聯(lián)系，探討各種剝?nèi)~元件的剝?nèi)~質(zhì)量，為剝?nèi)~裝置的選材提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)用的甘蔗材料為收割1 d后的臺(tái)糖10#，數(shù)量500根，甘蔗斷尾后測(cè)得平均長(zhǎng)度為1 820.5 mm，平均直徑為22.56 mm，蔗葉含水率為27.3%，莖葉比約為1∶0.05，直蔗和彎蔗的比例為10∶1。購(gòu)買3種不同材料的剝?nèi)~元件，分別為鋼絲、尼龍和橡膠脂，各12排，可供安裝在剝?nèi)~滾筒上。

1.2 設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院研制的甘蔗剝?nèi)~試驗(yàn)臺(tái)[1]，其結(jié)構(gòu)主要由臺(tái)架、上下輸入輥、剝?nèi)~滾筒、上下輸出輥、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、無級(jí)調(diào)速電機(jī)等組成。上下輸入輥的間距可調(diào)，與剝?nèi)~滾筒的水平方向距離可進(jìn)行移動(dòng)調(diào)節(jié)；輸出輥與剝?nèi)~滾筒之間的水平距離可調(diào)。設(shè)備的工作原理主要是通過剝?nèi)~滾筒旋轉(zhuǎn)，其上的剝?nèi)~元件與輸入輥傳送來的甘蔗發(fā)生摩擦撞擊，蔗葉便脫離拋向輸入輥的后方，隨后甘蔗在輸出輥的推送下也拋離剝?nèi)~裝置。

1.3 方案實(shí)施

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)甘蔗剝?nèi)~機(jī)械的相關(guān)研究[2-8]，影響剝?nèi)~質(zhì)量的主要因素有：剝?nèi)~元件材料、剝?nèi)~元件排布方式、輸入輥轉(zhuǎn)速、輸入輥與剝?nèi)~滾筒水平方向的間距、剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速、輸出輥與剝?nèi)~滾筒水平方向的間距、輸出輥轉(zhuǎn)速等。以剝?nèi)~質(zhì)量的主要指標(biāo)含雜率（y）作為試驗(yàn)指標(biāo)，y=（殘存蔗葉量/剝?nèi)~后甘蔗總重量）×100%，y1為鋼絲剝?nèi)~元件的含雜率，y2為尼龍剝?nèi)~元件的含雜率，y3為橡膠脂剝?nèi)~元件的含雜率；輸入輥轉(zhuǎn)速（x1）、剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速（x2），輸入輥與剝?nèi)~滾筒水平方向的間距（x3）、輸出輥轉(zhuǎn)速（x4）作為試驗(yàn)因素，采用正交試驗(yàn)法，四因素三水平確定各因素的水平值，因素與水平如表1所示，選取L27（313）正交表進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)的甘蔗數(shù)量為5根，單根進(jìn)行剝?nèi)~，測(cè)得的數(shù)據(jù)取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

3種材料的剝?nèi)~元件進(jìn)行試驗(yàn)的次序分別是鋼絲剝?nèi)~元件、尼龍剝?nèi)~元件、橡膠脂剝?nèi)~元件。每種材料的剝?nèi)~元件進(jìn)行的試驗(yàn)次數(shù)都為27次，每次都測(cè)得其剝?nèi)~的含雜率。最終的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 數(shù)學(xué)模型 采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件SPSS對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，分別得到3種材料剝?nèi)~元件含雜率的數(shù)學(xué)模型，如下：

■1=-3.571+0.007 x1+0.01 x2-x1x2×10-5-2.9 x2x3×10-5 +3.47 x32×10-5 （1）

■2=-3.844+0.006 x1+0.012 x2-0.001 x4-1.1 x1x2×10-5 -3.5 x2x3×10-5+4.24 x32×10-5 （2）

■3=-4.844+0.021 x2-0.007 x4-1.9 x1x2×10-5+3.22 x1x4×10-5-6.3 x2x3×10-5+7.72 x32×10-5 （3）

方程（1）、（2）、（3）中■1，■2，■3分別指的是鋼絲剝?nèi)~元件含雜率、尼龍剝?nèi)~元件含雜率和橡膠脂剝?nèi)~元件含雜率的回歸值。對(duì)所得的3個(gè)回歸方程及其系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。從表3可以看出，回歸方程在0.05內(nèi)高度顯著，其系數(shù)也在不同程度上達(dá)到顯著水平，所得的回歸方程是合理的。

2.2.2 單因素對(duì)含雜率的影響分析 由“2.2.1”中3個(gè)關(guān)于含雜率的數(shù)學(xué)模型，在零水平的條件下可分別得到各因素與含雜率的函數(shù)關(guān)系圖，如圖1所示。

由圖1a可知，尼龍和橡膠脂剝?nèi)~元件的輸入輥轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響比較顯著，隨著輸入輥轉(zhuǎn)速增大，含雜率就減小；由圖1b可知，鋼絲和橡膠脂剝?nèi)~元件的滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響比較顯著，隨著滾筒轉(zhuǎn)速增大，含雜率減?。挥蓤D1c可知，3種剝?nèi)~元件的輸入輥間距對(duì)含雜率的影響均為顯著，隨著間距的增大，含雜率減??；由圖1d可知，尼龍和橡膠脂剝?nèi)~元件的輸出輥轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響均為顯著，但尼龍剝?nèi)~元件的輸出輥轉(zhuǎn)速增大，含雜率減小更明顯。綜合以上4個(gè)圖形，可找出各因素的優(yōu)化區(qū)間：輸入輥轉(zhuǎn)速區(qū)間為150～250 r/min，剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速區(qū)間為600～900 r/min，輸入輥間距區(qū)間為200～300 mm，輸出輥轉(zhuǎn)速區(qū)間為280～350 r/min。

2.2.3 回歸方程綜合分析與優(yōu)化 試驗(yàn)的主要目的是要分析出3種不同材料剝?nèi)~元件剝?nèi)~質(zhì)量的差異，先從回歸方程定性方面分析，由方程（1）、（2）可知，鋼絲剝?nèi)~元件和尼龍剝?nèi)~元件的含雜率與試驗(yàn)因素x1、x2、x3關(guān)系較為顯著，與試驗(yàn)因素x4關(guān)系不顯著；由方程（3）可知，橡膠脂剝?nèi)~元件的含雜率與試驗(yàn)中的4個(gè)因素關(guān)系均較為顯著。由表3中的回歸方程系數(shù)分析，方程（1）與方程（2）的擬合程度相當(dāng)，方程（3）相對(duì)擬合程度相對(duì)差點(diǎn)，但對(duì)試驗(yàn)結(jié)論無影響。

定量分析中需要把3個(gè)回歸方程的回歸值進(jìn)行優(yōu)化，然后比較各自回歸值的大小，就能清楚了解3種不同剝?nèi)~元件的剝?nèi)~質(zhì)量的差異。采用MATLAB數(shù)學(xué)軟件對(duì)3個(gè)回歸方程進(jìn)行綜合優(yōu)化，優(yōu)化過程需要先確定各因素的優(yōu)化區(qū)間值，然后再對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。各因素的優(yōu)化區(qū)間值為各自的上下水平值區(qū)域，含雜率取值區(qū)間在0～10%。對(duì)方程（1）在四因素優(yōu)化組合下：x1=250 r/min，x2=900 r/min，x3=300 mm，x4=0，可得到較優(yōu)的值y1min=0.322%；對(duì)方程（2）在四因素優(yōu)化組合下：x1=250 r/min，x2=900 r/min，x3=300 mm，x4=0，可得到較優(yōu)的值y2min=0.347%；對(duì)方程（3）在四因素優(yōu)化組合下：x1=248.925 r/min，x2=806.606 r/min，x3=300 mm，x4=312.228 r/min，可得到較優(yōu)的值y3min=0.293%。

3 小結(jié)與討論

試驗(yàn)對(duì)3種甘蔗剝?nèi)~元件進(jìn)行綜合試驗(yàn)對(duì)比，分析3種剝?nèi)~元件剝?nèi)~效果之間的差異。從優(yōu)化過程中可知，剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響最顯著，隨著剝?nèi)~滾筒轉(zhuǎn)速數(shù)值增大，含雜率就隨之減小；從優(yōu)化結(jié)果可知，方程（1）與方程（2）的優(yōu)化結(jié)果差異不大，方程（3）的優(yōu)化結(jié)果回歸值最小，即橡膠脂剝?nèi)~元件的含雜率最小，表明橡膠脂剝?nèi)~元件作為甘蔗剝?nèi)~機(jī)的剝?nèi)~材料比鋼絲和尼龍兩種材料好。與前人對(duì)甘蔗剝?nèi)~元件的試驗(yàn)研究成果相比，本研究主要在剝?nèi)~元件材料選擇、剝?nèi)~效果分析上有明顯的區(qū)別：前人選擇一種或兩種剝?nèi)~元件材料，本文則選擇3種剝?nèi)~元件綜合進(jìn)行分析；前人對(duì)相關(guān)試驗(yàn)分析的結(jié)果顯示，含雜率一般在1%左右，剝?nèi)~元件材料為尼龍的剝?nèi)~效果較好，而本文的研究結(jié)果表明，含雜率優(yōu)化后可達(dá)0.3%左右，橡膠脂材料為較優(yōu)的剝?nèi)~元件材料。

根據(jù)以上對(duì)3種剝?nèi)~元件材料的試驗(yàn)分析可以得知，橡膠脂剝?nèi)~元件是一種較為理想的剝?nèi)~材料，含雜率可達(dá)0.293%，剝?nèi)~滾筒的轉(zhuǎn)速對(duì)剝?nèi)~質(zhì)量的影響最顯著。但影響甘蔗機(jī)械剝?nèi)~質(zhì)量的因素很多，本研究?jī)H僅分析了4種因素對(duì)含雜率的影響，還未考慮剝?nèi)~元件的排布方式、剝?nèi)~元件材料的受力分析及其壽命分析等因素，后期對(duì)甘蔗機(jī)械剝?nèi)~質(zhì)量的研究還需要綜合多方面影響因素加以研究，以便得到更加合理的剝?nèi)~機(jī)械的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及剝?nèi)~元件。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊 堅(jiān)，黃麗麗，楊 望，等.彎、直蔗剝?nèi)~質(zhì)量影響因素的試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（4）：123-129.

[2] 蘇文桂，李尚平，王 勇，等.非直線型甘蔗剝?nèi)~元件排列方式的試驗(yàn)研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，26（4）：278-282.

[3] 王光炬，楊 堅(jiān)，梁兆新，等.小型甘蔗剝?nèi)~機(jī)剝?nèi)~質(zhì)量影響因素的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006（12）：142-145.

[4] 麻芳蘭，李尚平，何玉林，等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的甘蔗收獲機(jī)剝?nèi)~元件性能研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37（7）：69-73.

[5] 蒙艷玫，劉正士，李尚平，等.甘蔗收獲機(jī)械排刷式剝?nèi)~元件虛擬試驗(yàn)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34（4）：43-46.

[6] 黃麗麗.甘蔗剝?nèi)~機(jī)剝?nèi)~質(zhì)量影響因素的試驗(yàn)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2008.

[7] 黃 瑞，梁 式，單 蘭，等.甘蔗剝?nèi)~機(jī)剝?nèi)~元件螺旋裝夾方式的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007（4）：99-101，105.

[8] 牟向偉，區(qū)穎剛，劉慶庭，等.彈性齒滾筒式甘蔗剝?nèi)~裝置[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（4）：60-65.