整稈式甘蔗收割機剝葉過程仿真分析與試驗

謝盧鑫，王　俊，程紹明，曾伯勝，楊子增，陳保善，黃有總

整稈式甘蔗收割機剝葉過程仿真分析與試驗

謝盧鑫1,2，王俊1※，程紹明1，曾伯勝3，楊子增3，陳保善4,5，黃有總4,6

（1. 浙江大學生物系統工程與食品科學學院，杭州 310058；2. 西南大學工程技術學院，重慶 400715；3. 廣西農業機械研究院有限公司，南寧 530007；4. 廣西大學農學院，南寧 530004；5. 亞熱帶農業生物資源保護與利用國家重點實驗室，南寧 530004；6. 蔗糖產業省部共建協同創新中心，南寧 530004）

整稈式甘蔗收割機剝葉機構的作業質量對收獲后甘蔗莖稈的蔗葉殘留有重要影響，合理的作業參數可有效改善剝葉機構的剝葉質量。該研究通過建立甘蔗剝葉過程仿真模型分析莖稈和剝葉元件的相互作用過程及其應力變化以及莖稈的受力情況，采用單因素仿真試驗研究喂入輥筒轉速、剝葉輥筒轉速及莖稈與剝葉元件搭接長度對莖稈和剝葉元件所受峰值應力的影響規律。在仿真分析的基礎上建立甘蔗剝葉作業試驗臺，采用Box-Behnken試驗方案研究關鍵作業參數對莖稈未剝凈率（剝葉后殘留蔗葉和葉鞘占剝葉前全部蔗葉和葉鞘的比值）的影響規律并獲得最佳作業參數：喂入輥筒轉速250 r/min，剝葉輥筒轉速540 r/min，莖稈與剝葉元件搭接長度13.9 mm，甘蔗喂入根數1.68根，此時莖稈未剝凈率為2.2%。驗證試驗結果表明，在單根和雙根喂入時，甘蔗莖稈未剝凈率分別為2.0%和3.1%。通過高速攝像分析葉鞘的剝離過程，并獲得最優作業參數下莖稈的輸送速度區間為2.3～2.9 m/s。該研究結果為改善甘蔗收割機剝葉效果、提高作業適應性提供參考。

農業機械；優化；收獲；甘蔗；剝葉機構；仿真分析；高速攝像

0 引 言

整稈式甘蔗收割機主要由切梢器、分蔗扶蔗器、根切器、喂入機構、剝葉機構和集蔗器等組成[1-2]，可依次完成甘蔗的切梢、扶倒、根切、輸送、剝葉和集堆等作業[3]。在甘蔗整稈收獲過程中，剝葉機構的作業質量是影響收獲后甘蔗雜質含量的重要因素[4]。目前使用的剝葉元件主要是尼龍刷或橡膠指，剝葉機構在工作過程中依靠高速旋轉的剝葉元件擊打莖稈，并對莖稈進行推擠、摩擦以使蔗葉脫離蔗莖[5-7]。

日本從20世紀70年代開始研制甘蔗剝葉裝置[8]，其剝葉元件采用鋼絲繩，但鋼絲材料彈性和韌性低，容易折斷且難以更換[9]。90年代初，Beckwith[10]將尼龍作為剝葉元件材料應用到甘蔗剝葉機上，但其剝葉效果及使用壽命隨尼龍材料的組成成分表現出巨大差異。泰國和印度等國家主要采用離心撞擊的方式剝葉，存在的主要問題是剝葉元件易磨損、使用壽命短、剝葉效果不理想，甘蔗易損傷和折斷并阻塞輸送通道等[11-12]。針對這些問題，國內學者也開展了大量研究，主要通過數理統計分析、數學建模和計算機優化的方法研究影響因素和剝葉效果之間的關系[13-14]。

收獲期的甘蔗莖稈中部和下部的蔗葉和葉鞘含水率較低，葉鞘與莖稈間的連接力較小，蔗葉較易從莖稈上分離[15]。但莖稈尾梢處的蔗葉較嫩，含水率較高，葉鞘緊緊包裹莖稈且葉鞘彼此重疊，剝離難度較大。國內學者圍繞葉鞘的力學特性、破壞機理及剝葉方式進行了研究。張增學[16]分析了梳刷式剝葉機的剝葉機理，提出剝葉過程主要由壓緊階段、撕裂牽扯階段和向后拋送階段組成，并指出影響剝葉效果的主要因素及其參數；Meng等[17-18]通過數值模擬試驗證明了橡膠等不同高分子材料對甘蔗的作用應力和打擊力不同，并對排刷式剝葉元件不同裝夾方式的工作機理進行了研究，結合ANSYS軟件分析了不同裝夾螺旋角對剝葉功耗的影響。牟向偉等[19-20]建立了剝葉元件作用于葉鞘的簡化力學模型，運用高速攝像技術研究了葉鞘的破壞過程。研究表明，葉鞘主要破壞形式有葉鞘脫落、葉鞘撕裂和葉鞘與莖稈分離，葉鞘最容易實現的破壞形式為在橫向拉力作用下的薄壁組織撕裂，葉鞘最大橫向抗拉強度為0.90 MPa，撕裂后的葉鞘與莖稈在軸向上的最大連接強度為0.78 MPa。隨后，牟向偉等[21]設計了彈性齒輥筒式甘蔗剝葉機構，通過正交試驗和綜合剝葉試驗得出最優解，并結合高速攝像技術研究了葉鞘的破壞機理；麻芳蘭等[22-23]提出了一種采用三角形布局的剝葉斷尾方式，通過正交試驗對剝葉元件的性能進行了優化，在此基礎上設計了一種蔗葉分離機構；劉芳建等[24]探索了一種逆剝葉方式，并通過試驗臺試驗證實其逆剝效果表現優異；黃深闖等[25]通過試驗和參數反求法建立了甘蔗莖稈-蔗葉有限元模型，可為后期剝葉仿真分析提供更加精確的模型。

綜合目前對剝葉機構的研究現狀可知，國內外學者已經對剝葉機構的剝葉原理進行了很多研究，也通過試驗臺試驗優化了剝葉元件結構，但相關研究均未涉及剝葉元件關鍵作業參數對剝葉效果的影響，尤其是剝葉元件與莖稈的相互作用過程以及莖稈在剝葉過程中的受力情況。基于此，本研究擬通過建立甘蔗剝葉過程仿真模型進一步分析莖稈和剝葉元件的相互作用過程、二者的應力變化以及莖稈的受力情況。在仿真分析的基礎上搭建甘蔗剝葉試驗臺，研究關鍵作業參數對莖稈未剝凈率的影響并優化作業參數，最后通過高速攝像試驗分析葉鞘的剝離過程及莖稈的運動狀態，并結合Blaster’s MAS圖像處理軟件分析莖稈在剝葉過程中的運動速度，以充分挖掘剝葉元件與莖稈的相互作用機理，為改進整稈式甘蔗收割機剝葉機構提供參考。

1 甘蔗收割機剝葉機理

如圖1所示，在剝葉過程中，收割機上、下剝葉輥筒勻速轉動，甘蔗莖稈穿過相鄰2個剝葉元件之間的間隙，被剝葉元件夾持和擠壓并向后輸送，莖稈受到法向力F和切向力的作用。切向力的水平分量F沿軸向將蔗葉和葉鞘剝離，垂直分量F將葉鞘從莖稈上拉開[26]，法向力F使剝葉元件與莖稈產生摩擦作用，有利于對莖稈進行梳刷，但會導致莖稈在豎直方向產生波動，易造成莖稈折斷。剝葉元件相對于莖稈的運動速度是影響剝葉機構剝葉效果的重要因素，適當的相對速度有利于降低甘蔗的折斷率。

注：F為切向力，N；Fz為法向力，N；Fx為F的水平分量，N；Fy為F的垂直分量，N；v為甘蔗輸送速度，m·s-1。

剝葉元件對甘蔗葉鞘的主要破壞作用為拉伸和剪切，本文采用橫向拉伸強度、縱向拉伸強度和剪切強度作為衡量甘蔗葉鞘破壞的基本指標，當任意一個應力分量達到葉鞘強度值時葉鞘被破壞。相關研究[20]表明，對于莖稈上與剝葉元件相互作用的葉鞘，其外表面受到剝葉元件的切向作用力和法向作用力F'，單位面積上葉鞘剝離的力學模型可以表示為

式中F'為切向作用力的水平分量，N；F'為切向作用力的豎直分量，N；為甘蔗葉鞘內徑，mm；為甘蔗葉鞘微單元厚度，mm；為單位面積甘蔗葉鞘的橫截面積與整個甘蔗葉鞘橫截面積的比值；為甘蔗葉鞘微單元寬度，mm；σ為甘蔗葉鞘在水平方向上的最大拉應力，MPa；σ為甘蔗葉鞘在豎直方向上的最大拉應力，MPa；為甘蔗莖稈與葉鞘內表面的動摩擦因數。

由式（1）～（2）可知，剝葉元件施加在甘蔗葉鞘上的作用力的水平和豎直分量需同時大于或等于甘蔗葉鞘在水平和豎直方向上所受的最大合力。實際剝葉過程中，喂入輥筒轉速、剝葉輥筒轉速、莖稈與剝葉元件的搭接長度對甘蔗剝葉效果有顯著影響[22,27]。在輸送輥筒轉速一定的情況下，剝葉輥筒轉速與梳刷間距成反比例關系，較高的剝葉輥筒轉速可以提高剝葉元件對甘蔗莖稈的切向力，有利于實現剝葉作業。甘蔗莖稈與剝葉元件的搭接長度與法向力F呈正相關，搭接長度越大，法向力越大，剝葉元件與甘蔗莖稈的摩擦作用越強，但較大的搭接長度有可能造成莖稈表皮損傷，同時增大剝葉元件的磨損，甚至可能導致堵塞。因此，選擇合理的喂入輥筒轉速、剝葉輥筒轉速及莖稈與剝葉元件搭接長度對實現剝葉機構最佳剝葉效果有重要意義。

2 甘蔗剝葉過程仿真分析

甘蔗剝葉過程仿真分析主要包括三維實體模型的建立、模型前處理、模型求解及模型后處理4個步驟。本研究模擬剝葉元件對莖稈的一次梳刷過程，首先運用三維建模軟件SolidWorks 2015建立甘蔗-剝葉輥筒仿真模型，然后運用有限元分析軟件HyperWorks 14.0中的HyperMesh模塊完成模型的網格劃分等前處理工作并生成初步K文件，再運用LS-ProPost 4.0對K文件進行編輯，并提交完整的K文件給ANSYS 14.5/LS-DYNA進行求解，最后運用LS-ProPost 4.0對輸出結果進行后處理，獲得剝葉過程中莖稈和剝葉元件的應力應變及受力情況等。

2.1 仿真模型

通常情況下，仿真模型與實際情況越接近，仿真結果越準確。但在實際操作過程中，提高仿真模型精度需要更高的計算機硬件配置，同時仿真過程涉及多種非線性問題，模型精度的提高意味著運算量的提高。為平衡求解精度和求解效率的矛盾，本研究根據研究目的和實際情況對模型進行適當簡化。根據先前研究[28]，簡化后的仿真模型及其尺寸參數如圖2所示，仿真模型包含甘蔗莖稈、剝葉輥筒和剝葉元件3部分，模型建立以后存儲為IGS格式。

圖2 甘蔗-剝葉輥筒仿真模型

2.2 HyperMesh網格劃分

將三維實體模型導入HyperMesh進行網格劃分，選擇SOLID 164單元類型并將剝葉輥筒分割為3部分，即環形輥筒和2塊剝葉元件。由于SOLID 164單元不支持實體轉動，本研究將環形輥筒內層單元定義為剛體。完成網格劃分后導出待處理的K文件。莖稈和剝葉輥筒網格節點數分別為22 624和16 640，單元數分別為20 400和18 453。

2.3 K文件編輯

在LS-ProPost 4.0中通過關鍵字對材料參數進行定義。將剛體單元定義為*MAT_RIGID材料，甘蔗莖稈定義為正交各向異性材料，關鍵字為*MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC，根據先前的研究[29]，模型參數值設置如表 1所示。

表1 仿真模型材料參數

采用不可壓縮的超彈性材料模型定義剝葉元件材料，其關鍵字為*MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER，，剝葉元件密度設置為1 320 kg/m3。以應變能密度定義材料屬性。應變能密度定義為[30]

式中、為材料力學性能常數[31-32]，=0.43，0.03；為右Cauchy-Green張量；為模型常數；0為泊松比，0=0.495；1、2和3是的不變量。剪切模量= 2(+)，彈性模量= 2(1+20)。

使用*DEFINE_CURVE定義剝葉輥筒的轉速及甘蔗莖稈的運動速度，定義約束并使剝葉輥筒和莖稈按設定參數運動。通過*BOUNDARY_SPC_SET約束莖稈在和向的位移，其余自由度不約束。采用罰函數法處理碰撞過程中的接觸問題，莖稈與剝葉元件選擇*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE面面接觸，靜摩擦系數設置為0.60，動摩擦系數為0.52[33]。由于剝葉過程時間較短，本研究將仿真終止時間設置為0.1 s，步長設置為0.002 s。在LS-PrePost 4.0中完成對初始K文件關鍵字的添加后，運用ANSYS/LS-DYNA求解編輯后的K文件。

2.4 剝葉過程仿真分析

結合已有的研究[34-35]，忽略甘蔗莖稈與喂入輥筒之間的相對滑動，以喂入輥筒轉速300 r/min（根據公式=π0/60（為莖稈輸送速度，m/s；為喂入輥筒轉速，=300 r/min；0為喂入輥筒直徑，0=0.18 m）可知莖稈理論輸送速度為2.83 m/s）、剝葉輥筒轉速400 r/min、莖稈與剝葉元件搭接長度18 mm為例，驗證仿真模型及結果的有效性，以便為后續單因素仿真試驗提供可靠模型。莖稈和剝葉元件接觸初始的等效應力圖如圖3a所示（=0.008 s），莖稈沿剝葉元件之間的間隙通過，2塊剝葉元件的內側尖角同時接觸莖稈表皮并逐漸變形，莖稈局部位置受到較大沖擊，若沖擊發生在有葉鞘包裹的莖稈上，則會導致葉鞘被橫向撕裂，降低葉鞘與莖稈的連接力并迫使葉鞘部分或全部脫離莖稈。但如果剝葉輥筒轉速過大，或者剝葉元件材料硬度較大，該沖擊可能超過莖稈的抗沖擊強度，使莖稈破損甚至斷裂。如圖3b所示（=0.010 s），隨著剝葉輥筒的轉動，剝葉元件變形增大，并沿著莖稈表面滑動，該過程中剝葉元件對莖稈施加的垂直作用力和摩擦力導致葉鞘被徹底撕裂，破壞葉鞘對莖稈的包裹。剝葉元件滑動到最低位置后，依靠內側平面夾持莖稈并向后輸送。如圖3c所示（=0.022 s），在莖稈被夾持輸送的過程中，剝葉元件與莖稈的相對速度是影響剝葉效果的關鍵，若剝葉元件沿水平方向的切向速度大于莖稈的輸送速度，則剝葉元件可以對莖稈表面產生刮擦作用，有利于將撕裂的葉鞘刮離莖稈。剝葉元件在梳刷莖稈的過程中，其最大應力出現在剝葉元件與剝葉輥筒的連接部位，是剝葉元件最易發生疲勞損傷的部位。圖3d（=0.034 s）反映的是剝葉元件脫離莖稈的過程，在該過程中，剝葉元件的變形逐步恢復，剝葉元件對莖稈有向上的摩擦作用，可進一步將未完全脫離莖稈的蔗葉剝離。

仿真分析結果表明，剝葉元件對莖稈的一次梳刷過程持續時間約為0.04 s。運用LS-ProPost 4.0軟件提取接觸力變化曲線，如圖4所示，莖稈所受最大應力為0.88 MPa，出現在剝葉元件對莖稈的沖擊過程中（=0.008 s），這與牟向偉等[20]的拉力試驗結果相接近，表明該仿真模型的材料參數設置較為合理。此外，莖稈所受最大應力小于其抗破壞強度（甘蔗莖稈頂部、中部和根部的抗破壞強度大致分別為8.19、17.92和18.83 MPa[36]），表明在剝葉過程中莖稈未破損。沖擊接觸后，剝葉元件開始夾持輸送莖稈，莖稈所受最大應力大大減小，并產生波動。剝葉元件最大應力變化規律與莖稈最大應力變化規律類似。剝葉元件所受最大應力為1.72 MPa，也出現在與莖稈的初始沖擊過程中，但二者并不出現在同一時刻。圖4中莖稈受力曲線的變化表明，剝葉過程中莖稈的受力并不是連續變化的，剝葉元件與莖稈發生2次接觸，這是由于剝葉元件為彈性材料，其與莖稈發生沖擊接觸后產生較大變形，在慣性作用下脫離了與莖稈的接觸，在這段時間內（如圖中0.012～0.018 s區間內）莖稈不受剝葉元件的作用力。隨著變形的逐步恢復，剝葉元件與莖稈重新接觸，因此產生接觸力。但由于與莖稈的初始接觸部位是剝葉元件的內側尖角，莖稈局部受到的沖擊強度較大，而第二次接觸是剝葉元件內側平面對莖稈的夾持，因此接觸力小于初始沖擊接觸。莖稈受到的最大接觸力為85.01 N，出現在沖擊接觸的過程中。對仿真結果的分析表明，本文所建立的仿真模型可靠，彈性剝葉元件具有良好的柔韌性，可以對莖稈產生夾持疏刷效果，在有效剝離葉鞘的同時避免破壞莖稈。剝葉機構的設計和運行參數，包括甘蔗喂入速度、剝葉輥筒轉速、甘蔗莖稈與剝葉元件搭接長度等，是影響剝葉元件對莖稈沖擊強度、防止莖稈擦傷甚至折斷的重要因素。因此，有必要結合建立的仿真模型，采用試驗的方法研究這些參數對甘蔗剝葉質量的影響。

圖3 莖稈和剝葉元件接觸過程中不同時刻t的等效應力圖

圖4 莖稈和剝葉元件最大應力及接觸力變化曲線

3 甘蔗剝葉過程單因素仿真試驗與分析

3.1 試驗方案

為了準確分析喂入輥筒轉速、剝葉輥筒轉速以及莖稈和剝葉元件搭接長度對莖稈所受應力的影響，運用建立的仿真模型進行單因素仿真試驗，假設各因素間沒有交互作用，以剝葉過程中莖稈所受的峰值應力σ（即圖4莖稈最大應力曲線的最大值）為考察指標。根據以往的試驗研究[21-22,26]，單因素試驗因素與水平設置如表 2所示。仿真過程忽略莖稈與喂入輥筒之間的相對滑動，根據公式=πd0/60將喂入輥筒轉速轉化為莖稈輸送速度。

3.2 試驗結果

單因素試驗結果如圖5所示，剝葉輥筒轉速為400 r/min，莖稈與剝葉元件的搭接長度為18 mm條件下，隨著喂入輥筒轉速的增大，莖稈所受峰值應力先減小后增大（圖5a），莖稈峰值應力σ在試驗水平上依次為0.98、0.81、0.88、1.26和1.76 MPa。當喂入輥筒轉速從200 r/min逐步增大時，莖稈和剝葉元件之間的相對速度減小，剝葉元件對莖稈的沖擊作用被削弱，導致峰值應力減小。隨著喂入輥筒轉速的繼續增大，相對速度的影響效應減弱，二者之間的沖擊加強，莖稈峰值應力迅速上升，當莖稈峰值應力超過莖稈表皮最大抗沖擊強度時，可導致表皮破損甚至莖稈折斷；如圖5b所示，喂入輥筒轉速為300 r/min，莖稈與剝葉元件的搭接長度為18 mm條件下，隨著剝葉輥筒轉速的提高，σ急速上升，在試驗水平上依次為0.63、0.71、0.82、1.03及1.36 MPa，表明提高剝葉輥筒的轉速會明顯增大剝葉元件對莖稈的沖擊強度，特別是當剝葉輥筒轉速超過400 r/min時，其沖擊強度增大更快；如圖5c所示，喂入輥筒轉速為300 r/min，剝葉輥筒轉速為400 r/min條件下，莖稈所受峰值應力隨著搭接長度的增加而增加，當搭接長度超過12 mm后，峰值應力增加速度放緩，這是由于搭接長度已經超過莖稈半徑，此時再增搭接長度沖擊強度提高不明顯。在試驗水平上莖稈的峰值應力依次為0.17、0.6、0.82、0.96及1.09 MPa。

表2 單因素試驗方案

注：括號內數值表示對應的莖稈輸送速度，m·s-1。

Note: Values in brackets indicate the corresponding stalk conveying speed, m·s-1.

圖5 單因素仿真試驗結果

單因素仿真試驗結果表明，合理的莖稈輸送速度（喂入輥筒轉速）、剝葉輥筒轉速及莖稈與剝葉元件搭接長度可以將莖稈在剝葉過程中所受的峰值應力控制在合理范圍，既能最大程度剝離葉鞘，又能防止莖稈表皮擦傷甚至折斷。莖稈輸送速度（喂入輥筒轉速）、剝葉輥筒轉速及莖稈與剝葉元件搭接長度的變化影響甘蔗剝葉效果，3個因素的影響規律不是簡單的線性關系，各因素之間可能存在交互作用，因此需要通過試驗進一步研究三者對剝葉效果的影響。

4 剝葉參數優化試驗

4.1 甘蔗剝葉試驗臺

如圖6a所示，甘蔗剝葉試驗臺主要由2組喂入輥筒和1組剝葉輥筒組成，喂入輥筒直徑為180 mm。上喂入輥筒通過浮動連桿安裝在機架上，使上下喂入輥筒的中心距可以根據甘蔗直徑的不同自動調節。喂入輥筒和剝葉輥筒分別由2臺無級變速電機驅動。如圖6b所示，剝葉輥筒由6排剝葉刷組成，每排剝葉刷安裝20塊剝葉元件，剝葉元件采用聚氨酯材料，其邵氏硬度為85 HA。剝葉元件之間安裝厚度為10 mm的隔板，可以為剝葉作業提供足夠的摩擦力，同時避免擠壓損壞莖稈。剝葉輥的直徑為270 mm（圖6c），剝葉元件的長度、寬度和厚度分別為100、30和10 mm。每排剝葉刷在輥筒上的安裝位置可調，用于調節莖稈與剝葉元件的搭接長度。

4.2 試驗材料

試驗采用種植于廣西大學農科基地（崇左市扶綏縣，22°38′N，107°54′E）的中蔗10號，種植時間為2018年4月5日。試驗于2019年1月5日在廣西農業機械研究院有限公司進行，試驗時選用生長狀況良好、莖稈筆直、直徑較為均勻的甘蔗。隨機選取20根甘蔗，測得其平均長度為（2 253±147）mm，去除尾梢（生長點以下約5節）后平均長度為（1 763±119）mm。對20根甘蔗的莖稈和葉鞘取樣，每根甘蔗取根部、中部和頂部的節間和完整葉鞘1～2片，分別測量各部位莖稈和葉鞘的理化指標，結果如表3所示。

表3 試驗用甘蔗莖稈和葉鞘基本屬性

注：環境溫度為20 ℃。

Note: Environment temperature is 20 ℃.

4.3 試驗方案及試驗指標

試驗設計采用Box-Behnken方案，根據單因素仿真試驗結果，選取喂入輥筒轉速、剝葉輥筒轉速及莖稈與剝葉元件搭接長度的0水平分別為300 r/min、400 r/min及20 mm。在甘蔗整稈機械化收獲過程中，經根切后喂入剝葉輥筒的甘蔗通常有多根，為了考察剝葉機構在不同喂入量下的適應性，本試驗將喂入根數也作為一個考察指標。試驗共27組，每個試驗因素的-1和+1水平各有6組，0水平有15組，其中包含中心點（即所有因素0水平）3組，試驗因子水平編碼如表4所示。根據整稈式甘蔗收割機作業流程，試驗過程中甘蔗由根部人工喂入。

表4 試驗因素水平及編碼

對于整稈式甘蔗收割機，收獲后的甘蔗除了含有蔗葉（包含葉鞘）和須根外，還可能含有石塊和泥土等，總體含雜率應低于3%[37]。本研究中，由于甘蔗是人工從根部切割的，不含有石塊和泥土，雜質主要為蔗葉和葉鞘，因此采用蔗葉未剝凈率（）作為指標，只考察剝葉機構的剝葉效果。試驗前將尾梢去除，避免尾梢在試驗過程中折斷或尾梢嫩葉被剝離等因素造成的試驗誤差。莖稈的未剝凈率越低，表示被剝離的蔗葉和葉鞘越多，剝葉機構作業效果越好。根據機械行業標準《JB/T 6275—2007 甘蔗收割機械試驗方法》，試驗前采用電子秤測量去除尾梢后的甘蔗質量，剝葉試驗后再測量甘蔗質量，最后手工剝去殘留蔗葉和葉鞘后再測量其質量。未剝凈率根據式（4）計算。

試驗數據采用SAS 9.3分析軟件處理，并采用二次多項式擬合指標與自變量之間的關系。通過方差分析對回歸模型各影響因素的顯著性進行檢驗，并剔除無統計學顯著意義的參數。回歸模型的充分性用決定系數（2）和失擬檢驗表示。根據建立的未剝凈率響應值與自變量編碼值的回歸方程，繪制回歸模型的響應曲面和等高線圖。最后采用非線性優化方法，利用MATLAB 2017軟件對試驗因素進行優化計算，獲得符合剝葉機構作業要求的最佳參數組合。在驗證試驗中，采用高速攝像系統對剝葉過程進行捕捉，以分析莖稈和葉鞘與剝葉元件的相互作用過程以及甘蔗莖稈在剝葉過程中的運動狀況。

4.4 試驗結果與分析

試驗結果如表5所示，每組試驗重復8次并取平均值。為減少未知變量對系統誤差的影響，每組試驗均為隨機進行，試驗過程中莖稈無折斷現象。

表5 試驗方案及結果

注：1為喂入輥筒轉速編碼值；2為剝葉輥筒轉速編碼值；3為莖稈與剝葉元件搭接長度編碼值，4為喂入根數編碼值。下同。

Note:1is coding value of rotation speed of feeding roller;2is coding value of rotation speed of leaf stripping roller;3is coding value of overlapping length of stalk and leaf stripping element;4is coding value of feeding number. The same below.

對試驗結果進行方差分析，結果如表6所示。根據蔗葉未剝凈率的統計分析可知，在<0.01水平上，一次項1、2、3、4，二次項12、22、42及交互項12極顯著，二次項32顯著（<0.05），其余不顯著。模型的值小于0.000 1，決定系數2為92.65%，說明回歸模型極顯著。失擬項的值為0.164 5，回歸模型擬合精度較高。

剔除不顯著項后得到響應值回歸方程為

由表6可知，喂入輥筒轉速與剝葉輥筒轉速的交互效應較顯著（= 0.005 1）。運用MATLAB 2017軟件繪制二者對未剝凈率的響應曲面和二維等高線，如圖7所示，隨著喂入輥筒轉速與剝葉輥筒轉速的上升，蔗葉未剝凈率先下降后上升，表明在-1到1的編碼范圍內，蔗葉未剝凈率有最小值。由等高線圖可知，未剝凈率沿剝葉輥筒轉速方向的變化速率較喂入輥筒轉速方向的變化速率快，即剝葉輥筒轉速對未剝凈率的影響大于喂入輥筒轉速的影響。

表6 回歸模型方差分析

注：*表示差異顯著（0.01≤＜0.05）；**表示差異極顯著（＜0.01）。

Note: * means significant (0.01≤＜0.05);** means highly significant(＜0.01).

圖7 喂入輥筒和剝葉輥筒轉速對蔗葉未剝凈率的交互影響

4.5 回歸模型的優化及驗證

根據回歸方程，建立未剝凈率的優化目標函數及其約束條件如下

在MATLAB 2017軟件中求解回歸方程，獲得剝葉機構最佳作業參數：1= -0.5，2= 0.7，3= -0.6，4= -0.3，即喂入輥筒轉速250 r/min，剝葉輥筒轉速540 r/min，莖稈與剝葉元件搭接長度13.9 mm，喂入根數1.68根。此時蔗葉未剝凈率為2.2%。

為了驗證剝葉機構的最佳作業參數和優化效果，分別在喂入根數為單根和2根時對優化后的喂入輥筒轉速250 r/min、剝葉輥筒轉速540 r/min及莖稈與剝葉元件搭接長度14 mm按上述試驗方法進行驗證試驗，喂入總量分別為60根，試驗后測定莖稈的蔗葉未剝凈率。試驗結果表明，單根喂入條件下，蔗葉未剝凈率低至2.0%，雙根喂入條件下，蔗葉未剝凈率為3.1%。單根喂入下的驗證試驗結果與優化后的理論值相對誤差為9.1%，表明所建立的回歸模型可靠，剝葉機構在單根喂入條件下具有更好的剝葉效果。

5 甘蔗剝葉過程高速攝像及運動學分析

為進一步分析葉鞘的剝離過程以及莖稈的運動狀態，在驗證試驗中，運用高速相機從不同方向對剝葉過程進行捕捉。如圖8所示，葉鞘的剝離過程可以分為3個階段：葉鞘上端與莖稈脫離。隨著莖稈與剝葉元件搭接長度的逐漸增大，剝葉元件兩側邊緣尖角插入葉鞘與莖稈間的縫隙，包裹在莖稈上的葉鞘受剝葉元件的推擠后上半部分脫離莖稈，但下半部分還與莖稈節點連接（圖8a）；葉鞘下端與莖稈脫離。葉鞘與莖稈連接處被撕裂，葉鞘開始脫離莖稈。此時莖稈與剝葉元件的搭接長度和剝葉元件的變形均較大，由于剝葉元件的線速度高于莖稈的輸送速度，剝葉元件在夾持莖稈的過程中相對于莖稈滑動，迫使葉鞘脫離莖稈（圖8b）；葉鞘沿莖稈滑動。葉鞘下端脫離莖稈后，剝葉元件仍然夾持著莖稈并相對滑動，隨著剝葉輥筒的轉動，莖稈與剝葉元件的搭接長度逐漸減小，剝葉元件的變形逐步恢復。在此過程中剝葉元件將剝離莖稈的葉鞘挑起，使其徹底脫離莖稈，實現葉鞘剝離（圖8c）。需要說明的是，剝葉元件很難通過與莖稈的一次接觸就將葉鞘徹底剝離，葉鞘的剝離需要二者相互作用多次。因此，在剝葉輥筒轉速一定的情況下，控制好喂入輥筒的轉速，使甘蔗以適當的輸送速度通過上下剝葉輥筒間的間隙，保證莖稈與剝葉元件充分接觸，對降低莖稈未剝凈率十分重要。此外，也可以安裝多對剝葉輥筒，提高剝葉元件與莖稈的相互作用時間。

運用高速相機從試驗臺側面捕捉甘蔗剝葉過程，并將圖像導入Blaster’s MAS軟件后對莖稈上的標記點逐幀追蹤，獲得莖稈在剝葉過程中的速度-時間曲線，如圖9所示。圖中反映的是單根喂入時甘蔗的剝葉過程，其中包含多次剝葉元件與莖稈的相互作用。當喂入輥筒轉速為250 r/min、剝葉輥筒轉速為540 r/min以及莖稈與剝葉元件搭接長度為14 mm時，甘蔗莖稈的輸送速度大致在2.3～2.9 m/s的范圍內波動。當剝葉元件梳刷莖稈時，莖稈輸送速度發生劇烈波動。在剝葉試驗開始時，莖稈由人工從根部喂入，其初始速度幾乎為0，當莖稈與喂入輥筒接觸后，在輥筒的摩擦作用下莖稈被快速向后輸送，因此莖稈初始輸送速度較小。由于剝葉元件對莖稈有夾持輸送作用，莖稈的輸送速度逐漸加快。在剝葉過程后期，莖稈脫離喂入輥筒，并且只有莖稈靠近尾梢的部位與剝葉元件存在相互作用，其直徑變小，與剝葉元件的相互作用力變弱，因此莖稈的輸送速度逐步回落。由莖稈在剝葉過程中的速度-時間曲線可知，增大喂入輥筒轉速會使莖稈的輸送速度波動較大，易導致莖稈折斷，機械化收獲過程中應盡量保持收割機行駛速度平穩，從而降低甘蔗在剝葉過程中的速度波動。

圖8 甘蔗剝葉過程

注：喂入輥筒轉速為250 r·min-1；剝葉輥筒轉速為540 r·min-1；莖稈與剝葉元件搭接長度為14 mm；甘蔗喂入根數為1。

6 結 論

1）建立了甘蔗剝葉仿真模型，單因素仿真試驗結果表明，莖稈所受峰值應力隨喂入輥筒轉速的增大先減小后增大，隨著剝葉輥筒轉速和莖稈與剝葉元件搭接長度的增大不斷增大。

2）搭建了甘蔗剝葉試驗臺，通過Box-Behnken試驗設計方案獲得剝葉機構最佳作業參數為喂入輥筒轉速250 r/min，剝葉輥筒轉速540 r/min，莖稈與剝葉元件搭接長度13.9 mm，喂入根數為1.68根，此時未剝凈率為2.2%，單根喂入條件下的驗證試驗結果與優化后的理論值相對誤差為9.1%，表明剝葉機構在單根喂入時剝葉效果更好。

3）高速攝像試驗表明，葉鞘的剝離過程主要為葉鞘上端與莖稈脫離、葉鞘下端與莖稈脫離以及葉鞘沿莖稈滑動3個階段。當喂入輥筒轉速為250 r/min、剝葉輥筒轉速為540 r/min以及莖稈與剝葉元件搭接長度為14 mm時，莖稈的輸送速度大致在2.3～2.9 m/s范圍內波動。

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Simulation analysis and experiments of leaf stripping process for whole-stalk sugarcane harvesters

Xie Luxin1,2, Wang Jun1※, Cheng Shaoming1, Zeng Bosheng3, Yang Zizeng3, Chen Baoshan4,5, Huang Youzong4,6

(1.,,310058,;2.,,400715,;3.,,530007,;4.,,530004,; 5.,530004,; 6.,530004,)

The operation quality of the whole-stalk sugarcane harvester stripping mechanism has an important impact on the residual sugarcane leaves after harvest. Reasonable operating parameters can effectively improve the stripping quality of the stripping mechanism.A finite element model was established in this study to simulate the sugarcane leaf stripping process to analyze the stress and force changes of stalk and leaf stripping elements during this process. In order to obtain the optimal operating parameters, the influence of the main operating parameters of the leaf stripping device on the leaf stripping performance was analyzed, especially on the interaction process between the stalk and the leaf stripping elements in the process of leaf striping, as well as the stress and force distribution of the stalk and the leaf stripping elements in leaf stripping process., Single factor simulation experiments were conducted based on the finite element model. In addition, the effects of rotation speed of feeding roller, rotation speed of leaf stripping roller, overlapping length of stalk and leaf stripping element on the maximal stress of stalk and leaf stripping element were evaluated. The results showed that with the increase of rotation speed of feeding roller, the maximal stress of stalk decreased and then increased, increasing continuously with the increase of rotation speed of leaf stripping roller and overlapping length of stalk and leaf stripping elements. A sugarcane leaf stripping test device was established based on the simulation analysis. Six rows leaf stripping elements made with polyurethane material (with a length of 100 mm, a width of 30 mm and a thickness of 10 mm) were mounted evenly on the roller shaft. Box Behnken design and response surface methodology(RSM) were used to analyze the effects of rotation speeds of feeding roller and leaf stripping roller, overlapping length of stalk and leaf stripping elements and feeding number on non-cleaning rate of sugarcane leaves. Experimental data were analyzed by using SAS 9.3. Through nonlinear optimization, the optimal operating parameters were determined as rotation speed of feeding roller of 250 r/min, rotation speed of leaf stripping roller of 540 r/min, overlapping length of stalk and leaf stripping elements of 13.9 mm and feeding number of sugarcane of 1.68. Under these conditions, the predicted value of non-cleaning rate of sugarcane leaves was 2.2%. The results of verification experiments showed that the non-cleaning rates of of sugarcane leaves were 2.0% and 3.1% respectively when the feeding number of sugarcane were 1 and 2 respectively. The high-speed photography experiment results suggested that the leaf sheath stripping process mainly included separation of the upper part of leaf sheath from the stalk, separation of the lower part of leaf sheath from the stalk, and sliding of leaf sheath along the stalk. The conveying speed of sugarcane fluctuated in the range of 2.3-2.9 m/s at the rotation speed of feeding roller of 250 r/min, rotation speed of leaf stripping roller of 540 r/min and with the overlapping length of 14 mm. Under the high rotation speed of the roller, the conveying speed of the stalk fluctuates violently, which leads to the stalk fracture. The study results can provide reference for improving the leaf stripping performance and adaptability of whole-stalk sugarcane harvester.

agricultural machinery; optimization; harvest; sugarcane; leaf stripping device; simulation analysis; high speed photography

謝盧鑫，王俊，程紹明，等. 整稈式甘蔗收割機剝葉過程仿真分析與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(18)：56-65.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.008 http://www.tcsae.org

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2020-04-30

2020-06-11

國家重點研發計劃（2016YFD0701201-3）

謝盧鑫，博士，講師，主要從事經濟作物收割機械研究。Email：xlx123@zju.edu.cn

王俊，博士，教授，博士生導師，主要從事經濟作物種植與收割機械研究。Email：jwang@zju.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.008

S225.5+3

A

1002-6819(2020)-18-0056-10