甜菜是新疆重要的優(yōu)勢經(jīng)濟(jì)作物,它不僅是制糖工業(yè)的主要原料之一,而且其莖葉和糖渣是家畜的優(yōu)良飼料。得天獨(dú)厚的自然優(yōu)勢以及種植技術(shù)的不斷改進(jìn),使新疆甜菜生產(chǎn)水平和栽培面積在國內(nèi)處于較高水平。但甜菜栽培與收獲方式主要以人工為主、機(jī)械為輔,用工量大,成本高,產(chǎn)量低,效益差,特別是甜菜收獲機(jī)械等問題一直未能得到推廣和解決,極大地限制了甜菜產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。所以,甜菜收獲機(jī)械的研制與推廣,對(duì)于提高我區(qū)機(jī)械化水平、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、增加農(nóng)民的收入及提高收獲質(zhì)量等方面都具有重大的意義。[1]

　　一、甜菜收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀分析

　　(一)國外甜菜收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢國外甜菜收獲機(jī)械化始于50~70年代,如法國、德國、波蘭、俄羅斯等國家,采用自走式甜菜聯(lián)合收獲機(jī),前部完成清理纓葉、切纓,后部完成挖掘、集垛(堆),一次完成甜菜收獲全過程。[2]一般采用的收獲工藝有三種:由一臺(tái)機(jī)具完成切纓、挖掘、撿拾、清理裝載等全部工序的聯(lián)合收獲工藝,具有機(jī)械化程度高,用工少,生產(chǎn)效率高的特點(diǎn);由2臺(tái)專機(jī)分別來完成的兩段收獲工藝,這種機(jī)具結(jié)構(gòu)簡單,工作效率高,適應(yīng)低洼潮濕地等作業(yè)條件;由3臺(tái)專用機(jī)具來完成的三段收獲工藝。目前國外甜菜收獲機(jī)的發(fā)展趨勢是提高生產(chǎn)率,向?qū)挿?、高速、大功率自走式?lián)合作業(yè)機(jī)械方向發(fā)展,注重新型工作部件的研究及液壓、電子、計(jì)算機(jī)等新技術(shù)的應(yīng)用,如采用液壓和機(jī)電一體化自動(dòng)裝置,以提高機(jī)器的適應(yīng)性。[3]

　　(二)我國甜菜收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀我國曾試驗(yàn)過聯(lián)合收獲,但未能推廣。目前,甜菜收獲仍然以用機(jī)械作業(yè)完成挖掘、運(yùn)輸,人工作業(yè)完成撿拾集堆、切削、裝車相結(jié)合的傳統(tǒng)甜菜收獲方式為主,并逐步推廣分段收獲方式。[4]分段收獲是將挖掘→撿拾→集堆→切削→裝運(yùn)等工序,選用不同的機(jī)具與拖拉機(jī)配套。其特點(diǎn)是各種機(jī)具結(jié)構(gòu)簡單,所需動(dòng)力小,作業(yè)質(zhì)量好,但整個(gè)收獲過程占有的機(jī)具多,作業(yè)次數(shù)多等。目前,甜菜收獲機(jī)之所以沒有在國內(nèi)普及,其主要原因在于甜菜收獲機(jī)切頂?shù)馁|(zhì)量不高,再加上甜菜收獲機(jī)的構(gòu)造因其所完成的收獲作業(yè)項(xiàng)目而異,還因其工作部件的配置而異。

　　二、甜菜物理特性和機(jī)械特性的分析研究甜菜物理特性和機(jī)械特性,可以為甜菜收獲機(jī)械的研制和使用等提供相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)。

　　(一)甜菜物理特性的分析甜菜的大小和形狀有很大差異;特別是在大小和重量方面的差別是很大的。所以甜菜在切頂?shù)倪^程中所需要的夾緊力以及切削量也是千差萬別的。甜菜塊根可分為根頭、根頸和根體三部分(見圖1)。其中,根頭含糖率最低,根頸含糖率較高,根體中含糖率最高,到根尾含糖率又降低。從橫切面看,中部含糖率最高,內(nèi)層次之,外層最少。[5]由此可以看出,甜菜塊根的含糖量并不是均勻的,在切頂?shù)倪^程中,要準(zhǔn)確把握好切頂?shù)奈恢?才能減少切頂損失。經(jīng)測得的甜菜塊根最大直徑為12cm,長度為22cm,長徑比不大。據(jù)統(tǒng)計(jì),甜菜塊根的平均重量約為1.5kg;平均直經(jīng)約為10cm;最大直徑約為20cm;塊根平均長度約為20cm;最大長度約為32cm。[6]

　?。ǘ?甜菜機(jī)械特性的分析通過對(duì)完整甜菜進(jìn)行不同速度的壓縮試驗(yàn),獲得了甜菜在不同壓縮速度下的破裂點(diǎn),其平均破裂點(diǎn)為5291.077N。其中,壓縮速度對(duì)甜菜的彈性特性有明顯的影響,壓縮速度越大,彈性性質(zhì)越明顯;壓縮時(shí)間越短,甜菜的破裂位移越小。[7]其壓縮力—位移曲線如圖2所示。因此,甜菜切頂機(jī)構(gòu)采用夾緊固定裝置,其夾緊力須控制在破裂點(diǎn)之下,防止甜菜塊根破裂或壓碎。

　　三、甜菜切頂機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　(一)甜菜切頂機(jī)設(shè)計(jì)方案的確定由于分段式收獲工藝易與中小型拖拉機(jī)配套,比較適合我國目前的甜菜生產(chǎn)模式。甜菜切頂機(jī)作為分段式收獲工藝的關(guān)鍵機(jī)具之一,必須滿足甜菜切頂?shù)囊?在滿足結(jié)構(gòu)、功能的前提下,同時(shí)也要考慮其工作效率。通過對(duì)現(xiàn)有各種切頂機(jī)關(guān)鍵部件的分析,我們發(fā)現(xiàn),在甜菜收獲機(jī)上采用的甜菜切頂裝置,主要由驅(qū)動(dòng)圓盤式仿形器和從動(dòng)平面切刀組成的。這種甜菜切頂裝置雖然機(jī)構(gòu)比較緊湊,但切割質(zhì)量不太穩(wěn)定。目前,各甜菜產(chǎn)區(qū)普遍采用以下兩種切削方法:人工多刀切削和一刀平切的方法切削塊根。1.多刀切削法:是用刀從塊根的根頭最下排葉痕處,像削鉛筆似地向上斜削5~6刀,厚度2~3mm,使根頭微露白。既不能削得過多,造成原料損失;也不能留青頭太多,否則收購時(shí)將按夾雜物扣除。2.一刀平切法和機(jī)械切削相同,即在塊根的根頭最下排葉痕處上方1.5cm處平削一刀,削掉葉叢,并去除根頭剩余干枯葉柄,削掉1cm以下的根尾。一刀平切法,省工、效率高,而且刀傷面小,塊根不易感病而腐爛,便于田間保藏。[8]我們曾考慮采用機(jī)械進(jìn)行多刀切削,但是多切刀的布置形式和位置對(duì)甜菜切頂?shù)馁|(zhì)量有較大的影響,且結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜,效率也沒有得到很大的提高。為了能夠準(zhǔn)確切頂,我們按照當(dāng)前提出的一種新型甜菜收獲工藝路線,即:首先將甜菜櫻葉由打櫻機(jī)打去,然后由甜菜挖掘機(jī)將甜菜挖掘后裝運(yùn)至糖廠進(jìn)行切頂作業(yè),或在裝運(yùn)輸送的過程中進(jìn)行切頂作業(yè)。

　　(二)甜菜切頂機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)甜菜塊根的幾何形態(tài)、含糖量分布及機(jī)械特性等特征,針對(duì)目前國內(nèi)外切頂裝置存在切頂不準(zhǔn)確等缺陷,經(jīng)反復(fù)理論分析和模擬試驗(yàn)研究,我們設(shè)計(jì)了一種小型甜菜切頂裝置。此甜菜切頂裝置采用皮帶傳輸,甜菜經(jīng)過“V”形帶和倒“L”形擋板構(gòu)成的定向裝置定向,最后由固定圓盤式切刀完成對(duì)甜菜塊根的切削。該切頂裝置主要進(jìn)料部分、輸送部分和切頂部分三大部分組成。如圖3所示。

　　(三)進(jìn)料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)甜菜切頂裝置的進(jìn)料部分主要由機(jī)架1、皮帶輪2、倒“L”形擋板3、分隔板4“、V”帶輪5和傳輸皮帶6組成。其主要作用就是將雜亂無序的甜菜塊根理順成單一的縱向,且塊根青頂部分在落入傳輸送帶前。全部統(tǒng)一向下,保證下面輸送帶上的甜菜塊根青頂部分全部統(tǒng)一向前。甜菜的大小一般為長度20~40cm,寬度10~25cm。甜菜在輸送過程中,為防止甜菜往兩邊掉落和壓低輸送帶,專門設(shè)計(jì)了側(cè)擋板和托輥。其輸送帶動(dòng)力均由皮帶輪提供,為了簡化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)“,V”帶與皮帶輪之間采用錐齒輪傳動(dòng)。其傳動(dòng)比為3:1。兩個(gè)“V”帶互成一定夾角,之間的間距為20cm,從而保證將甜菜塊根形態(tài)變成單一縱向。為了保證甜菜塊根能順利通過導(dǎo)向裝置,倒“L”形擋板與傳輸皮帶6斜落部分之間的最短距離與甜菜塊根的最大直徑一致,而且傳送帶與擋板的高度一致。因此,其間最短距離取為20cm。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

　　(四)輸送機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)甜菜切頂裝置的輸送部分主要由傳輸皮帶1分隔板2、皮帶輪3和機(jī)架4組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。其主要作用就是將定向好的甜菜塊根輸送至下面切頂部分,而且便于對(duì)沒有理順的甜菜塊根進(jìn)行人工輔助矯正,以便更好地完成下面切頂工作。其中,分隔板的目的就是保證甜菜塊根從隔板內(nèi)單向通過,以便切頂部分對(duì)甜菜塊根進(jìn)行逐一切頂,其動(dòng)力也是通過皮帶輪傳送。為了保證甜菜塊根的通過性,分隔板之間的距離取為26cm。根據(jù)甜菜的幾何形態(tài)特征,其平均長度為200mm,最大長度約為320mm,為此我們選用帶寬B為500mm的皮帶輸送,從而保證甜菜在皮帶上順利通過。

　　(五)切頂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)切頂機(jī)構(gòu)主要由機(jī)架5、動(dòng)力部分(皮帶輪1和電機(jī)6)、切削圓盤4和刀片、刀盤軸,齒輪箱及帶有導(dǎo)向裝置的進(jìn)料斗3和排出裝置7等部分組成,是甜菜切頂機(jī)的主要工作部件。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。切頂機(jī)構(gòu)的作用就是完成最終的甜菜塊根切頂工作,其工作原理是:甜菜塊根由上面的輸送部分垂直喂入到進(jìn)料斗,經(jīng)過固定在切削圓盤上的切刀完成切頂動(dòng)作,最后經(jīng)過排出斗將切削好的甜菜排出,屬于垂直喂入式動(dòng)力切頂機(jī)。其中,切削圓盤是該機(jī)構(gòu)的主要工作部件,其主要參數(shù)有:切削速度、切削角、刀刃角。甜菜切頂所用的切削力,即切削能耗主要取決于這些參數(shù)。研究資料表明,甜菜單位切削面積的最小能耗為3.10(kg-cm)/cm。[9]該切頂機(jī)構(gòu)主要還是采用一刀平切的方法,將甜菜青頂切去。但是切頂厚度可以通過進(jìn)料斗高度以及直徑進(jìn)行調(diào)節(jié),能比較合理的控制切頂損失。

　　四、結(jié)語

　　1.本文針對(duì)甜菜的物理特性和機(jī)械特性以及含糖量分布等特征,設(shè)計(jì)出了采用皮帶輪傳輸、“V”形帶和倒“L”形擋板構(gòu)成定向裝置定向及利用固定圓盤式切刀切削為主要結(jié)構(gòu)的切頂機(jī)。

　　2.研究并確定出甜菜切頂裝置的各部分基本尺寸:進(jìn)料部分兩個(gè)“V”帶互成一定夾角,之間的最小間距為20cm;輸送部分輸送帶帶寬為500mm;隔板之間的距離為26cm。

　　3.本文所設(shè)計(jì)的甜菜切頂機(jī)的特點(diǎn)是:進(jìn)料輸送部分具有導(dǎo)向功能;切頂部分采用垂直喂入的方式,能夠起到一定的定位作用,且具有類似模擬田間切削甜菜的功能。切頂原理具有準(zhǔn)確切頂、損失較小,且切頂效果較好的優(yōu)點(diǎn),能適應(yīng)對(duì)各類采用分段收獲方式的甜菜塊根進(jìn)行切頂作業(yè);基本上能滿足制糖企業(yè)和小型農(nóng)戶對(duì)甜菜切頂?shù)囊?也能降低多切會(huì)給農(nóng)民帶來的損失。