甘蔗在我国农业经济中占有重要地位，产糖量占我国食糖总量的90％以上，面积占我国糖料作物种植面积的85％以上。我国蔗糖成本高于世界平均水平，缺乏国际市场竞争力，主要原因是甘蔗田间生产成本过高。通过提高甘蔗生产机械化水平有望降低生产成本。目前我国主要研究的甘蔗收获机型为整秆式联合收割机，但普遍存在剥叶含杂率偏高的问题，是制约甘蔗整秆收获技术发展的瓶颈之一，严重影响整秆式甘蔗联合收割机的性能和推广使用。其中一个关键问题是对剥叶过程中叶鞘剥离机理还不清楚。甘蔗叶主要由叶片和叶鞘组成，在机械剥叶过程中叶片脱落容易实现，而叶鞘剥离困难。研究甘蔗叶鞘剥离机理对于整秆式甘蔗联合收割机的研制具有重要的理论意义和实用价值。　　 采用万能试验机进行甘蔗叶鞘物理力学性能试验，得出叶鞘破坏的基本强度值和破坏形式，分析叶鞘剥离的最佳形式，为剥叶装置设计和剥叶机理研究提供依据；提出了弹性齿式剥叶元件的设计方案，采用压电冲击力传感器设计了三向动态打击力试验台，通过弹性齿对甘蔗茎秆的三向动态打击力试验分析影响弹性齿打击力的因素，以及打击力与叶鞘剥离的关系；采用ADAMS动力学软件进行虚拟样机试验，通过对弹性齿作用过程的仿真分析得出弹性齿的合理结构参数；设计了弹性齿滚筒式甘蔗剥叶装置试验样机，并通过高速摄影试验分析弹性齿的变形情况，与叶鞘的接触情况和作用机理以及叶鞘在弹性齿作用下的变形、撕裂和脱落过程；通过剥叶试验优化剥叶装置的参数配合，并进行了综合剥叶试验检验弹性齿滚筒式剥叶装置的剥叶效果；结合运动学理论对影响叶鞘剥离效果的结构参数和运动参数进行理论分析，采用弦线法和能量守恒法分析弹性齿在冲击动载荷作用下的大挠度变形情况，建立弹性齿三向动态打击力的动力学模型，并建立叶鞘剥离准则。结果表明：　　 (1)叶鞘个体在纵向拉伸、横向拉伸和冲击剪切作用下主要破坏形式分别为维管束的脆性断裂、薄壁组织撕裂和维管束剪切变形。叶鞘破坏的基本强度值为最大纵向抗拉强度28.19MPa，最大横向抗拉强度0.9MPa，最大剪切强度7.13MPa。包裹茎秆的叶鞘整体在轴向摩擦力的作用下的破坏形式为叶鞘撕裂，并未实现叶鞘脱落。因此，在实际剥叶过程，叶鞘剥离应分为2个步骤，一是叶鞘横向撕裂，破坏叶鞘包裹茎秆的整体性能，二是叶鞘撕扯脱落，实现叶鞘剥离。　　 (2)“弹性齿”是指采用具有一定弹性的高分子材料制作的齿形剥叶元件，弹性齿在滚筒圆周方向呈放射状均匀分布，在滚筒轴线方向呈均匀间隔排列。在叶鞘剥离过程中，弹性齿接触甘蔗茎秆后产生弹性变形并沿着甘蔗茎秆圆周向下滑动，实现了叶鞘横向撕裂破坏，同时在茎秆轴线方向滑动，实现了对叶鞘的撕扯脱落，完成了对叶鞘进行撕裂破坏和撕扯脱落的预期目标。　　 (3)虚拟样机试验与物理试验所测试的弹性齿三向动态打击力结果吻合度较高，最大误差为22.53％，最小误差为4.95％。弹性齿与茎秆接触过程中产生的弹性变形量对弹性齿的打击力值产生直接的影响。弹性齿与茎秆接触后分离时刻在三个方向上瞬间的速度的突变，有利于将叶鞘撕扯后脱离茎秆。　　 (4)正交试验与单因素试验优化的参数组合是弹性齿安装角90°，剥叶滚筒间距310 mm，剥叶滚筒转速700 r/min，喂入、输出滚筒转速150 r/min。此时弹性齿对甘蔗茎秆在三个方向的动态打击力也达到较为稳定的最大力值范围，轴向力Fx达到了94.3N，垂直力Fy为157.1N，水平力Fz为85.2N。剥叶滚筒转速和喂入、输出滚筒转速是影响剥叶试验指标值的2个主要因素，而剥叶滚筒转速、弹性齿与甘蔗茎秆的交错深度、偏移距离、弹性齿的安装角度、弹性齿的材料以及甘蔗茎秆的直径等因素对弹性齿的三向动态打击力均有影响。　　 (5)弹性齿对甘蔗茎秆施加的三向动态打击力是弹性齿的弹性变形力和弹性齿与茎秆的摩擦力的合力。水平力与垂直力联合作用造成叶鞘撕裂破坏，水平力与轴向力联合作用将叶鞘脱落。实现叶鞘剥离应首先满足对叶鞘在垂直方向施加的应力大于0.9MPa，其次，在水平方向施加的应力大于0.78 MPa。三向动态打击力测试结果表明，当滚筒转速达到600r/min时弹性齿对叶鞘施加的垂直力与轴向力同时满足这2个条件，这与剥叶试验优化的结果一致。　　 (6)综合剥叶试验结果为甘蔗单根连续喂入319.19kg后的剥叶效果为未剥净率10.28％、断尾率65.97％、含杂率1.56％和茎秆折断率20.45％；3～5根连续喂入274.52kg后相应的指标依次为14.9％、75.59％、2.38％和25.93％。各项指标都达到了整秆式甘蔗联合收割机剥叶装置的技术要求。　　 以上研究结果表明，本文在叶鞘剥离机理研究中提出的叶鞘剥离形式是一种符合叶鞘结构破坏特征和强度特性的合理剥离形式。