臥輥式玉米秸稈調(diào)質(zhì)裝置功耗正交試驗(yàn)

董欣，楊西同，李紫輝，艾青牧，邴媛媛

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

臥輥式玉米秸稈調(diào)質(zhì)裝置功耗正交試驗(yàn)

董欣，楊西同，李紫輝，艾青牧，邴媛媛

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

為滿足玉米秸稈收集打捆要求，實(shí)現(xiàn)一年兩作地區(qū)秸稈快速回收利用，需對玉米秸稈調(diào)質(zhì)處理。在滿足秸稈調(diào)質(zhì)性能要求前提下，研究臥輥式玉米秸稈調(diào)質(zhì)裝置作業(yè)參數(shù)對功耗的影響規(guī)律。利用自主研制的秸稈調(diào)質(zhì)試驗(yàn)裝置和功率測控系統(tǒng)，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以秸稈喂入速度、調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速和調(diào)質(zhì)間隙為影響因素，調(diào)質(zhì)功率為響應(yīng)函數(shù)。結(jié)果表明，當(dāng)參數(shù)組合為喂入速度3.3～4.0 km·h-1，調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速88 r·min-1，調(diào)質(zhì)間隙2.5 mm時(shí)，調(diào)質(zhì)功率511.35 W。各因素對調(diào)質(zhì)功率貢獻(xiàn)的主次關(guān)系為調(diào)質(zhì)間隙＞調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速＞喂入速度，可為秸稈收獲調(diào)質(zhì)裝備設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

玉米秸稈；調(diào)質(zhì)裝置；功耗試驗(yàn)

我國秸稈資源豐富，每年秸稈產(chǎn)量6.4億t，其中玉米秸稈約占1/3[1-2]。玉米秸稈是可再生資源，機(jī)械化收獲玉米秸稈是秸稈綜合利用前提。玉米收獲時(shí)籽粒含水率很低，秸稈收集與處理機(jī)械化程度高。我國農(nóng)村每年殘留在田間的大量玉米秸稈僅有少部分被利用，大部分被廢棄或焚燒；因收獲期玉米秸稈含水率高達(dá)60%～70%，不適合直接利用機(jī)械打捆回收。

研究玉米秸稈收獲時(shí)對其進(jìn)行裂皮、破節(jié)使其快速干燥的調(diào)質(zhì)技術(shù)及裝備，可滿足秸稈收集打捆要求，利于我國大部分一年兩作地區(qū)秸稈快速回收利用及下季作物種植。目前，我國對玉米秸稈調(diào)質(zhì)處理技術(shù)和設(shè)備大多旨在提高收獲后玉米秸稈作為飼料生物質(zhì)利用效果，進(jìn)行機(jī)械加工；現(xiàn)具備秸稈回收功能的玉米聯(lián)合收獲機(jī)，大都只能將玉米秸稈割倒后鋪放于田間或?qū)⒂衩捉斩捴苯忧兴榛厥眨衩姿肭o兼收聯(lián)合收獲機(jī)和玉米青貯機(jī)等尚不具備秸稈調(diào)質(zhì)功能[3-7]。

完成玉米秸稈調(diào)質(zhì)處理的調(diào)質(zhì)輥是功率消耗主要部件，為提供田間玉米秸稈收割調(diào)質(zhì)裝備的理論依據(jù)，利用自主研制的臥輥式玉米秸稈調(diào)質(zhì)裝置[8]，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法開展調(diào)質(zhì)功耗影響因素試驗(yàn)，旨在探究多因素影響下不同參數(shù)組合作業(yè)對玉米秸稈調(diào)質(zhì)功率的影響規(guī)律，獲得滿足玉米秸稈調(diào)質(zhì)性能要求又降低秸稈調(diào)質(zhì)功耗的最優(yōu)參數(shù)組合。

1 試驗(yàn)裝置及材料

1.1 調(diào)質(zhì)裝置

1.1.1 調(diào)質(zhì)裝置結(jié)構(gòu)

玉米秸稈調(diào)質(zhì)是秸稈從兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的調(diào)質(zhì)輥間通過，使其產(chǎn)生壓扁、破皮及裂節(jié)等力學(xué)性能及物理狀態(tài)的改變過程。為研究玉米秸稈調(diào)質(zhì)部件，試驗(yàn)設(shè)計(jì)秸稈調(diào)質(zhì)試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)由臥輥式玉米秸稈調(diào)質(zhì)裝置、輸送裝置和測控系統(tǒng)等部分組成。臥輥式玉米秸稈調(diào)質(zhì)試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由上調(diào)質(zhì)輥、下調(diào)質(zhì)輥、浮動(dòng)壓下裝置、機(jī)架、電動(dòng)機(jī)底座、電動(dòng)機(jī)及萬向聯(lián)軸器等構(gòu)成。其中，上調(diào)質(zhì)輥為光面輥，下調(diào)質(zhì)輥為帶凸棱的直齒輥，凸棱沿縱向均布8個(gè)。作業(yè)時(shí)通過浮動(dòng)壓下裝置滿足調(diào)質(zhì)輥適應(yīng)莖稈各部位的尺寸差異及調(diào)質(zhì)間隙的調(diào)整。

圖1 秸稈調(diào)質(zhì)裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of adjusting material device

1.1.2 工作原理

調(diào)質(zhì)作業(yè)時(shí)，輸送裝置模仿機(jī)具前進(jìn)時(shí)的狀態(tài)，以一定速度向秸稈調(diào)質(zhì)裝置縱向整株輸送玉米秸稈。上、下調(diào)質(zhì)輥的運(yùn)動(dòng)由變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制，以滿足運(yùn)動(dòng)部件間作業(yè)參數(shù)的最佳組合試驗(yàn)要求。動(dòng)力經(jīng)齒輪傳動(dòng)副、萬向聯(lián)軸器實(shí)現(xiàn)上、下調(diào)質(zhì)輥的相向轉(zhuǎn)動(dòng)。上、下調(diào)質(zhì)輥和浮動(dòng)壓下裝置相配合對輸送至上、下調(diào)質(zhì)輥輥縫間的玉米秸稈夾持，秸稈經(jīng)壓扁、裂皮和破節(jié)等連續(xù)調(diào)質(zhì)作業(yè)后拋出。

1.2 測控系統(tǒng)

1.2.1 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為完成對玉米秸稈調(diào)質(zhì)試驗(yàn)裝置的控制及其功耗的多通道同時(shí)測試，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了測控系統(tǒng)，測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，上位機(jī)軟件基于LABVIEW編程開發(fā)[9]。

圖2 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure sketch of testing system

調(diào)質(zhì)作業(yè)時(shí)，利用多功能電力儀表將秸稈調(diào)質(zhì)功率電信號(hào)通過485-USB轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換傳送給上位機(jī)（PC計(jì)算機(jī)），經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件換算記錄數(shù)據(jù)，并分別以數(shù)字和圖形形式顯示數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對調(diào)質(zhì)裝置電功率的測試。

1.2.2 調(diào)質(zhì)功率測試

秸稈調(diào)質(zhì)功率利用測控系統(tǒng)基于電功率差值法間接測試獲得。由調(diào)質(zhì)裝置對秸稈調(diào)質(zhì)作業(yè)的總電功率為調(diào)質(zhì)裝置空載運(yùn)行的總電功率與秸稈調(diào)質(zhì)功率之和，即：

故秸稈調(diào)質(zhì)功率

式中，Pz—調(diào)質(zhì)裝置調(diào)質(zhì)作業(yè)總電功率（kW）；Pk—調(diào)質(zhì)裝置空載運(yùn)行總電功率（kW）；Pt—秸稈調(diào)質(zhì)功率（kW）。

1.3 材料與方法

1.3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用東北農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)習(xí)實(shí)驗(yàn)基地2012年9月人工收割的不帶穗“東農(nóng)253”玉米秸稈作為試驗(yàn)材料，隨機(jī)抽取，莖稈直徑Φ25～29 mm，高度1 950～2 450 mm，平均含水率75.01%。

1.3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)旨在探究調(diào)質(zhì)裝置在多因素影響下實(shí)現(xiàn)玉米秸稈裂皮、破節(jié)調(diào)質(zhì)性能要求[6]又可降低秸稈調(diào)質(zhì)功耗各因素水平的最優(yōu)參數(shù)組合。試驗(yàn)中調(diào)質(zhì)輥的軸向及徑向參數(shù)不變，試驗(yàn)采用3因素5水平正交旋轉(zhuǎn)中心組合方法設(shè)計(jì)安排試驗(yàn)[10]，依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果及理論分析，選擇秸稈喂入速度、調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速及調(diào)質(zhì)間隙為試驗(yàn)因素，調(diào)質(zhì)功率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)因素水平編碼表如表1所示，試驗(yàn)共實(shí)施23組。每組調(diào)質(zhì)試驗(yàn)重復(fù)5次，通過測試系統(tǒng)分別在線測得不同工況下調(diào)質(zhì)裝置空載運(yùn)行的總電功率及調(diào)質(zhì)作業(yè)的總電功率值，根據(jù)公式（2）計(jì)算得調(diào)質(zhì)功率，取5次測試結(jié)果均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析應(yīng)用Design Expert 6.0.10軟件完成。

表1 試驗(yàn)因素水平編碼Table 1 Experimental factors and levels

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件，對玉米秸稈調(diào)質(zhì)裝置的調(diào)質(zhì)功率進(jìn)行試驗(yàn)，以X1、X2、X3表示秸稈喂入速度、調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速和調(diào)質(zhì)間隙編碼值，Pi為試驗(yàn)指標(biāo)調(diào)質(zhì)功率值，考慮各因素的交互作用，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2.2 回歸分析

2.2.1 回歸方程及其顯著性分析

利用Design Expert 6.0.10軟件對表2中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到以調(diào)質(zhì)功率P為響應(yīng)函數(shù)，以各影響因素水平編碼值為自變量的回歸方程，如式（3）所示，并用F檢驗(yàn)顯著性。

式中，X1、X2、X3為各因素水平編碼。

對調(diào)質(zhì)功率P編碼空間的回歸方程式（3）進(jìn)行方差分析，如表3所示。檢驗(yàn)結(jié)果表明，回歸模型的F1=3.16＜F0.01(5,8)=6.63，說明擬合方差不顯著，回歸方程與實(shí)測值擬合較好，所取回歸模型合適；試驗(yàn)指標(biāo)調(diào)質(zhì)功率回歸模型的F2=15.36＞F0.01(9,13)=4.19，說明回歸方程在0.01水平極其顯著，即試驗(yàn)數(shù)據(jù)與所采用數(shù)學(xué)模型相符。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Experiment design and results

表3 回歸模型方差分析Table 3 Variances analysis of model

對調(diào)質(zhì)功率中各回歸系數(shù)采用F檢驗(yàn)，剔除模型中在信度α=0.1下不顯著的系數(shù)項(xiàng)，獲得調(diào)質(zhì)功率的回歸模型，如式（4）所示。

2.2.2 各因素對性能指標(biāo)影響主次分析

經(jīng)分析計(jì)算[11]，各因素對試驗(yàn)指標(biāo)貢獻(xiàn)率分別為0.37、1.37、1.95。結(jié)果表明，對于調(diào)質(zhì)功率各因素（X1，X2，X3）貢獻(xiàn)率大小依次為調(diào)質(zhì)間隙X3、調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速X2和喂入速度X1，即影響最大的因素是調(diào)質(zhì)間隙，調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速的作用小些，秸稈喂入速度的作用更小。

2.3 試驗(yàn)因素對調(diào)質(zhì)功率的影響分析

2.3.1 單因素對調(diào)質(zhì)功率的影響

由上述分析可知，調(diào)質(zhì)間隙X3單因素效應(yīng)對玉米秸稈調(diào)質(zhì)功率影響極顯著，調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速X2影響顯著，而喂入速度X1影響不顯著。以式（4）為基礎(chǔ)，取其他因素為0水平，進(jìn)行單因素分析。得到各單因素——喂入速度、調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速及調(diào)質(zhì)間隙對秸稈調(diào)質(zhì)功率的影響模型，如式（5）、（6）、（7）所示。

據(jù)上述方程得到各因素對調(diào)質(zhì)功率的影響曲線，如圖3所示。

圖3 單因素對調(diào)質(zhì)功率的影響Fig.3 Effect of single factor on adjusting material power

由圖3可見，調(diào)質(zhì)功率隨調(diào)質(zhì)間隙減小而呈顯著增加趨勢，最大調(diào)質(zhì)功率值發(fā)生在最小間隙，這是由于調(diào)質(zhì)間隙越小，秸稈壓扁或壓裂的壓力越大，調(diào)質(zhì)輥扭矩越大，功率值越大；隨玉米秸稈喂入速度增大，調(diào)質(zhì)功率值在各水平不變，表明喂入速度對調(diào)質(zhì)功率沒有影響；隨著調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速的增大，調(diào)質(zhì)功率呈緩慢上升趨勢，這是由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，需要?jiǎng)幽茉酱螅牡碾娔茉礁?；調(diào)質(zhì)時(shí)間隙對功率消耗高于轉(zhuǎn)速的作用，且作用明顯，這與單因素預(yù)試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.3.2 雙因素對秸稈調(diào)質(zhì)功率的影響

在建立的回歸方程式（3）中，分別確定任意一個(gè)因素為零水平，研究其余兩因素影響。利用De?sign Expert軟件分別繪制喂入速度和調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速、喂入速度和調(diào)質(zhì)間隙、調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速和調(diào)質(zhì)間隙的交互作用對調(diào)質(zhì)功率影響的響應(yīng)曲面圖，如圖4所示。

喂入速度和調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速對調(diào)質(zhì)功率的影響如圖4a所示。調(diào)質(zhì)間隙零水平（4 mm）時(shí)，在-1～+1水平范圍內(nèi)，隨著喂入速度的增加，秸稈調(diào)質(zhì)功率呈緩慢下降趨勢，隨調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速的增大，秸稈的調(diào)質(zhì)功率呈緩慢上升趨勢，表明喂入速度和調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速的變化對調(diào)質(zhì)功率影響較小。

喂入速度和調(diào)質(zhì)間隙對調(diào)質(zhì)功率的影響如圖4b所示。調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速零水平（95 r·min-1）時(shí)，隨調(diào)質(zhì)間隙的減小，調(diào)質(zhì)功率呈顯著增加趨勢，調(diào)質(zhì)間隙與調(diào)質(zhì)功率呈負(fù)相關(guān)，這是由于間隙越小，秸稈調(diào)質(zhì)壓力越大，調(diào)質(zhì)輥扭矩增大，功率值增大；隨著喂入速度的增加，調(diào)質(zhì)功率變化不大，調(diào)質(zhì)間隙對調(diào)質(zhì)功率的影響高于喂入速度。

調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速和調(diào)質(zhì)間隙對調(diào)質(zhì)功率的影響如圖4c所示。喂入速度零水平（4 km·h-1）時(shí)，調(diào)質(zhì)間隙對調(diào)質(zhì)功率的影響高于調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速，隨調(diào)質(zhì)間隙減小，調(diào)質(zhì)功率增大，調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速對調(diào)質(zhì)功率影響較小。

圖4 各因素對調(diào)質(zhì)功率影響的響應(yīng)曲面Fig.4 Response surfaces of the effects of all factors on power

2.4 優(yōu)化分析

為得到最佳試驗(yàn)因素水平，在滿足秸稈調(diào)質(zhì)性能前提下使調(diào)質(zhì)功率最小為目標(biāo)函數(shù)，對試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。綜合考慮臥輥式秸稈調(diào)質(zhì)裝置基礎(chǔ)上，以秸稈調(diào)質(zhì)性能試驗(yàn)因素結(jié)果作為約束條件，建立數(shù)學(xué)模型為：

根據(jù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和調(diào)質(zhì)功率回歸方程，基于遺傳算法利用Matlab軟件對回歸方程進(jìn)行優(yōu)化求解，得到滿足調(diào)質(zhì)性能要求使功率最小綜合優(yōu)化結(jié)果：喂入速度3.3～4 km·h-1，調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速88 r·min-1，調(diào)質(zhì)間隙2.5 mm時(shí)，調(diào)質(zhì)功率511.35 W。

3 結(jié)論

a.研制的玉米秸稈調(diào)質(zhì)試驗(yàn)裝置及測控系統(tǒng)能夠綜合考查影響調(diào)質(zhì)輥調(diào)質(zhì)功耗因素，對已摘穗玉米秸稈進(jìn)行裂皮、破節(jié)調(diào)質(zhì)作業(yè)同時(shí)進(jìn)行調(diào)質(zhì)功率在線測試。

b.試驗(yàn)分析各因素對玉米秸稈調(diào)質(zhì)功耗影響，結(jié)果表明，在調(diào)質(zhì)輥輥型一定條件下，調(diào)質(zhì)間隙對玉米秸稈調(diào)質(zhì)功耗影響最顯著。

c.對結(jié)果進(jìn)行分析，在保證秸稈調(diào)質(zhì)性能前提下，得到降低調(diào)質(zhì)功耗各因素優(yōu)化組合為：喂入速度3.3～4 km·h-1，調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速88 r·min-1，調(diào)質(zhì)間隙2.5 mm時(shí)，調(diào)質(zhì)功率511.35 W。

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Orthogonal experiment on power consumption of corn straw adjustingmaterial device/

DONG Xin,YANG Xitong,LI Zihui,AI Qingmu,BING Yuanyuan(School of Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

To meet the requirements of corn straw collecting and strapping achieve quick recycling in the bi-annual planting area,corn straw adjusting material is needed.Under the requirements of adjusting performance,the influence law of working parameters on power for the horizontal roller corn straw adjusting material device was studied.Using corn straw adjusting material test device and power measurement and control system developed independently and the quadratic orthogonal rotating combinatorial design,the tests were taken.Test factors are straw's feeding speed,adjusting material roller's rotation speed and adjusting material roller's working clearance.The response function is adjusting power.Test results show that when the parameter combination for feeding speed 3.3-4.0 km·h-1,rotation speed 88 r·min-1,clearance 2.5 mm,adjusting power is 511.35 W.The relationship between primary and secondary of the factors' contribution to the adjusting power:clearance greater than rotation speed greater than feeding speed.The theoretical basis is provided for design of straw harvesting and adjusting device.

corn straw;adjusting material device;power experimental

S225.5

A

1005-9369（2014）06-0109-06

時(shí)間 2014-6-11 16:18:16 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140611.1618.018.html

董欣,楊西同,李紫輝,等.臥輥式玉米秸稈調(diào)質(zhì)裝置功耗正交試驗(yàn)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(6):109-113.

Dong Xin,Yang Xitong,Li Zihui,et al.Orthogonal experiment on power consumption of corn straw adjusting material device [J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(6):109-113.(in Chinese with English abstract)

2013-05-02

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助項(xiàng)目（2009AA043602）

董欣（1962-），女，教授，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。E-mail:dongxin@neau.edu.cn