一體式煙稈拔稈破碎機(jī)工作參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

張大斌，舒成松，余朝靜，劉維崗，曹 陽(yáng)，2

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025；2.貴州科爾達(dá)客機(jī)電設(shè)備有限公司，貴陽(yáng) 550003)

0 引言

煙稈作為煙葉生產(chǎn)過(guò)程中的特殊副產(chǎn)物，在煙葉采摘完畢后大多將被直接遺棄在田間，由于其含有煙堿或部分?jǐn)y帶煙草病毒等，這種處理方式不僅造成土壤污染，同時(shí)也影響來(lái)年煙葉的生長(zhǎng)，需在煙葉收獲后立即拔除[1]。而我國(guó)煙稈回收的機(jī)械化程度較低，回收環(huán)節(jié)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率不高[2]。煙稈的資源化利用較廣，主要用于制備有機(jī)肥、提取化學(xué)原料、制作生物質(zhì)燃料及造板等[3-4]。因此，近年來(lái)煙稈的回收與綜合利用成為研究熱點(diǎn)之一，而煙稈機(jī)械化回收設(shè)備是提升煙稈綜合利用效益的重要設(shè)備。

目前，煙稈回收有人工拔除和機(jī)械化回收兩種方式。人工拔除費(fèi)時(shí)費(fèi)力，經(jīng)濟(jì)成本高，拔除不徹底，易殘留大量煙稈根莖[5]。機(jī)械化回收設(shè)備就目前國(guó)內(nèi)煙稈拔稈機(jī)而言，一種(如青州華農(nóng)4YG-lA型煙稈拔除機(jī)[6]和華盛泰山4JD-80型煙草拔除機(jī)等[7])通過(guò)蔸式拔稈刀輥將煙稈拔起后平鋪于田間，再進(jìn)行二次收集和處理；另一種(如江蘇久泰JTBG-A型拔稈機(jī)[8])可以完成拔稈、破碎等作業(yè)功能，但在山區(qū)作業(yè)時(shí)存在含土率高、粉碎粒徑大等問(wèn)題，區(qū)域整體適應(yīng)性不強(qiáng)。

針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種集煙稈拔稈、拋擲、抓取、輸送、清理和破碎的一體式煙稈拔稈破碎機(jī)，并介紹了拔稈破碎機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和工作原理。為獲得較優(yōu)的機(jī)具工作參數(shù)，保證作業(yè)質(zhì)量，選取機(jī)組行進(jìn)速度、刀輥轉(zhuǎn)速和對(duì)輥轉(zhuǎn)速等因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)和Box—Behnken中心組合響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)[9]，通過(guò)建立漏稈率和破碎粒徑合格率為響應(yīng)指標(biāo)的數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行工作參數(shù)優(yōu)化，得到最優(yōu)的工作參數(shù)組合。

1 樣機(jī)總體結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

一體式煙稈拔稈破碎機(jī)是一種集拔稈、破碎和收集功能為一體的多功能聯(lián)合作業(yè)煙草機(jī)械，主要由拔稈刀輥、對(duì)輥傳輸機(jī)構(gòu)，破碎機(jī)構(gòu)、三點(diǎn)懸掛裝置和液壓系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理及過(guò)程

一體式煙稈拔稈破碎機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，由四輪拖拉機(jī)先把煙稈壓倒，刀輥液壓馬達(dá)通過(guò)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)刀輥反向旋轉(zhuǎn)從煙壟底部切削土壤，使煙壟土壤疏松并將煙蔸掘出地面，在刀輥反轉(zhuǎn)力和齒梳的作用下將煙稈拋送至后部輸送對(duì)輥；對(duì)輥液壓馬達(dá)通過(guò)鏈傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)輸送對(duì)輥Ⅱ上對(duì)輥，對(duì)輥Ⅱ上下對(duì)輥通過(guò)齒輪傳動(dòng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，再通過(guò)鏈傳動(dòng)共同驅(qū)動(dòng)各級(jí)對(duì)輥的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)煙稈的輸送、煙蔸去土等工序；最后，在自動(dòng)上下浮動(dòng)對(duì)輥的作用下將煙稈強(qiáng)制喂入破碎機(jī)入口進(jìn)行煙稈的破碎；破碎的煙稈顆粒在流場(chǎng)的作用下拋至收集裝置，實(shí)現(xiàn)煙稈的連續(xù)拔稈和破碎作業(yè)。

1.3 主要技術(shù)指標(biāo)

外形尺寸/mm：3 100×2 000×1 100

作業(yè)指標(biāo)/667m2·h-1：≥2

拔稈率/%:≥90

破碎粒徑/cm：≤4

1.刀輥 2.齒梳 3.輸送對(duì)輥Ⅰ 4.三點(diǎn)懸掛 5.刀輥液壓馬達(dá) 6.刀輥傳動(dòng)減速箱 7.輸送對(duì)輥液壓馬達(dá) 8.輸送對(duì)輥Ⅲ 9.擺臂 10.輸送對(duì)輥Ⅳ 11.煙稈破碎機(jī) 12.破碎機(jī)液壓馬達(dá) 13.機(jī)架 14.殼體 15.輸送對(duì)輥Ⅱ 16.拔稈耕深調(diào)節(jié)輪

2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 試驗(yàn)條件

為開(kāi)展試驗(yàn)，本項(xiàng)目組于2017年10-11月在貴州省安順市平壩縣十字鄉(xiāng)進(jìn)行了樣機(jī)的田間拔稈破碎試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)象為單壟種植模式下煙葉收獲后留下的完整煙稈。其壟高180～220mm，壟寬680～720mm，壟間距1 000～1 100mm，單壟長(zhǎng)70m；煙株高度1 200～1 500mm,煙株距550～600mm,煙稈直徑25～40mm,煙蔸直徑為240～300mm；壟體平均含水率為21%，平均土壤硬度為945kPa，工作幅寬650～700mm,耕深150～200mm。試驗(yàn)在未清除煙稈、雜草、地膜的條件下進(jìn)行，可移動(dòng)一體式煙稈拔稈破碎機(jī)配套動(dòng)力為東方紅ME404拖拉機(jī)，功率為29.4kW，如圖2所示。

圖2 樣機(jī)田間試驗(yàn)Fig.2 Field experiment of prototype

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)指標(biāo)

作為煙稈拔稈破碎機(jī)械，對(duì)輥傳輸機(jī)構(gòu)的傳輸快慢對(duì)拔稈效果有著重要影響。傳輸速度過(guò)快，會(huì)造成單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入破碎機(jī)入口的喂入量過(guò)大，破碎粒徑大；傳輸速度過(guò)慢，會(huì)導(dǎo)致刀輥處煙稈堆積，影響漏稈率。因此，將漏稈率B、破碎粒徑合格率P作為機(jī)具試驗(yàn)評(píng)價(jià)的2個(gè)指標(biāo)[10-11]。

1)漏稈率B。

(1)

其中，B為漏稈率(未拔起或拔起未傳輸?shù)狡扑闄C(jī)構(gòu))(%)；N1為成功拔起煙稈并傳輸?shù)狡扑闄C(jī)入口處煙稈數(shù)；N為單壟煙稈數(shù)。

2)破碎粒徑合格率P。

(2)

其中，P為破碎粒徑合格率(%)；m0為4cm(課題要求粒徑指標(biāo))以下的破碎煙稈顆粒的質(zhì)量,通過(guò)篩孔篩選再稱重(kg)；m為總的煙稈顆粒的質(zhì)量(kg)。

2.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

一體式煙稈拔稈破碎機(jī)是拔稈、傳輸、破碎的聯(lián)合作業(yè)，通過(guò)前期的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析可知：影響其試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素為機(jī)具的行走速度、刀輥轉(zhuǎn)速和對(duì)輥轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)先開(kāi)展主要因素的單因素試驗(yàn)，得到作業(yè)性能較好的工作參數(shù)范圍，在此基礎(chǔ)上利用Box—Behnken中心組合響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)對(duì)工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，再將優(yōu)化結(jié)果作為試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn)，驗(yàn)證其優(yōu)化模型的可靠性。在本試驗(yàn)中，為提高試驗(yàn)精確性及可比性，選擇試驗(yàn)條件近似的5壟煙稈進(jìn)行5組拔稈破碎試驗(yàn)，并在拔稈破碎機(jī)安裝轉(zhuǎn)速傳感器和無(wú)紙記錄儀，便于確定試驗(yàn)過(guò)程中上述的參數(shù)值。

1)單因素試驗(yàn)。為得到刀輥轉(zhuǎn)速、傳輸對(duì)輥轉(zhuǎn)速及機(jī)組行進(jìn)速度對(duì)漏稈率和破碎粒徑合格率的影響，分別開(kāi)展其影響因素的單因素試驗(yàn)。將破碎機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為1 440r/min，對(duì)輥傳輸速度551r/min，保持刀輥轉(zhuǎn)速140r/min，根據(jù)課題作業(yè)要求0.37m/s(2×667m2/h)，故將機(jī)組行進(jìn)速度分別設(shè)置為0.19、0.28、0.37、0.46、0.55m/s開(kāi)展試驗(yàn)。保持機(jī)組行進(jìn)速度0.37m/s，對(duì)輥傳輸速度設(shè)定為551r/min，根據(jù)山地拔稈機(jī)初步試驗(yàn)，刀輥轉(zhuǎn)速為140 r/min時(shí)，拔稈率為92.3%，故依次將刀輥轉(zhuǎn)速設(shè)置為80、110、140、170、200r/min考查刀輥轉(zhuǎn)速對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響。保持保持機(jī)組行進(jìn)速度0.37m/s，設(shè)定刀輥傳輸速度為140r/min，根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算的理論結(jié)果對(duì)輥傳輸速度551r/min，依次改變對(duì)輥傳輸速度為451、501、551、601、651r/min，記錄相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2)多因素試驗(yàn)。考慮到個(gè)參數(shù)的相互影響，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以機(jī)組行進(jìn)速度(A)、刀輥轉(zhuǎn)速(B)、對(duì)輥轉(zhuǎn)速(C)為試驗(yàn)因素，漏稈率、破碎粒徑合格率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，因素水平表如表1所示。

表1 響應(yīng)面因素水平編碼表Table1 Response surface Factor level code table

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)

3.1.1 機(jī)組行走速度

試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)控制拖拉機(jī)的油門和制動(dòng)器來(lái)控制拖拉機(jī)的前進(jìn)速度。隨著行走速度的增加，破碎粒徑合格率呈先上升后下降趨勢(shì)，漏稈率呈上升趨勢(shì)，如圖3所示。其原因是機(jī)組行進(jìn)速度越快，單位時(shí)間內(nèi)拔起煙稈數(shù)量增加，齒梳及刀輥的相互作用不能及時(shí)將煙稈拋送至傳輸對(duì)輥，導(dǎo)致在旋耕刀輥處堆積或者散落至壟間，致使煙稈的漏稈率增加；此外，還會(huì)導(dǎo)致多根含土率較高的煙稈同時(shí)進(jìn)入對(duì)輥Ⅰ傳輸機(jī)構(gòu)，使煙稈的破碎粒徑增大。綜合考慮，選擇較適合的機(jī)組的前進(jìn)速度為0.28～0.46m/s。

圖3 不同機(jī)組行進(jìn)速度下的漏稈率和破碎粒徑合格率Fig.3 Leaking stem rate and broken grain percent of broken grains at the traveling speed of different units

3.1.2 刀輥轉(zhuǎn)速

刀輥轉(zhuǎn)速對(duì)漏稈率和破碎粒徑合格率關(guān)系如圖4所示。刀輥轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，煙稈不能及時(shí)地拔起并拋送至輸送機(jī)構(gòu)，散落在壟間，同時(shí)拋土效果不佳，拔起的煙稈煙蔸處含有大量的土壤，致使煙稈漏稈率較高；隨著轉(zhuǎn)速的增加，漏稈率呈下降趨勢(shì)，破碎粒徑合格率呈先增加后減少趨勢(shì)，但當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到170r/min以上時(shí)，漏稈率下降趨勢(shì)漲幅不大，此時(shí)的功耗加劇，增加整個(gè)液壓系統(tǒng)的負(fù)載。綜合考慮，選擇較適合的刀輥轉(zhuǎn)速為110～170r/min。

圖4 不同刀輥轉(zhuǎn)速下的漏稈率和破碎粒徑合格率Fig.4 The rate of leakage and the qualified rate of broken grains at the rotational speed of the different cutter rolls

3.1.3 對(duì)輥轉(zhuǎn)速

對(duì)輥轉(zhuǎn)速對(duì)漏稈率及破碎粒徑合格率的關(guān)系如圖5所示。對(duì)輥轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，傳遞煙稈量小，導(dǎo)致漏稈率高；隨著對(duì)輥轉(zhuǎn)速的增加，拔起的煙稈成功傳輸?shù)狡扑闄C(jī)比例增加，會(huì)導(dǎo)致送入破碎機(jī)入口處的煙稈喂入量過(guò)大，使破碎粒徑增大。綜合各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)及功耗，對(duì)輥轉(zhuǎn)速為501～551r/min時(shí)的拔稈破碎效果較優(yōu)。

圖5 不同對(duì)輥轉(zhuǎn)速下漏稈率和破碎粒徑合格率Fig.5 The rate of leakage of stem and the qualified rate of broken grain at different roller speed

3.2 多因素試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方案及結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)計(jì)中考慮了各因素的交互效應(yīng)，因此采用響應(yīng)曲面分析法，應(yīng)用Box—Behnken法設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案[12-13]及結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Design scheme and test result

續(xù)表2

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在Design-Expert8.06曲面分析軟件中建立以漏稈率、破碎粒徑合格率為響應(yīng)指標(biāo)的二次多元回歸方程，對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的3個(gè)因素進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)與分析，得到響應(yīng)面模型及方差分析結(jié)果如表3所示。

漏稈率的回歸方程為

Y1=361.9-187.8X1-0.77X2-0.95X3+

0.06X1X2-0.07X1X3+0.006X2X3+

(3)

破碎粒徑合格率的回歸方程為

Y2= -411.8+4.97X1+0.3X2+1.8X3+

0.46X1X2+0.19X1X3-0.003X2X3-

(4)

其中，Y1為漏稈率；Y2為破碎粒徑合格率；X1為機(jī)組行進(jìn)速遞；X2為刀輥轉(zhuǎn)速；X3為對(duì)輥轉(zhuǎn)速。

表3 回歸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果Table 3 Regression statistical analysis results

3.2.3 漏稈率及破碎粒徑合格率響應(yīng)曲面分析

一體式煙稈拔稈破碎機(jī)前進(jìn)速度X1、刀輥轉(zhuǎn)速X2、對(duì)輥轉(zhuǎn)速X3對(duì)漏稈率和破碎粒徑合格率交互作用的響應(yīng)曲面如圖6所示。

圖6(a)、(b)中：當(dāng)對(duì)輥轉(zhuǎn)速為551r/min時(shí)，隨著機(jī)組行進(jìn)速度和刀輥轉(zhuǎn)速的增加，漏稈率呈先降低后升高的趨勢(shì)，破碎粒徑合格率呈先增加后降低的趨勢(shì)。機(jī)組行進(jìn)速度快，在有限的傳輸機(jī)構(gòu)腔體內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)拔起煙稈的數(shù)量增加，會(huì)導(dǎo)致煙稈堵塞掉至壟間；刀輥轉(zhuǎn)速過(guò)低，拔起的煙稈不能拋送至傳輸機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致拔起的煙稈堆積在刀輥處，使漏稈率增加。同時(shí)，刀輥轉(zhuǎn)速較低時(shí)，煙稈成功拔起并拋送至輸送機(jī)構(gòu)的量少，導(dǎo)致破碎粒徑合格率較低，但轉(zhuǎn)速及行進(jìn)速度過(guò)快時(shí)會(huì)導(dǎo)致多根煙稈同時(shí)進(jìn)入破碎腔，使破碎粒合格率降低。

圖6(c)、(d)中：當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速為140r/min時(shí)，漏稈率隨著機(jī)組行進(jìn)速度和對(duì)輥轉(zhuǎn)速的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，破碎粒徑合格率呈先升高后降低的趨勢(shì)。機(jī)組行進(jìn)速度過(guò)高和對(duì)輥轉(zhuǎn)速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致拔稈量和傳輸量之間不匹配，超過(guò)傳輸量的煙稈將會(huì)被拋送至壟間，使漏稈率增加；當(dāng)對(duì)輥轉(zhuǎn)速和行進(jìn)速度均較低時(shí)，喂入破碎腔的煙稈量少，對(duì)輥轉(zhuǎn)速及行進(jìn)速度過(guò)高時(shí)，多根煙稈會(huì)被迅速喂入破碎腔，使破碎粒徑減少。

圖6(e)、(f)中：當(dāng)機(jī)組行進(jìn)速度為0.37m/s時(shí)，漏稈率隨對(duì)輥轉(zhuǎn)速和刀輥轉(zhuǎn)速的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，破碎粒徑合格率先升高后降低的趨勢(shì)。刀輥轉(zhuǎn)速過(guò)低，煙稈不易成功拋送至輸送機(jī)構(gòu)；刀輥轉(zhuǎn)速及對(duì)輥轉(zhuǎn)速均過(guò)高時(shí)，對(duì)輥輸送機(jī)構(gòu)不能即時(shí)將全部煙稈輸送至破碎腔，使漏稈率值均偏高；當(dāng)?shù)遁佫D(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，成功拔起并拋送至破碎腔的煙稈量少，對(duì)輥轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，單位時(shí)間喂入破碎腔的煙稈量大，使破碎粒徑合格率值均偏低。

根據(jù)所建立的響應(yīng)面優(yōu)化模型和試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，應(yīng)用軟件Design-Expert8.06中Optimization-Numerical模塊對(duì)回歸方程模型在該目標(biāo)下進(jìn)行優(yōu)化求解[14]。將漏稈率目標(biāo)求極小值，破碎粒徑合格率目標(biāo)求極大值，得到最優(yōu)的拔稈破碎機(jī)工作參數(shù)為：機(jī)組行進(jìn)速度0.37m/s、刀輥轉(zhuǎn)速140r/min、對(duì)輥轉(zhuǎn)速551r/min時(shí)，漏稈率為4%，破碎粒徑合格率為93.8%。為驗(yàn)證模型(3)、(4)的可靠性，利用優(yōu)化后的工作參數(shù)開(kāi)展6次煙稈的拔稈破碎試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，得到漏稈率為4.6%，破碎粒徑合格率為92.63%。優(yōu)化后的作業(yè)參數(shù)下的實(shí)際漏稈率和破碎粒徑合格率與優(yōu)化值基本相符，且能達(dá)到課題的試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)。因此，所建立的回歸模型基本可靠，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

圖6 交互因素對(duì)漏稈率和破碎粒徑合格率的影響Fig.6 The influence of interaction factors on the rate of missing stalk and the qualified diameter of broken grains in

4 結(jié)論

1)介紹了一體式煙稈拔稈破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，并進(jìn)行了單因素試驗(yàn)及響應(yīng)曲面法試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：隨著對(duì)輥轉(zhuǎn)速、機(jī)組行進(jìn)速度和刀輥轉(zhuǎn)速的增加，漏稈率呈先降低后升高的趨勢(shì)，破碎粒徑合格率先升高后降低的趨勢(shì)，表明兼顧兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)煙稈拔稈破碎機(jī)的工作參數(shù)應(yīng)取中間值。

2)基于Design-Expert中的Optimization-Numerical模塊對(duì)回歸方程模型進(jìn)行目標(biāo)優(yōu)化求解，通過(guò)優(yōu)化后得到拔稈破碎機(jī)工作最優(yōu)參數(shù)為：機(jī)組行進(jìn)速度0.37m/s，刀輥轉(zhuǎn)速140r/min，對(duì)輥轉(zhuǎn)速551r/min。此時(shí)，漏稈率為4%，破碎粒徑合格率為93.8%。

3)采用最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行了田間試驗(yàn)，得到漏稈率為4.6%，破碎粒徑合格率為92.63%。優(yōu)化后的作業(yè)參數(shù)下的實(shí)際漏稈率和破碎粒徑合格率與優(yōu)化值基本相符，優(yōu)化后的工作參數(shù)具有一定實(shí)用價(jià)值。