揉碎玉米秸稈螺旋輸送裝置參數(shù)試驗優(yōu)化

烏蘭圖雅 王春光 趙方超 王曉蓉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

玉米秸稈是可再生、低污染的綠色資源，對其進行高效開發(fā)利用，對解決能源緊缺，生態(tài)環(huán)境惡化等問題具有十分積極的作用[1-2]。螺旋輸送裝置是玉米秸稈加工處理過程中的重要設(shè)備，其輸送性能直接影響加工處理的質(zhì)量和生產(chǎn)率，同時也影響螺旋輸送設(shè)備的工作性能。

對螺旋輸送裝置的研究多以散粒體為研究對象，集中在設(shè)計制造、輸送機理分析、虛擬仿真分析和參數(shù)優(yōu)化等方面[3-8]。對于農(nóng)作物秸稈的研究主要集中在苜蓿等牧草和秸稈類物料的摩擦因數(shù)及力學特性研究[9-13]。針對農(nóng)業(yè)纖維物料螺旋輸送性能的研究較少。已有研究主要對玉米莖稈切割鋪放裝置、苜蓿壓扁收割機、雙軸臥室肉羊飼料攪拌混合機和生物質(zhì)熱裂解制取機等設(shè)備上使用的螺旋輸送器進行了設(shè)計，并研究了不同等級木屑對螺旋輸送性能的影響[14-18]。本課題組在前期研究中對揉碎玉米秸稈的螺旋輸送過程進行了理論分析，建立了輸送功耗和生產(chǎn)率的數(shù)學模型，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)對功耗和生產(chǎn)率的影響機理[19-22]，但并未將生產(chǎn)率和功耗結(jié)合起來考慮并作為螺旋輸送裝置輸送性能的指標。農(nóng)業(yè)纖維物料螺旋輸送裝置仍存在輸送效率低，能耗大的問題。

本研究擬采用理論分析與試驗研究相結(jié)合的方法對螺旋輸送裝置的輸送性能進行分析，建立比能產(chǎn)量的數(shù)學模型。以比能產(chǎn)量和功耗為輸送性能指標，采用Box-Behnken響應面試驗方法進行試驗，建立各指標與因素間的回歸數(shù)學模型，并對影響螺旋輸送性能的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)進行優(yōu)化，尋求滿足高效率低能耗輸送時的較優(yōu)參數(shù)組合，以期為實際螺旋輸送裝置的設(shè)計生產(chǎn)提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以經(jīng)過9R-40型揉碎機揉碎后的玉米秸稈為試驗物料，揉碎后物料長度小于180 mm，寬度2～8 mm，平均含水率53%。物料含水率參照GB 5009.3—2016 《食品中水分的測定》方法進行測定，計算公式為：

物料含水率/%=
[(鮮物質(zhì)質(zhì)量-干物質(zhì)質(zhì)量)/鮮物質(zhì)質(zhì)量]×100

1.2 試驗儀器設(shè)備

本研究搭建的LS型螺旋輸送裝置試驗臺主要由電動機、轉(zhuǎn)速扭矩測量儀、喂料器、機殼和螺旋軸等組成(圖1)，喂入口尺寸為260 mm×400 mm、螺旋葉片外徑250 mm、中心軸直徑60 mm、螺旋葉片與外殼間的間隙5～8 mm、輸送長度2 500 mm、螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂料器轉(zhuǎn)速均可調(diào)。北京新宇航測控測控科技股份有限公司生產(chǎn)的JN338-500AE型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；北京市菲姆斯科技開發(fā)公司生產(chǎn)的Famous牌電子天平，其精度0.01g，量程為6 kg； 天津宏諾儀器有限公司生產(chǎn)的202-005型電熱恒溫干燥箱。

1.電動機；2.聯(lián)軸器；3.轉(zhuǎn)速扭矩測量儀；4.聯(lián)軸器；5.單相直流調(diào)速電動機；6.喂料器；7.外殼；8.螺旋軸1. Electric motor; 2. Coupling; 3. Speed torque measuring instrument; 4. Coupling; 5. Single-phase DC speed-regulating motor; 6. Feeder; 7. Housing; 8. Screw shaft圖1 螺旋輸送裝置試驗臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of auger conveyor test rig

1.3 目標函數(shù)

為達到最佳輸送性能，要求螺旋輸送裝置生產(chǎn)率最高、輸送功耗最低。根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，要獲得較高的生產(chǎn)率，就必須要求螺距大，喂入量大，轉(zhuǎn)速不宜過大；要獲得較低的輸送功耗，就必須要求合適的螺距，轉(zhuǎn)速低，喂入量小。由于各因素對試驗指標的影響不盡相同，因此，必須進行多目標優(yōu)化，尋求滿足輸送性能的最佳因素組合。比能產(chǎn)量是衡量螺旋輸送裝置輸送效率的重要參數(shù)，計算公式為：

(1)

式中：η為螺旋輸送裝置的比能產(chǎn)量，kg/W；Qg為螺旋輸送裝置的生產(chǎn)率，kg/min；E為螺旋輸送裝置的功耗，W。螺旋輸送裝置生產(chǎn)率Qg的表達式[22]為：

(2)

(3)

式中：k為功耗的修正系數(shù)；Z為輸送長度，m；F3為機殼對物料的摩擦力，N；F6為螺旋葉片推進面對物料的摩擦力，N；F8為葉片背面對物料的摩擦力，N；Fc為中心軸對物料的摩擦力，N；Va為物料的絕對速度，m/s；Vr為物料的相對速度，m/s。

1.4 因素水平的選擇

為了探討功耗和比能產(chǎn)量與螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂入量之間的關(guān)系，先假定其他物理量值為常數(shù)，只改變其中1個物理量，采用MATLAB軟件進行模擬計算，得出參數(shù)與功耗、比能產(chǎn)量間的關(guān)系見圖2。

圖2 功耗和比能產(chǎn)量與螺距(S)、螺旋軸轉(zhuǎn)速(n)和喂入量(Ψ)的關(guān)系Fig.2 Power consumption and productivity ratio under different pitch, rotational speed and feeding quantity

由圖2可知，功耗隨著螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂入量的增大而增大，比能產(chǎn)量隨著螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂入量的增大而先增大再減小。當螺旋葉片的螺距300～355 mm，螺旋軸轉(zhuǎn)速100～140 r/min時，螺旋輸送裝置的輸送效率較高，功耗較低；當喂入量30～70 kg/min時，螺旋輸送裝置能滿足揉碎玉米秸稈的穩(wěn)定輸送要求[22]。因此，本試驗中各因素的水平分別控制在以上范圍內(nèi)，各因素的水平見表1。

表1 功耗和比能產(chǎn)量的試驗因素水平Table 1 Levels of test factors of power consumption and productivity ratio

根據(jù)Design-Expert軟件中的響應曲面法進行試驗方案設(shè)計，以螺旋輸送裝置的比能產(chǎn)量和輸送功耗作為試驗指標，試驗總次數(shù)為17次，其中的12組作為分析因點，5組作為零點，零點試驗重復多次，以估計試驗誤差。試驗方案及結(jié)果見表2。

表2 響應曲面試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 2 Scheme and results of response surface experiments design

1.5 試驗結(jié)果方差分析

利用Design-Expert軟件對表2中的數(shù)據(jù)進行二次多元回歸擬合，得到比能產(chǎn)量和功耗對螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂入量等3個自變量的二次多項式響應面回歸模型為：

(4)

y2=599.95+50.83x2+111.39x3

(5)

對比能產(chǎn)量和功耗進行方差分析，結(jié)果(表3)表明，比能產(chǎn)量和功耗響應面模型的P值均小于0.01，回歸模型極顯著，且失擬項均極不顯著，說明試驗正確有效且模型合適。2個模型的R2分別為0.914 5和0.900 5，表明可用于比能產(chǎn)量和功耗的預測。

影響因子x3、x12和x22對比能產(chǎn)量影響極顯著，影響因子x2和x3對功耗影響極顯著，其他影響因子不顯著。各因子對比能產(chǎn)量的顯著性由大到小依次為喂入量、螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速；對功耗的顯著性由大到小依次為喂入量、螺旋軸轉(zhuǎn)速、螺距。

1.6 試驗結(jié)果響應曲面分析

采用響應曲面法分析各因素對比能產(chǎn)量和功耗的影響，固定3個因素中1個因素水平，考察其他2個因素對比能產(chǎn)量和功耗的影響。

1)固定喂入量為30 kg/min，螺距和螺旋軸轉(zhuǎn)速對比能產(chǎn)量和功耗的影響見圖3。該試驗水平下，螺旋輸送裝置的功耗隨螺距的增大而增大，這是由于隨著螺距的增大，螺旋葉片運送速度加快，因此物料的流動動能增大，所消耗的功耗增大；螺旋輸送裝置的功耗隨螺旋軸轉(zhuǎn)速的增加而增大，這是由于轉(zhuǎn)速的增加不僅增大物料的流動動能，而且增大物料與螺旋葉片和機殼間的摩擦力，因此輸送功耗增大。雖然增大螺距和轉(zhuǎn)速使螺旋輸送裝置消耗更多的能量，但比能產(chǎn)量隨著螺距和轉(zhuǎn)速的增大而先增大再減小。因此選擇適中的螺距和轉(zhuǎn)速可以增加螺旋輸送裝置的比能產(chǎn)量，一定程度上降低工作成本、提高輸送效率。

表3 比能產(chǎn)量和功耗試驗結(jié)果的方差分析Table 3 Variance analysis of test results of productivity ratio and power consumption

圖3 螺距(S)和轉(zhuǎn)速(n)對功耗和比能產(chǎn)量影響的相應曲面Fig.3 Response surface showing effects of pitch and rotational speed on power consumption and productivity ratio

2)固定螺旋軸轉(zhuǎn)速為120 r/min，螺距和喂入量對比能產(chǎn)量和功耗的影響見圖4。該試驗水平下，螺旋輸送裝置的功耗隨螺距的增大而增大；功耗隨喂入量的增大而增大，這是由于當喂入量增大時，螺旋槽內(nèi)物料的密度增大，螺旋葉片和機殼所受摩擦力增大，導致輸送功耗增大。比能產(chǎn)量隨著螺距的增大而先增大再減小，隨著喂入量的增大而減小。因此，喂入量大不僅使螺旋輸送裝置消耗更多的能量、提高工作成本、而且降低輸送效率。

圖4 螺距(S)和喂入量(Ψ)對功耗和比能產(chǎn)量影響的相應曲面Fig.4 Response surface showing effects of pitch and feeding quantity on power consumption and productivity ratio

3)固定螺距為335 mm，螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂入量對比能產(chǎn)量和功耗的影響見圖5。該試驗水平下，螺旋輸送裝置的功耗隨轉(zhuǎn)速和喂入量的增大而增大；比能產(chǎn)量隨著喂入量的增大而減小，隨著轉(zhuǎn)速的增大而先增大再減小。減小喂入量、選擇適中的轉(zhuǎn)速可以降低輸送能耗，提高輸送效率。

圖5 轉(zhuǎn)速(n)和喂入量(Ψ)對功耗和比能產(chǎn)量影響的相應曲面Fig.5 Response surface showing effects of rotational speed and feeding quantity on power consumption and productivity ratio

2 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

2.1 參數(shù)優(yōu)化與分析

為獲得螺旋輸送裝置最佳性能的作業(yè)參數(shù)，利用 Design-expert 8.0.6 軟件的優(yōu)化模塊，對式(4)和式(5)的回歸模型進行有約束目標的優(yōu)化求解。取比能產(chǎn)量的優(yōu)化目標為最大，取功耗的優(yōu)化目標為最小?？紤]到提高比能產(chǎn)量、降低功耗的雙重要求，優(yōu)化目標函數(shù)為：

(6)

約束函數(shù)為：

(7)

優(yōu)化結(jié)果為：螺距322.85 mm，螺旋軸轉(zhuǎn)速102.14 r/min，喂入量30 kg/min，該條件下螺旋輸送裝置的比能產(chǎn)量為0.084 6 kg/W，功耗439.781 W。該優(yōu)化結(jié)果的可取度為0.949，是43組優(yōu)化結(jié)果中期望值最高的參數(shù)組合。

2.2 驗證試驗

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊設(shè)計要求、螺旋輸送機行業(yè)標準及試驗的可行性[22-23]，調(diào)整螺距為325 mm、螺旋軸轉(zhuǎn)速為100 r/min、喂入量為30 kg/min，在螺旋輸送裝置試驗臺上進行試驗，每組試驗重復10次，取平均值作為最終的結(jié)果。將試驗結(jié)果與優(yōu)化前參數(shù)組合為螺距300 mm，轉(zhuǎn)速120 r/min，喂入量30 kg/min時得到的結(jié)果進行對比(表4)可知，優(yōu)化調(diào)節(jié)后螺旋輸送裝置的各項性能指標接近理論優(yōu)化結(jié)果，且優(yōu)化后比能產(chǎn)量比優(yōu)化前提高了4.96%，功耗比優(yōu)化前降低了2.44%。優(yōu)化后在一定程度上提高了螺旋輸送裝置的輸送效率，降低了能耗。

表4 優(yōu)化前后試驗結(jié)果對比Table 4 Comparison of experimental results before and after optimization

3 結(jié) 論

1)本研究建立了螺旋輸送裝置比能產(chǎn)量的數(shù)學模型。通過對比能產(chǎn)量和功耗模型進行模擬計算，確定了高效率低能耗輸送時的參數(shù)范圍：螺距300～355 mm，螺旋軸轉(zhuǎn)速100～140 r/min，喂入量30～70 kg/min。

2)通過三因素三水平的Box-Behnken響應面分析法進行試驗試驗，得出各因素對比能產(chǎn)量的影響顯著性順序依次為：喂入量、螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速；對功耗的影響顯著性順序依次為喂入量、螺旋軸轉(zhuǎn)速、螺距。

3)通過Design-Expert軟件得出螺旋輸送裝置的最佳參數(shù)組合為螺距325 mm，螺旋軸轉(zhuǎn)速100 r/min，喂入量30 kg/min，優(yōu)化后比能產(chǎn)量為0.084 6 kg/W，較優(yōu)化前提高了4.96%，功耗為439.781 W，較優(yōu)化前降低了2.44%。驗證試驗表明，在最佳參數(shù)組合下螺旋輸送裝置可實現(xiàn)高效率低能耗輸送要求。