基于正交試驗的田間苧麻剝麻機(jī)參數(shù)優(yōu)選

蘇 寧，郭克君*，吳立國，滿大為，朱炯光，2

(1.國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院，北京100091)

苧麻作為一種重要的麻纖維原料作物，在我國江西、湖南、四川、貴州等省份均有廣泛種植。由于剝離困難，流程復(fù)雜，目前國內(nèi)的苧麻剝皮工作主要依靠人工，既費時又費力，且作業(yè)成本高，嚴(yán)重影響苧麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[1]。針對這一問題，哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所研制了一種田間苧麻剝麻機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，非常適合在田間地頭進(jìn)行苧麻剝麻作業(yè)，并能適應(yīng)當(dāng)前國內(nèi)苧麻小、散、密的種植模式，為機(jī)械化剝麻研究和使用提供參考。本文基于前人研究[2-5]，對該苧麻機(jī)進(jìn)行了正交試驗并對實際參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，剝麻機(jī)主要包括車輪、機(jī)架、柴油機(jī)、刮板滾筒、傳動皮帶和齒輪組。該套旋轉(zhuǎn)式苧麻剝麻機(jī)采用目前較為成熟的雙滾筒剝麻形式[6]，上下滾筒的刮板相互交錯，間距可通過更換不同預(yù)制孔位的刮板來調(diào)整。工作時柴油機(jī)通過皮帶和齒輪組帶動兩對刮板滾筒相向轉(zhuǎn)動。可通過柴油機(jī)上的油門及調(diào)速撥片控制轉(zhuǎn)速。

剝麻機(jī)的工作原理是利用相向轉(zhuǎn)動的滾筒將喂入的麻桿帶入上下刮板間交錯的空隙，從而使麻桿多次彎折、碾壓并折碎麻骨。之后人工反拉麻桿，使刮板反向刮擦麻纖維上粘連的碎骨，刮離麻骨保留麻纖維，達(dá)到脫麻去骨的目的。在實際作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，麻桿的粗細(xì)、滾筒轉(zhuǎn)速的高低以及不同規(guī)格刮板對整體剝麻質(zhì)量有較大的影響，需通過試驗進(jìn)行檢驗及優(yōu)化。

圖1 苧麻剝麻機(jī)結(jié)構(gòu)1.齒輪組；2.刮板滾筒；3.車輪；4.機(jī)架；5.傳動皮帶；6.柴油機(jī)

2 試驗設(shè)計

主要針對苧麻桿粗細(xì)程度、滾筒轉(zhuǎn)速、刮板規(guī)格三組參數(shù)進(jìn)行調(diào)試。

苧麻桿粗細(xì)程度用字母D表示。本次試驗用苧麻品種為“贛苧一號”，收獲批次為7～8月在江西分宜收獲的“二麻”。由于個體差異，苧麻粗細(xì)不一。為便于試驗分析，將苧麻人工分選為“粗”、“中”、“細(xì)”三個梯度。桿直徑以麻桿根部向上10 cm處的測量值為準(zhǔn)，其中直徑在10～12 mm(10 mm≤D<12 mm)的為“細(xì)”組，直徑在12～14 mm(12 mm≤D<14 mm)的為“中”組，直徑在14～16 mm(14 mm≤D<16 mm)的為“粗”組。

剝麻機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速用字母V表示。通過調(diào)節(jié)柴油機(jī)油門及調(diào)速撥片來改變滾筒轉(zhuǎn)速，利用優(yōu)利德科技(中國)股份有限公司生產(chǎn)的UT372型轉(zhuǎn)速計測量確認(rèn)。將轉(zhuǎn)速分為“高”、“中”、“低”三檔。滾筒轉(zhuǎn)速200～250 r/min(200 r/min≤V<250 r/min)為“低”檔，滾筒轉(zhuǎn)速250～300 r/min(250 r/min≤V<300 r/min)為“中”檔，滾筒轉(zhuǎn)速在300～350 r/min(300 r/min≤V<350 r/min)為“高”檔。

刮板規(guī)格用字母H表示。共設(shè)置3種刮板規(guī)格組合，分別為40 mm×40 mm、40 mm×43 mm和40 mm×46 mm。每個滾筒上安裝12條刮板，上下刮板依次交錯，安裝后用游標(biāo)卡尺測量確認(rèn)距離，保證伸出長度一致。

將上述內(nèi)容整理得到因素水平表見表1。

采用綜合評分法對剝麻機(jī)的工作質(zhì)量進(jìn)行量化評價，參考前人研究[7]以及實際生產(chǎn)經(jīng)驗制定了評分標(biāo)準(zhǔn)，見表2。依據(jù)表中評分規(guī)則將苧麻劃分成A、B、C、D、E五個評分等級，每個級別以2分遞增進(jìn)行主觀打分，滿分10分。

采用三因素三水平試驗設(shè)計，每兩個因素的交互作用要占兩列，三個因素的所有交互作用共有三個，共占6列，連同三個因素H、V、D，在正交表中共占9列，應(yīng)當(dāng)選正交表L27(313)?？紤]交互作用，作出各因素及其交互作用的安排，連同試驗結(jié)果一起列在表3中。

表1 三因素三水平

水平因素管板規(guī)格H/mm滾筒轉(zhuǎn)速V/r·min-1麻桿直徑D/mm140×40200～250(200≤V<250)10～12(10≤D<12)240×43250～300(250≤V<300)12～14(12≤D<14)340×46300～350(300≤V<350)14～16(14≤D<16)

表2 評分標(biāo)準(zhǔn)

等級要求評分范圍A麻骨與麻皮纖維完全剝離,無粘連碎骨9～10B麻骨與麻皮纖維80%以上(含)被剝離,80%長度以上(含)未粘連碎骨7～8C麻骨與麻皮纖維50%以上被剝離,50%長度以上(含)未粘連碎骨5～6D麻骨與麻皮纖維30%以上被剝離,30%長度以上(含)未粘連碎骨3～4E麻骨與麻皮纖維30%以下被剝離,30%長度以下未粘連碎骨0～2

表3 苧麻剝麻機(jī)評分指標(biāo)輸出結(jié)果

序號組號 1234567811HV(H×V)1(H×V)2D(H×D)1(H×D)2(V×D)1(V×D)2評分xk11111111112211112222263111133333104122211123151222222315612223331287133311132281333222136913333332110102123123111112123231225122123312338132231123230142231231315152231312128162312123321172312231135182312312219193132132110203132213225213132321339223213132231233213213315243213321129253321132321263321213135273321321219

3 直觀分析

從表3的試驗評分結(jié)果可見，評分超過5分(含)的共有18組，其中第3組(刮板規(guī)格H40 mm×40 mm、滾筒轉(zhuǎn)速V200～250 r/min、麻桿直徑D14～16 mm)和第9組(刮板規(guī)格40 mm×40 mm、滾筒轉(zhuǎn)速V300～350 r/min、麻桿直徑D14～16 mm)的得分最高，為滿分10分。

評分低于2分(含)的共有8組，其中有2組得到了0分評價，分別是第13組(刮板規(guī)格H40 mm×43 mm、滾筒轉(zhuǎn)速V250～300 r/min、麻桿直徑D10～12 mm)和第19組(刮板規(guī)格H40 mm×46 mm、滾筒轉(zhuǎn)速V200～250 r/min、麻桿直徑D10～12 mm)。

通過直觀結(jié)果可見，在各個因素水平組合下，評分結(jié)果具有較大差異，這在一定程度上說明，當(dāng)選取不同的刮板規(guī)格、設(shè)定不同的滾筒轉(zhuǎn)速、投入不同直徑的麻桿時，會對剝麻效果和質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

另外，由表3中數(shù)據(jù)可見，在刮板規(guī)格、滾筒轉(zhuǎn)速和麻桿直徑取同一水平時，各交互作用的各水平下的評分也有較大差異，說明刮板規(guī)格、滾筒轉(zhuǎn)速和麻桿直徑之間的某些交互作用對剝麻效果和質(zhì)量也有一定影響。

為了對因素影響的重要程度(顯著性)給出精確的定量估計，給出較優(yōu)的剝麻參數(shù)組合，需要對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析[8]。

4 方差分析

本次試驗的交互作用不考慮順序，故主要考察因素H、V、D以及交互作用H×V、H×D、V×D對試驗結(jié)果的影響。在前期計算中，交互作用H×D、V×D對應(yīng)的離差平方和SH×D與SV×D都很小，故可與誤差項合并作為誤差項，所得方差分析表見表4。

表4 方差分析

方差來源離差平方和自由度平均離差平方和F值臨界值顯著性優(yōu)方案H3.85221.92614.34??H1V2.07421.0377.72F0.01(2,16)=6.23??V3D280.5192140.2591044.69??D3H×V2.37040.5934.42F0.01(4,16)=4.77?H1V3H×D0.5934F0.05(2,16)=3.63V×D0.37040.134誤差1.1858F0.05(4,16)=3.01合計290.96326

注：“**”表示因素對指標(biāo)影響高度顯著；“*”表示因素對指標(biāo)影響顯著；無“**”、“*”表示因素對指標(biāo)影響不顯著[9]。

從表中的F值與臨界值比較可以看出，因素H、V、D對試驗結(jié)果的影響為高度顯著，交互作用H×V對試驗結(jié)果的影響為顯著。從F值的大小看出，因素D對試驗結(jié)果的影響最顯著，以下依次為H、V、H×V。

5 結(jié)論與討論

(1)對于本次剝麻試驗，選取刮板規(guī)格H、滾筒轉(zhuǎn)速V、麻桿直徑D這三個參數(shù)作為試驗的影響因素是合理的。在三個參數(shù)中，麻桿直徑D對剝麻效果影響最顯著，其次是刮板規(guī)格H，最后是滾筒轉(zhuǎn)速V。

(2)在三組影響因素的交互作用中，刮板規(guī)格H與滾筒轉(zhuǎn)速V之間的交互作用對剝麻效果有一定程度影響，在設(shè)計改進(jìn)中應(yīng)予以考慮。而刮板規(guī)格H與麻桿直徑D間的交互作用以及滾筒轉(zhuǎn)速V與麻桿直徑D之間的交互作用對剝麻質(zhì)量無顯著影響，在設(shè)計改進(jìn)中可不予考慮。

(3)通過試驗，田間苧麻剝麻機(jī)的較優(yōu)參數(shù)組合為D3H1V3，即當(dāng)麻桿直徑D為14～16 mm(14 mm≤D<16 mm)、刮板規(guī)格H為40 mm×40 mm、滾筒轉(zhuǎn)速V為300～350 r/min(300 r/min≤V<350 r/min)時，剝麻效果和質(zhì)量是試驗范圍內(nèi)最優(yōu)的，該組參數(shù)可為后期設(shè)備改進(jìn)提供理論參考。