雙向螺旋黑水虻蟲(chóng)沙收集裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

彭才望，孫松林，賀喜，許道軍，張鵬

（1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128；3.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院，長(zhǎng)沙410128）

黑水虻作為一種資源性食腐昆蟲(chóng)，在豬糞“肥料化利用”過(guò)程中作用明顯，已成為當(dāng)前處理豬場(chǎng)糞污的綠色環(huán)保模式之一，也是眾多學(xué)者研究的對(duì)象[1]。根據(jù)黑水虻的養(yǎng)殖特點(diǎn)，一般將黑水虻與豬糞置于條形框中進(jìn)行8～10 d 的規(guī)?；幚恚谒等∈池i糞中的營(yíng)養(yǎng)成分并消化后，產(chǎn)生一種黏性、濕潤(rùn)、蓬松的顆粒物，即黑水虻蟲(chóng)沙[2]。黑水虻蟲(chóng)沙能直接充當(dāng)有機(jī)肥進(jìn)行使用，可有效降低豬場(chǎng)糞便帶來(lái)的直接污染。目前，關(guān)于黑水虻的研究主要集中于黑水虻生長(zhǎng)[3]、生物營(yíng)養(yǎng)成分[4]以及對(duì)糞便的轉(zhuǎn)化率[5]等方面。而在黑水虻處理豬糞中涉及的蟲(chóng)沙收集、輸送、篩分等方面的機(jī)械化應(yīng)用還存在一定的不足。因此，設(shè)計(jì)一種高效、穩(wěn)定的蟲(chóng)沙收集裝置在豬糞資源化處理后續(xù)環(huán)節(jié)中尤為重要。以往研究發(fā)現(xiàn)，螺旋輸料利用螺旋葉片與物料之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成輸料，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用范圍較廣[6-8]。戚江濤等基于離散元方法（discrete element method,DEM）對(duì)雙螺旋奶牛飼喂裝置在不同螺旋轉(zhuǎn)速下的給料性能進(jìn)行了分析[9]；烏蘭圖雅等針對(duì)輸送玉米秸稈的螺旋裝置在輸送理論模型[10]、輸送性能[11]等方面提供了理論參考；陳雄飛等研究了單圈螺旋排肥量、轉(zhuǎn)速、肥料含水率等因素對(duì)螺旋排肥裝置排肥效果的影響[12]；蔣恩臣等研制了帶有變螺距螺旋輸送器的生物質(zhì)連續(xù)熱反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)變螺距螺旋輸送器參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)[13]；羅勝等通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了不同螺距及轉(zhuǎn)速對(duì)螺旋加料機(jī)輸送性能的影響[14]。另外，黑水虻處理豬糞的機(jī)械自動(dòng)化設(shè)備或裝置雖然在部分中國(guó)專(zhuān)利[15-17]上得到公開(kāi)，但相關(guān)產(chǎn)品或螺旋裝置在黑水虻蟲(chóng)沙收集過(guò)程中予以應(yīng)用的研究尚鮮有報(bào)道。

本研究依據(jù)蟲(chóng)沙的機(jī)械物理性能，設(shè)計(jì)了一種雙向螺旋收集裝置，分析了其工作原理和結(jié)構(gòu)參數(shù)，以排料管單圈排料量和收集完成時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)單因素試驗(yàn)與多因素正交試驗(yàn)確定各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，以期為螺旋收集裝置的改進(jìn)和優(yōu)化提供理論參考。

1 雙向螺旋收集裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 雙向螺旋收集裝置結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計(jì)的雙向螺旋收集裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和實(shí)物圖如圖1 所示。雙向螺旋呈臥式結(jié)構(gòu)，主要收集養(yǎng)殖料盤(pán)上面的蟲(chóng)沙。其主要結(jié)構(gòu)包括雙向螺旋調(diào)速電機(jī)、排料螺旋調(diào)速電機(jī)、排料管、集料槽、右螺旋、左螺旋、螺旋軸、出料口、防堵桿、排料螺旋。螺旋軸上安裝有左右對(duì)稱(chēng)的2 組螺旋葉片（右螺旋、左螺旋），其高度、螺距相同，而螺旋方向相反。排料管為空心不銹鋼管（內(nèi)徑74 mm、壁厚1 mm），內(nèi)部安裝無(wú)軸的排料螺旋。排料管拐角處以圓弧角過(guò)渡，以降低排料螺旋與排料管的管壁間摩擦?？紤]到料盤(pán)側(cè)壁高度影響，排料管軸向中心線與水平面形成10°夾角。由于蟲(chóng)沙疏松，表現(xiàn)為細(xì)碎沙土樣顆粒物，因此，螺旋葉片選用實(shí)體螺旋面式。螺旋葉片和螺旋軸均為Q235 鋼制材料，以保證足夠的剛度和強(qiáng)度。左、右螺旋中間面對(duì)出料口的位置，在螺旋軸上對(duì)稱(chēng)焊接有防堵桿，其為長(zhǎng)4 cm、外徑10 mm、壁厚1 mm的封閉中空?qǐng)A管。

1.2 雙向螺旋收集裝置工作原理

螺旋軸上固定安裝有右螺旋和左螺旋，左右螺旋推送料盤(pán)上的蟲(chóng)沙沿集料槽到出料口，并進(jìn)入防堵桿與排料螺旋形成的空腔內(nèi)，排料螺旋將蟲(chóng)沙經(jīng)排料管輸送到末端。排料螺旋靠近出料口的一端安裝短軸，由排料螺旋調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，螺旋軸由雙向螺旋調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。螺旋軸上的左右螺旋為排料螺旋提供了穩(wěn)定及充足的蟲(chóng)沙。借助螺旋軸中間位置的防堵桿攪拌蟲(chóng)沙，可防止蟲(chóng)沙在出料口堆積成塊，并能推送蟲(chóng)沙到排料管。

1.3 雙向螺旋收集裝置主要參數(shù)設(shè)計(jì)

雙向螺旋收集裝置主要包括雙向收集螺旋和排料螺旋，二者主要涉及的參數(shù)包括螺旋葉片直徑（D）、螺距（S）、螺旋軸徑（d）、螺旋轉(zhuǎn)速（n）等。為了提高雙向螺旋收集裝置在蟲(chóng)沙收集過(guò)程中的高效與可靠性，根據(jù)螺旋工作機(jī)制設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1.3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

雙向螺旋收集裝置設(shè)計(jì)基本要求：收集效率高、穩(wěn)定可靠。提高收集效率的主要方法：蟲(chóng)沙在集料槽內(nèi)或排料管內(nèi)以軸向運(yùn)動(dòng)為主[18]，盡可能地降低蟲(chóng)沙的圓周運(yùn)動(dòng)，提高蟲(chóng)沙軸向運(yùn)動(dòng)速度。蟲(chóng)沙受螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，沿螺旋軸向和圓周旋轉(zhuǎn)方向做復(fù)合運(yùn)動(dòng)，并向中間出料口方向移動(dòng)。

選取左螺旋葉片上某點(diǎn)距軸線r處的物料單元O作為分析對(duì)象，對(duì)雙向螺旋內(nèi)的物料微元體進(jìn)行速度分析，如圖2所示。

圖2 左螺旋葉片上的某點(diǎn)速度分析Fig.2 Velocity analysis of a point on the left screw blade

式中：v為蟲(chóng)沙理想的輸送速度，m/s；n為螺旋軸的轉(zhuǎn)速，r/min；S為螺距，m；va為垂直螺旋葉片的理論速度，m/s；α為螺旋升角，（o）；f為摩擦系數(shù)，f=tanβ，角度β為蟲(chóng)沙單元O合速度vβ沿法線方向偏移一定角度；vβ為考慮摩擦后螺旋葉片推動(dòng)蟲(chóng)沙單元O的速度，m/s；vb為蟲(chóng)沙沿圓周旋轉(zhuǎn)方向的速度，m/s；vf為蟲(chóng)沙實(shí)際輸送速度，m/s。由式（1）～（5）可知，影響蟲(chóng)沙運(yùn)動(dòng)特性的主要因素有螺旋轉(zhuǎn)速、螺距、蟲(chóng)沙與螺旋葉片之間的摩擦等。

1.3.2 雙向螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)

螺旋外徑、螺旋轉(zhuǎn)速、螺距以及工作轉(zhuǎn)速應(yīng)滿(mǎn)足式（6）～（9）。螺旋轉(zhuǎn)速n的高低影響蟲(chóng)沙在集料槽內(nèi)或排料管內(nèi)的流動(dòng)性。螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)后，蟲(chóng)沙在離心力、摩擦力、自身重力等作用下，被提升。沿螺旋面下滑并隨螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)蟲(chóng)沙向出料口方向移動(dòng)并經(jīng)排料管輸出[19-21]。但是，當(dāng)螺旋葉片超過(guò)一定的臨界轉(zhuǎn)速后，蟲(chóng)沙在螺旋葉片的離心力作用下被甩離螺旋葉片，起到攪拌和推進(jìn)作用，對(duì)于本試驗(yàn)而言，將導(dǎo)致螺旋收集效果降低，收集完成時(shí)間延長(zhǎng)。考慮蟲(chóng)沙所受離心力最大值與自重之間的關(guān)系，螺旋轉(zhuǎn)速n計(jì)算公式如下：

式中：m為蟲(chóng)沙質(zhì)量，kg；ωmax為左右螺旋的臨界角轉(zhuǎn)速度，rad/s；R為螺旋葉片半徑，m；g為重力加速度，m/s2；nmax為臨界轉(zhuǎn)速，r/min；K為蟲(chóng)沙綜合系數(shù)；D為螺旋葉片外徑，m。式中：A為蟲(chóng)沙綜合特性系數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置的雙向收集螺旋外徑為0.120 m，排料螺旋外徑為0.06 m，且試驗(yàn)對(duì)象為蟲(chóng)沙，參考常用的物料綜合特性系數(shù)值[23]，取A=30，代入式（9）得到收集螺旋臨界轉(zhuǎn)速n1max=86 r/min，排料螺旋臨界轉(zhuǎn)速n2max=122 r/min。

螺旋葉片外徑和螺旋葉片內(nèi)徑之間滿(mǎn)足公式[24]

式中：d為螺旋葉片內(nèi)徑，m。

蟲(chóng)沙移動(dòng)速度隨螺旋葉片的螺距增大而增加，輸送效率得到提高，計(jì)算公式[21-22]如下：

蟲(chóng)沙在雙向螺旋的攪動(dòng)推送作用下往出料口方向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，蟲(chóng)沙從螺旋葉片上脫離開(kāi)來(lái)，但螺旋葉片末端距離出料口有一定的距離，設(shè)為S1（即防堵桿與左右螺旋葉片末端的距離）。選取右螺旋一端的物料單元O1為研究對(duì)象，如圖3 所示。該物料單元在脫離螺旋葉片末端時(shí)，具備一定的初速度，沿螺旋軸向方向繼續(xù)做減速運(yùn)動(dòng)。在靠近出料口處，蟲(chóng)沙之間處于運(yùn)動(dòng)接觸狀態(tài)，一方面左右螺旋葉片的推力通過(guò)物料之間接觸進(jìn)行擠壓推送；另一方面，在出料口中間位置，螺旋軸上的防堵桿和螺旋軸同向旋轉(zhuǎn)，具備一定的推力（假設(shè)為F5），在該推力與蟲(chóng)沙顆粒間相互推擠作用下，保證了蟲(chóng)沙向出料口移動(dòng)的流動(dòng)特性。

圖3 出料口排料分析Fig.3 Discharging analysis of discharging hole

以物料單元O1為研究對(duì)象，取x軸與螺旋軸軸線方向相平行，其方向?yàn)橛?；y軸與出料口橫截面垂直，且與出料口方向垂直向外；z軸垂直底平面，垂直向上（圖3）。

式中：Fi為其他物料單元對(duì)被研究物料單元O1的作用力，N；m為物料單元O1的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；a為物料單元O1的加速度，m/s2。由式（14）可知，S1越大，物料顆粒在出料口受到相互作用力的時(shí)間越長(zhǎng)，影響排料穩(wěn)定性。因此，應(yīng)盡可能延長(zhǎng)左右螺旋葉片長(zhǎng)度，降低防堵桿和左右螺旋葉片末端的距離。考慮雙向螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為降低蟲(chóng)沙相互擠壓纏繞和排料圓管內(nèi)的積壓程度，提高輸送效率，最終設(shè)定雙向左右螺旋長(zhǎng)度均為50 cm，S1為5 cm。工作時(shí)雙向螺旋為排料螺旋提供足夠的蟲(chóng)沙流，使得排料螺旋的填充系數(shù)接近1。雙向螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

2 雙向螺旋裝置試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1.1 試驗(yàn)方法

2019年11月10—15日在湖南大湘農(nóng)環(huán)境科技股份有限公司廠房?jī)?nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)用黑水虻蟲(chóng)沙由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院黑水虻高效處理利用畜禽廢棄物研究團(tuán)隊(duì)提供。試驗(yàn)時(shí)，測(cè)得蟲(chóng)沙含水率為43.6%。試驗(yàn)儀器主要包括天平（精度為0.002 kg）、秒表、5IK60RGU-CF 臥式調(diào)速電機(jī)（臺(tái)灣晟邦電機(jī)工業(yè)有限公司，功率200～250 W）、污泥含水率快速測(cè)試儀（深圳市芬析儀器制造有限公司，精度為±0.5%）等。試驗(yàn)裝置如圖4 所示，料盤(pán)寬為1.2 m，四周側(cè)壁高0.08 m，長(zhǎng)度可根據(jù)養(yǎng)殖規(guī)模設(shè)計(jì)。臥式調(diào)速電機(jī)用于調(diào)節(jié)雙向螺旋轉(zhuǎn)速與排料螺旋轉(zhuǎn)速，在料盤(pán)內(nèi)鋪滿(mǎn)長(zhǎng)30 cm、寬120 cm、不同高度（3、4、5 cm）的蟲(chóng)沙，測(cè)量排料管單圈排料量與收集完成時(shí)間?？紤]蟲(chóng)沙物理特性，試驗(yàn)時(shí)螺旋收集裝置勻速前移過(guò)程中，使雙向螺旋蟲(chóng)沙填充率穩(wěn)定且處于0.20～0.35 之間較合理，有利于提高螺旋輸送性能。

表1 雙向螺旋主要參數(shù)Table 1 Main parameters of bidirectional spirals

圖4 雙向螺旋裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of bidirectional spiral device

2.1.2 性能指標(biāo)

結(jié)合蟲(chóng)沙機(jī)械物理性能與雙向螺旋輸送結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在尚無(wú)定量評(píng)價(jià)雙向螺旋收集蟲(chóng)沙效果標(biāo)準(zhǔn)的情況下，該裝置收集效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)選取排料螺旋單圈排料量q（下文提到的單圈排料量均為排料管的單圈排料量）和蟲(chóng)沙收集完成時(shí)間ΔE，計(jì)算公式如下：

式中：q為排料螺旋實(shí)際單圈排料量，g；Q為排料量，g/min；n為排料螺旋的轉(zhuǎn)速，r/min；ΔE為收集完成時(shí)間，s；B2為收集完成的時(shí)間點(diǎn)，s；B1為收集開(kāi)始的時(shí)間點(diǎn)，s。

由前文分析可知，雙向螺旋收集蟲(chóng)沙的效果主要取決于雙向螺旋轉(zhuǎn)速、排料螺旋轉(zhuǎn)速，此外，蟲(chóng)沙厚度也與收集完成效果有著密切的關(guān)系。為確定正交試驗(yàn)的各因素水平范圍，首先對(duì)雙向螺旋轉(zhuǎn)速n1、排料螺旋轉(zhuǎn)速n2、蟲(chóng)沙厚度h這3 個(gè)因素進(jìn)行不同水平的單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 雙向螺旋裝置收集試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Field drawing of collecting test for bidirectional spiral device

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

為了確定正交試驗(yàn)的各因素水平范圍，對(duì)雙向螺旋轉(zhuǎn)速、排料螺旋轉(zhuǎn)速、蟲(chóng)沙厚度這3個(gè)因素進(jìn)行不同水平的單因素試驗(yàn)。每組試驗(yàn)重復(fù)2 次，取平均值。結(jié)合文獻(xiàn)[20-22]描述并計(jì)算，雙向螺旋的臨界轉(zhuǎn)速n1max=86 r/min，排料螺旋的臨界轉(zhuǎn)速n2max=122 r/min。螺旋轉(zhuǎn)速過(guò)高，蟲(chóng)沙收集與排料效果降低，試驗(yàn)時(shí)雙向螺旋轉(zhuǎn)速范圍為50～90 r/min，排料螺旋轉(zhuǎn)速范圍為60～110 r/min；結(jié)合蟲(chóng)沙物料特性[23]，雙向螺旋填充系數(shù)取值在0.20～0.35 之間。因此，選取蟲(chóng)沙臨界填充高度4 cm，此在試驗(yàn)選取的高度范圍（3～5 cm）內(nèi)，符合要求。

1）雙向螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)單圈排料量和收集完成時(shí)間的影響：雙向螺旋轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)在排料螺旋轉(zhuǎn)速81 r/min，蟲(chóng)沙厚4 cm、寬30 cm、長(zhǎng)120 cm 的情況下進(jìn)行。雙向螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)蟲(chóng)沙收集效果影響曲線如圖6 所示。從中可以看出：隨著雙向螺旋轉(zhuǎn)速的升高，單圈排料量逐漸增加，當(dāng)雙向螺旋轉(zhuǎn)速超過(guò)78 r/min時(shí)，單圈排料量降低，雙向螺旋的輸送效率減小，收集完成時(shí)間提高。這是因?yàn)?，?dāng)螺旋轉(zhuǎn)速過(guò)高，蟲(chóng)沙會(huì)產(chǎn)生垂直于軸向的翻滾或被攪拌，蟲(chóng)沙輸送量降低。

圖6 雙向螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)收集的影響Fig.6 Influence of bidirectional spiral speed on collection

2）排料螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)單圈排料量和收集完成時(shí)間的影響：排料螺旋轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)在雙向螺旋轉(zhuǎn)速58 r/min，蟲(chóng)沙厚4 cm、寬30 cm、長(zhǎng)120 cm 的情況下進(jìn)行。排料螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)蟲(chóng)沙收集效果影響曲線如圖7 所示。從中可以看出：隨著排料螺旋轉(zhuǎn)速提高至78 r/min 時(shí)，單圈排料量提高到139 g，排料螺旋轉(zhuǎn)速超過(guò)78 r/min 時(shí)，排料螺旋輸送效率降低，收集完成時(shí)間延長(zhǎng)。這是因?yàn)?，?dāng)雙向螺旋推送的蟲(chóng)沙量一定時(shí)，排料螺旋轉(zhuǎn)速超過(guò)臨界值，蟲(chóng)沙在螺旋內(nèi)產(chǎn)生圓周運(yùn)動(dòng)，軸向推送效率降低。

圖7 排料螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)收集的影響Fig.7 Influence of discharging spiral speed on collection

3）蟲(chóng)沙厚度對(duì)單圈排料量和收集完成時(shí)間的影響：蟲(chóng)沙厚度的單因素試驗(yàn)在雙向螺旋轉(zhuǎn)速58 r/min，排料螺旋轉(zhuǎn)速81 r/min，蟲(chóng)沙長(zhǎng)120 cm、寬30 cm，蟲(chóng)沙厚3、4、5 cm 的情況下進(jìn)行。蟲(chóng)沙厚度對(duì)蟲(chóng)沙收集效果影響曲線如圖8所示。從中可以看出：隨著蟲(chóng)沙厚度逐漸增加，雙向螺旋與排料螺旋填充系數(shù)增大，單圈排料量增加。但是蟲(chóng)沙厚度過(guò)高，單圈排料量降低，螺旋輸送效率降低，收集完成時(shí)間延長(zhǎng)。這是因?yàn)?，?dāng)蟲(chóng)沙厚度在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，輸送效率增加；當(dāng)蟲(chóng)沙厚度過(guò)高時(shí)，在螺旋內(nèi)的軸向速度降低，輸送量減少。

圖8 蟲(chóng)沙厚度對(duì)收集的影響Fig.8 Influence of insect sand thickness on collection

2.3 多因素試驗(yàn)結(jié)果分析

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選取雙向螺旋轉(zhuǎn)速n1、排料螺旋轉(zhuǎn)速n2、蟲(chóng)沙厚度h為考察因素，單圈排料量、收集完成時(shí)間為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用L9(34)正交表，做三因素三水平正交組合試驗(yàn)，試驗(yàn)取長(zhǎng)120 cm、寬30 cm的蟲(chóng)沙物料為研究對(duì)象。正交試驗(yàn)因素水平布置如表2所示。

每組試驗(yàn)做2次，取其平均值為試驗(yàn)結(jié)果值，如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

為分析各因素影響的主次關(guān)系，對(duì)單圈排料量和收集完成時(shí)間分別做極差分析，結(jié)果如表4所示。

由表4 中的單圈排料量極差值R可知，影響單圈排料量因素的主次順序?yàn)榕帕下菪D(zhuǎn)速＞蟲(chóng)沙厚度＞雙向螺旋轉(zhuǎn)速，考慮到單圈排料量越大越好，試驗(yàn)求得各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響最優(yōu)方案為A3B1C3，即采用雙向螺旋轉(zhuǎn)速78 r/min，排料螺旋轉(zhuǎn)速68 r/min，蟲(chóng)沙厚度5 cm時(shí)，單圈排料量最大。

由表4中的收集完成時(shí)間極差值R可知，影響收集完成時(shí)間因素的主次順序?yàn)橄x(chóng)沙厚度＞排料螺旋轉(zhuǎn)速＞雙向螺旋轉(zhuǎn)速，考慮到收集完成時(shí)間越短越好，試驗(yàn)求得各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響最優(yōu)方案為A3B3C1，即采用雙向螺旋轉(zhuǎn)速78 r/min，排料螺旋轉(zhuǎn)速108 r/min，蟲(chóng)沙厚度3 cm時(shí)，收集完成時(shí)間最短。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 3 Test plan and results

表4 正交試驗(yàn)極差分析Table 4 Range analysis of orthogonal test

2.4 正交試驗(yàn)方差分析

由于極差分析不能體現(xiàn)雙向螺旋收集蟲(chóng)沙的過(guò)程，以及在試驗(yàn)結(jié)果測(cè)量中必然存在誤差，因此，利用SPSS 22.0 軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表5所示。

由表5 的單圈排料量的方差分析結(jié)果可知：排料螺旋轉(zhuǎn)速和蟲(chóng)沙厚度對(duì)單圈排料量均有顯著影響（P＜0.05），雙向螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)單圈排料量的影響不顯著（P＞0.05）。試驗(yàn)結(jié)果的方差分析所得因素影響的主次順序和表4正交試驗(yàn)極差分析所得結(jié)論相同，說(shuō)明極差分析的結(jié)論準(zhǔn)確，誤差比較小。

由表5 的收集完成時(shí)間的方差分析結(jié)果可知：蟲(chóng)沙厚度對(duì)收集完成時(shí)間的影響顯著（P＜0.05），雙向螺旋轉(zhuǎn)速和排料螺旋轉(zhuǎn)速對(duì)單圈排料量的影響不顯著（P＞0.05）。試驗(yàn)結(jié)果的方差分析所得因素影響的主次順序與表4收集完成時(shí)間正交試驗(yàn)極差分析所得結(jié)論相同，說(shuō)明極差分析的結(jié)論準(zhǔn)確，誤差影響不大。

為了更好地尋求各因素的最優(yōu)組合，將單圈排料量和收集完成時(shí)間分別轉(zhuǎn)換成它們的隸屬度Ki、Wi[25]。在雙向螺旋收集過(guò)程中，首要原則為單圈排料量較大，雙向螺旋提供的蟲(chóng)沙量充足，在此基礎(chǔ)上盡可能減少整體收集完成時(shí)間。因此，單圈排料量指數(shù)的權(quán)重應(yīng)大于收集完成時(shí)間指數(shù)。根據(jù)以往研究，單圈排料量和收集完成時(shí)間隸屬度分別取0.7 和0.3，用綜合評(píng)分Yi作為評(píng)價(jià)依據(jù)，Yi=0.7（1－Ki）+0.3Wi，Yi值越小，各因素組合越優(yōu)，綜合評(píng)分結(jié)果如表6所示。

由表6 綜合評(píng)分極差結(jié)果分析可知：影響因素由主到次排序?yàn)锽＞A＞C，最優(yōu)組合為A3B1C2，即雙向螺旋轉(zhuǎn)速78 r/min，排料螺旋轉(zhuǎn)速68 r/min，蟲(chóng)沙厚度4 cm，選取該最優(yōu)組合時(shí)，重復(fù)2次和上述同等條件下的試驗(yàn)，得出平均單圈排料量為142 g，平均收集完成時(shí)間為48 s，滿(mǎn)足收集蟲(chóng)沙的作業(yè)要求。

表5 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Table 5 Variance analysis of field test results

表6 綜合評(píng)分結(jié)果Table 6 Comprehensive scoring results

3 結(jié)論

1）根據(jù)蟲(chóng)沙機(jī)械物理性能設(shè)計(jì)了一種雙向螺旋收集裝置，研究了該裝置雙向螺旋收集的工作原理，并對(duì)雙向螺旋進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定了主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及螺旋葉片與蟲(chóng)沙力學(xué)性能之間的函數(shù)關(guān)系。

2）搭建了雙向螺旋蟲(chóng)沙收集裝置并進(jìn)行了單因素和多因素正交試驗(yàn)，確定了影響雙向螺旋收集蟲(chóng)沙的主要因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)。單因素試驗(yàn)確定了雙向螺旋轉(zhuǎn)速、排料螺旋轉(zhuǎn)速、蟲(chóng)沙厚度3因素在不同水平下對(duì)蟲(chóng)沙收集的影響規(guī)律。多因素正交試驗(yàn)與極差分析測(cè)得雙向螺旋收集裝置在不同工作參數(shù)下的單圈排料量和收集完成時(shí)間，得到影響單圈排料量因素的主次順序?yàn)榕帕下菪D(zhuǎn)速＞蟲(chóng)沙厚度＞雙向螺旋轉(zhuǎn)速，其單圈排料量較優(yōu)參數(shù)組合為A3B1C3，即采用雙向螺旋轉(zhuǎn)速78 r/min，排料螺旋轉(zhuǎn)速68 r/min，蟲(chóng)沙厚度5 cm 時(shí)，單圈排料量最大；得到影響收集完成時(shí)間因素的主次順序?yàn)橄x(chóng)沙厚度＞排料螺旋轉(zhuǎn)速＞雙向螺旋轉(zhuǎn)速，其收集完成時(shí)間較優(yōu)參數(shù)組合為A3B3C1，即采用雙向螺旋轉(zhuǎn)速78 r/min，排料螺旋轉(zhuǎn)速108 r/min，蟲(chóng)沙厚度3 cm時(shí)，收集完成時(shí)間最短。

3）基于SPSS 22.0 軟件對(duì)正交試驗(yàn)進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明：正交試驗(yàn)測(cè)得影響各評(píng)價(jià)指標(biāo)的因素主次順序和顯著性檢驗(yàn)具有較好的一致性，誤差較小。基于綜合評(píng)分法，得到各因素的最優(yōu)組合為A3B1C2，即雙向螺旋轉(zhuǎn)速78 r/min，排料螺旋轉(zhuǎn)速68 r/min，蟲(chóng)沙厚度4 cm。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在最優(yōu)組合條件下，平均單圈排料量為142 g，平均收集完成時(shí)間為48 s，試驗(yàn)效果良好，具有應(yīng)用價(jià)值。