基于響應(yīng)面法的棉稈壓捆試驗(yàn)研究*

廖培旺，王仁兵，宮建勛，劉凱凱，張愛(ài)民，李偉

(濱州市農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究所，山東濱州，256600)

0 引言

棉稈作為一種可再生資源，已實(shí)現(xiàn)“五化”利用[1-7]。但是，由于棉稈不同于稻麥等軟質(zhì)農(nóng)作物秸稈，其木質(zhì)素含量高，質(zhì)地比較硬，收獲困難。因此，棉稈主要用于生活燃料、就地焚燒或粉碎還田，導(dǎo)致其綜合利用率較低[8]。

目前，棉稈主要有粉碎集箱和壓縮打捆兩種回收方式，粉碎集箱收獲機(jī)具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、收獲后的棉稈占據(jù)空間大，不便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸[9-12]；壓縮打捆收獲可將松散的棉稈壓縮為具有一定密度的方捆或者圓捆，有利于棉稈的儲(chǔ)存和運(yùn)輸，且機(jī)具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[13-15]。但是，由于缺乏棉稈壓縮打捆的理論研究與分析，現(xiàn)有棉稈壓縮打捆機(jī)械主要采用稻麥等壓縮打捆機(jī)械進(jìn)行改造或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，導(dǎo)致棉稈壓縮打捆機(jī)械壓縮打捆效率低、打捆密度低、適應(yīng)性差、可靠性差等。

針對(duì)以上現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了棉稈壓捆試驗(yàn)平臺(tái)，采用單因素和中心組合法進(jìn)行了棉稈壓縮打捆試驗(yàn)，建立了棉稈含水率、棉稈切斷長(zhǎng)度、棉稈喂入量和壓縮活塞壓縮頻率與壓縮活塞端面壓力、壓縮室壓力、打捆密度的回歸方程，確定了各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，并進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出棉稈壓捆過(guò)程中的最優(yōu)參數(shù)組合，以期提高棉稈打捆密度，為棉稈壓縮打捆機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 棉稈壓捆試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

棉稈壓捆試驗(yàn)平臺(tái)主要包括物料輸送裝置、壓縮打捆裝置、壓縮活塞、動(dòng)力臺(tái)架、測(cè)試系統(tǒng)等(圖1)。其中，通過(guò)物料輸送裝置改變棉稈喂入量，通過(guò)動(dòng)力臺(tái)架改變壓縮活塞壓縮頻率，通過(guò)壓縮打捆裝置實(shí)現(xiàn)棉稈的壓縮打捆，通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)采集棉稈壓捆過(guò)程中的壓縮活塞端面壓力、壓縮室壓力。

圖1 棉稈壓捆試驗(yàn)平臺(tái)Fig. 1 Baling test bench of cotton stalk1.測(cè)試系統(tǒng) 2.壓縮打捆裝置 3.物料輸送裝置4.動(dòng)力臺(tái)架 5.壓縮活塞

棉稈壓捆試驗(yàn)平臺(tái)工作原理是將棉稈均勻鋪放在物料輸送裝置上，根據(jù)喂入量和壓縮活塞壓縮頻率設(shè)定相關(guān)參數(shù)，啟動(dòng)壓縮打捆裝置，使壓縮活塞達(dá)到預(yù)設(shè)壓縮頻率，啟動(dòng)物料輸送裝置，使棉稈喂入量達(dá)到預(yù)設(shè)值，啟動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，采集棉稈壓捆過(guò)程中的壓縮活塞端面力和壓縮室壓力。

棉稈壓捆試驗(yàn)平臺(tái)主要參數(shù)如表1所示。

表1 棉稈壓捆試驗(yàn)平臺(tái)主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters ofbaling test bench of cotton stalk

2 棉稈壓縮打捆試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)基本條件

本文試驗(yàn)時(shí)間為2019年12月，試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省無(wú)棣縣西小王鎮(zhèn)，所采用的棉稈品種為魯棉研37，棉稈平均株高為800 mm，平均直徑為16.5 mm。試驗(yàn)前需要將棉稈進(jìn)行預(yù)處理，使其滿足棉稈壓捆試驗(yàn)要求。為了便于計(jì)算棉稈喂入量，僅采用棉稈主莖進(jìn)行壓縮打捆試驗(yàn)；將棉稈主莖按試驗(yàn)長(zhǎng)度進(jìn)行切斷；根據(jù)試驗(yàn)要求調(diào)控棉稈含水率。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)農(nóng)作物秸稈壓縮打捆影響因素[16-17]，本文選取棉稈含水率、棉稈切斷長(zhǎng)度、棉稈喂入量和壓縮活塞壓縮頻率作為試驗(yàn)因素，壓縮活塞端面壓力、壓縮室壓力和打捆密度作為試驗(yàn)性能指標(biāo)。

2.2.1 單因素試驗(yàn)方案

棉稈壓縮打捆單因素試驗(yàn)因素和水平如表2所示。進(jìn)行棉稈含水率單因素試驗(yàn)時(shí)，棉稈切斷長(zhǎng)度為20 cm，棉稈喂入量為2.5 kg/s，壓縮活塞壓縮頻率為80次/min；進(jìn)行棉稈切斷長(zhǎng)度單因素試驗(yàn)時(shí)，棉稈含水率為15%，棉稈喂入量為2.5 kg/s，壓縮活塞壓縮頻率為80次/min；進(jìn)行棉稈喂入量單因素試驗(yàn)時(shí)，棉稈含水率為15%，棉稈切斷長(zhǎng)度為20 cm，壓縮活塞壓縮頻率為80次/min；進(jìn)行壓縮活塞壓縮頻率單因素試驗(yàn)時(shí)，棉稈含水率為15%，棉稈切斷長(zhǎng)度為20 cm，棉稈喂入量為2.5 kg/s。

試驗(yàn)時(shí)，分別連續(xù)壓縮10個(gè)捆，單獨(dú)統(tǒng)計(jì)10個(gè)捆的相關(guān)數(shù)據(jù)。采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[18]，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表2 棉稈壓縮打捆單因素試驗(yàn)水平表Tab. 2 Single factor test table of cotton strawcompression baling

2.2.2 響應(yīng)面法試驗(yàn)方案

單因素試驗(yàn)只能驗(yàn)證試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)性能指標(biāo)是否具有顯著性影響和顯著性程度，并不能驗(yàn)證各試驗(yàn)因素之間相互作用對(duì)試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響。因此，在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，利用響應(yīng)面法(Design-Expert分析軟件)分析試驗(yàn)結(jié)果，建立各試驗(yàn)因素和試驗(yàn)性能指標(biāo)之間的回歸方程，確定各試驗(yàn)因素對(duì)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，并進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，最后對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出棉稈壓縮打捆的最優(yōu)參數(shù)組合。試驗(yàn)因素編碼見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab. 3 Codes of test factors and levels

試驗(yàn)時(shí)，分別連續(xù)壓縮10個(gè)捆，單獨(dú)統(tǒng)計(jì)10個(gè)捆的相關(guān)數(shù)據(jù)。由于壓縮活塞端面壓力和壓縮室壓力是影響棉稈壓縮打捆機(jī)械可靠性的指標(biāo)，因此取這兩個(gè)試驗(yàn)性能指標(biāo)的最大值作為這組試驗(yàn)的最終試驗(yàn)結(jié)果；打捆密度標(biāo)志著棉稈壓縮打捆機(jī)械的性能指標(biāo)，因此取打捆密度的平均值作為這組試驗(yàn)的最終試驗(yàn)結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)2.2.1節(jié)中單因素試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，單因素試驗(yàn)結(jié)果采用均值±標(biāo)準(zhǔn)差的方式進(jìn)行表示，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 單因素試驗(yàn)結(jié)果Tab. 4 Single factor test results

通過(guò)表4可知，棉稈含水率與各試驗(yàn)性能指標(biāo)的均值均成正相關(guān)，隨著棉稈含水率的增大，各試驗(yàn)性能指標(biāo)的均值增大。棉稈切斷長(zhǎng)度與各試驗(yàn)性能指標(biāo)的均值不存在單調(diào)規(guī)律，當(dāng)棉稈切斷長(zhǎng)度為25 cm時(shí)，壓縮活塞端面壓力和打捆密度的均值最小；當(dāng)棉稈切斷長(zhǎng)度為30 cm時(shí)，壓縮室壓力的均值最小。棉稈喂入量與打捆密度的均值呈反相關(guān)，隨著棉稈喂入量的增大，打捆密度減小；棉稈喂入量與壓縮活塞端面壓力和壓縮室壓力均值不存在單調(diào)關(guān)系，當(dāng)棉稈喂入量為3.0 kg/s時(shí)，壓縮活塞端面壓力的均值最??；當(dāng)棉稈喂入量為3.5 kg/s時(shí)，壓縮室壓力的均值最小。壓縮活塞壓縮頻率與打捆密度的均值呈反相關(guān)，隨著壓縮活塞壓縮頻率的增大，打捆密度減??；壓縮活塞壓縮頻率與壓縮活塞端面壓力和壓縮室壓力均值不存在單調(diào)關(guān)系，當(dāng)壓縮活塞壓縮頻率為100次/min時(shí)，壓縮活塞端面壓力的均值最小；當(dāng)壓縮活塞壓縮頻率為90次/min時(shí)，壓縮室壓力的均值最小。

3.1.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，驗(yàn)證試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)性能指標(biāo)的顯著性，分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 單因素試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Tab. 5 Variance analysis of single factor test results

分析表5可知，各試驗(yàn)因素對(duì)各試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響均顯著。根據(jù)F值的大小可知，棉稈含水率對(duì)各試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響順序?yàn)椋捍蚶γ芏?壓縮活塞端面壓力>壓縮室壓力；棉稈切斷長(zhǎng)度對(duì)各試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響順序?yàn)椋簤嚎s活塞端面壓力>壓縮室壓力>打捆密度；棉稈喂入量對(duì)各試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響順序?yàn)椋捍蚶γ芏?壓縮室壓力>壓縮活塞端面壓力；壓縮活塞壓縮頻率對(duì)各試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響順序?yàn)椋捍蚶γ芏?壓縮活塞端面壓力>壓縮室壓力。

3.2 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)2.2.2節(jié)中響應(yīng)面法試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果Tab. 6 Response surface method test results

3.2.2 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表3各試驗(yàn)因素的編碼值和表6的試驗(yàn)結(jié)果，采用二次線性回歸方差分析對(duì)各試驗(yàn)性能指標(biāo)與各試驗(yàn)因素之間的關(guān)系進(jìn)行分析，方差分析結(jié)果見(jiàn)表7。

分析表7可知，建立的試驗(yàn)因素與各試驗(yàn)性能指標(biāo)之間的關(guān)系模型均是極顯著的；失擬項(xiàng)均是不顯著的，表明建立的模型是合理的；信噪比均大于4，表明建立的模型是較優(yōu)的；相關(guān)系數(shù)R2和調(diào)整后的R2均大于9，表明建立的模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值吻合程度高，可用于預(yù)測(cè)各試驗(yàn)性能指標(biāo)[19-20]。

1) 建立的試驗(yàn)因素與壓縮活塞端面壓力(Y1)之間的關(guān)系模型

Y1=12.98+0.029 6X1+0.409 6X2-0.619 6X3-

0.437 9X4-0.574 4X1X2+0.434 4X1X3-

0.566 9X1X4-1.12X2X3+0.239 4X2X4-

0.196 9X3X4+0.556 6X12-0.102 2X22+

0.480 3X32+0.479 1X42

根據(jù)表7可知，兩因素相互作用時(shí)，X1X2、X1X3、X1X4、X2X3對(duì)壓縮活塞端面壓力的影響是極顯著的。因此，繪制相應(yīng)的響應(yīng)曲面圖(圖2)，圖2中其他因素的編碼值均為0。

分析圖2(a)可知，棉稈含水率和棉稈切斷長(zhǎng)度對(duì)壓縮活塞端面壓力的響應(yīng)面呈馬鞍狀，表明棉稈含水率和棉稈切斷長(zhǎng)度的交互作用較強(qiáng)，對(duì)壓縮活塞端面壓力的影響較大；棉稈切斷長(zhǎng)度的曲面相對(duì)于棉稈含水率的曲面較陡，表明棉稈切斷長(zhǎng)度對(duì)壓縮活塞端面壓力的影響比棉稈含水率大。

分析圖2(b)可知，棉稈含水率和棉稈喂入量對(duì)壓縮活塞端面壓力的響應(yīng)面呈凹陷狀，表明棉稈含水率和棉稈喂入量的交互作用較強(qiáng)，對(duì)壓縮活塞端面壓力的影響較大；棉稈含水率的曲面相對(duì)于棉稈喂入量的曲面較陡，表明棉稈含水率對(duì)壓縮活塞端面壓力的影響比棉稈喂入量大。

表7 響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab. 7 Variance analysis of response surface method test results

分析圖2(c)可知，棉稈含水率和壓縮活塞壓縮頻率對(duì)壓縮活塞端面壓力的響應(yīng)面呈凹陷狀，表明棉稈含水率和壓縮活塞壓縮頻率的交互作用較強(qiáng)，對(duì)壓縮活塞端面壓力的影響較大；棉稈含水率的曲面相對(duì)于壓縮活塞壓縮頻率的曲面較陡，表明棉稈含水率對(duì)壓縮活塞端面壓力的影響比棉稈壓縮活塞壓縮頻率大。

分析圖2(d)可知，棉稈切斷長(zhǎng)度和棉稈喂入量對(duì)壓縮活塞端面壓力的響應(yīng)面呈馬鞍狀，表明棉稈切斷長(zhǎng)度和棉稈喂入量的交互作用較強(qiáng)，對(duì)壓縮活塞端面壓力的影響較大；棉稈切斷長(zhǎng)度的曲面相對(duì)于棉稈喂入量的曲面較陡，表明棉稈切斷長(zhǎng)度對(duì)壓縮活塞端面壓力的影響比棉稈喂入量大[21-22]。

(a) X1與X2的交互作用

(b) X1與X3的交互作用

(c) X1與X4的交互作用

(d) X2與X3的交互作用圖2 壓縮活塞端面壓力與試驗(yàn)因素的響應(yīng)面Fig. 2 Response surface of compression piston end face pressure and test factors

2) 建立的試驗(yàn)因素與壓縮室壓力之間(Y2)的關(guān)系模型

Y2=3.58+0.014 2X1-0.044 2X2+0.079 2X3-

0.016 7X4-0.066 3X1X2-0.048 8X1X3-

0.042 5X1X4+0.147 5X2X3-0.006 3X2X4+

0.018 7X3X4-0.025 6X12-0.031 9X22-

0.016 9X32+0.065 6X42

根據(jù)表7可知，兩因素相互作用時(shí)，X1X2、X1X3、X1X4、X2X3對(duì)壓縮室壓力的影響是極顯著的。因此，繪制相應(yīng)的響應(yīng)曲面圖(圖3)，圖3中其他因素的編碼值均為0。

分析圖3(a)可知，棉稈含水率和棉稈切斷長(zhǎng)度對(duì)壓縮室壓力的響應(yīng)面呈凸起狀，表明棉稈含水率和棉稈切斷長(zhǎng)度的交互作用較強(qiáng)，對(duì)壓縮室壓力的影響較大；棉稈含水率的曲面相對(duì)于棉稈切斷長(zhǎng)度的曲面較陡，表明棉稈含水率對(duì)壓縮室壓力的影響比棉稈切斷長(zhǎng)度大。

分析圖3(b)可知，棉稈含水率和棉稈喂入量對(duì)壓縮室壓力的響應(yīng)面呈凸起狀，表明棉稈含水率和棉稈喂入量的交互作用較強(qiáng)，對(duì)壓縮室壓力的影響較大；棉稈喂入量的曲面相對(duì)于棉稈含水率的曲面較陡，表明棉稈喂入量對(duì)壓縮室壓力的影響比棉稈含水率大。

分析圖3(c)可知，棉稈含水率和壓縮活塞壓縮頻率對(duì)壓縮室壓力的響應(yīng)面呈凹陷狀，表明棉稈含水率和壓縮活塞壓縮頻率的交互作用較強(qiáng)，對(duì)壓縮室壓力的影響較大；棉稈含水率的曲面相對(duì)于壓縮活塞壓縮頻率的曲面較陡，表明棉稈含水率對(duì)壓縮室壓力的影響比壓縮活塞壓縮頻率大。

分析圖3(d)可知，棉稈切斷長(zhǎng)度和棉稈喂入量對(duì)壓縮室壓力的響應(yīng)面呈凹陷狀，表明棉稈切斷長(zhǎng)度和棉稈喂入量的交互作用較強(qiáng)，對(duì)壓縮室壓力的影響較大；棉稈切斷長(zhǎng)度的曲面相對(duì)于棉稈喂入量的曲面較陡，表明棉稈切斷長(zhǎng)度對(duì)壓縮室壓力的影響比棉稈喂入量大。

(a) X1與X2的交互作用

(b) X1與X3的交互作用

(c) X1與X4的交互作用

(d) X2與X3的交互作用圖3 壓縮室壓力與試驗(yàn)因素的響應(yīng)面Fig. 3 Response surface of compression chamber pressure and test factors

3) 建立的試驗(yàn)因素與打捆密度之間(Y3)的關(guān)系模型

Y3=133.25-3.49X1-7.68X2+3.04X3-

2.23X4+4.34X1X2+0.271 3X1X3+

4.15X1X4+1.20X2X3-7.86X2X4-

4.62X3X4+0.139 6X12+0.112 1X22-

2.26X32+3.04X42

根據(jù)表7可知，兩因素相互作用時(shí)，X1X2、X1X4、X2X4、X3X4對(duì)打捆密度的影響是極顯著的。因此，繪制相應(yīng)的響應(yīng)曲面圖(圖4)，圖4中其他因素的編碼值均為0。

分析圖4(a)可知，棉稈含水率和棉稈切斷長(zhǎng)度對(duì)打捆密度的響應(yīng)面呈凹陷狀，表明棉稈含水率和棉稈切斷長(zhǎng)度的交互作用較強(qiáng)，對(duì)打捆密度的影響較大；棉稈含水率的曲面相對(duì)于棉稈切斷長(zhǎng)度的曲面較陡，表明棉稈含水率對(duì)打捆密度的影響比棉稈切斷長(zhǎng)度大。

分析圖4(b)可知，棉稈含水率和壓縮活塞壓縮頻率對(duì)打捆密度的響應(yīng)面呈凹陷狀，表明棉稈含水率和壓縮活塞壓縮頻率的交互作用較強(qiáng)，對(duì)打捆密度的影響較大；壓縮活塞壓縮頻率的曲面相對(duì)于棉稈含水率的曲面較陡，表明壓縮活塞壓縮頻率對(duì)打捆密度的影響比棉稈含水率大。

分析圖4(c)可知，棉稈切斷長(zhǎng)度和壓縮活塞壓縮頻率對(duì)打捆密度的響應(yīng)面呈馬鞍狀，表明棉稈含水率和壓縮活塞壓縮頻率的交互作用較強(qiáng)，對(duì)打捆密度的影響較大；壓縮活塞壓縮頻率的曲面相對(duì)于棉稈切斷長(zhǎng)度的曲面較陡，表明壓縮活塞壓縮頻率對(duì)打捆密度的影響比棉稈切斷長(zhǎng)度大。

分析圖4(d)可知，棉稈喂入量和壓縮活塞壓縮頻率對(duì)打捆密度的響應(yīng)面呈馬鞍狀，表明棉稈含水率和壓縮活塞壓縮頻率的交互作用較強(qiáng)，對(duì)打捆密度的影響較大；棉稈喂入量的曲面相對(duì)于壓縮活塞壓縮頻率的曲面較陡，表明棉稈喂入量對(duì)打捆密度的影響比壓縮活塞壓縮頻率大。

(a) X1與X2的交互作用

(b) X1與X4的交互作用

(c) X2與X4的交互作用

(d) X3與X4的交互作用圖4 打捆密度與試驗(yàn)因素的響應(yīng)面Fig. 4 Response surface of baling density and test factors

3.3 模型驗(yàn)證與參數(shù)優(yōu)化

3.3.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建立模型的可信性，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線與模型曲線進(jìn)行對(duì)比(圖5)。為驗(yàn)證建立的模型是否具有參考意義，引入誤差率

式中：yi——各試驗(yàn)性能指標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

Yi——各試驗(yàn)性能指標(biāo)的模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)。

分析圖5可知，壓縮活塞端面壓力的模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大誤差率為4.70%；壓縮室壓力的模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大誤差率為2.76%；打捆密度的模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的最大誤差率為4.75%；以上誤差在考慮范圍之內(nèi)，表明各試驗(yàn)性能指標(biāo)的模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合程度比較高，所建立的關(guān)系模型可參考度高。

3.3.2 參數(shù)優(yōu)化

通過(guò)建立目標(biāo)函數(shù)，利用Design-Expert軟件的目標(biāo)優(yōu)化法，得出最優(yōu)的試驗(yàn)因素和試驗(yàn)性能指標(biāo)值。建立的目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)建立的目標(biāo)函數(shù)，得出預(yù)測(cè)最優(yōu)值，然后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證得出實(shí)測(cè)最優(yōu)值(表8)。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證后可知，預(yù)測(cè)最優(yōu)值與實(shí)測(cè)最優(yōu)值的誤差率小于5.2%，在考慮的誤差范圍內(nèi)，表明當(dāng)棉稈含水率為30%、棉稈切斷長(zhǎng)度為25 cm、棉稈喂入量為2.15 kg/s、壓縮活塞壓縮頻率為110次/min是棉稈進(jìn)行壓縮打捆時(shí)的最優(yōu)組合。

(a) 壓縮活塞端面壓力數(shù)據(jù)對(duì)比

(b) 壓縮室壓力數(shù)據(jù)對(duì)比

(c) 打捆密度數(shù)據(jù)對(duì)比圖5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig. 5 Comparison of test data and model prediction data

表8 預(yù)測(cè)最優(yōu)組合和實(shí)測(cè)最優(yōu)組合的對(duì)比Tab. 8 Comparison of predicted and test optimal combinations

4 結(jié)論

本文將棉稈含水率、棉稈切斷長(zhǎng)度、棉稈喂入量和壓縮活塞壓縮頻率作為試驗(yàn)因素，將壓縮室端面壓力、壓縮室壓力和棉稈打捆密度作為試驗(yàn)性能指標(biāo)，進(jìn)行了棉稈壓縮打捆單因素和中心組合試驗(yàn)，并采用SPSS和Design-Expert分析軟件分析了試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)性能指標(biāo)的顯著性，建立了關(guān)系模型，確定了影響規(guī)律，并對(duì)關(guān)系模型進(jìn)行了優(yōu)化計(jì)算，最后對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出棉稈壓縮打捆的最優(yōu)參數(shù)組合。

1) 通過(guò)棉稈壓縮打捆單因素試驗(yàn)可知，各試驗(yàn)因素對(duì)各試驗(yàn)性能指標(biāo)的P值均小于0.05，表明棉稈含水率、棉稈切斷長(zhǎng)度、棉稈喂入量和壓縮活塞壓縮頻率對(duì)壓縮室端面壓力、壓縮室壓力和棉稈打捆密度之間均具有顯著影響。

2) 通過(guò)棉稈壓縮打捆中心組合試驗(yàn)可知，當(dāng)采用二次回歸方程擬合棉稈含水率、棉稈切斷長(zhǎng)度、棉稈喂入量和壓縮活塞壓縮頻率與壓縮室端面壓力、壓縮室壓力和棉稈打捆密度之間的關(guān)系模型時(shí)，建立的關(guān)系模型的P值均小于0.05，失擬項(xiàng)的P值均大于0.05，信噪比均大于4，相關(guān)系數(shù)R2和調(diào)整后的R2均大于9，表明建立的關(guān)系模型是較優(yōu)的，且模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值吻合程度高。

3) 確定了棉稈壓縮打捆的最優(yōu)組合為棉稈含水率30%，棉稈切斷長(zhǎng)度25 cm，棉稈喂入量2.15 kg/s，壓縮活塞壓縮頻率110次/min，壓縮活塞端面壓力13.84 kN，壓縮室壓力3.36 kN，棉稈打捆密度145.83 kg/m3。