多功能飼草揉絲機(jī)性能試驗(yàn)研究

摘要：

目前多功能飼草揉絲機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中主要存在度電產(chǎn)量低和拋扔距離不滿足使用要求等問(wèn)題，為探索其性能與影響因素之間的關(guān)系，以度電產(chǎn)量、平均拋扔距離和揉絲率為試驗(yàn)指標(biāo)，以主軸轉(zhuǎn)速、含水率和喂入量為試驗(yàn)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)；采用極差與方差分析方法確定各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序以及最優(yōu)參數(shù)組合，并基于回歸分析方法建立各試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)因素之間的多元線性回歸方程。研究表明：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 800r/min、含水率為9.75%和喂入量為0.185kg/s時(shí)，度電產(chǎn)量最大；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 500r/min、含水率為9.75%和喂入量為0.185kg/s時(shí)，平均拋扔距離最遠(yuǎn)；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為2 800r/min、含水率為65.58%和喂入量為0.238kg/s時(shí)，揉碎效果最佳。為后續(xù)在保證飼草揉絲率的前提下提高度電產(chǎn)量、增加拋扔距離提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：多功能飼草揉絲機(jī)；度電產(chǎn)量；拋扔距離；正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S817

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 01-0120-06

Experimental study on the performance of multifunctional forage kneading machine

Zhang Xinhai， Shi Suchuan， Zhai Zhiping， Lan Yuezheng

（School of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， 010051， China）

Abstract：

Aiming at the problems of low output per degree and throwing distance not meeting the requirements of multifunctional forage kneading machine in practical application， the orthogonal test was carried out by selecting output per degree， average throwing distance and kneading rate as experimental indexes， and the spindle speed， moisture content and feed quantity as the factors to explore the relationship between performance and influencing factors. Range and variance analysis methods were employed to determine the primary and secondary impacts of each experimental factor on the experimental indexes and to identify the optimal parameter combinations. Additionally， multiple linear regression equations were developed based on regression analysis methods to establish relationships between the experimental indexes and experimental factors. The results show that the output per degree is the largest when the spindle speed is 2 800r/min， the moisture content is 9.75% and the feed quantity is 0.185kg/s. The average throwing distance is the longest when the spindle speed is 2 500r/min， the moisture content is 9.75% and the feed quantity is 0.185kg/s. The triturate effect is the best when the spindle speed is 2 800r/min， the moisture content is 65.58% and the feed quantity is 0.238kg/s. This study provides a reference for improving output per degree and increasing the throwing distance of multifunctional forage kneading machines.

Keywords：

multifunctional forage kneading machine; output per degree; throwing distance; orthogonal test

0"引言

多功能飼草揉絲機(jī)是集揉絲和粉碎為一體的粗飼料加工機(jī)械。目前，多功能飼草揉絲機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中主要存在度電產(chǎn)量低和拋扔距離不滿足使用要求等問(wèn)題。

近年來(lái)，為提高飼草加工機(jī)械的性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了針對(duì)性研究。黃偉等^［1］研究了錘片式粉碎機(jī)篩孔孔徑對(duì)玉米粉碎粒度及粒度分布的影響。王德福等^［2］借助高速攝像技術(shù)，揭示了玉米秸稈主要的粉碎形式，并探究了主軸轉(zhuǎn)速、物料含水率和篩孔直徑對(duì)度電產(chǎn)量的影響。徐偉^［3］、麻乾^［4］等探究了錘片的傾角、厚度和形狀對(duì)揉碎機(jī)揉碎性能的影響。張濤等^［5］建立了玉米秸稈沖擊模型，并探究了沖擊角度對(duì)秸稈斷裂能耗的影響。張燕青等^［6］測(cè)試了莖稈含水率、切割傾角、刀片斜角以及平均切割速度對(duì)雜糧作物莖稈極限切應(yīng)力和切割功耗的影響。Manuwa等^［7］以粉碎粒度和均勻指數(shù)為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，測(cè)試了不同主軸轉(zhuǎn)速下物料含水率對(duì)粉碎機(jī)粉碎性能的影響。Marczuk等^［8］通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了篩網(wǎng)安裝角度對(duì)粉碎機(jī)能耗的影響。Savinyh等^［9］基于Box-Benkin試驗(yàn)方法確定了影響粉碎機(jī)粉碎性能的顯著參數(shù)，并通過(guò)優(yōu)化使粉碎機(jī)的能耗大幅降低。Braun等^［10］分析了玉米含水率和篩網(wǎng)孔徑對(duì)散碎物料含水率、粒徑分布以及流動(dòng)性的影響。Okyere等^［11］探究了玉米秸稈物理特性對(duì)機(jī)械切割性能的影響。Kinamehr等^［12］測(cè)試了甘蔗含水率、密度和篩網(wǎng)孔徑對(duì)粉碎機(jī)工作能耗的影響。

為探索多功能飼草揉絲機(jī)性能與影響因素之間的關(guān)系，對(duì)其性能指標(biāo)與影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用極差與方差分析方法確定各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序以及最優(yōu)參數(shù)組合，并基于回歸分析方法建立各試驗(yàn)指標(biāo)的多元線性回歸方程，為后續(xù)提高多功能飼草揉絲機(jī)性能提供參考依據(jù)。

1"性能試驗(yàn)

1.1"試驗(yàn)材料

試驗(yàn)設(shè)備為9ZR-2.2型多功能飼草揉絲機(jī)，主要由進(jìn)料口、鍘刀、殼體、下出料口、機(jī)架、上出料口、齒板（或篩片）、錘架板、錘片等組成，如圖1所示。

工作時(shí)，農(nóng)作物秸稈由進(jìn)料槽喂入，經(jīng)動(dòng)刀切割成段狀進(jìn)入揉碎室，在高速旋轉(zhuǎn)錘片的擊打與齒板的揉搓作用下揉碎成絲狀段（或經(jīng)過(guò)篩片粉碎成顆粒），在氣流和拋扔葉板共同作用下經(jīng)上出料口（或下出料口）拋出機(jī)外^［13］。

試驗(yàn)物料為呼和浩特市和林格爾縣2022年收獲的黃玉米秸稈與青玉米秸稈，經(jīng)測(cè)定，黃玉米秸稈含水率為9.75%，青玉米秸稈含水率為65.58%。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

1.2"試驗(yàn)指標(biāo)

以度電產(chǎn)量、平均拋扔距離和揉絲率為試驗(yàn)指標(biāo)。度電產(chǎn)量指單位耗電量所加工的物料質(zhì)量，即每次試驗(yàn)中喂入的物料質(zhì)量與所耗電量的比值。測(cè)試平均拋扔距離時(shí)，需要沿著拋送方向以出料口為起點(diǎn)，每間隔1m用黃色膠帶劃分出一條線，共分成8個(gè)區(qū)間。每次試驗(yàn)后，將拋在各個(gè)區(qū)間上的物料稱重和記錄，然后按式（1）計(jì)算其平均拋扔距離。將數(shù)據(jù)非常接近的3組重復(fù)試驗(yàn)值取平均值即為平均拋扔距離。

xm=∑（M_ix_i）∑M_i

（1）

式中：

xm——平均拋扔距離，m；

M_i——

每部分（每米）范圍內(nèi)的物料質(zhì)量，kg；

x_i——每部分中點(diǎn)的拋扔距離，m。

根據(jù)飼草揉碎機(jī)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)^［14］的要求，絲的適宜長(zhǎng)度為2～6cm。采用先篩后揀的方法，篩分出碎屑，手工揀選出粗長(zhǎng)絲條，稱量計(jì)算質(zhì)量分?jǐn)?shù)來(lái)確定揉絲率^［15］。

測(cè)試耗電量采用的儀器為三相四線電能表，測(cè)試物料質(zhì)量采用多功能電子臺(tái)秤，調(diào)節(jié)主軸轉(zhuǎn)速采用伺服主軸變頻器。性能試驗(yàn)采用的主要儀器的測(cè)試精度與量程如表1所示。

1.3"試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是利用正交表來(lái)分析多因素試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法，這種方法能夠減少試驗(yàn)次數(shù)，使計(jì)算分析大為簡(jiǎn)化^［16］。試驗(yàn)的主要目的在于探索多功能飼草揉絲機(jī)性能與影響因素之間的定量關(guān)系，為后續(xù)提高其性能，即在保證揉絲率的前提下提高度電產(chǎn)量、增加拋扔距離，提供參考依據(jù)。選取對(duì)多功能飼草揉絲機(jī)性能影響顯著的因素即主軸轉(zhuǎn)速、物料含水率和喂入量作為試驗(yàn)因素^［17］，并考慮其交互作用做三因素兩水平正交試驗(yàn)，所選的正交表為L(zhǎng)8（2³），如表2所示。正交試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示，其中A、B、C分別代表主軸轉(zhuǎn)速、含水率、喂入量因素編碼值，Y₁為度電產(chǎn)量，Y₂為平均拋扔距離，Y₃為揉絲率。

2"試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1"極差分析

根據(jù)表3正交試驗(yàn)方案及結(jié)果對(duì)飼草揉絲機(jī)各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行極差分析，如表4～表6所示。

從表4可以看出，影響度電產(chǎn)量的因素主次順序?yàn)椋褐鬏S轉(zhuǎn)速和含水率的交互作用、含水率和喂入量的交互作用、主軸轉(zhuǎn)速、含水率、喂入量、主軸轉(zhuǎn)速和喂入量的交互作用。以度電產(chǎn)量最大為指標(biāo)，其最優(yōu)參數(shù)組合為A2B1C1，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 800r/min、含水率為9.75%和喂入量為0.185kg/s。

從表5可以看出，影響平均拋扔距離的因素主次順序?yàn)椋汉?、主軸轉(zhuǎn)速、含水率和喂入量的交互作用、主軸轉(zhuǎn)速和含水率的交互作用、主軸轉(zhuǎn)速和喂入量的交互作用、喂入量。以平均拋扔距離最遠(yuǎn)為指標(biāo)，其最優(yōu)參數(shù)組合為A1B1C1，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 500r/min、含水率為9.75%和喂入量為0.185kg/s。

從表6可以看出，影響揉絲率的因素主次順序?yàn)椋汉?、主軸轉(zhuǎn)速、喂入量、主軸轉(zhuǎn)速和含水率的交互作用、主軸轉(zhuǎn)速和喂入量的交互作用、含水率和喂入量的交互作用。以揉絲率最大（揉碎效果最佳）為指標(biāo)，其最優(yōu)參數(shù)組合為A2B2C2，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 800r/min、含水率為65.58%和喂入量為0.238kg/s。

綜上所述，由極差分析結(jié)果可知，轉(zhuǎn)速與含水率（AB）的交互作用對(duì)度電產(chǎn)量的影響最大，含水率B對(duì)平均拋扔距離和揉絲率的影響最大。但是極差分析只是對(duì)試驗(yàn)結(jié)果做簡(jiǎn)單的處理分析，不能避免試驗(yàn)過(guò)程中必然存在的誤差，所以需要對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。

2.2"方差與回歸分析

為了區(qū)分由因素水平或交互作用的變動(dòng)引起的某因素各水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)誤差，和找出對(duì)試驗(yàn)結(jié)果具有顯著性影響的因素，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，置信度分別取90%、95%、99%^［18］。

各項(xiàng)的偏差平方和

S_i=r∑mj=1（kij－y-）²

（2）

式中：

i——

各影響因素，i=A，B，C；

r——水平的重復(fù)數(shù)；

m——水平個(gè)數(shù)；

kij——

i因素j水平時(shí)試驗(yàn)結(jié)果的均值；

y-——正交試驗(yàn)結(jié)果均值。

各項(xiàng)的平均偏差平方和

S_i-=S_if_i

（3）

式中：

f_i——各項(xiàng)自由度。

fT=N－1

（4）

f_i=m_i－1

（5）

fe=fT－∑ni=1f_i

（6）

式中：

fT——正交試驗(yàn)總自由度；

N——總試驗(yàn)次數(shù)；

fe——誤差自由度；

n——因素?cái)?shù)。

各因素的顯著性檢驗(yàn)F值為

F=S_i-Se-

（7）

式中：

Se-——誤差的平均偏差平方和。

在進(jìn)行方差檢驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)誤差項(xiàng)的自由度一般不小于2，否則F檢驗(yàn)的靈敏度很低。在本次正交試驗(yàn)中，每個(gè)因素的水平數(shù)都是2，因此每列的自由度都為1。以度電產(chǎn)量為例進(jìn)行方差分析，由于因素AC，即主軸轉(zhuǎn)速與喂入量的交互作用項(xiàng)偏差平方和極小，因此將其歸入空列項(xiàng)，使誤差項(xiàng)的自由度為2。通過(guò)計(jì)算得到度電產(chǎn)量、平均拋扔距離以及揉絲率的方差分析結(jié)果如表7～表9所示。

由表7可知，主軸轉(zhuǎn)速A、含水率B、主軸轉(zhuǎn)速與含水率的交互作用、含水率與喂入量的交互作用對(duì)度電產(chǎn)量的影響有高度顯著性，喂入量C（進(jìn)料口尺寸一定且不堵塞的前提下）對(duì)度電產(chǎn)量的影響有弱顯著性，其中主軸轉(zhuǎn)速與含水率的交互作用對(duì)度電產(chǎn)量影響非常顯著。由此可以看出，度電產(chǎn)量主要受主軸轉(zhuǎn)速與含水率的交互作用的影響。利用Design-Expert軟件對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，得到對(duì)度電產(chǎn)量的多元線性回歸方程（R²=0.999 8）如式（8）所示。

Y₁=

－852.020 51+0.463 008A+21.079 35B－

902.563 04C－0.009 881AB+24.839 56BC

（8）

由表8可知，含水率B對(duì)平均拋扔距離的影響有高度顯著性，主軸轉(zhuǎn)速A對(duì)平均拋扔距離的影響有弱顯著性，各因素間的交互作用和喂入量C對(duì)平均拋扔距離的影響不顯著；其中，含水率對(duì)平均拋扔距離的影響非常顯著。由此可以看出，平均拋扔距離主要受含水率因素的影響。同樣，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，得到對(duì)拋扔距離的多元線性回歸方程（R²=0.847 1）如式（9）所示。

Y₂=

－0.050 716+0.001 417A－0.001 215B－2.374 03C－0.000 010AB+0.059 649BC

（9）

由表9可知，主軸轉(zhuǎn)速A、含水率B對(duì)揉絲率的影響有高度顯著性，喂入量C、主軸轉(zhuǎn)速和含水率的交互作用對(duì)揉絲率的影響有弱顯著性；主軸轉(zhuǎn)速與喂入量的交互作用對(duì)揉絲率的影響不顯著。其中含水率對(duì)揉絲率的影響非常顯著。由此可以看出，揉絲率主要受含水率因素的影響。同樣對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性回歸分析，得到對(duì)揉絲率的多元線性回歸方程（R²=0.993 7）如式（10）所示。

Y₃=

63.966 69－0.000 263A+0.305 690B－72.327 04C－0.000 057AB+0.034 591AC

（10）

綜上所述，可以發(fā)現(xiàn)各因素的顯著性和極差分析的結(jié)果是一樣的。說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果的差異主要是由于因素不同造成的，可見(jiàn)正交試驗(yàn)分析結(jié)果可信。

3"結(jié)論

1） "主軸轉(zhuǎn)速與含水率交互作用的方差比率F值為109 561，對(duì)度電產(chǎn)量的影響最大，含水率與喂入量交互作用的F值為21 609，影響次之，進(jìn)料口尺寸一定且不堵塞的前提下喂入量的F值為49，對(duì)度電產(chǎn)量的影響最小。以度電產(chǎn)量最大為指標(biāo)，其最優(yōu)參數(shù)組合：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 800r/min、含水率為9.75%和喂入量為0.185kg/s。

2） "含水率的F值為182.056，對(duì)平均拋扔距離影響最大，主軸轉(zhuǎn)速的F值為22.045，影響次之，各因素間交互作用和喂入量的F值分別為1.726、1.801和0.017，對(duì)平均拋扔距離影響最小。以平均拋扔距離最遠(yuǎn)為指標(biāo)，其最優(yōu)參數(shù)組合：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 500r/min、含水率為9.75%和喂入量為0.185kg/s。

3） "含水率的F值為4 816.36，對(duì)揉絲率的影響最大，主軸轉(zhuǎn)速的F值為139.24，影響次之，主軸轉(zhuǎn)速與喂入量交互作用的F值為4.84，對(duì)揉絲率的影響最小。以揉絲效果最佳為指標(biāo)，其最優(yōu)參數(shù)組合：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為2 800r/min、含水率為65.58%和喂入量為0.238kg/s。

4） "對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析建立度電產(chǎn)量、平均拋扔距離以及揉絲率與主軸轉(zhuǎn)速、含水率、喂入量以及各因素交互作用的回歸數(shù)學(xué)模型。為后續(xù)性能優(yōu)化提供參考依據(jù)。

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