劉 磊,梁 棟,李 粵，蔡 毅，宋德慶，薛 忠

(1.海南大學(xué) 機電工程學(xué)院，?？?570228； 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091)

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基于響應(yīng)面分析法的香蕉莖稈纖維刮雜裝置優(yōu)化設(shè)計

劉 磊1,梁 棟1,李 粵1，蔡 毅1，宋德慶2，薛 忠2

(1.海南大學(xué) 機電工程學(xué)院，海口 570228； 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機械研究所，廣東 湛江 524091)

為了優(yōu)化香蕉莖稈纖維提取機刮雜裝置部件結(jié)構(gòu)，提高纖維提取質(zhì)量，以刮雜裝置的刀輥速度、刀片間距、定刀弧長為影響因子，采用響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計方法，建立了影響因子與纖維提取率之間的數(shù)學(xué)模型，確定了較優(yōu)的參數(shù)組合。試驗表明：當香蕉纖維提取機刮雜裝置影響因子的實際參數(shù)為刀輥轉(zhuǎn)速1 200r/min、刀片間距110mm、定刀弧長50mm時，纖維提取率平均可達到92.6%,符合優(yōu)化目標及生產(chǎn)要求。研究結(jié)果可為植物纖維提取裝置的研發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)和思路。

香蕉莖稈；纖維提取機；刮雜裝置；響應(yīng)面分析法

0 引言

響應(yīng)面分析法是利用合理的試驗設(shè)計方法并通過實驗得到一定數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程來擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)工藝參數(shù)，解決多變量問題的一種統(tǒng)計方法[1-2]。響應(yīng)面分析也是一種最優(yōu)化方法，是將體系的響應(yīng)(如香蕉纖維提取率)作為一個或多個因素(如刀輥轉(zhuǎn)速、定刀弧長、刀片間距等)的函數(shù)，運用圖形處理技術(shù)將這種函數(shù)關(guān)系顯示出來，以供我們憑借直覺的觀察來選擇試驗設(shè)計中的最優(yōu)化條件[3-4]。顯然，要構(gòu)造這樣的響應(yīng)面并進行分析以確定最優(yōu)條件或?qū)ふ易顑?yōu)區(qū)域，必須通過大量的試驗測試數(shù)據(jù)建立一個合適的數(shù)學(xué)模型(建模)，然后再用數(shù)學(xué)軟件作圖分析[5]。

香蕉莖稈纖維的機械提取原理主要依據(jù)香蕉莖稈組織中的纖維強度和柔韌性物理性質(zhì)比雜質(zhì)好，通過施加適當?shù)臋C械力破壞香蕉莖稈的膠質(zhì)和水分，使其脫落以到達提取纖維的目的[6-9]。在提取香蕉莖稈纖維的機械裝備研究方面，中國熱帶科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械研究所歐忠慶[10]等研制出半喂入式香蕉莖稈纖維提取機。海南大學(xué)機電工程學(xué)院張喜瑞[11]等研制出組合式香蕉莖稈纖維提取機。二者核心結(jié)構(gòu)相似，工作原理相同，但后者與前者相比自動化程度提高了。目前，實際生產(chǎn)中，核心裝置在結(jié)構(gòu)功能上都存在著提取的纖維含雜率較高，纖維易斷，隨殘渣流失嚴重、刮出的纖維質(zhì)量不夠合格等問題。

針對上述問題，本文借助于響應(yīng)面分析法，選擇對組合式香蕉纖維提取機刮雜裝置進行建模分析與試驗測試，重點研究裝置中各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)對纖維提取率的影響規(guī)律，并結(jié)合實際生產(chǎn)要求進行優(yōu)化設(shè)計，以期提高纖維提取質(zhì)量，增大纖維提取率。研究結(jié)果可為植物纖維提取裝置的研發(fā)與應(yīng)用提供理論依據(jù)和思路借鑒。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 機器結(jié)構(gòu)

組合式香蕉莖稈纖維提取機主要由下刀板、機罩、刮雜刀輥、刮雜刀、定刀及機架等組成[12-13]，如圖1所示。該機能夠使香蕉莖稈一次喂入實現(xiàn)莖稈纖維和雜質(zhì)分離的功能，大大減少了輔助工作時間，提高纖維提取工作效率。

1.2 工作原理

工作時，先將香蕉莖稈破成片狀，然后把片狀的香蕉莖稈連續(xù)地送入滾扎裝置中，香蕉莖稈在滾扎裝置的作用下，逐漸進入刮雜刀輥和定刀之間的間隙，刮雜刀與定刀的最小距離為2 mm。電機帶動刮雜刀輥高速旋轉(zhuǎn)，香蕉莖稈受到刮雜刀的不斷打擊，纖維周圍的莖肉組織被擊打成為碎渣與莖稈纖維分離或夾粘在纖維之間。香蕉莖稈經(jīng)過擊打變得松軟失去剛性，柔軟的香蕉莖稈在刮雜刀打擊力和定刀反彈力的共同作用下產(chǎn)生強烈的波浪式振動，抖出夾粘在莖稈纖維中的碎渣；與此同時，莖稈繼續(xù)受到刮雜刀的碰撞打擊。由于刮雜刀輥高速旋轉(zhuǎn)，在刮雜刀輥周圍形成的較強的旋轉(zhuǎn)氣流層流速不同，導(dǎo)致靠近刮雜刀輥內(nèi)層的壓力小外層壓力大，在這種壓力差的作用下，纖維緊貼刀片在打擊和振動后被破壞、抖出的碎渣刮離纖維。碎渣受到刮雜刀輥產(chǎn)生的風(fēng)力，沿刮雜刀運動切線方向經(jīng)過下刀板掉落在雜質(zhì)出料板被排出，加工出的香蕉莖稈纖維通過整平裝置整平由纖維輸出帶輸出。

1.雜質(zhì)出料板 2.機架 3.下刀板 4.機罩 5.刮雜刀輥 6.動刀 7.滾扎裝置 8.定刀 9.輸出帶 10.整平裝置圖1 組合式香蕉莖稈纖維提取機三維示意圖Fig.1 Three dimensional diagram of banana stem multichannel processing mill

2 刮雜裝置與優(yōu)化參數(shù)

2.1 刮雜裝置

刮雜裝置是香蕉莖稈纖維提取機的重要組成部分，主要由轉(zhuǎn)動刀輥、動刀、定刀及螺釘?shù)汝P(guān)鍵部件構(gòu)成，如圖2所示。

2.1.1 動刀與刀輥

動刀由尺寸為40mm×40mm×5mm 的角鋼制成。刃口要進行熱處理，以提高其硬度和耐磨性。動刀與刀輥是通過螺釘連接在一起的，動刀成偶數(shù)均勻分布[14]。二者組裝完畢后，進行動平衡校驗，以減小振動。

2.1.2 定刀

定刀由材料為Q235的碳素結(jié)構(gòu)鋼制成。其加工工序為：先加工成長方體形狀，然后線切割加工出其剖面圓弧形狀，定刀圓弧的圓心線為動刀的刀輥轉(zhuǎn)動軸。定刀兩端各有一組類橢圓形螺釘孔，通過這些孔，定刀前后移動，以便于調(diào)整動定刀之間的間隙。

1.刮雜刀輥 2.動刀 3.定刀 4.支撐座 5.機架圖2 香蕉纖維刮雜裝置三維示意圖Fig.2 Three-dimensional diagram of scraping device for banana fiber extractor

2.2 優(yōu)化參數(shù)

2.2.1 刀片間距

莖稈在刮雜區(qū)的受力情況[15]如圖3所示。

(a) 刀片間距大的情況下受力分析圖

(b)刀片間距小的情況下受力分析圖圖3 香蕉莖稈受力示意圖Fig.3 The force diagram of banana stalk

香蕉莖稈受到的力有：定刀對它的反彈作用力FN、動刀對它的打擊力F、摩擦力f及滾扎裝置中對輥的拉力T。其中，橫向打擊力F1、縱向刮削力F2是打擊力 F 的分解力。

當?shù)遁佂鈴胶娃D(zhuǎn)速一定，如果刀片間距較大，則纖維由定刀處反彈向刀輥的時間就較長，振幅就大，纖維與后一把刀的打擊接觸角 α 也隨之變大，從而使纖維受到的橫向打擊力F1就大，縱向刮削力F2就小。

反之，如果刀片間距較小時，則橫向打擊力F1就小，縱向刮削力F2就大。由實驗知:香蕉莖稈肉質(zhì)和表皮的破壞力主要靠力F1和力FN；但麻渣的刮削主要靠縱向刮削力F2。所以，刀片間距的大小對纖維提取的質(zhì)量有直接影響。

2.2.2 定刀弧長及刀輥轉(zhuǎn)速

當?shù)遁伒耐鈴綖槎ㄖ禃r，香蕉莖稈受力面積與定刀弧長成正比。刀片間距不變且定刀的弧長過長時，香蕉纖維所受到刀片打擊的次數(shù)就較多，從而易把香蕉纖維刮斷，這樣將使香蕉纖維損失嚴重; 反之，則纖維刮不干凈，導(dǎo)致香蕉纖維含雜率高，浪費資源，增加成本。

當?shù)遁伒耐鈴綖槎ㄖ禃r，根據(jù)沖量定理: 刀輥的旋轉(zhuǎn)速度大，香蕉纖維受到動刀打擊力 F 就大，這樣將使纖維斷裂，損失率增大; 反之，將使纖維刮不干凈，含雜率高。同樣浪費資源，增加成本。

3 試驗與方案

3.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備試驗臺主要由電機、刮雜裝置、滾扎裝置，如圖4所示。

作業(yè)時，整個試驗臺通過變頻器改變供電頻率，來控制電機的轉(zhuǎn)速，片狀香蕉莖稈通過喂料裝置，在滾扎裝置的作用下，進入刮雜裝置進行刮雜，加工出的香蕉莖稈纖維由出料裝置送出。其它試驗儀器有中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院湛江農(nóng)機研究所自主研制的QP-1800型香蕉莖稈切割破片機、東莞長協(xié)電子廠生產(chǎn)的CP423S型高精度電子天平、蘇州貫覺電熱設(shè)備有限公司生產(chǎn)的DHG202-0B型電熱真空干燥箱及質(zhì)量分數(shù)為30%的NaOH溶液等。

3.2 試驗材料

本試驗所用的材料是來自海南大學(xué)實驗基地種植的“巴西—Williams”香蕉莖稈，選用“QP-1800”型香蕉莖稈破片機[16]將莖稈加工成片狀。表1是所選取的香蕉莖稈的主要參數(shù)。

表1 莖稈主要參數(shù)[17]Table 1 Parameter values of banana stem

為了盡可能地減小非試驗因子對試驗的干擾，在香蕉莖稈的選取上綜合考慮了色澤、質(zhì)地、韌皮部及生長周期等因素。在此基礎(chǔ)上，試驗設(shè)定每片莖稈的質(zhì)量確定在400g左右，上下浮動不超過10g。另根據(jù)實際情況，考慮到試驗的隨機誤差，在每個試驗點的數(shù)據(jù)獲得上就不能單純的以一次試驗結(jié)果為依據(jù)，必須增大樣本數(shù)量，在多次重復(fù)性試驗的基礎(chǔ)上取其平均值。所以，試驗設(shè)定在每個試驗點做5次重復(fù)性試驗，最后取其數(shù)據(jù)的平均值作為每個試驗點的試驗入選數(shù)據(jù)。同時，為了更好地確定機器的試驗性能及考慮到實際生產(chǎn)中的工作性能，試驗設(shè)定，每次試驗選取上述莖稈數(shù)量為3片，3片香蕉莖稈疊放在一起進行試驗。

3.3 試驗指標與試驗因素

纖維提取率是衡量香蕉莖稈纖維提取機提取纖維性能的重要指標。在纖維總量一定的香蕉莖稈原料中，香蕉莖稈纖維提取率是提取后的莖稈纖維所占質(zhì)量的百分比為[18]。以下是對香蕉莖稈纖維提取率的測定方案：首先隨機地從待加工的片狀香蕉莖稈中選取質(zhì)量為M0i，提取后所得到香蕉粗纖維放入質(zhì)量分數(shù)為30%的NaOH溶液里，加熱煮制40min，然后用清水沖洗，并通過真空干燥箱進行干燥，稱其質(zhì)量Mgi。按式(1)求得香蕉莖稈纖維提取率Y，試驗共測定5次求平均值。其中，i為實驗次數(shù)。

(1)

其中，M0i是所選用的香蕉莖稈質(zhì)量(kg)；K是待提取的香蕉莖稈纖維含量，本試驗所取的K值約為3.8%[19]；Mgi為經(jīng)過處理后的香蕉莖稈纖維質(zhì)量(kg)；Y為提取率(%)。本試驗研究了影響纖維提取率的3個主要因素，即刀輥轉(zhuǎn)速n、刀片間距e和定刀弧長s。

3.4 試驗方案

首先在纖維提取機上安裝調(diào)頻電動機來調(diào)控刀輥的轉(zhuǎn)速；按照試驗要求定做幾種不同弧長的定刀。定刀與支撐座之間通過螺栓連接，可按照試驗要求安裝、拆卸；螺栓孔均勻的分布在刀輥上，以便實現(xiàn)刀片間距的調(diào)控[20]。

選取纖維提取機的刀輥旋轉(zhuǎn)速度X1、刀輥上刀片間距X2、定刀弧長X3為試驗因素，以纖維提取率Y為衡量指標，根據(jù)纖維提取機的工作參數(shù)要求，在單因子實驗基礎(chǔ)上，確定各影響因子的取值范圍，并依據(jù)Box-Benhnken中心組合設(shè)計理論，確定二次回歸試驗設(shè)計方案。通過對試驗結(jié)果的分析與驗證，對機構(gòu)參數(shù)做出優(yōu)化分析。試驗因素及水平設(shè)計如表2所示。

表2 試驗因子Table 2 Test factors

3.5 數(shù)據(jù)分析

采用Design Expert Version 8.0.7 軟件(Stat-Ease Inc.,USA)進行試驗設(shè)計、數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析，并根據(jù)二次回歸擬合模型繪出纖維提取率的響應(yīng)面分析圖。

4 結(jié)果與分析

4.1 方案及試驗結(jié)果

根據(jù)Box-Benhnke試驗方案，本試驗進行了三因素與三水平響應(yīng)面分析，一共對17個試驗點進行測試，包括5個零點估計誤差和12個析因試驗點。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果Table 3 Test results

續(xù)表3

本試驗選用Design Expert 8.0.7軟件對表3中的數(shù)據(jù)進行擬合分析，分析出纖維提取率的回歸方程為

修正決定系數(shù)AdjR2=0.965 2，回歸決定系數(shù) R2=0.984 8，表明試驗誤差在合理范圍內(nèi)。試驗?zāi)Ｐ湍軌蜉^準確地描述該試驗結(jié)果，所以該方程代是可行的?；貧w方程分析結(jié)果如表4所示。

表4 回歸統(tǒng)計分析結(jié)果Table 4 Regression statistical analysis results

續(xù)表4

4.2 各因素響應(yīng)分析

由Design Expert 8.0.7軟件繪出的響應(yīng)面分析圖，可以分析出各因素對提取率的影響及各因素間的交互作用。由表4的試驗結(jié)果可得：回歸模型的擬合程度較為顯著(P< 0.01)，影響程度由高到低依次為刀片間距、定刀弧長、刀輥轉(zhuǎn)速。

刀片間距、刀輥轉(zhuǎn)速、定刀弧長對纖維提取率相互作用的模型分析圖如圖 5 所示，響應(yīng)面均為凸面。采用控制變量法，控制其中一個因素固定在中間水平上不變，進而分析另外兩個因素的變化對該指標的影響。

由圖 5(a) 和(b )可知：當定刀弧長為52.5mm 時，香蕉莖稈的纖維提取率受刀輥轉(zhuǎn)速V和刀片間距L的交互影響，且分別呈二次曲線關(guān)系；在等值線圖的所示范圍內(nèi)，纖維提取率分別隨著刀輥轉(zhuǎn)速V和刀片間距L的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且受刀片間距L的影響略大于刀輥轉(zhuǎn)速V。當?shù)遁佫D(zhuǎn)速接近V=1 200r/min、刀片間距接近 L=110mm 時，纖維提取率達到最大。

由圖 5(c) 和(d )可知：當?shù)镀g距為100mm時，香蕉莖稈的纖維提取率受定刀弧長S和刀輥轉(zhuǎn)速V的交互影響，且分別與因素呈二次曲線關(guān)系。由等值線圖可知：纖維提取率分別隨著定刀弧長S和刀輥轉(zhuǎn)速 V 的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當?shù)遁佫D(zhuǎn)速接近V=1 200r/min，定刀弧長接近50mm 時，纖維提取率達到最大。由橢圓形等值線可知：刀輥轉(zhuǎn)速對纖維提取率的影響小于定刀弧長 S 對纖維提取率的影響。

由圖 5(e )和(f )可知：當?shù)遁佫D(zhuǎn)速處于中間水平時，香蕉莖稈的纖維提取率受刀片間距L和定刀弧長S的交互影響，且分別與因素呈二次曲線關(guān)系；在等值線圖的所示范圍內(nèi)，纖維提取率隨著刀片間距L和定刀弧長的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。由橢圓形等值線可知：纖維提取率受刀片間距的影響大于定刀弧長的影響。

(a) 刀輥轉(zhuǎn)速和刀片間距的響應(yīng)曲面 (b) 刀輥轉(zhuǎn)速和刀片間距的等值線圖

(c) 刀輥轉(zhuǎn)速和定刀弧長的響應(yīng)曲面 (d) 刀輥轉(zhuǎn)速和定刀弧長的等值線圖

(e) 刀片間距和定刀弧長的響應(yīng)曲面 (f) 刀片間距和定刀弧長的等值線圖

圖 5(a) 和圖5(b )中定刀弧長為52.5mm，圖5(c) 和圖5(d) 中刀片間距為100mm，圖5(e) 和圖5(f) 中刀輥轉(zhuǎn)速為1 050r/min。

圖5 各因素的響應(yīng)曲面及等值線圖

Fig 5 Response surface and contour map of factors

4.3 結(jié)果與驗證

根據(jù)響應(yīng)面的優(yōu)化模型，以香蕉纖維提取率最大化為目標，對試驗測定數(shù)據(jù)進行優(yōu)化分析,則有

F=max[y]=f(x1,x2,x3)

900

s.t. 80

45

由Design Expert 8.0.7軟件解析出香蕉纖維提取機器的纖維提取率最終優(yōu)化結(jié)果：刀輥速度為1 193.33r/min、刀片間距為113.54mm 、定刀弧長為50.68mm 時，纖維提取率最高可達到93.44%。

為檢驗優(yōu)化后組合式香蕉莖稈纖維提取機刮雜裝置作業(yè)性能與理論分析的相符合性，在海南大學(xué)機電工程學(xué)院試驗基地內(nèi)進行驗收試驗。試驗選用的香蕉莖稈來自“巴西—Williams”品種香蕉樹[25]，利用“QP-1800”型香蕉莖稈破片機將其處理成片狀。結(jié)合生產(chǎn)實踐要求，優(yōu)化后的實際參數(shù)為：香蕉莖稈纖維提取機刀輥轉(zhuǎn)速1 200r/min、刀片間距110mm、定刀弧長50mm，共進行3次重復(fù)性試驗驗證[21]。結(jié)果表明：纖維的平均提取率達到92.6%；通過該回歸模型進行參數(shù)優(yōu)化后，香蕉纖維提取率的實際值與優(yōu)化預(yù)測值(為93.44%)基本吻合，應(yīng)證了試驗?zāi)Ｐ偷暮线m性，具有一定的實際效用。組合式香蕉莖稈纖維提取機實物圖及提取的纖維如圖6所示。

為了確定參數(shù)優(yōu)化后機器的各項具體性能指標提高程度，特別把優(yōu)化前的機器和優(yōu)化后的機器共同進行試驗，對二者在纖維提取率、含雜率、生產(chǎn)率和能耗等方面做出了詳細的比較[22]。優(yōu)化前和優(yōu)化后機器的各項試驗結(jié)果如表5所示。

試驗結(jié)果表明：優(yōu)化后香蕉纖維提取機的纖維提取率提高了3.8%,含雜率降低了12.8%，生產(chǎn)率提高了36%，能耗降低了13%，進一步證明了試驗所獲得的技術(shù)參數(shù)是可靠的。

(a) 組合型香蕉莖稈纖維提取機 (b) 提取的香蕉纖維

圖6 組合式香蕉莖稈纖維提取機實物圖及提取效果圖Fig.6 Extraction machine combination type banana stem fiber and Extracted banana fiber type表5 優(yōu)化前后機器性能比較Table 5 Comparison of machine test results before and after optimization

5 結(jié)論

1)由試驗可知：在試驗因子變化范圍內(nèi)，香蕉莖稈纖維提取率隨各因子的增量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，影響程度由大到小依次是刀片間距、定刀弧長、刀輥轉(zhuǎn)速。

2)組合式香蕉纖維提取機刮雜裝置的各項工作參數(shù)在理論上存在的最優(yōu)解，各工作部件的參數(shù)因子對纖維提取質(zhì)量存在著顯著影響。在刮雜裝置滿足刀輥轉(zhuǎn)速為1 200r/min、刀片間距為110mm、定刀弧長為50mm的條件時，香蕉纖維提取率達到最優(yōu)。在實踐生產(chǎn)應(yīng)用中可達到92.6%，理論與實際基本相符合。

該研究中所應(yīng)用的優(yōu)化方案及理論依據(jù)對華南地區(qū)纖維類農(nóng)作物機械的研發(fā)提供了借鑒與技術(shù)支持。

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Banana Stem Fiber Scraping Device Hybrid Optimization Design Based on Response Surface Methodology

Liu Lei1, Liang Dong1, Li Yue1，Cai Yi1, Song Deqing2, Xue Zhong2

(1.School of Mechanics and Electrics Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China; 2.Agricultural Machinery Institute of Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Zhanjiang 524091, China)

In order to optimize the banana stem fiber extraction scraping machine complex parts of the device structure to improve the fiber quality extraction, by scraping the impurity unit knife roller speed, blade spacing, knife arc length as influencing factors, using response surface optimization design method, established the mathematical model between influence factors and fiber extraction rate to determine the optimum combination of parameters. Experiments show that when banana fibre extraction machine scraping miscellaneous devices influence factor of actual parameters for knife roller speed 1200R / min, the blade pitch 110 mm, fixed blade arc length of 50 mm, fiber extraction rate average reaches 92.6%, in line with the optimization target and production requirements. The research results can provide theoretical basis and ideas for the development and application of plant fiber extraction device.

banana stalk; fiber extraction machine; scraping device; response surface analysis

2016-03-05

國家自然科學(xué)基金項目( 51105123) ；國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè)) 科研專項( 201503136 )；海南大學(xué)中西部計劃學(xué)科重點領(lǐng)域建設(shè)項目(ZXBJH-XK015)；海南省高等學(xué)?？茖W(xué)研究項目(HNKY2014-15)

劉 磊(1988 -)，男，河南駐馬店人，碩士研究生，(E-mail)595082511@qq.com。

梁 棟( 1971- ) ，男，廣西靈山人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)xjn04@163.com。

S226.7

A

1003-188X(2017)03-0098-07