李法德 邢書侖 田富洋,3 閆銀發(fā),3 王 瑾 宋占華

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018；3.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018； 4.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)， 北京 100083)

0 引言

隨著飼草作物種植面積的不斷增加，飼草加工機(jī)械的需求量也越來越大[1-3]。青貯玉米、王草、甜高粱等秸稈類作物的表皮與節(jié)處較硬，且籽粒難以破碎，需要利用調(diào)制機(jī)械對其進(jìn)行破節(jié)、表皮軟化、籽粒破碎等調(diào)制處理[4]。飼草作物的調(diào)制處理可以加速作物秸稈的水分蒸發(fā)、降低飼草營養(yǎng)物質(zhì)的損失，同時(shí)有利于飼草作物的貯藏利用，對提高飼草的青貯價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義[5-6]。

飼草作物機(jī)械調(diào)制的基本方法一般包括：①利用兩個(gè)轉(zhuǎn)速相同光滑圓柱輥進(jìn)行壓扁或壓碎。②利用兩個(gè)轉(zhuǎn)速不同且表面刻有尖銳溝槽的圓柱輥進(jìn)行截碎、砍碎或剁碎。③利用兩個(gè)高低不平的平面將飼草作物籽粒磨碎，如磨盤。④利用錘片的飛速旋轉(zhuǎn)將飼草作物自由錘擊而破碎。為了保證飼草作物的調(diào)制質(zhì)量，大部分工作部件通常結(jié)合兩種或幾種方法進(jìn)行作業(yè)。由于無法保證籽粒全部破碎或過度研磨使物料產(chǎn)生的粉末較多，壓扁法和磨碎法應(yīng)用較少。國內(nèi)外學(xué)者對錘片式和齒輥式飼草作物調(diào)制機(jī)械研究較多。錘擊式粉碎法具有生產(chǎn)效率高、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、產(chǎn)生粉末少等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前最常用的方法，部分學(xué)者通過對錘片式飼草作物加工機(jī)械進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到了較為合理的工作參數(shù)[7]。與錘擊式粉碎法相比，齒輥式粉碎法既能將飼草作物壓扁、壓裂，又能將其截碎、剁碎，并且通過調(diào)節(jié)兩個(gè)調(diào)制輥之間的間隙可精確控制物料的粉碎程度，其調(diào)制效果好、工作效率高，適用于大部分籽粒飼草料[8]。文獻(xiàn)[9-10]對刀盤周圍布置的拋送葉進(jìn)行改進(jìn)，形成既有拋送功能又有揉搓功能的揉搓葉片，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該揉搓裝置對飼草作物具有較好的調(diào)制效果；LISOWSKI等[11-12]研究了秸稈切斷和揉搓過程的功耗變化規(guī)律和粉碎后的物料在出料口處的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型；叢宏斌等[13]利用三維設(shè)計(jì)軟件開發(fā)了錐輥式玉米秸稈揉搓裝置,并進(jìn)行了樣機(jī)試制與試驗(yàn)，證明了其工作有效性。

現(xiàn)有研究大多通過對機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)來提高飼草作物的調(diào)制效果，對調(diào)制機(jī)械的能耗問題研究較少。本文設(shè)計(jì)一種齒輥式飼草作物調(diào)制試驗(yàn)臺，通過調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)改變調(diào)制輥的間隙，以適應(yīng)不同飼草作物的加工需求，浮動(dòng)輥可自適應(yīng)不同喂入量時(shí)的工況，以防止堵塞?；贚abVIEW軟件開發(fā)飼草作物調(diào)制試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)，系統(tǒng)可遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)臺的運(yùn)行，實(shí)時(shí)采集固定輥與傳動(dòng)軸之間的扭矩和轉(zhuǎn)速信息，進(jìn)而得到試驗(yàn)臺在不同工況下的能耗，以期為飼草作物調(diào)制裝置的研制和動(dòng)力配備提供可靠的數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1所示，試驗(yàn)臺由喂料口、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、機(jī)架、浮動(dòng)輥、固定輥、電動(dòng)機(jī)、扭矩傳感器以及測控系統(tǒng)等組成，具有防堵塞，穩(wěn)定性好，工作效率高等特點(diǎn)。

該試驗(yàn)臺通過一對相向轉(zhuǎn)動(dòng)的差速齒輥完成調(diào)制作業(yè)。工作時(shí)，電機(jī)將動(dòng)力通過傳動(dòng)帶傳遞到固定輥，此時(shí)固定輥帶輪作為主動(dòng)帶輪通過雙面V形帶帶動(dòng)浮動(dòng)輥反向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)由于固定輥與浮動(dòng)輥上帶輪的基準(zhǔn)直徑不同，使得兩調(diào)制輥之間產(chǎn)生速度差。當(dāng)物料進(jìn)入兩調(diào)制輥之間時(shí)，在兩輥的差速運(yùn)動(dòng)中受到擠壓、剪切、摩擦等多種作用而破碎[14]。當(dāng)喂入量過大或有異物進(jìn)入調(diào)制輥時(shí)，浮動(dòng)輥受擠壓與軸承座一起繞樞軸擺動(dòng)，間隙增大從而使異物通過，同時(shí)作用在軸承座上的壓力機(jī)構(gòu)使浮動(dòng)輥與固定輥之間始終保持一定的壓力。固定輥與傳動(dòng)軸之間安裝有扭矩傳感器，并通過測控系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集固定輥與傳動(dòng)軸之間的扭矩、轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)臺主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 調(diào)制試驗(yàn)臺技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 調(diào)制輥設(shè)計(jì)

青貯玉米在蠟熟期收獲時(shí)，籽粒和莖節(jié)難以破碎，在對其進(jìn)行貯藏的過程中需利用調(diào)制機(jī)械對籽粒和莖節(jié)進(jìn)行壓扁和破碎作業(yè)，否則牲畜瘤胃難以消化[15-16]。調(diào)制機(jī)構(gòu)的主要工作部件是一對直徑和長度相同、轉(zhuǎn)向相反的調(diào)制輥。工作時(shí)，兩調(diào)制輥之間存在一定的速度差，物料顆粒在兩調(diào)制輥之間受到擠壓、剪切、摩擦等作用而被壓扁或破碎。調(diào)制輥直徑是工作性能的重要因素，直徑越大，粉碎區(qū)越長，粉碎程度越強(qiáng)。調(diào)制輥直徑應(yīng)根據(jù)顆粒尺寸及顆粒對調(diào)制輥表面的摩擦角而定。

如圖2所示，兩個(gè)半徑為R的調(diào)制輥，若將物料顆?？闯蓪ΨQ的幾何體，則工作時(shí)物料顆粒在點(diǎn)A1和A2處分別受到正壓力P、P′，由此產(chǎn)生沿輥面切向的摩擦力T、T′。當(dāng)兩調(diào)制輥轉(zhuǎn)速相同時(shí)有P=P′、T=T′。為保證調(diào)制輥能將物料顆粒扎入破碎區(qū)，必須滿足以下條件

(1)

其中

f=tanφ

(2)

式中α——入扎角，力P與對輥中心連線O1O2的夾角，(°)

f——摩擦因數(shù)

φ——物料對調(diào)制輥工作表面的摩擦角，(°)

由幾何關(guān)系可求得入扎角α為

(3)

(4)

式中r——物料顆粒大弧形半徑，mm

b——物料顆粒厚度一半，mm

a——物料顆粒長度一半，mm

c——調(diào)制輥間隙，mm

結(jié)合入扎條件可得輥筒最小直徑為

(5)

(6)

通過式(6)可以看出，調(diào)制輥直徑和顆粒直徑越大、調(diào)制輥間隙越小，破碎區(qū)長度越長，物料產(chǎn)生粉末越多，損失越嚴(yán)重。因此在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下輥筒直徑不宜過大，根據(jù)粉碎機(jī)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，調(diào)制輥直徑D一般取150～300 mm，同時(shí)借鑒國內(nèi)外調(diào)制輥的形狀參數(shù)[17-18]，在設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)制輥直徑D選為200 mm，材料選用65Mn。

為增強(qiáng)調(diào)制輥對物料的剝刮、剪切、撕裂和研壓作用，在調(diào)制輥表面開有較淺的溝槽，溝槽的截面形狀為鋸齒形。對于鋸齒形結(jié)構(gòu)來說，輥齒高度和刃角都會(huì)影響物料的破碎效果，輥齒的高度越高、刃角越小，則調(diào)制輥對物料的剝刮、剪切作用越強(qiáng)，物料破碎效果越好，但是調(diào)制輥的耐磨性變差，易出現(xiàn)齒刃磨鈍甚至卷刃的現(xiàn)象；反之，輥齒的高度越低、刃角越大，則調(diào)制輥對物料的撕裂和研壓作用越強(qiáng)，物料和調(diào)制輥之間的摩擦力增大，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)器能耗增加并出現(xiàn)莖稈拉絲的現(xiàn)象，物料調(diào)制效果變差。在綜合考慮試驗(yàn)臺能耗情況和物料調(diào)制效果等因素后，將輥齒的高度設(shè)計(jì)為6 mm，刃角設(shè)計(jì)為54°。將齒面較寬的面定義為鈍面，齒面較窄的面定義為鋒面，兩調(diào)制輥采用鋒對鋒組合方式，圖3為調(diào)制輥齒形圖和組合方式示意圖。

2.2 調(diào)制輥模態(tài)分析

模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性包括固有頻率和振型[19]。對調(diào)制輥進(jìn)行模態(tài)分析是為了確立調(diào)制輥的各階固有頻率和振型，避免其在工作過程中發(fā)生共振[20]。利用有限元軟件對調(diào)制輥按照實(shí)際工況進(jìn)行約束模態(tài)分析，即在軸肩處施加Cylindrical Support圓柱面約束以模擬軸承對調(diào)制輥的支撐和固定作用，仿真以總變形量為研究目標(biāo)，取前6階進(jìn)行分析[21]。

調(diào)制輥主要由輥筒、軸與兩端法蘭盤組成，其中輥筒材料為65Mn，彈性模量206 GPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.28，屈服強(qiáng)度430 MPa；軸與法蘭盤為45鋼，彈性模量210 GPa，密度7 800 kg/m3，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度355 MPa[22]。給零件賦予材料并進(jìn)行六面體單元網(wǎng)格劃分，劃分后共產(chǎn)生節(jié)點(diǎn)72 586個(gè)，單元25 851個(gè)。

圖4為前6階振型圖。由圖4可知，1階變形表現(xiàn)為輥筒整個(gè)圓周方向上的變形；2階、3階最大變形體現(xiàn)在輥筒內(nèi)部軸的彎曲上，且兩者彎曲方向不同，為將最大變形展現(xiàn)，將輥筒隱藏；4階最大變形為兩側(cè)法蘭盤均向Z軸方向鼓出，同時(shí)輥筒兩側(cè)產(chǎn)生變形，5階、6階最大變形表現(xiàn)為輥筒中間變扁，且兩者變形角度不同。表2為各階對應(yīng)固有頻率和最大變形量，快輥在工作時(shí)的最高轉(zhuǎn)速4 000 r/min，根據(jù)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速與振動(dòng)頻率的換算關(guān)系n=60ν得快輥的最高激振頻率為66.67 Hz，遠(yuǎn)低于調(diào)制輥的最低固有頻率434.08 Hz，因此調(diào)制輥在工作過程中不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。

表2 調(diào)制輥模態(tài)分析結(jié)果

2.3 調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖5所示，調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由柱塞泵、間隙調(diào)節(jié)液壓缸、轉(zhuǎn)動(dòng)軸承座、樞軸、樞軸壓塊、拉桿以及壓縮彈簧等組成。下調(diào)制輥?zhàn)鳛楣潭ㄝ伵c固定軸承座一起安裝在大側(cè)板上，上調(diào)制輥?zhàn)鳛楦?dòng)輥則安裝在浮動(dòng)軸承座上，浮動(dòng)軸承座的固定端為半開式，可繞樞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，浮動(dòng)端則裝有拉桿和壓縮彈簧，可通過調(diào)節(jié)彈簧座下方的螺母改變浮動(dòng)輥與固定輥之間的調(diào)制壓力。在試驗(yàn)臺工作過程中，當(dāng)喂入量過大或有異物通過調(diào)制輥時(shí)，浮動(dòng)輥可繞樞軸向上跳動(dòng)，以避免試驗(yàn)臺發(fā)生堵塞。當(dāng)浮動(dòng)輥發(fā)生跳動(dòng)時(shí)，在壓縮彈簧和拉桿的作用下，使浮動(dòng)輥與固定輥之間始終保持一定的壓力，從而改善了調(diào)制輥對物料的壓扁效果。浮動(dòng)軸承座下方安裝有間隙調(diào)節(jié)液壓缸，其推桿中心位置與上、下調(diào)制輥初始位置的軸心連線重合。調(diào)節(jié)兩調(diào)制輥的間隙時(shí)，通過改變柱塞泵的排油量來控制間隙調(diào)節(jié)液壓缸活塞的伸縮量，在活塞的作用下，浮動(dòng)軸承座帶動(dòng)浮動(dòng)輥以樞軸為中心逆時(shí)針擺動(dòng)，從而調(diào)節(jié)兩調(diào)制輥之間的間隙[23]。

如圖6所示，點(diǎn)O為樞軸的軸心，點(diǎn)O1為固定輥軸心，點(diǎn)O2為浮動(dòng)輥軸心的初始位置。初始位置時(shí)，兩調(diào)制輥的頂圓相切。當(dāng)浮動(dòng)輥繞樞軸逆時(shí)針擺動(dòng)時(shí)，其軸心變?yōu)镺′2，點(diǎn)M為點(diǎn)O′2在O1O2連心線延長線上的投影。兩調(diào)制輥頂圓半徑分別為R1、R2，間隙調(diào)節(jié)液壓缸的柱塞伸長量為h，上下調(diào)制輥之間的間隙為c，建立兩者之間的數(shù)學(xué)模型：

為了便于排屑，防止刀具各局部同時(shí)參與切削（減小切削力），每一刀具的切削局部的起始點(diǎn)在軸向具有一定的距離，同時(shí)也增大了容屑空間，使排屑順暢，防止前后刀面切下的切屑相互纏繞和堵塞。

調(diào)制輥間隙c與調(diào)制輥半徑之間的關(guān)系式為

c=lO1O′2-(R1+R2)

(7)

初始位置時(shí)，兩調(diào)制輥頂圓相切，即

lO1O2=R1+R2

(8)

由直角梯形OO2MO′2和三角形O1MO′2中的幾何關(guān)系可得調(diào)制輥間隙c與間隙調(diào)節(jié)液壓缸的活塞伸長量h之間的關(guān)系式為

(9)

將R1=R2=100 mm，lOO2=150 mm代入式(9)得

(10)

根據(jù)間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)浮動(dòng)輥質(zhì)量以及工作時(shí)拉桿的拉力，選擇載質(zhì)量10 t、活塞行程25 mm的間隙調(diào)節(jié)液壓缸；為減少浮動(dòng)輥恢復(fù)原位時(shí)，對間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)造成的沖擊，選用容量為0.4 L、公稱壓力為31.5 MPa的囊式蓄能器作為補(bǔ)償，從而使系統(tǒng)壓力保持穩(wěn)定，圖7為間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)示意圖。

2.4 調(diào)制輥快速更換機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為方便調(diào)制輥的快速更換，設(shè)計(jì)了一種可快速拼裝的側(cè)板結(jié)構(gòu)。圖8為固定輥裝配體，即固定輥安裝到固定軸承座上，并將固定軸承座通過螺栓連接到兩側(cè)小側(cè)板上。大側(cè)板空隙間的上下面均有V形凸臺，小側(cè)板上下面則分別開有V形凹槽，兩者相互配合，安裝時(shí)只需將下輥裝配體推入到大側(cè)板中并通過側(cè)板連接塊用螺栓將大側(cè)板與小側(cè)板固定在一起即可實(shí)現(xiàn)快速更換調(diào)制輥。

2.5 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖9所示，該測控系統(tǒng)硬件部分主要由工控機(jī)(研華)、USB-4711A數(shù)據(jù)采集卡(研華)、TQ-660型扭矩傳感器(北京世通科創(chuàng)技術(shù)有限公司)、變頻器(17.5 kW、西門子V20系列)、UT-208型通訊轉(zhuǎn)換適配器(宇泰科技有限公司)、KCPD-55D-B型信號隔離器(上?？蟿?chuàng)儀器儀表有限公司)、電抗器、濾波器等組成。上位機(jī)系統(tǒng)一方面通過通訊轉(zhuǎn)換適配器與變頻器建立通訊，進(jìn)而遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；另一方面通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集扭矩傳感器的扭矩和轉(zhuǎn)速信號，為提高測量信號的準(zhǔn)確度，扭矩傳感器信號輸出端安裝有信號隔離器[24]。

如圖10所示，該測控系統(tǒng)是基于LabVIEW軟件開發(fā)完成，具有良好的人機(jī)交互式界面。系統(tǒng)界面分為顯示區(qū)和控制區(qū)，顯示區(qū)可實(shí)時(shí)顯示扭矩傳感器的扭矩和轉(zhuǎn)速變化曲線，并保存采樣數(shù)據(jù)和采樣時(shí)間；控制區(qū)則主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)臺運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)定數(shù)據(jù)采集頻率及開始停止?fàn)顟B(tài)等。

3 調(diào)制試驗(yàn)臺性能試驗(yàn)

于2020年9月18日進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)材料為飼玉2號青貯玉米。試驗(yàn)前將玉米莖稈按照長度進(jìn)行三等分，由頂部到根部依次為分為上部、中部和下部。參照國家標(biāo)準(zhǔn)[25]中水分的測量方法，利用水分測定儀(0.001 g，ZTXY-101型，濰坊中特電子儀器有限公司)測得青貯玉米莖稈上部、中部、下部含水率分別為82.1%、76.3%、73.4%，籽粒含水率為34.7%。

參照國家標(biāo)準(zhǔn)[26]中對青貯玉米收獲機(jī)切段長度的要求，利用鍘切裝置將青貯玉米莖稈和玉米穗鍘切至長度2～3 cm，并將莖稈株數(shù)與果穗個(gè)數(shù)按照1∶1的比例均勻混合后，利用電子天平(0.1 g，ACS-6型，永康市香海衡器廠)進(jìn)行稱量取樣，圖11為試驗(yàn)用青貯玉米試樣。

試驗(yàn)過程中通過測控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)臺的工作狀態(tài)，并實(shí)時(shí)采集扭矩傳感器的扭矩和轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)臺出料口處安裝有編織袋，可對調(diào)制后的青貯試樣進(jìn)行收集；試驗(yàn)結(jié)束后，采用十字交叉法取出莖稈試樣1 500 g，籽粒試樣1 000 g，用于評價(jià)試驗(yàn)臺工作性能。圖12為試驗(yàn)現(xiàn)場。

3.1 試驗(yàn)因素

通過單因素試驗(yàn)得到對試驗(yàn)臺工作性能影響較為顯著的3個(gè)因素為：調(diào)制輥轉(zhuǎn)速、調(diào)制輥間隙和喂入量。試驗(yàn)時(shí)選取固定輥(慢輥)轉(zhuǎn)速為675、1 012、1 350 r/min，對應(yīng)調(diào)制輥頂圓線速度分別為7.07、10.60、14.14 m/s；借鑒國外青貯收獲機(jī)上調(diào)制輥的工作參數(shù)，浮動(dòng)輥(快輥)與固定輥之間的速度差選取為20%[18]；根據(jù)喂入物料選取調(diào)制輥間隙為2、3、4 mm；根據(jù)青貯玉米收獲機(jī)田間實(shí)際作業(yè)工況可知，喂入量與作業(yè)速度關(guān)系式為

(11)

式中Q——喂入量，kg/s

v——機(jī)組行駛速度，m/s

M——青貯玉米產(chǎn)量，kg/hm2

B——割幅，m

試驗(yàn)臺調(diào)制輥有效工作長度為0.4 m，根據(jù)切割器長度應(yīng)大于調(diào)制輥長度，假設(shè)小型青貯玉米收獲機(jī)割幅為0.8 m，青貯玉米平均產(chǎn)量為45 000 kg/hm2，雜草在試驗(yàn)前已清除，青貯玉米收獲機(jī)作業(yè)時(shí)平均速度為3.5、4.5、5.5 km/h，可得調(diào)制輥單位工作長度喂入量為8.75、11.25、13.75 kg/(m·s)。

3.2 試驗(yàn)指標(biāo)

調(diào)制試驗(yàn)臺工作能耗是評價(jià)試驗(yàn)臺工作性能的重要指標(biāo)，同時(shí)需要對試驗(yàn)臺作業(yè)效果進(jìn)行評判，因此本文選取單位能耗、莖稈破節(jié)率、籽粒破碎率作為試驗(yàn)指標(biāo)。

(1)單位能耗

單位能耗是指破碎或者揉搓單位質(zhì)量物料所需要的凈能量，利用自行開發(fā)的調(diào)制試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)以及USB-4711A數(shù)據(jù)采集卡測得固定輥與傳動(dòng)軸在工作過程中扭矩動(dòng)態(tài)變化過程，進(jìn)而計(jì)算得單位能耗，單位能耗計(jì)算公式為

(12)

式中Y1——單位能耗，J/kg

W0——試驗(yàn)臺空載能耗，J/kg

W1——試驗(yàn)臺總能耗，J/kg

T0——空載時(shí)扭矩，N·m

t——時(shí)間，s

m——青貯玉米質(zhì)量，kg

n——固定輥轉(zhuǎn)速，r/min

t0——調(diào)制開始時(shí)刻

t1——調(diào)制結(jié)束時(shí)刻

T(t)——t時(shí)刻扭矩，N·m

(2)莖稈破節(jié)率

參照國家標(biāo)準(zhǔn)中莖稈破節(jié)率計(jì)算方法[27]，對青貯玉米莖稈調(diào)制后的破節(jié)率進(jìn)行測定，以試樣中的莖稈為測量對象，莖稈破節(jié)率計(jì)算公式為

(13)

式中Y2——莖稈破節(jié)率，%

mp——破裂成兩瓣及以上的莖稈質(zhì)量，g

mj——試樣中莖稈總質(zhì)量，g

(3)籽粒破碎率

青貯玉米籽粒破碎率計(jì)算公式為

(14)

式中Y3——籽粒破碎率，%

Gt——破碎成兩瓣及以上的籽粒總質(zhì)量，g

Gj——試樣中籽粒總質(zhì)量，g

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了研究不同試驗(yàn)因素對試驗(yàn)臺工作指標(biāo)的影響程度以及各試驗(yàn)因素之間的交互作用，試驗(yàn)采用Box-Behnken試驗(yàn)方法，進(jìn)行響應(yīng)面試驗(yàn)，試驗(yàn)因素編碼如表3所示，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，表中A、B、C分別是固定輥轉(zhuǎn)速n、調(diào)制輥單位工作長度喂入量q、調(diào)制輥間隙c的因素編碼值。

表3 青貯玉米調(diào)制試驗(yàn)因素和水平

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及響應(yīng)結(jié)果

3.4 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

利用Design-Expert 10.0.7軟件對表4中數(shù)據(jù)開展多元回歸擬合分析，建立單位能耗Y1、莖稈破節(jié)率Y2及籽粒破碎率Y3對固定輥轉(zhuǎn)速n、調(diào)制輥單位工作長度喂入量q以及調(diào)制輥間隙c等3個(gè)自變量的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型，建立模型為

Y1=8 145.58-0.78n-681.81q-1 040.66c+0.003 2nq+0.31nc-12.63qc+0.000 2n2+30.30q2+120.47c2

(15)

Y2=92.88+0.006 3n+0.20q-1.37c+1.81nq+0.001 3nc-0.085 0qc-0.000 004n2-0.02q2+0.09c2

(16)

Y3=101.67+0.02n-1.60q-3.54c-0.000 03nq+0.000 08nc+0.034qc-0.000 007n2+0.06q2+0.34c2

(17)

由表5可知，單位能耗Y1、莖稈破節(jié)率Y2、籽粒破碎率Y3的P分別為0.002 4、0.000 6、0.003 6(均小于0.01)，表示影響極顯著。其失擬項(xiàng)的P分別為0.067 3、0.805 1、0.154 9(均大于0.05)，表明無失擬因素的存在，3個(gè)模型在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，擬合程度較高；其決定系數(shù)R2分別為0.933 5、0.955 2、0.924 2，表明該模型可以較好地解釋不同因素作用下的響應(yīng)值，從而預(yù)測試驗(yàn)臺的工作參數(shù)。此外，在單位能耗Y1響應(yīng)面模型中，因素q、nc、c2對模型影響顯著，因素n、c、q2對模型影響極顯著；在莖稈破節(jié)率Y2響應(yīng)面模型中，因素nc、n2對模型影響顯著，因素n、q、c對模型影響極其顯著；在籽粒破碎率Y3響應(yīng)面模型中，因素q、n2對模型影響顯著，因素n、c對模型影響極顯著。在保證模型P<0.05，失擬項(xiàng)P>0.05的基上，剔除不顯著回歸項(xiàng)對模型的影響，進(jìn)一步優(yōu)化模型得到

Y1=8 412.60-0.43n-719.83q-1 188.31c+0.31nc+30.44q2+121.39c2

(18)

Y2=94.81+0.008 3n-0.21q-1.79c+0.001 3nc-0.000 004n2

(19)

Y3=101.73+0.02n-1.63q-3.46c-0.000 007n2

(20)

3.5 試驗(yàn)因素對性能指標(biāo)的影響

根據(jù)表5試驗(yàn)結(jié)果，可得固定輥轉(zhuǎn)速、調(diào)制輥單位長度喂入量、調(diào)制輥間隙及其交互作用對各性能指標(biāo)的影響，并利用Design-Expert 10.0.7軟件繪制響應(yīng)面曲線圖。

表5 青貯玉米調(diào)制試驗(yàn)二次項(xiàng)模型方差分析

各因素對單位能耗的響應(yīng)面曲面如圖13所示。由圖13a可知，調(diào)制輥間隙一定時(shí)，單位能耗Y1隨著固定輥轉(zhuǎn)速的增加而增大，同時(shí)，隨著調(diào)制輥單位工作長度喂入量的增加先減小后增大，增大調(diào)制輥單位工作長度喂入量和降低固定輥轉(zhuǎn)速有助于降低單位能耗；這是因?yàn)楣潭ㄝ佫D(zhuǎn)速越高時(shí)，調(diào)制輥對物料的沖擊力越大，受到的阻力就越大。由圖13b可知，調(diào)制輥單位工作長度喂入量一定時(shí)，單位能耗隨著固定輥轉(zhuǎn)速的增加而增大，隨著調(diào)制輥間隙的增加而減??；這是因?yàn)殚g隙越大，調(diào)制輥對物料的擠壓作用越小，而固定輥轉(zhuǎn)速越高，沖擊力對物料的破碎作用越明顯。由圖13c可知，固定輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，單位能耗隨著調(diào)制輥間隙的增加而減小，同時(shí)，隨著調(diào)制輥單位工作長度喂入量的增加先減小后增大，增大調(diào)制輥單位工作長度喂入量和調(diào)制輥間隙，均有助于降低單位能耗；這是因?yàn)檎{(diào)制輥間隙越大，物料對調(diào)制輥的阻力越小，所消耗的能量越少；而喂入的物料過多時(shí)，物料對調(diào)制輥的阻力急劇增大，單位能耗升高；喂入的物料過少時(shí)，調(diào)制輥的承載能力大于工作負(fù)載，造成能量浪費(fèi)，單位能耗升高。

各因素對莖稈破節(jié)率的響應(yīng)面曲面如圖14所示。由圖14a可知，調(diào)制輥間隙一定時(shí)，莖稈破節(jié)率隨著固定輥轉(zhuǎn)速的增加而升高，隨著調(diào)制輥單位工作長度喂入量的增加而減小。這是因?yàn)楣潭ㄝ佫D(zhuǎn)速越高，對物料的沖擊破碎作用越強(qiáng)，物料的破裂效果越明顯；調(diào)制輥單位工作長度喂入量增大時(shí)，物料通過浮動(dòng)輥的速度加快，壓扁破裂效果差。由圖14b可知，調(diào)制輥單位工作長度喂入量一定時(shí)，莖稈破節(jié)率隨著調(diào)制輥間隙的減小和固定輥轉(zhuǎn)速的增加而升高；這是因?yàn)楣潭ㄝ佫D(zhuǎn)速越高，間隙越小，調(diào)制輥對物料的擠壓揉搓作用越強(qiáng)，莖稈破節(jié)率越高。由圖14c可知，固定輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，降低調(diào)制輥單位工作長度喂入量和減小調(diào)制輥間隙有助于提高莖稈破節(jié)率；這是因?yàn)殚g隙越小，調(diào)制輥單位工作長度喂入量越小，物料在調(diào)制輥之間揉搓、壓扁的時(shí)間越長，莖稈破裂效果越好。

各因素對籽粒破碎率的響應(yīng)面曲面如圖15所示。由圖15a可知，調(diào)制輥間隙一定時(shí)，固定輥轉(zhuǎn)速越高，調(diào)制輥單位工作長度喂入量越小，籽粒破碎率越大，這是因?yàn)樽蚜］^為堅(jiān)硬，其主要破壞形式為調(diào)制輥的沖擊作用產(chǎn)生的破壞，因此受轉(zhuǎn)速影響較大。由圖15b可知，調(diào)制輥單位工作長度喂入量一定時(shí)，增大固定輥轉(zhuǎn)速和減小調(diào)制輥間隙有助于提高籽粒破碎率。這是因?yàn)橛衩鬃蚜ｓw積小，調(diào)制輥對籽粒的破碎作用受間隙的影響較大。由圖15c可知，固定輥轉(zhuǎn)速一定時(shí)，降低調(diào)制輥單位工作長度喂入量和減小調(diào)制輥間隙，有助于提高籽粒破碎率。這是因?yàn)檎{(diào)制輥間隙越小，籽粒受到的破壞作用越強(qiáng)，而調(diào)制輥單位工作長度喂入量的增加會(huì)加快籽粒通過調(diào)制輥間隙，降低調(diào)制輥對籽粒的破壞作用。

3.6 各因素對目標(biāo)值影響效應(yīng)分析

貢獻(xiàn)率K能反映單個(gè)因素對所建立回歸模型的影響程度，K越大，影響程度就越大，K計(jì)算公式為

(21)

其中

(22)

式中F為方差分析的F值，為考核值。根據(jù)式(21)、(22)計(jì)算出各因素對目標(biāo)值的貢獻(xiàn)率K，結(jié)果如表6所示。

表6 各因素對目標(biāo)值的貢獻(xiàn)率

3.7 最佳參數(shù)組合的確定

通過響應(yīng)面試驗(yàn)，需要確定影響該試驗(yàn)臺工作性能的最優(yōu)參數(shù)組合，從而提高莖稈破節(jié)率和籽粒破碎率，降低單位能耗。以最小單位能耗Y1、最高莖稈破節(jié)率Y2和最高籽粒破碎率Y3為評價(jià)指標(biāo)，得到約束條件為

(23)

利用Design-Expert 10.0.7軟件對回歸方程進(jìn)行優(yōu)化得到試驗(yàn)臺工況最佳組合為：固定輥轉(zhuǎn)速n為1 156.81 r/min，調(diào)制輥單位工作長度喂入量q為10.84 kg/(m·s)，調(diào)制輥間隙c為2.56 mm；此時(shí)，單位能耗Y1為2 347.44 J/kg，莖稈破節(jié)率Y2為95.66%，籽粒破碎率Y3為95.19%。

3.8 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化分析得到的最優(yōu)參數(shù)，于2020年9月21日在農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)用青貯玉米試樣與18日試驗(yàn)用青貯玉米取自相同試驗(yàn)田，其上部、中部、下部含水率分別為81.7%、76.2%、72.6%，籽粒含水率為34.5%。由于試驗(yàn)臺實(shí)際工作參數(shù)很難調(diào)整至理論求解的優(yōu)化值，故選取一組接近于優(yōu)化求解值的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，參數(shù)值取為：固定輥轉(zhuǎn)速n為1 157 r/min，調(diào)制輥單位工作長度喂入量q為10.84 kg/(m·s)，調(diào)制輥間隙c為2.6 mm，試驗(yàn)共進(jìn)行5次重復(fù)，依據(jù)式(12)～(14)進(jìn)行計(jì)算，得到單位能耗為2 377.53 J/kg、莖稈破節(jié)率為95.62%、籽粒破碎率為95.02%，計(jì)算得3個(gè)目標(biāo)值的相對誤差均小于1%，表明求解的單位能耗Y1、莖稈破節(jié)率Y2、籽粒破碎率Y3的回歸模型能夠很好地滿足試驗(yàn)臺工作參數(shù)的優(yōu)化需求，同時(shí)，更加驗(yàn)證了試驗(yàn)臺工作性能的可靠性，圖16為調(diào)制后的青貯試樣。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種齒輥式飼草作物調(diào)制試驗(yàn)臺，并完成了對青貯玉米的調(diào)制試驗(yàn)。通過調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可快速調(diào)整調(diào)制輥間隙，以適應(yīng)不同作物的調(diào)制需求；通過大小側(cè)板的滑軌式設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)調(diào)制輥的快速拆裝與清理；上調(diào)制輥的可浮動(dòng)性設(shè)計(jì)可避免喂入量過大時(shí)發(fā)生阻塞，極大地提高了機(jī)器的工作效率。

(2)基于LabVIEW軟件平臺開發(fā)了飼草作物調(diào)制試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可遠(yuǎn)程控制試驗(yàn)臺的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)采集、顯示與保存固定輥與傳動(dòng)軸之間的扭矩、轉(zhuǎn)速等信息，進(jìn)而可計(jì)算得到試驗(yàn)臺能耗。

(3)采用Box-Behnken試驗(yàn)方法，以固定輥轉(zhuǎn)速、調(diào)制輥單位工作長度喂入量、調(diào)制輥間隙為試驗(yàn)因素，對試驗(yàn)臺單位能耗、莖稈破節(jié)率、籽粒破碎率等試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了響應(yīng)面試驗(yàn)。通過分析分別得到了單位能耗、莖稈破節(jié)率以及籽粒破碎率的二次回歸模型，利用Design-Expert 10.0.7軟件對模型進(jìn)行優(yōu)化，得出最優(yōu)參數(shù)組合為固定輥轉(zhuǎn)速1 157 r/min、調(diào)制輥單位工作長度喂入量10.84 kg/(m·s)、調(diào)制輥間隙2.6 mm，此時(shí)單位能耗、莖稈破節(jié)率、籽粒破碎率分別為2 377.53 J/kg、95.62%、95.02%。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，試驗(yàn)指標(biāo)實(shí)際值與理論優(yōu)化值之間相對誤差小于1%，說明回歸模型可靠。本研究可為飼草作物調(diào)制機(jī)械的進(jìn)一步優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考和技術(shù)支持。