王鐵軍 王鐵良 崔紅光 宮元娟 田素博 王瑞麗

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院， 沈陽(yáng) 110866； 2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽(yáng) 110866)

0 引言

秸稈打捆是增加堆積密度、節(jié)省儲(chǔ)存空間的有效途徑[1-2]，但中小規(guī)模或非集中連片種植產(chǎn)生的人工打包整株捆秸稈與機(jī)械壓制小方捆秸稈難以利用，阻礙了地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的高質(zhì)量發(fā)展[3-4]。絲化處理是秸稈資源化利用的基礎(chǔ)[5]，但秸稈是具有各向異性和粘彈性的復(fù)雜結(jié)構(gòu)生物質(zhì)[6-7]，整株秸稈與方捆秸稈的物料性質(zhì)存在差異。

國(guó)內(nèi)外研究人員通過(guò)試驗(yàn)與仿真從秸稈受力分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程等角度對(duì)整株秸稈粉碎揉絲機(jī)理進(jìn)行了研究[8-10]，設(shè)計(jì)并改進(jìn)了鍘草揉草粉碎機(jī)、軟秸稈散包粗碎機(jī)和草捆拆包粉碎機(jī)，以解決不同工作對(duì)象相應(yīng)機(jī)具的應(yīng)用問(wèn)題[11-13]，特別是針對(duì)捆包秸稈問(wèn)題，設(shè)計(jì)了6極三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的破包設(shè)備及逆向應(yīng)用秸稈卷壓成型原理的圓捆拆包機(jī)[14-15]。

針對(duì)小型揉絲機(jī)不適用于方捆秸稈破包揉絲及大型揉絲機(jī)不適用于鄉(xiāng)村移動(dòng)揉絲作業(yè)等問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種適用于中小捆包秸稈的喂入調(diào)節(jié)式秸稈破包揉絲機(jī)?；诮斩捲跈C(jī)器各裝置中的受力與運(yùn)動(dòng)分析，進(jìn)行整機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳動(dòng)系統(tǒng)匹配，分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)及其交互作用對(duì)機(jī)器生產(chǎn)能力與秸稈絲化效果的影響，并驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化組合結(jié)果及最優(yōu)參數(shù)組合條件下的機(jī)器使用性能，以期實(shí)現(xiàn)村戶分散捆包秸稈的屬地化揉絲處理。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

喂入調(diào)節(jié)式秸稈破包揉絲機(jī)由喂入調(diào)節(jié)、切割粉碎、揉搓絲化和螺旋出料等裝置組成(如圖1所示)。

工作時(shí)，由可拆卸推桿與地輪帶動(dòng)機(jī)器行走與固定，以滿足鄉(xiāng)村移動(dòng)式作業(yè)需求；通過(guò)滑動(dòng)組件(滑軌、絲杠、轉(zhuǎn)動(dòng)軸承等)調(diào)節(jié)破包軸與傳送鏈板間垂直距離(即喂入間隙)，以實(shí)現(xiàn)不同喂入尺寸的捆包秸稈均可在傳送鏈板帶動(dòng)下一次完成破包與喂入。捆包秸稈能夠在鋸盤(pán)刀及傳送鏈板間被破包并夾持，進(jìn)一步在定刀位置被切碎，切碎秸稈隨直刀向后運(yùn)動(dòng)，在揉搓絲化裝置中受錘片沖擊被進(jìn)一步粉碎，并在錘片與揉搓板間相對(duì)滑動(dòng)，在摩擦、剪切作用下絲化，經(jīng)篩網(wǎng)篩分后，被螺旋輸送器推出至出料口，從機(jī)器中輸出，通過(guò)“割-切-搓-推”等部件實(shí)現(xiàn)捆包秸稈的組合式揉絲處理。

2 秸稈受力分析與關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 喂入過(guò)程秸稈受力分析與裝置設(shè)計(jì)

喂入調(diào)節(jié)裝置包括傳送鏈板、破包軸、鋸盤(pán)刀、滑軌、絲杠、轉(zhuǎn)動(dòng)軸承、喂入軸和防護(hù)板等(如圖2所示)，喂入間隙可調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同秸稈的喂入尺寸。破包軸與喂入軸相互作用，為破裂捆包秸稈提供線速度，二者在同一豎直方向，轉(zhuǎn)向相反。參照文獻(xiàn)[16-17]，設(shè)計(jì)鋸盤(pán)刀直徑為180 mm，厚度為2.5 mm，周向上布置40個(gè)雙刃三角形齒，相鄰鋸齒間內(nèi)切圓直徑為6 mm。

根據(jù)定向喂入條件下秸稈破裂破碎理論[18-20]，喂入過(guò)程秸稈受力與運(yùn)動(dòng)分析如圖3所示。工作時(shí)，保證捆包秸稈喂入的必要條件為

Ff1cosα+Ff2≥FN1sinα

(1)

由圖3有

FN2=Ff1sinα+FN1cosα+mg

(2)

Ff1=μ1FN1

(3)

Ff2=μ2FN2

(4)

式中m——秸稈質(zhì)量，kg

α——喂入角，(°)

g——重力加速度，m/s2

FN1——鋸盤(pán)刀對(duì)秸稈的正壓力，N

FN2——喂入軸對(duì)秸稈的支持力，N

Ff1——鋸盤(pán)刀對(duì)秸稈的摩擦力，N

Ff2——傳送鏈板對(duì)秸稈的摩擦力，N

μ1——秸稈與鋸盤(pán)刀之間的摩擦因數(shù)

μ2——秸稈與傳動(dòng)鏈板之間的摩擦因數(shù)

設(shè)鋸盤(pán)刀與傳動(dòng)鏈板材質(zhì)相同，則秸稈與二者摩擦因數(shù)相同，即μ1=μ2=μ，聯(lián)立式(1)～(4)可得

(5)

2.2 切碎過(guò)程秸稈受力分析與裝置設(shè)計(jì)

切割粉碎裝置主要包括定刀和直刀。根據(jù)動(dòng)定刀對(duì)秸稈滑切作用[22-23]及切碎過(guò)程秸稈受力與運(yùn)動(dòng)分析(圖4)，得到切碎秸稈的必要條件為

Fτsinβ≥Ff3+Ff4sinβ+FN4cosβ

(6)

由圖4有

mg+Fτcosβ+FN4sinβ=FN3+Ff4cosβ

(7)

Ff3=μ3FN3

(8)

Ff4=μ4FN4

(9)

式中β——滑切角，(°)

Fτ——直刀對(duì)秸稈的切削力，N

FN3——定刀對(duì)秸稈的支持力，N

FN4——直刀對(duì)秸稈的正壓力，N

Ff3——定刀對(duì)秸稈的摩擦力，N

Ff4——直刀對(duì)秸稈的摩擦力，N

μ3——秸稈與直刀之間的摩擦因數(shù)

μ4——秸稈與定刀之間的摩擦因數(shù)

設(shè)直刀與定刀材質(zhì)相同，則秸稈與二者摩擦因數(shù)相同，即μ3=μ4=μ′，聯(lián)立式(6)～(9)可得

(10)

切碎機(jī)構(gòu)高度a與寬度b計(jì)算式為[16]

(11)

式中Q——生產(chǎn)率，設(shè)計(jì)值200 kg/h

φ1——切碎裝置充滿系數(shù)，取0.1

l——秸稈切碎長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)值10～50 mm

Zd——直刀數(shù)，設(shè)計(jì)值6

n1——切碎軸轉(zhuǎn)速，r/min

γ——秸稈絲容重，取40 kg/m3

取a=b/4，則左右切碎機(jī)構(gòu)組成的切割粉碎裝置的高度和寬度設(shè)計(jì)值分別為100 mm和400 mm。

2.3 揉絲過(guò)程秸稈受力分析與裝置設(shè)計(jì)

揉搓絲化裝置主要包括錘片、揉絲軸和揉搓板。如圖5所示，揉絲軸周向均布4個(gè)平行銷(xiāo)軸(Ⅰ～Ⅳ)，軸向上相鄰銷(xiāo)軸上的錘片交錯(cuò)排布(J1～J4)，提高軸向上錘片密度，使其在工作中覆蓋更多揉絲空間，增加秸稈與錘片接觸面積，錘片設(shè)計(jì)長(zhǎng)度120 mm、寬度30 mm、厚度5 mm。

根據(jù)秸稈絲化過(guò)程受到的錘擊和揉搓作用分析[24]，秸稈絲化過(guò)程受力如圖6所示。

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，秸稈絲化瞬間應(yīng)滿足平衡狀態(tài)，建立平衡方程式

(12)

(13)

Ff5=μ5FN5

(14)

Ff6=μ6FN6

(15)

式中ω4——錘片角速度，rad/s

θ1——秸稈段和揉絲軸軸心連線水平夾角，(°)

θ2——秸稈段和揉絲軸軸心連線與揉搓板對(duì)秸稈支持力方向間夾角，(°)

FI——秸稈段離心力，N

FN5——錘片對(duì)秸稈段的支持力，N

FN6——揉搓板對(duì)秸稈段的支持力，N

Ff5——錘片對(duì)秸稈段的摩擦力，N

Ff6——揉搓板對(duì)秸稈段的摩擦力，N

R1——秸稈段回轉(zhuǎn)半徑，mm

μ5——秸稈段與錘片之間的摩擦因數(shù)

μ6——秸稈段與揉搓板之間的摩擦因數(shù)

聯(lián)立式(12)～(15)可得

(16)

公式(16)表明，秸稈絲化所受摩擦力Ff5和Ff6與摩擦因數(shù)、位置、角速度等有關(guān)，其中揉搓板靠近錘片的表面上均布有楔形齒，可增大摩擦因數(shù)；錘片所在外圓周與揉搓板間預(yù)設(shè)一定錘篩間隙，優(yōu)化秸稈段在錘片和揉搓板之間的相對(duì)位置與受力角度；錘片角速度與揉絲軸轉(zhuǎn)速直接相關(guān)，當(dāng)整機(jī)動(dòng)力與傳動(dòng)比一定時(shí)，主要受電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速影響，為進(jìn)一步明確電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速對(duì)秸稈絲化效果的影響，本文對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化。

2.4 出料過(guò)程分析與裝置設(shè)計(jì)

螺旋出料裝置主要包括篩網(wǎng)和螺旋輸送器。篩網(wǎng)上T型布置等直徑圓孔，實(shí)現(xiàn)幾何尺寸小于篩孔直徑的秸稈絲從揉絲裝置分離，經(jīng)螺旋輸送器推動(dòng)至出料口，變被動(dòng)輸出為主動(dòng)出料，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)高效輸出，避免積料[25]。秸稈絲通過(guò)篩孔時(shí)應(yīng)滿足[16]

(17)

式中v——秸稈絲在篩面上的運(yùn)動(dòng)速度，m/s

D1——篩孔直徑，mm

d——秸稈絲粒徑，設(shè)計(jì)值1～20 mm

δ——篩面傾角，設(shè)計(jì)值60°

則使v≥0 m/s時(shí)需滿足D1≥27.32 mm。為進(jìn)一步明確篩孔直徑對(duì)機(jī)器生產(chǎn)能力和秸稈絲化效果的影響，本文對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化。

螺旋輸送器主要參數(shù)關(guān)系式為[16]

(18)

式中D2——螺旋直徑，設(shè)計(jì)值0.18 m

φ2——螺旋輸送器充滿系數(shù)，取0.4

R2——螺距，設(shè)計(jì)值0.1 m

n5——螺旋輸送軸轉(zhuǎn)速，r/min

C——傾斜修正系數(shù)，取1.0

2.5 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖7所示，主要由帶輪、軸、齒輪和固定件等組成，主要傳動(dòng)方式為帶傳動(dòng)。其作用是把動(dòng)力由電機(jī)通過(guò)不同型號(hào)帶輪和齒輪進(jìn)行變速和變向，分別以特定速度和扭矩向切碎軸和揉絲軸傳遞，再由切碎軸向破包軸傳遞，同時(shí)經(jīng)揉絲軸輸出并變向后向螺旋輸送軸和喂入軸傳遞，保證整個(gè)絲化過(guò)程的正常運(yùn)行。各軸之間轉(zhuǎn)速匹配對(duì)作業(yè)質(zhì)量具有重要影響，其中破包切割速度與喂入速度的匹配是影響破包效果和機(jī)器效率的重要因素之一。若破包軸轉(zhuǎn)速過(guò)高，破裂后的秸稈有向機(jī)器外拋送趨勢(shì)，降低內(nèi)拋速度，不利于穩(wěn)定喂入；若喂入速度過(guò)高，則無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的有效切割[26]，未被切割破包的秸稈捆難以在動(dòng)定刀作用下切碎。

取電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速n0=1 000 r/min，設(shè)計(jì)動(dòng)力輸出帶輪Ⅰ、Ⅱ直徑分別為d01=150 mm、d02=125 mm，根據(jù)帶傳動(dòng)比和齒輪傳動(dòng)比公式及轉(zhuǎn)速與線速度關(guān)系[27]可知，切碎軸轉(zhuǎn)速n1(r/min)、揉絲軸轉(zhuǎn)速n2(r/min)、破包軸轉(zhuǎn)速n3(r/min)、喂入軸轉(zhuǎn)速n4(r/min)和螺旋輸送軸轉(zhuǎn)速n5(r/min)，以及直刀線速度v1(m/s)、錘片線速度v2(m/s)、鋸盤(pán)刀線速度v3(m/s)、傳送鏈板線速度v4(m/s)分別為

(19)

(20)

式中d11——切碎軸輸入帶輪直徑，mm

d12——切碎軸輸出帶輪直徑，mm

d2——揉絲軸帶輪直徑，mm

d3——破包軸帶輪直徑，mm

d4——喂入軸帶輪直徑，mm

d51——螺旋輸送軸輸入帶輪直徑，mm

d52——螺旋輸送軸輸出帶輪直徑，mm

d6——變向帶輪直徑，mm

z1——揉絲軸齒輪齒數(shù)

z2——變向齒輪齒數(shù)

r1——直刀回轉(zhuǎn)半徑，設(shè)計(jì)值200 mm

r2——錘片回轉(zhuǎn)半徑，設(shè)計(jì)值300 mm

r3——鋸盤(pán)刀回轉(zhuǎn)半徑，設(shè)計(jì)值200 mm

r4——傳送鏈板轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，設(shè)計(jì)值40 mm

研究表明，以切碎軸為軸心的直刀刃口遠(yuǎn)心端線速度適宜范圍為30～43 m/s[20]，則60.85 mm≤d11≤87.22 mm，查表[27]取d11=85 mm，得n1=1 470.59 r/min，v1=30.78 m/s。以錘片為主要工作部件的揉絲裝置轉(zhuǎn)子末端線速度適宜范圍為55～70 m/s[16]，則67.29 mm≤d2≤85.64 mm，查表[27]取d2=85 mm，得n2=1 764.71 r/min，v2=55.41 m/s。

根據(jù)式(18)得到螺旋輸送軸轉(zhuǎn)速n5下限值為82.09 r/min，秸稈絲流動(dòng)性較差，為保證秸稈絲平穩(wěn)向設(shè)備外推出，取d51=450 mm，d6=50 mm，z1=20，z2=37，得n5=100.10 r/min。

研究表明，玉米秸稈喂入速度為0.88 m/s時(shí)揉搓效果達(dá)到最優(yōu)[28]，查表[27]取d52=160 mm、d4=80 mm，得n4=211.98 r/min，v4=0.89 m/s。

由圖3可得秸稈喂入結(jié)束時(shí)速度(即進(jìn)入切碎裝置時(shí)速度)v0為

v0=v3cosα+v4

(21)

同時(shí)，定刀與回轉(zhuǎn)中心垂直距離L與秸稈喂入高度A需滿足[16]

(22)

由圖4有

L-A=r1sinβcosβ

(23)

聯(lián)立式(21)～(23)可得

(24)

此時(shí)v3取值范圍為13.46～16.58 m/s，查表[27]取d12=56 mm、d3=125 mm，得n3=658.82 r/min，v3=13.79 m/s。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北設(shè)施園藝工程科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站曬場(chǎng)進(jìn)行。供試秸稈為2019年沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)北山科研基地收割后風(fēng)干的人工打包整株捆玉米秸稈(品種為萬(wàn)盈178)及霞光自走式撿拾揉搓打捆機(jī)(遼寧寧越農(nóng)機(jī)裝備有限公司)壓制的方捆玉米秸稈(品種為東單1331，長(zhǎng)×寬×高為500 mm×360 mm×450 mm，密度為250 kg/m3，秸稈尺寸范圍為50～150 mm)。隨機(jī)抽樣測(cè)定秸稈含水率范圍在13.52%～20.31%之間，選取15%～18%含水率范圍內(nèi)秸稈作為試驗(yàn)材料。

試驗(yàn)儀器設(shè)備包括QUINTIX224-1CN型電子分析天平(德國(guó)賽多利斯公司)、數(shù)顯式101-0A型電熱恒溫干燥箱(上海陽(yáng)光實(shí)驗(yàn)儀器有限公司)、8411型電動(dòng)振篩機(jī)(上虞市一峰儀器廠)、秒表等。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

應(yīng)用Design-Expert軟件，選擇三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，分別對(duì)整株秸稈與方捆秸稈進(jìn)行試驗(yàn)。以電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速(x1)、篩孔直徑(x2)和喂入間隙(x3)為試驗(yàn)因素，以標(biāo)定單位功率生產(chǎn)率和秸稈絲化率為試驗(yàn)指標(biāo)[29]。

喂入已稱(chēng)量秸稈，記錄全部喂入試驗(yàn)時(shí)間，稱(chēng)量輸出樣品質(zhì)量，計(jì)算標(biāo)定單位功率生產(chǎn)率(結(jié)果保留兩位小數(shù))為

(25)

式中M——試驗(yàn)用秸稈質(zhì)量，kg

T——試驗(yàn)時(shí)間，min

P——配套動(dòng)力總標(biāo)定功率，本試驗(yàn)為3.0 kW

S——試驗(yàn)用秸稈含水率，%

Sb——秸稈標(biāo)準(zhǔn)含水率，本試驗(yàn)為20%

以相同時(shí)間間隔在出料口接取樣品3次，每次200 g，混合后篩分并稱(chēng)量，計(jì)算秸稈絲化率(結(jié)果保留兩位小數(shù))為

(26)

式中m1——樣品中秸稈絲質(zhì)量，g

m0——秸稈樣品質(zhì)量，g

整株及方捆秸稈試驗(yàn)的因素編碼如表1、2所示，為減小試驗(yàn)操作誤差，取表中括號(hào)內(nèi)圓整數(shù)值為試驗(yàn)值。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示(X1、X2、X3為因素編碼值)。試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)采集樣品分別如圖8所示。

表1 整株秸稈正交試驗(yàn)因素編碼

表2 方捆秸稈正交試驗(yàn)因素編碼

3.3 結(jié)果與分析

整株秸稈試驗(yàn)的標(biāo)定單位功率生產(chǎn)率E1、秸稈絲化率H1及方捆秸稈試驗(yàn)的標(biāo)定單位功率生產(chǎn)率E2、秸稈絲化率H2試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

3.3.1方差分析

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析與顯著性檢驗(yàn)

(27)

(28)

YE2=93.63+4.42X1-1.83X2+1.85X3+

(29)

(30)

3.3.2響應(yīng)曲面分析

各因素及其交互作用對(duì)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面如圖9所示。

圖9a～9d是喂入間隙(x3)為零水平時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與篩孔直徑交互作用(x1x2)對(duì)E1、H1、E2、H2影響的響應(yīng)面圖，分析可知，在試驗(yàn)因素取值范圍內(nèi)，當(dāng)x1一定時(shí)，E和H隨x2的增大而增大；當(dāng)x2一定時(shí)，E和H隨x1的增大而增大。這是因?yàn)殡姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)速越高則各軸轉(zhuǎn)速越高，篩孔直徑越大使秸稈絲輸出尺寸限制降低，使物料在相同時(shí)間內(nèi)喂入更多、破裂破碎更快、揉搓和排出效率更高，提高了單位時(shí)間內(nèi)絲化數(shù)量和質(zhì)量，促使E與H提高；由于方捆秸稈較整株秸稈堆積密度大，故E1比E2增長(zhǎng)量大、變化趨勢(shì)更明顯。

圖9e～9h是篩孔直徑(x2)為零水平時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與喂入間隙交互作用(x1x3)對(duì)E1、H1、E2、H2影響的響應(yīng)面圖，分析可知，在試驗(yàn)因素取值范圍內(nèi)，當(dāng)x1一定時(shí)，E隨x3的增大而增大，H隨x3的增大變化較?。划?dāng)x3一定時(shí)，E和H均隨x1的增大而增大。這是因?yàn)殡姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)速及喂入間隙的增加提高了單位時(shí)間內(nèi)秸稈喂入量，二者交互作用使E顯著提升，且對(duì)E1影響更顯著；但電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速及喂入間隙的提高增加了單位時(shí)間內(nèi)設(shè)備處理物料總量，降低揉絲過(guò)程中單一秸稈所受揉搓作用頻率，使H增長(zhǎng)較為緩慢，故對(duì)H1與H2影響均不顯著。

圖9i～9l是電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速(x1)為零水平時(shí)，篩孔直徑與喂入間隙交互作用(x2x3)對(duì)E1、H1、E2、H2影響的響應(yīng)面圖，分析可知，在試驗(yàn)因素取值范圍內(nèi)，當(dāng)x2一定時(shí)，E和H隨x3的增大變化較?。划?dāng)x3一定時(shí)，E隨x2的增大而減小，但減小趨勢(shì)平緩，H隨x2的增大而增大。這是因?yàn)槲谷腴g隙越小，物料在喂入過(guò)程受力越大，滑切作用越顯著，切碎質(zhì)量越高，單位時(shí)間內(nèi)秸稈段數(shù)量增加、絲化質(zhì)量提高，促進(jìn)E和H提高；但喂入間隙過(guò)小阻礙物料喂入，喂入間隙過(guò)大降低鋸盤(pán)刀破裂破碎作用，且方捆秸稈堆積密度高、喂入間隙變化區(qū)間小，故E2比E1變化趨勢(shì)更大、影響更顯著，但H1與H2變化趨勢(shì)基本相同、影響不顯著。

3.4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

利用Design-Expert軟件中的多目標(biāo)優(yōu)化算法，以標(biāo)定單位功率生產(chǎn)率E最大值與秸稈絲化率H最大值為優(yōu)化目標(biāo)，建立整株秸稈及方捆秸稈約束條件的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

(31)

(32)

求解得到整株秸稈最優(yōu)工作參數(shù)組合為：電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速1 353 r/min、篩孔直徑47 mm、喂入間隙12 cm，預(yù)測(cè)標(biāo)定單位功率生產(chǎn)率100.80 kg/(kW·h)、秸稈絲化率99.71%；方捆秸稈最優(yōu)工作參數(shù)組合為：電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速1 072 r/min、篩孔直徑46 mm、喂入間隙35 cm，秸稈絲化率99.07%、預(yù)測(cè)標(biāo)定單位功率生產(chǎn)率115.00 kg/(kW·h)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性與適用性，在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，分別進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取各次試驗(yàn)結(jié)果的平均值為該條件下性能指標(biāo)實(shí)際值。測(cè)得整株秸稈及方捆秸稈的標(biāo)定單位功率生產(chǎn)率和秸稈絲化率平均值分別為99.34 kg/(kW·h)、98.86%和113.56 kg/(kW·h)、98.30%，對(duì)應(yīng)整株及方捆秸稈的標(biāo)定單位功率生產(chǎn)率和秸稈絲化率實(shí)際值與預(yù)測(cè)值之間的相對(duì)誤差均小于2%，說(shuō)明所建模型及分析結(jié)果可信，機(jī)器具有較好的工作性能。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)捆包秸稈就地分散處理的需求，設(shè)計(jì)了一種喂入調(diào)節(jié)式秸稈破包揉絲機(jī)，通過(guò)喂入調(diào)節(jié)裝置一次完成破包喂入及“割-切-搓-推”組合式絲化處理，該機(jī)可提高中小農(nóng)戶秸稈屬地化利用率。

(2)通過(guò)試驗(yàn)得出，影響標(biāo)定單位功率生產(chǎn)率的因素主次順序?yàn)殡姍C(jī)輸出轉(zhuǎn)速、喂入間隙、篩孔直徑，因素交互作用為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和篩孔直徑、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速和喂入間隙、篩孔直徑和喂入間隙；影響秸稈絲化率的因素主次順序?yàn)楹Y孔直徑、電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、喂入間隙。

(3)通過(guò)響應(yīng)面分析得出最佳工作參數(shù)組合：處理整株及方捆秸稈時(shí)分別為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速1 353 r/min、篩孔直徑47 mm、喂入間隙12 cm及電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速1 072 r/min、篩孔直徑46 mm、喂入間隙35 cm，對(duì)應(yīng)的整株及方捆秸稈的標(biāo)定單位功率生產(chǎn)率和秸稈絲化率的均值分別為99.34 kg/(kW·h)、98.86%和113.56 kg/(kW·h)、98.30%。