李 輝，孫 偉，張 華，劉小龍，王建蕭，孟養(yǎng)榮

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，蘭州730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)推廣總站）

0 引言

隨著飼料工業(yè)及草食畜牧業(yè)發(fā)展的帶動，秸稈揉絲機械得到快速發(fā)展。相關(guān)科研院所及企業(yè)進(jìn)行了大量的研究，劉德軍等[1]通過正交試驗及計算機統(tǒng)計分析軟件研究了9JST220型秸稈絲化調(diào)質(zhì)機樣機性能指標(biāo)的影響因素；張偉等[2-4]設(shè)計了9RS系列秸稈揉絲機，并對機具的工作性能進(jìn)行了試驗研究；宋學(xué)鋒等[5]采用離散元法、多體動力學(xué)、計算流體動力學(xué)研究了玉米秸稈揉絲破碎過程、絲狀物料排料過程；尚坦等[6]基于流體有限元法對9RSZ-3型秸稈揉絲機揉搓機構(gòu)內(nèi)流場進(jìn)行仿真分析；項目團(tuán)隊針對現(xiàn)有青貯揉絲機存在的問題設(shè)計了切揉組合式青貯玉米粉碎機[7，8]，可一次完成秸稈喂入、壓扁劃絲、鍘切、籽粒破碎和粉碎揉絲等工序。秸稈絲化質(zhì)量是衡量秸稈揉絲機工作性能的主要指標(biāo)之一，如何提高揉絲機秸稈絲化率，提高機具工作性能是秸稈揉絲機設(shè)計的難點與瓶頸。為此，對自主研制的切揉組合式青貯玉米粉碎機進(jìn)行正交試驗研究，分析錘片轉(zhuǎn)速、錘齒間隙、錘片數(shù)量對秸稈絲化率的影響，獲得基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)，為后續(xù)設(shè)計提供理論參考。

1 試驗設(shè)備和方法

1.1 試驗機具及工作原理

切揉組合式青貯玉米粉碎機主要由機架、秸稈輸送裝置、喂入裝置、粉碎揉絲裝置、電動機、傳動裝置和行走裝置等組成[7]（圖1）。機具作業(yè)時人工將秸稈縱向均勻鋪放在輸送裝置上，輸送鏈將秸稈輸送到喂入裝置，喂入輥對秸稈進(jìn)行初步擠壓破碎，同時將擠壓后的秸稈喂入揉絲機構(gòu)，高速旋轉(zhuǎn)的錘片對秸稈進(jìn)行疏刷、打擊破碎，錘齒齒頂與凹板對秸稈進(jìn)行擠壓揉搓，打碎揉搓后的秸稈飼料通過高速旋轉(zhuǎn)的粉碎刀片及拋扔裝置共同形成的氣流將揉搓好的飼料拋出。

圖1 切揉組合式青貯玉米粉碎機結(jié)構(gòu)

1.2 儀器設(shè)備

試驗儀器設(shè)備包括電子分析天平、秒表、卷尺、游標(biāo)卡尺。

1.3 機具主要參數(shù)

1.4 試驗條件

2017年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程訓(xùn)練中心對機具進(jìn)行試驗。試驗玉米植株為當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植的玉米品種（先玉335），玉米植株當(dāng)天收獲，秸稈平均含水率為60%，秸稈清潔干凈，不含泥沙等雜物，根部直徑為15~36mm，中部直徑為10~29mm，梢部直徑為5~12mm。在試驗開始前，先對機具進(jìn)行調(diào)試，使機具處于正常的工作狀態(tài)，試驗時單次喂入秸稈量為8根，每次添加秸稈時基本保證喂入量均勻連續(xù)。

1.5 試驗方法

對切揉組合式青貯玉米粉碎機[7]作業(yè)時的秸稈絲化率進(jìn)行測定，采用正交試驗法，得出各因素之間的優(yōu)化組合，性能試驗方法依據(jù)文獻(xiàn)[9]執(zhí)行。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗指標(biāo)

為了對切揉組合式青貯玉米粉碎機進(jìn)行定量分析研究，通過前期試驗研究獲得的數(shù)據(jù)，參照業(yè)內(nèi)人士的觀點，確定了切揉組合式青貯玉米粉碎機試驗結(jié)果的指標(biāo)為秸稈絲化率，定義如下：

秸稈絲化率：秸稈經(jīng)揉化加工后，成品中長度為10~180mm且?guī)缀螌挾炔淮笥?mm的絲狀物所占的百分比。

秸稈絲化率的測定：在每次負(fù)載試驗開始5 min后，每間隔5min在成品出口橫斷接取成品樣品1次，共接取3次，每次接取樣品不少于200 g，將3次樣品混合稱其質(zhì)量，撿出其中符合要求的秸稈絲并稱量質(zhì)量。按式（1）計算秸稈絲化率，結(jié)果保留1位小數(shù)。

式中M—加工后成品質(zhì)量（kg）；M1—秸稈絲化質(zhì)量（kg）S—秸稈絲化率（%）。

2.2 試驗因素及水平

影響試驗指標(biāo)的因素很多，其中有些因素雖然非常重要，但人們無法控制，如秸稈含水量、秸稈機械特性等。因此本次試驗主要針對人們可以控制又對試驗指標(biāo)有重要影響的因素：主軸轉(zhuǎn)速、錘齒間隙及錘片數(shù)量進(jìn)行試驗研究。為滿足試驗，要求在轉(zhuǎn)盤上設(shè)置三組銷軸孔，改變錘片銷軸在轉(zhuǎn)盤上的安裝位置，即可改變錘齒間隙；制作3種長度規(guī)格的定位套，更換錘片間的定位套，可改變錘片數(shù)量；通過更換傳動鏈輪可實現(xiàn)刀軸不同轉(zhuǎn)速。由以往的經(jīng)驗得知，各因素之間的交互效應(yīng)對試驗指標(biāo)有重要影響，所以本次試驗考慮各因素之間的交互作用對指標(biāo)的影響，試驗因素及水平見表1。

表1 試驗因素及水平

根據(jù)考察的因素及水平選用L27（313）的正交表來安排試驗，試驗方案及結(jié)果見表2。

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1 數(shù)據(jù)分析

由試驗結(jié)果的極差分析[10-11]可知，秸稈絲化率各因素的最優(yōu)水平和因素主次順序依次為A2、C3、B1、[（A×B）1]3、[（A×B）2]3、[（B×C）2]2、[（B×C）1]1、[（A×C）1]3、[（A×C）2]3。由此可知，秸稈粉碎揉絲機刀軸轉(zhuǎn)速占據(jù)了首要位置。

為了得到機具結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)水平組合，對數(shù)據(jù)做方差分析，結(jié)果見表3。從方差分析結(jié)果可以看出，對秸稈絲化率來說，因素A、B、C和交互作用A×B對試驗指標(biāo)的影響顯著；交互作用A×C和B×C對試驗指標(biāo)的影響不顯著。由于試驗結(jié)果指標(biāo)是秸稈絲化率，因此數(shù)據(jù)越大說明機具工作性能越好，通過試驗的數(shù)據(jù)分析可知，最好的結(jié)構(gòu)參數(shù)為A2C3B1，與極差分析結(jié)果相一致。

表3 試驗數(shù)據(jù)方差分析表

2.3.2 驗證試驗

為了驗證該結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)的科學(xué)性與合理性，選取了上述試驗中秸稈絲化率效果較好的試驗條件做重復(fù)試驗。以表2中的試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，選取試驗號為11、12、14、15、21的試驗條件分別做5次重復(fù)試驗。試驗結(jié)果取5次試驗的平均值，結(jié)果如表4所示。由表4可知，最佳作業(yè)參數(shù)條件是秸稈粉碎揉絲刀軸轉(zhuǎn)速為2 400 r/min、錘齒間隙為10 mm、錘片數(shù)量為40片，與正交試驗分析吻合。以此參數(shù)進(jìn)行收獲作業(yè)，青貯秸稈絲化率＞90%。

表2 正交試驗方案和試驗數(shù)據(jù)表

表4 驗證試驗數(shù)據(jù)表

3 結(jié)論

影響秸稈絲化率的因素主次順序為秸稈粉碎揉絲刀軸轉(zhuǎn)速、錘片數(shù)量、錘齒間隙。在該試驗條件下，使秸稈絲化率最佳的參數(shù)組合為秸稈粉碎揉絲刀軸轉(zhuǎn)速為2 400 r/min、錘齒間隙為10 mm、錘片數(shù)量為40片。重復(fù)試驗表明，該秸稈揉絲機的秸稈絲化率＞90%。