曾明軍 叢錦玲 閆琴 陳卓

摘要：針對常規(guī)青飼料收獲機在油菜切碎過程中營養(yǎng)流失嚴重、易堵塞等問題，設(shè)計一種適用于飼用油菜收獲的切碎防堵系統(tǒng)，為探究該切碎防堵系統(tǒng)各參數(shù)對切碎性能和防堵性能的影響，以堆積處速度最大值、堆積處顆粒數(shù)量為防堵性能指標，選取側(cè)刮板傾角、轉(zhuǎn)速為試驗因素設(shè)計正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗，并以切碎長度合格率、切碎均勻性、功耗為切碎性能指標，選取主軸轉(zhuǎn)速和喂入量為試驗因素設(shè)計響應(yīng)曲面試驗。試驗結(jié)果表明：各參數(shù)對堆積處速度影響由大到小的因素依次為側(cè)刮板角度、主軸轉(zhuǎn)速，對堆積處顆粒數(shù)影響由大到小的因素依次為主軸轉(zhuǎn)速、側(cè)刮板角度，以堆積處速度最大、堆積處顆粒數(shù)量最小為原則，得到最優(yōu)防堵性能的參數(shù)組合為側(cè)刮板角度為11.9°，主軸轉(zhuǎn)速為559 r/min，此時堆積處顆粒速度為13.6 m/s，堆積顆粒數(shù)為13個；各參數(shù)對切碎長度合格率和切碎均勻性影響由大到小的因素依次均為主軸轉(zhuǎn)速、喂入量；對功耗影響由大到小的因素依次均為喂入量、主軸轉(zhuǎn)速，以長度合格率和切碎均勻性最大，功耗最小值為原則，得到最優(yōu)切碎性能的參數(shù)組合為主軸轉(zhuǎn)速612 r/min，喂入量2 kg，此時長度合格率、切碎均勻性和功耗分別為87.6%、87.2%、1.0 kJ。上述研究及結(jié)果可為飼用油菜切碎機的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：飼用油菜；切碎裝置；防堵塞；離散元法

中圖分類號：S225.8文獻標志碼：A文獻標識碼

Design and experiments of a chopping and anti-blocking system for rapeseed

forage harvesters

ZENG? Mingjun1，CONG? Jinling2，3*，YAN? Qin4，CHEN? Zhuo2

（1 Research Division of Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832000，China; 2 College of Mechanical and Electrical Engineering，

Shihezi，Xinjiang 832000，China; 3 College of Mechanical Electrical Engineering，Shaoxing University，Shaoxing，Zhejiang 312000，

China; 4 College of Water Conservancy & Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832000，China）

Abstract： ?In response to the issues of significant nutrient loss and blockage susceptibility in conventional forage harvesters during the process of chopping rapeseed，this paper presented the design of a chopping and anti-blocking system suitable for rapeseed forage harvesting.To explore the effects of various parameters of the chopping and anti-blocking system on anti-blockage performance and chopping performance，this study utilized the maximum velocity at accumulation point and the number of particles at accumulation point as anti-blockage performance indicators.An orthogonal rotation center combination experiment was conducted，considering the factors of side scraper plate angle and rotational speed.Furthermore，for the chopping performance indicators including the length qualification rate，chopping uniformity，and power consumption，response surface experiments are conducted with main shaft speed and feed rate as experimental factors.Experimental results demonstrate that the factors influencing the velocity at accumulation point，in descending order of significance，are the side scraper plate angle and the main shaft speed.The factors influencing the number of particles at accumulation point，in descending order of significance，are the main shaft speed and the side scraper plate angle.By selecting the minimum values of the maximum velocity at accumulation point and the number of particles at accumulation point as optimization objectives，the optimal combination of parameters for anti-blockage performance was obtained： side scraper plate angle of 11.9° and main shaft speed of 559 r/min，resulting in a particle velocity at accumulation point of 13.6 m/s and 13 particles at accumulation point.Regarding the effects on the length qualification rate，chopping uniformity，and power consumption，the factors in descending order of significance are the main shaft speed and the feed rate.By selecting the maximum values of the length qualification rate and chopping uniformity，and the minimum value of power consumption as optimization objectives，the optimal combination of parameters for chopping performance is determined as main shaft speed of 612 r/min and feed rate of 2 kg，resulting in a length qualification rate of 87.6%，chopping uniformity of 87.2%，and power consumption of 1.0 kJ.The above research and its results can serve as a references for the development of subsequent rapeseed forage choppers.

Key words： Rapeseed forage;Chopping device;Anti-blockage;Discrete element method

新疆多數(shù)綠洲區(qū)適合種植飼料油菜。飼用油菜可為畜牧業(yè)提供優(yōu)質(zhì)青飼料，豐富青飼料種類多樣性，有效緩解青飼料短缺問題，并且能有效降低當?shù)佧}堿危害問題，優(yōu)化當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤使用效率及提高土壤肥力；另外，收獲飼用油菜時，存在人工收獲時間長、收獲效率低的問題，而過長的收獲時間會導(dǎo)致飼用油菜氧化變質(zhì)，致使飼用油菜的品質(zhì)和適口性明顯降低。

切碎裝置是青飼料收獲機的核心部件，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對其開展了研究。Redekop等［1］研發(fā)了一種新型切碎裝置，刀片為弧形折彎式設(shè)計，并在同一切割平面呈對稱安裝，靠動刀與定刀的配合完成物料的切碎；Buermann等［2］通過切碎裝置排料分析設(shè)計的切碎滾筒呈圓錐形，動刀片呈豎直螺旋式排列，可使阻力距更均勻和對物料的輸送更便捷；Dow等［3］設(shè)計出一種復(fù)合形式的鋸齒形刀片，刀片由頂端至中部開刃，而中部至底端制作成螺旋葉片式，可有效提高輸運效率；Lamont等［4］設(shè)計了一種橫軸流切碎裝置，并應(yīng)用于聯(lián)合收割機；朱德泉等［5］ 通過曲柄連桿機構(gòu)作為傳動裝置，通過轉(zhuǎn)速來改變物料的切碎長度，設(shè)計一種雙排定刀以提高切碎效果；郁志宏等［6］在9Z-6A型盤刀式青飼料切碎機基礎(chǔ)上，在其喂入口位置增加定刀，通過雙定刀提高切碎效率，有效解決切碎裝置效率低、切碎效果較差的問題；陳玉華等［7］設(shè)計出具備切碎、收割、輸送等多種功能的高效秸稈切碎機，具有高度自動化的特點，解決了我國秸稈利用率較低的問題；榮寶軍等［8］利用刀盤快速旋轉(zhuǎn)帶動錘片來切碎物料，并對滑切角、切碎長度和自磨刃定刀等主要作業(yè)參數(shù)及部件進行了計算與設(shè)計。

利用常規(guī)青貯收獲機收獲飼用油菜時，因飼用油菜含水率高，會造成切碎過程中營養(yǎng)流失嚴重、易堵塞等問題，對此本研究課題組開展了一種新型切碎裝置和油菜切碎輸運中防堵系統(tǒng)的研究，通過試驗分析切碎裝置的參數(shù)對切碎性能和防堵性能的影響，確定其最優(yōu)參數(shù)組合，旨在為飼用油菜收獲機械的設(shè)計與研發(fā)提供理論參考。

1 切碎裝置

飼用油菜收獲機切碎裝置主要由殼體、上喂入輥、傳動軸、動刀片、側(cè)刮板、拋送蓋、下喂入輥、定刀、旋轉(zhuǎn)滾筒等主要部件組成（圖1）。切碎刀具由定刀、動刀、側(cè)刮板及安裝在機架上的刀架組成。切碎裝置中三片傾斜動刀安裝在驅(qū)動刀片運動的切碎主軸上，定刀由螺栓固定在機架上，側(cè)刮板安裝在切碎主軸上，切碎主軸通過軸承安裝在機架上。側(cè)刮板安裝在刀架與機架之間，固定在刀架上與動刀之間呈現(xiàn)一定的夾角，隨著切碎主軸的轉(zhuǎn)動而運動，在切碎過程中起到的清堵作用。

其工作過程為：飼用油菜莖稈經(jīng)上下喂入輥固定，定刀在下方支撐物料與旋轉(zhuǎn)滾筒共同作用下切斷莖稈，并輸送至切碎裝置內(nèi)部后在側(cè)刮板的作用下拋送和清除堵塞，切碎后的莖稈被切碎裝置拋送料箱完成作業(yè)。

飼用油菜收獲機切碎裝置的主要技術(shù)參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速為300～900 r/min，喂入速度為0.4 m/s，理論切斷長度為30～50 mm，刀片數(shù)量為3，喂入口寬度為600mm，喂入口高度為200mm，定刀配置高度為30mm，刀片隙角為25°，切割前角為65°。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

整個切碎裝置具備切碎、防堵和清堵功能，下面簡要介紹實現(xiàn)各功能的關(guān)鍵部件設(shè)計。

2.1 切碎系統(tǒng)

油菜切碎過程中，直接起切割作用的部件為關(guān)鍵部件，切碎系統(tǒng)關(guān)鍵部件有動刀片和定刀片。

2.1.1 動刀及動刀曲線的設(shè)計

動刀片基本尺寸（長×寬×厚）為450 mm×50 mm×6mm。動刀片刀刃線整體刃線為一條直線，動刀片刀刃線AB繞軸OZ進行旋轉(zhuǎn)，刀片軌跡呈單葉雙曲面（圖2）。

動刀安裝時，動刀刃口平面與切碎裝置的旋轉(zhuǎn)滾筒軸線形成一個傾斜角α。動刀安裝平面、動刀刃口線和滾筒中心線形成的夾角為安裝前傾角φ［9］，動刀刃口曲線形狀為橢圓曲線（圖3）。該曲線是由平板刀刀底面與滾筒中心線成一定角度傾斜相截時形成的，可以確保動刀刃AB以圓柱面進行運動。

以滾筒軸線為Z軸建立空間直角坐標系中，動刀的刃口曲線與Z軸形成平面與Z坐標軸夾角為傾角α，則動刀平面與圓柱面的交線方程為［10］：

x2+y2=R2，Y=Ztanα，（1）

在平面坐標系中，式（1）可轉(zhuǎn)換為x2+Z2tan2α=R2，即橢圓方程為

x2R2+Z2Rtanα2=1。（2）

式（2）中短半軸為R，長半軸為Rtanα，

其中A點坐標為：

X=Rcosφ，Y=Rsinφ，Z=z。（3）

將式（3）代入式（2）得到安裝傾斜角φ的變化規(guī)律關(guān)系式：

sinφ=tanαRz。（4）

由下式

v=Rω=R·πn30，（5）

可得滾筒半徑

參考文獻［9-10］相關(guān)研究結(jié)果，將青貯飼料收獲機刀片的切割線速度v取值范圍為15～30m/s，切碎裝置主軸轉(zhuǎn)速n取值范圍設(shè)為300～900 r/min，由公式R=30vπn計算得到滾筒半徑R為250mm，

該公式中R為滾筒半徑，mm；v為刀片切割線速度，m/s；n為切碎裝置主軸轉(zhuǎn)速，r/min。

因動刀安裝前傾角越大，其切碎性能越好，但拋送性能越差，所以為了兼顧切碎裝置拋送性能，且考慮到飼用油菜莖稈含水量高的特點，取安裝前傾角φ=28°，并將R=250mm、z=134mm代入文獻［10］中傾角α計算的關(guān)系式，可得傾角α為5°。

2.1.2 定刀片

定刀片基本尺寸（長×寬×厚）設(shè)為400mm×60mm×6mm。

定刀配置高度指的是定刀相較于切碎滾筒主軸線的相對高度［11］，而且使物料喂入的速度與動切刀對物料合成的速度保持90°夾角為最佳狀態(tài)［12］，如圖4所示。

由圖4可知：

H-h=RVwV0，（7）

式（7）中h為被喂入輥壓實后物料層厚度，m；R為動刀刃線上某點的回轉(zhuǎn)半徑，m；

V0為切割時動刀刃的線速度，m/s；

參考文獻［11-12］相關(guān)研究結(jié)果，本文得到：

h=aKc，（1）

H=30Vwπn+ aKc，（2）

式（1）、（2）中h為被喂入輥壓實后物料層厚度，m；a為喂入口高度，m；Kc為喂入物料的充滿系數(shù)，取值0.2；H為定刀配置高度，m；Vw為物料喂入的速度，m/s;n為轉(zhuǎn)速，r/min。

本文取喂入速度Vw=0.4m/s，喂入口高度a=0.12m，當切碎裝置主軸轉(zhuǎn)速取值范圍為300～900 r/min，按式（1）可得物料層高度h=0.024m，定刀配置高度H范圍為0.028～0.037m，取H為0.03m。

2.2 防堵系統(tǒng)

防堵主要依靠側(cè)刮板來實現(xiàn)，側(cè)刮板基本尺寸（長×寬×厚）為200 mm×10 mm×6mm。

分析文獻［13-14］相關(guān)研究結(jié)果后認為：

影響側(cè)刮板工作性能的主要參數(shù)是側(cè)刮板傾角，后傾葉片相對于前傾葉片和徑向葉片優(yōu)勢在于可以更好地拋送物料。假設(shè)切段油菜的形狀近似于圓柱體，在側(cè)刮板表面將其簡化為運動的質(zhì)點，忽略氣流所帶來的影響，開展某一時刻切段油菜在側(cè)刮板表面由A點滑移至B點過程中的受力分析，如下圖所示［13］。

如圖5所示，A為物料的初始位置，B為物料滑移后的位置，假設(shè)切段油菜在B點瞬時靜止，根據(jù)達朗貝爾原理有

FK=2mωdldt，

FL=mω2r，

Ff=fN，

G=mg。（11）

式（11）中N為側(cè)刮板對飼用油菜莖稈的支持力合力，N；G為切斷飼用油菜的重力，N；FK為飼用油菜莖稈的科氏力，N；FL為飼用油菜莖稈的離心力，N；Ff為飼用油菜莖稈的摩擦力，N；f為物料與葉片的摩擦系數(shù)；m為飼用油菜莖稈的質(zhì)量，kg；l為物料質(zhì)點動坐標；t為時間，s。

若F>fN，則物料沿葉片向外滑移，若F≤fN，則物料處于平衡狀態(tài)。此時，由達朗貝爾原理，建立切斷后油菜莖稈的受力平衡方程：

N=mω2lsinδ+mgsinβ+2mωdldt，

F=mω2lcosδ+mgcosβ，

dldtt=0=0，

lt=0=0。（12）

式（12）中F為側(cè)刮板平面方向的合力，N；ω為切碎裝置的角速度，rad/s；l0為物料質(zhì)點初始動坐標；r為飼用油菜莖稈的旋轉(zhuǎn)半徑，mm；ρ為飼用油菜莖稈與軸心的距離，ρ=lsinδ，mm；δ為側(cè)刮板平面與側(cè)刮板和軸心連線之間的夾角，°；δ0為葉片安裝角即葉片傾角，規(guī)定后傾葉片傾角為正，前傾為負，徑向葉片為0，°；α為葉片轉(zhuǎn)角，°；α0為葉片初相位角，°；β為側(cè)刮板平面與飼用油菜莖稈的重力之間的夾角，δ，β=α0+α-δ0。

當切碎裝置正常工作且物料處于平衡狀態(tài)時，

md2ldt2=F-fN，（13）

將式（11）、（12）代入式（13）得

md2ldt2=mω2lcosδ+mgcosβ-fmω2lsinδ+mgsinβ+2mωdldt。（14）

解上述方程得：

l=C1eλ1t+C2eλ2t+Dcos（ωt+β）+Msin（ωt+β）-fro，（15）

式（15）中λ1=-ω（f-1+f2），λ2=-ω（f+1+f2）。

通過式（15）解得：

C1=g4ω2［cos（2φ-δ0+β0）-sin（φ-δ0+β0）］+1+sinφ2（l0+fvr0），（16）

C2=g4ω2［cos（2φ-δ0+β0）-sin（φ-δ0+β0）］+1-sinφ2（l0+fvr0）。（17）

由式（15）可得，后傾葉板拋送速度最小，又再由文獻［14］知傾角以0<δ<11°為宜，結(jié)合切碎裝置結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)，本文選取側(cè)刮板傾角為8°。

2.3 清堵系統(tǒng)

如圖2、圖3所示，PLC控制自動清堵系統(tǒng)部分由PLC、PLC顯示屏、轉(zhuǎn)速傳感器、變頻器、電磁離合器、電磁離合器繼電器、電機繼電器、端子盤、空氣開關(guān)、電柜、電機構(gòu)成；檢測切碎主軸轉(zhuǎn)速的傳感器安裝在切碎主軸上，該轉(zhuǎn)速傳感器通過線連接到安裝在配電柜上的PLC。轉(zhuǎn)速扭矩傳感器檢測切碎滾筒的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速由變頻器改變頻率來改變，轉(zhuǎn)速扭矩傳感器檢測的信號輸入PLC，通過控制面板顯示參數(shù)，PLC信號由聲光報警器、電磁離合器和變頻器三路輸出。

該控制系統(tǒng)的工作流程如下：轉(zhuǎn)速傳感器安裝在切碎裝置主軸上，當轉(zhuǎn)速傳感器檢測到切碎主軸的實際轉(zhuǎn)速低于設(shè)置轉(zhuǎn)速20 r/min時，開啟防堵塞檢測系統(tǒng)，即電磁離合器斷開，喂入輥停止運動，電動機反轉(zhuǎn)，切碎主軸帶動切碎刀具反轉(zhuǎn)，報警器發(fā)出一級警報。若堵塞檢測系統(tǒng)清堵效果不佳，即當轉(zhuǎn)速傳感器檢測到切碎主軸的實際轉(zhuǎn)速低于設(shè)置轉(zhuǎn)速30 r/min時，報警器會發(fā)出二級警報，開啟第二次清堵工作。聲光報警器控制喂入輥和傳送帶的工作，并在發(fā)生堵塞時報警；電動機繼電器可以使電動機在無法自行接觸堵塞時停止發(fā)動機工作。

為獲取清堵系統(tǒng)啟動所需的合理差值，以不啟動防堵塞系統(tǒng)為對照組，差值設(shè)定為10、20、30 r/min為試驗組，在9個速度梯度下進行試驗。試驗結(jié)果表明：當差值設(shè)定在10 r/min時，防堵塞系統(tǒng)反應(yīng)過于靈敏，易造成反復(fù)啟動甚至誤啟動的現(xiàn)象；當差值設(shè)定在20 r/min時，防堵塞系統(tǒng)正常工作，一次清堵能實現(xiàn)預(yù)期清堵效果；當差值設(shè)定在30 r/min時，雖然防堵塞系統(tǒng)正常工作，但堵塞量超出一次清堵所能處理的能力范圍，需進行二次清堵。

3 性能試驗的材料與方法

3.1 試驗材料與試驗條件

采用含水率為83.9%的“華油雜62”飼用油菜為試驗對象，試驗儀器設(shè)備有電子式游標卡紙（精度0.01mm）、JN-DN2型高精度動態(tài)轉(zhuǎn)速扭矩功率傳感器（綜合精度±0.3%）及德力西B-003高精度電子秤（精度0.1g）。

3.2 試驗指標

根據(jù)技術(shù)要求，選取切碎后飼用油菜顆粒在堆積處顆粒速度Y1和平均堆積顆粒數(shù)Y2作為評定飼用油菜收獲機切碎裝置的主要防堵性能指標；參考JB-T 7144.2—1993 《青飼料切碎機》試驗方法，選取切碎長度合格率、切碎均勻性以及功耗作為評定切碎裝置的主要切碎性能指標。

3.3 試驗方法

3.3.1 防堵性能試驗方法

在EDEM離散元仿真軟件中建立飼用油菜的仿真模型顆粒，仿真參數(shù)設(shè)置見表1，采用Hertz-Mindlin無滑移接觸模型開展仿真試驗。選取主軸轉(zhuǎn)速（X1）、側(cè)刮板角度（X2）2個因素，采用二因素二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗，建立2個因素與切碎后飼用油菜顆粒在堆積處的速度Y1和平均堆積顆粒數(shù)Y2之間的二次回歸方程，研究各試驗因素對切碎裝置清堵側(cè)刮板的交互影響。試驗因素水平見表2，飼用油菜收獲機切碎裝置清堵側(cè)刮板正交試驗方案與結(jié)果見表3。

3.3.2 切碎性能試驗方法

以切碎主軸轉(zhuǎn)速和喂入量為試驗因素，以切碎長度合格率Yh、切碎均勻性K、功耗YW為性能指標開展二因素五水平正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗，試驗方法為響應(yīng)曲面試驗。

（1）切碎長度合格率。

將收集的莖稈全部集中在一起稱量其質(zhì)量，記作mz。挑選出超過30mm長的莖稈稱量其質(zhì)量，記作mb，代表不合格的莖稈質(zhì)量，切碎長度合格率計算公式為：

Yh=mz-mbmz，（3）

式（2）中Yh為切碎長度合格率，%；mz為切碎莖稈總質(zhì)量，kg；mb為不合格莖稈質(zhì)量，kg。

（2）切碎均勻性。

把測量得到的油菜莖稈長度的數(shù)據(jù)分成7個區(qū)間，定義區(qū)間之間的間隔為10mm，所有區(qū)間平均長度的計算公式為：

l=∑zi=1xinin，（4）

式（3）中l(wèi)為所有區(qū)間的平均莖稈長度，mm；i為該區(qū)間的編號；z為第z個區(qū)間；xi為該區(qū)間中的平均值；ni為該區(qū)間中的樣本數(shù)量；n為總體數(shù)量。

所有統(tǒng)計數(shù)據(jù)的標準差

D=∑zi=1（xi-1）2nin，（5）

不均勻系數(shù)

K=100Dl。（6）

通過式（4）、（5）求得統(tǒng)計數(shù)據(jù)的不均勻系數(shù)K，可以得到在物料切碎均勻的范圍內(nèi)切碎裝置主軸轉(zhuǎn)速所在的數(shù)值，3次重復(fù)試驗后計算平均值。

（3）功耗。

功耗主要采用轉(zhuǎn)速扭矩傳感器進行測量，在每一組試驗完成后把傳感器所測量的功率、瞬時轉(zhuǎn)矩值及需要的時間導(dǎo)出，用于計算，通過有效工作時段的瞬時功率推導(dǎo)出切碎功率計算公式為：

YW=∫Ptdtz，（7）

式（6）中YW為切碎功耗，kJ；P（t）為瞬時功率，kW；tz為切碎所需時間，s。

根據(jù)本研究課題組前期預(yù)試驗，結(jié)合切碎裝置設(shè)計要求，確定主軸轉(zhuǎn)速Z1和喂入量Z2的水平范圍，具體試驗因素水平見表4，響應(yīng)曲面試驗方案與結(jié)果見表5。

4 性能試驗的結(jié)果與分析

4.1 防堵性能試驗仿真結(jié)果與分析

利用Design Expert 11.0.軟件對表2中試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果見表6。

根據(jù)響應(yīng)曲面數(shù)學(xué)回歸模型項及失擬項P值（表6）可知：切碎裝置2個指標數(shù)學(xué)回歸模型擬合度較好，表明數(shù)學(xué)回歸模型有較高的可靠性，故可用各指標的數(shù)學(xué)回歸模型對實際試驗結(jié)果進行分析與預(yù)測，經(jīng)計算得出Y1、Y2的編碼值擬合回歸方程為：

Y1=14.55-2.43X1+0.632 7X2-0.752 5X1X2-1.77X21+0.258 6X22，（8）

Y2=23.40-2.63X1+4.43X2-4X1X2-1.51X21-3.76X22。（9）

為了分析Y1、Y2兩交互因素對切碎裝置防堵性能的影響，揭示各影響因子的交互作用對防堵性能指標影響的關(guān)系，使用Design-Expert 11.0軟件繪制切碎裝置主軸轉(zhuǎn)速和側(cè)刮板角度交互因素對堵塞指標的響應(yīng)曲面圖，結(jié)果（圖4）顯示：

根據(jù)圖8中兩個試驗因素對側(cè)刮板角度與主軸轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲面圖可以看出，側(cè)刮板角度與主軸轉(zhuǎn)速間存在交互作用。

圖8a為影響因子側(cè)刮板角度與主軸轉(zhuǎn)速的交互作用對堆積處速度影響的響應(yīng)面圖，從中可以看出：當側(cè)刮板角度一定時，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，堆積處顆粒的流動速度緩慢增加；當主軸轉(zhuǎn)速一定時，隨著側(cè)刮板角度的增加，堆積處的流動速度先增大后減?。▓D4a）。說明堆積處速度存在最大值。

圖8b為影響因子側(cè)刮板角度與主軸轉(zhuǎn)速的交互作用對堆積處顆粒數(shù)影響的響應(yīng)面圖，可以看出：當側(cè)刮板角度一定時，隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，堆積處的顆粒數(shù)量先快速增加然后趨于平緩；當主軸轉(zhuǎn)速一定時，隨著側(cè)刮板角度的增加，堆積處的顆粒數(shù)量快速減?。▓D4b）。

選擇Y1取最大值、Y2取最小值作為優(yōu)化目標進行參數(shù)優(yōu)化。建立參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用Design-Expert 11.0軟件自帶的優(yōu)化功能進行參數(shù)優(yōu)化，將堆積處速度設(shè)置為“maximize”、堆積處數(shù)量設(shè)置為“minimize”，可得到最優(yōu)參數(shù)組合為：側(cè)刮板角度11.9°，主軸轉(zhuǎn)速558.6 r/min，將主軸轉(zhuǎn)速圓整為559 r/min。模型預(yù)測的堆積處速度和堆積顆粒數(shù)分別為13.6m/s、13個。

對Design-Expert 11.0軟件求得的最優(yōu)參數(shù)組合進行EDEM仿真驗證，結(jié)果（表7）顯示：Design-Expert 11.0軟件優(yōu)化得出的理論值與EDEM仿真? 得出的試驗值的誤差在允許范圍±5%之內(nèi)，說明仿真優(yōu)化參數(shù)有效。

4.2 切碎性能試驗仿真結(jié)果與分析

采用Design-Expert 軟件擬合，得切碎長度、切碎均勻性、功耗的編碼值擬合回歸方程分別為：

Yh=89.14-2.24Z1+0.969 6Z2-0.442 5Z1Z2-1.44Z21+0.351 1Z22，（10）

K=86.25+1.21Z1-0.306 3Z2+0.3275Z1Z2+0.4151Z21+0.550 1Z22，（11）

YW=1.5+0.277 6Z1+0.693 8Z2+0.04Z1Z2+0.338 6Z21+0.181 1Z22。（12）

由切碎性能試驗結(jié)果（表8）可知： 3個方程模型失擬性P都不顯著，表明切碎長度、切碎均勻性、功耗各因素擬合模型具有較好的擬合性，具有研究意義。主軸轉(zhuǎn)速和喂入量對Yh影響大小依次為Z1>Z2，即主軸轉(zhuǎn)速的影響最大；主軸轉(zhuǎn)速和喂入量對K影響大小依次為Z1>Z2，即主軸轉(zhuǎn)速的影響最大，喂入量次之；主軸轉(zhuǎn)速和喂入量對YW影響大小依次為Z2>Z1，即喂入量的影響最大，主軸轉(zhuǎn)速次之。

選擇Yh和K取最大值、YW取最小值作為優(yōu)化目標進行參數(shù)優(yōu)化。利用Design-Expert11.0軟件自帶的優(yōu)化功能進行參數(shù)優(yōu)化，將長度合格率和切碎均勻性設(shè)置為“maximize”、功耗設(shè)置為“minimize”，得到最優(yōu)參數(shù)組合為：主軸轉(zhuǎn)速612 r/min，喂入量2kg，模型預(yù)測的長度合格率、切碎均勻性和功耗的理論值分別為87.6%、87.2%、1.0 kJ。

根據(jù)Design-Expert11.0軟件的優(yōu)化結(jié)果，對求得的最優(yōu)參數(shù)組合再進行試驗驗證。試驗在切碎試驗臺上開展，試驗驗證結(jié)果（表9）表明理論值三次試驗誤差都在允許范圍±5%之內(nèi)，說明模型可靠，預(yù)測結(jié)果較為準確，可用于參數(shù)預(yù)測和優(yōu)化。

5 結(jié)論

（1）本文設(shè)計一款動刀架上帶有側(cè)刮板防堵和自動清堵系統(tǒng)的飼用油菜收獲機切碎裝置，確定了關(guān)鍵部件動刀片、靜刀片和側(cè)刮板主要結(jié)構(gòu)的參數(shù)，搭建了自動清堵系統(tǒng)。

（2）主軸轉(zhuǎn)速和側(cè)刮板角度對堆積處速度、堆積處顆粒數(shù)量影響由大到小的因素依次均為主軸轉(zhuǎn)速、側(cè)刮板角度；以堆積處速度取最大、堆積處顆粒數(shù)量最小值為原則，得到最佳切碎性能的參數(shù)組合為：側(cè)刮板角度11.9°，主軸轉(zhuǎn)速559 r/min，此時堆積處速度和堆積顆粒數(shù)分別為13.6m/s、13個。

（3）主軸轉(zhuǎn)速和喂入量對切碎長度合格率、切碎均勻度影響由大到小的因素依次均為主軸轉(zhuǎn)速、喂入量；主軸轉(zhuǎn)速和喂入量對功耗影響由大到小的因素依次為喂入量、主軸轉(zhuǎn)速；以切碎長度合格率和切碎均勻度最大，功耗最小為原則，得到最佳切碎性能的參數(shù)組合為：主軸轉(zhuǎn)速612 r/min、喂入量2kg，此時長度合格率、切碎均勻性和功耗分別為87.6%、87.2%、1.0 kJ。

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（責任編輯：編輯張忠）