揉碎玉米秸稈螺旋輸送裝置參數(shù)試驗優(yōu)化

烏蘭圖雅 王春光 趙方超 王曉蓉

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

玉米秸稈是可再生、低污染的綠色資源，對其進(jìn)行高效開發(fā)利用，對解決能源緊缺，生態(tài)環(huán)境惡化等問題具有十分積極的作用[1-2]。螺旋輸送裝置是玉米秸稈加工處理過程中的重要設(shè)備，其輸送性能直接影響加工處理的質(zhì)量和生產(chǎn)率，同時也影響螺旋輸送設(shè)備的工作性能。

對螺旋輸送裝置的研究多以散粒體為研究對象，集中在設(shè)計制造、輸送機(jī)理分析、虛擬仿真分析和參數(shù)優(yōu)化等方面[3-8]。對于農(nóng)作物秸稈的研究主要集中在苜蓿等牧草和秸稈類物料的摩擦因數(shù)及力學(xué)特性研究[9-13]。針對農(nóng)業(yè)纖維物料螺旋輸送性能的研究較少。已有研究主要對玉米莖稈切割鋪放裝置、苜蓿壓扁收割機(jī)、雙軸臥室肉羊飼料攪拌混合機(jī)和生物質(zhì)熱裂解制取機(jī)等設(shè)備上使用的螺旋輸送器進(jìn)行了設(shè)計，并研究了不同等級木屑對螺旋輸送性能的影響[14-18]。本課題組在前期研究中對揉碎玉米秸稈的螺旋輸送過程進(jìn)行了理論分析，建立了輸送功耗和生產(chǎn)率的數(shù)學(xué)模型，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)對功耗和生產(chǎn)率的影響機(jī)理[19-22]，但并未將生產(chǎn)率和功耗結(jié)合起來考慮并作為螺旋輸送裝置輸送性能的指標(biāo)。農(nóng)業(yè)纖維物料螺旋輸送裝置仍存在輸送效率低，能耗大的問題。

本研究擬采用理論分析與試驗研究相結(jié)合的方法對螺旋輸送裝置的輸送性能進(jìn)行分析，建立比能產(chǎn)量的數(shù)學(xué)模型。以比能產(chǎn)量和功耗為輸送性能指標(biāo)，采用Box-Behnken響應(yīng)面試驗方法進(jìn)行試驗，建立各指標(biāo)與因素間的回歸數(shù)學(xué)模型，并對影響螺旋輸送性能的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，尋求滿足高效率低能耗輸送時的較優(yōu)參數(shù)組合，以期為實際螺旋輸送裝置的設(shè)計生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以經(jīng)過9R-40型揉碎機(jī)揉碎后的玉米秸稈為試驗物料，揉碎后物料長度小于180 mm，寬度2～8 mm，平均含水率53%。物料含水率參照GB 5009.3—2016 《食品中水分的測定》方法進(jìn)行測定，計算公式為：

物料含水率/%=
[(鮮物質(zhì)質(zhì)量-干物質(zhì)質(zhì)量)/鮮物質(zhì)質(zhì)量]×100

1.2 試驗儀器設(shè)備

本研究搭建的LS型螺旋輸送裝置試驗臺主要由電動機(jī)、轉(zhuǎn)速扭矩測量儀、喂料器、機(jī)殼和螺旋軸等組成(圖1)，喂入口尺寸為260 mm×400 mm、螺旋葉片外徑250 mm、中心軸直徑60 mm、螺旋葉片與外殼間的間隙5～8 mm、輸送長度2 500 mm、螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂料器轉(zhuǎn)速均可調(diào)。北京新宇航測控測控科技股份有限公司生產(chǎn)的JN338-500AE型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；北京市菲姆斯科技開發(fā)公司生產(chǎn)的Famous牌電子天平，其精度0.01g，量程為6 kg； 天津宏諾儀器有限公司生產(chǎn)的202-005型電熱恒溫干燥箱。

1.電動機(jī)；2.聯(lián)軸器；3.轉(zhuǎn)速扭矩測量儀；4.聯(lián)軸器；5.單相直流調(diào)速電動機(jī)；6.喂料器；7.外殼；8.螺旋軸1. Electric motor; 2. Coupling; 3. Speed torque measuring instrument; 4. Coupling; 5. Single-phase DC speed-regulating motor; 6. Feeder; 7. Housing; 8. Screw shaft圖1 螺旋輸送裝置試驗臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of auger conveyor test rig

1.3 目標(biāo)函數(shù)

為達(dá)到最佳輸送性能，要求螺旋輸送裝置生產(chǎn)率最高、輸送功耗最低。根據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，要獲得較高的生產(chǎn)率，就必須要求螺距大，喂入量大，轉(zhuǎn)速不宜過大；要獲得較低的輸送功耗，就必須要求合適的螺距，轉(zhuǎn)速低，喂入量小。由于各因素對試驗指標(biāo)的影響不盡相同，因此，必須進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，尋求滿足輸送性能的最佳因素組合。比能產(chǎn)量是衡量螺旋輸送裝置輸送效率的重要參數(shù)，計算公式為：

(1)

式中：η為螺旋輸送裝置的比能產(chǎn)量，kg/W；Qg為螺旋輸送裝置的生產(chǎn)率，kg/min；E為螺旋輸送裝置的功耗，W。螺旋輸送裝置生產(chǎn)率Qg的表達(dá)式[22]為：

(2)

(3)

式中：k為功耗的修正系數(shù)；Z為輸送長度，m；F3為機(jī)殼對物料的摩擦力，N；F6為螺旋葉片推進(jìn)面對物料的摩擦力，N；F8為葉片背面對物料的摩擦力，N；Fc為中心軸對物料的摩擦力，N；Va為物料的絕對速度，m/s；Vr為物料的相對速度，m/s。

1.4 因素水平的選擇

為了探討功耗和比能產(chǎn)量與螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂入量之間的關(guān)系，先假定其他物理量值為常數(shù)，只改變其中1個物理量，采用MATLAB軟件進(jìn)行模擬計算，得出參數(shù)與功耗、比能產(chǎn)量間的關(guān)系見圖2。

圖2 功耗和比能產(chǎn)量與螺距(S)、螺旋軸轉(zhuǎn)速(n)和喂入量(Ψ)的關(guān)系Fig.2 Power consumption and productivity ratio under different pitch, rotational speed and feeding quantity

由圖2可知，功耗隨著螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂入量的增大而增大，比能產(chǎn)量隨著螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂入量的增大而先增大再減小。當(dāng)螺旋葉片的螺距300～355 mm，螺旋軸轉(zhuǎn)速100～140 r/min時，螺旋輸送裝置的輸送效率較高，功耗較低；當(dāng)喂入量30～70 kg/min時，螺旋輸送裝置能滿足揉碎玉米秸稈的穩(wěn)定輸送要求[22]。因此，本試驗中各因素的水平分別控制在以上范圍內(nèi)，各因素的水平見表1。

表1 功耗和比能產(chǎn)量的試驗因素水平Table 1 Levels of test factors of power consumption and productivity ratio

根據(jù)Design-Expert軟件中的響應(yīng)曲面法進(jìn)行試驗方案設(shè)計，以螺旋輸送裝置的比能產(chǎn)量和輸送功耗作為試驗指標(biāo)，試驗總次數(shù)為17次，其中的12組作為分析因點，5組作為零點，零點試驗重復(fù)多次，以估計試驗誤差。試驗方案及結(jié)果見表2。

表2 響應(yīng)曲面試驗設(shè)計方案及結(jié)果Table 2 Scheme and results of response surface experiments design

1.5 試驗結(jié)果方差分析

利用Design-Expert軟件對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合，得到比能產(chǎn)量和功耗對螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂入量等3個自變量的二次多項式響應(yīng)面回歸模型為：

(4)

y2=599.95+50.83x2+111.39x3

(5)

對比能產(chǎn)量和功耗進(jìn)行方差分析，結(jié)果(表3)表明，比能產(chǎn)量和功耗響應(yīng)面模型的P值均小于0.01，回歸模型極顯著，且失擬項均極不顯著，說明試驗正確有效且模型合適。2個模型的R2分別為0.914 5和0.900 5，表明可用于比能產(chǎn)量和功耗的預(yù)測。

影響因子x3、x12和x22對比能產(chǎn)量影響極顯著，影響因子x2和x3對功耗影響極顯著，其他影響因子不顯著。各因子對比能產(chǎn)量的顯著性由大到小依次為喂入量、螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速；對功耗的顯著性由大到小依次為喂入量、螺旋軸轉(zhuǎn)速、螺距。

1.6 試驗結(jié)果響應(yīng)曲面分析

采用響應(yīng)曲面法分析各因素對比能產(chǎn)量和功耗的影響，固定3個因素中1個因素水平，考察其他2個因素對比能產(chǎn)量和功耗的影響。

1)固定喂入量為30 kg/min，螺距和螺旋軸轉(zhuǎn)速對比能產(chǎn)量和功耗的影響見圖3。該試驗水平下，螺旋輸送裝置的功耗隨螺距的增大而增大，這是由于隨著螺距的增大，螺旋葉片運送速度加快，因此物料的流動動能增大，所消耗的功耗增大；螺旋輸送裝置的功耗隨螺旋軸轉(zhuǎn)速的增加而增大，這是由于轉(zhuǎn)速的增加不僅增大物料的流動動能，而且增大物料與螺旋葉片和機(jī)殼間的摩擦力，因此輸送功耗增大。雖然增大螺距和轉(zhuǎn)速使螺旋輸送裝置消耗更多的能量，但比能產(chǎn)量隨著螺距和轉(zhuǎn)速的增大而先增大再減小。因此選擇適中的螺距和轉(zhuǎn)速可以增加螺旋輸送裝置的比能產(chǎn)量，一定程度上降低工作成本、提高輸送效率。

表3 比能產(chǎn)量和功耗試驗結(jié)果的方差分析Table 3 Variance analysis of test results of productivity ratio and power consumption

圖3 螺距(S)和轉(zhuǎn)速(n)對功耗和比能產(chǎn)量影響的相應(yīng)曲面Fig.3 Response surface showing effects of pitch and rotational speed on power consumption and productivity ratio

2)固定螺旋軸轉(zhuǎn)速為120 r/min，螺距和喂入量對比能產(chǎn)量和功耗的影響見圖4。該試驗水平下，螺旋輸送裝置的功耗隨螺距的增大而增大；功耗隨喂入量的增大而增大，這是由于當(dāng)喂入量增大時，螺旋槽內(nèi)物料的密度增大，螺旋葉片和機(jī)殼所受摩擦力增大，導(dǎo)致輸送功耗增大。比能產(chǎn)量隨著螺距的增大而先增大再減小，隨著喂入量的增大而減小。因此，喂入量大不僅使螺旋輸送裝置消耗更多的能量、提高工作成本、而且降低輸送效率。

圖4 螺距(S)和喂入量(Ψ)對功耗和比能產(chǎn)量影響的相應(yīng)曲面Fig.4 Response surface showing effects of pitch and feeding quantity on power consumption and productivity ratio

3)固定螺距為335 mm，螺旋軸轉(zhuǎn)速和喂入量對比能產(chǎn)量和功耗的影響見圖5。該試驗水平下，螺旋輸送裝置的功耗隨轉(zhuǎn)速和喂入量的增大而增大；比能產(chǎn)量隨著喂入量的增大而減小，隨著轉(zhuǎn)速的增大而先增大再減小。減小喂入量、選擇適中的轉(zhuǎn)速可以降低輸送能耗，提高輸送效率。

圖5 轉(zhuǎn)速(n)和喂入量(Ψ)對功耗和比能產(chǎn)量影響的相應(yīng)曲面Fig.5 Response surface showing effects of rotational speed and feeding quantity on power consumption and productivity ratio

2 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

2.1 參數(shù)優(yōu)化與分析

為獲得螺旋輸送裝置最佳性能的作業(yè)參數(shù)，利用 Design-expert 8.0.6 軟件的優(yōu)化模塊，對式(4)和式(5)的回歸模型進(jìn)行有約束目標(biāo)的優(yōu)化求解。取比能產(chǎn)量的優(yōu)化目標(biāo)為最大，取功耗的優(yōu)化目標(biāo)為最小。考慮到提高比能產(chǎn)量、降低功耗的雙重要求，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：

(6)

約束函數(shù)為：

(7)

優(yōu)化結(jié)果為：螺距322.85 mm，螺旋軸轉(zhuǎn)速102.14 r/min，喂入量30 kg/min，該條件下螺旋輸送裝置的比能產(chǎn)量為0.084 6 kg/W，功耗439.781 W。該優(yōu)化結(jié)果的可取度為0.949，是43組優(yōu)化結(jié)果中期望值最高的參數(shù)組合。

2.2 驗證試驗

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊設(shè)計要求、螺旋輸送機(jī)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及試驗的可行性[22-23]，調(diào)整螺距為325 mm、螺旋軸轉(zhuǎn)速為100 r/min、喂入量為30 kg/min，在螺旋輸送裝置試驗臺上進(jìn)行試驗，每組試驗重復(fù)10次，取平均值作為最終的結(jié)果。將試驗結(jié)果與優(yōu)化前參數(shù)組合為螺距300 mm，轉(zhuǎn)速120 r/min，喂入量30 kg/min時得到的結(jié)果進(jìn)行對比(表4)可知，優(yōu)化調(diào)節(jié)后螺旋輸送裝置的各項性能指標(biāo)接近理論優(yōu)化結(jié)果，且優(yōu)化后比能產(chǎn)量比優(yōu)化前提高了4.96%，功耗比優(yōu)化前降低了2.44%。優(yōu)化后在一定程度上提高了螺旋輸送裝置的輸送效率，降低了能耗。

表4 優(yōu)化前后試驗結(jié)果對比Table 4 Comparison of experimental results before and after optimization

3 結(jié) 論

1)本研究建立了螺旋輸送裝置比能產(chǎn)量的數(shù)學(xué)模型。通過對比能產(chǎn)量和功耗模型進(jìn)行模擬計算，確定了高效率低能耗輸送時的參數(shù)范圍：螺距300～355 mm，螺旋軸轉(zhuǎn)速100～140 r/min，喂入量30～70 kg/min。

2)通過三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)面分析法進(jìn)行試驗試驗，得出各因素對比能產(chǎn)量的影響顯著性順序依次為：喂入量、螺距、螺旋軸轉(zhuǎn)速；對功耗的影響顯著性順序依次為喂入量、螺旋軸轉(zhuǎn)速、螺距。

3)通過Design-Expert軟件得出螺旋輸送裝置的最佳參數(shù)組合為螺距325 mm，螺旋軸轉(zhuǎn)速100 r/min，喂入量30 kg/min，優(yōu)化后比能產(chǎn)量為0.084 6 kg/W，較優(yōu)化前提高了4.96%，功耗為439.781 W，較優(yōu)化前降低了2.44%。驗證試驗表明，在最佳參數(shù)組合下螺旋輸送裝置可實現(xiàn)高效率低能耗輸送要求。