基于正交試驗的秸稈揉絲機參數優化

李 輝，孫 偉，張 華，劉小龍，王建蕭，孟養榮

（1.甘肅農業大學機電工程學院，蘭州730070；2.甘肅省農業機械化技術推廣總站）

0 引言

隨著飼料工業及草食畜牧業發展的帶動，秸稈揉絲機械得到快速發展。相關科研院所及企業進行了大量的研究，劉德軍等[1]通過正交試驗及計算機統計分析軟件研究了9JST220型秸稈絲化調質機樣機性能指標的影響因素；張偉等[2-4]設計了9RS系列秸稈揉絲機，并對機具的工作性能進行了試驗研究；宋學鋒等[5]采用離散元法、多體動力學、計算流體動力學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內流場進行仿真分析；項目團隊針對現有青貯揉絲機存在的問題設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。秸稈絲化質量是衡量秸稈揉絲機工作性能的主要指標之一，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行正交試驗研究，分析錘片轉速、錘齒間隙、錘片數量對秸稈絲化率的影響，獲得基礎理論數據，為后續設計提供理論參考。

1 試驗設備和方法

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，喂入輥對秸稈進行初步擠壓破碎，同時將擠壓后的秸稈喂入揉絲機構，高速旋轉的錘片對秸稈進行疏刷、打擊破碎，錘齒齒頂與凹板對秸稈進行擠壓揉搓，打碎揉搓后的秸稈飼料通過高速旋轉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構

1.2 儀器設備

試驗儀器設備包括電子分析天平、秒表、卷尺、游標卡尺。

1.3 機具主要參數

1.4 試驗條件

2017年在甘肅農業大學農業工程訓練中心對機具進行試驗。試驗玉米植株為當地常規種植的玉米品種（先玉335），玉米植株當天收獲，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，先對機具進行調試，使機具處于正常的工作狀態，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。

1.5 試驗方法

對切揉組合式青貯玉米粉碎機[7]作業時的秸稈絲化率進行測定，采用正交試驗法，得出各因素之間的優化組合，性能試驗方法依據文獻[9]執行。

2 試驗設計

2.1 試驗指標

為了對切揉組合式青貯玉米粉碎機進行定量分析研究，通過前期試驗研究獲得的數據，參照業內人士的觀點，確定了切揉組合式青貯玉米粉碎機試驗結果的指標為秸稈絲化率，定義如下：

秸稈絲化率：秸稈經揉化加工后，成品中長度為10~180mm且幾何寬度不大于5mm的絲狀物所占的百分比。

秸稈絲化率的測定：在每次負載試驗開始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次樣品混合稱其質量，撿出其中符合要求的秸稈絲并稱量質量。按式（1）計算秸稈絲化率，結果保留1位小數。

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

2.2 試驗因素及水平

影響試驗指標的因素很多，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有重要影響的因素：主軸轉速、錘齒間隙及錘片數量進行試驗研究。為滿足試驗，要求在轉盤上設置三組銷軸孔，改變錘片銷軸在轉盤上的安裝位置，即可改變錘齒間隙；制作3種長度規格的定位套，更換錘片間的定位套，可改變錘片數量；通過更換傳動鏈輪可實現刀軸不同轉速。由以往的經驗得知，各因素之間的交互效應對試驗指標有重要影響，所以本次試驗考慮各因素之間的交互作用對指標的影響，試驗因素及水平見表1。

表1 試驗因素及水平

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

2.3 試驗數據分析

2.3.1 數據分析

由試驗結果的極差分析[10-11]可知，秸稈絲化率各因素的最優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速占據了首要位置。

為了得到機具結構參數的最優水平組合，對數據做方差分析，結果見表3。從方差分析結果可以看出，對秸稈絲化率來說，因素A、B、C和交互作用A×B對試驗指標的影響顯著；交互作用A×C和B×C對試驗指標的影響不顯著。由于試驗結果指標是秸稈絲化率，因此數據越大說明機具工作性能越好，通過試驗的數據分析可知，最好的結構參數為A2C3B1，與極差分析結果相一致。

表3 試驗數據方差分析表

2.3.2 驗證試驗

為了驗證該結構參數與工作參數的科學性與合理性，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試驗。以表2中的試驗數據為依據，選取試驗號為11、12、14、15、21的試驗條件分別做5次重復試驗。試驗結果取5次試驗的平均值，結果如表4所示。由表4可知，最佳作業參數條件是秸稈粉碎揉絲刀軸轉速為2 400 r/min、錘齒間隙為10 mm、錘片數量為40片，與正交試驗分析吻合。以此參數進行收獲作業，青貯秸稈絲化率＞90%。

表2 正交試驗方案和試驗數據表

表4 驗證試驗數據表

3 結論

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