卧辊式玉米秸秆调质装置功耗正交试验

董欣，杨西同，李紫辉，艾青牧，邴媛媛

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

卧辊式玉米秸秆调质装置功耗正交试验

董欣，杨西同，李紫辉，艾青牧，邴媛媛

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

为满足玉米秸秆收集打捆要求，实现一年两作地区秸秆快速回收利用，需对玉米秸秆调质处理。在满足秸秆调质性能要求前提下，研究卧辊式玉米秸秆调质装置作业参数对功耗的影响规律。利用自主研制的秸秆调质试验装置和功率测控系统，采用二次正交旋转组合试验设计方法，以秸秆喂入速度、调质辊转速和调质间隙为影响因素，调质功率为响应函数。结果表明，当参数组合为喂入速度3.3～4.0 km·h-1，调质辊转速88 r·min-1，调质间隙2.5 mm时，调质功率511.35 W。各因素对调质功率贡献的主次关系为调质间隙＞调质辊转速＞喂入速度，可为秸秆收获调质装备设计提供理论依据。

玉米秸秆；调质装置；功耗试验

我国秸秆资源丰富，每年秸秆产量6.4亿t，其中玉米秸秆约占1/3[1-2]。玉米秸秆是可再生资源，机械化收获玉米秸秆是秸秆综合利用前提。玉米收获时籽粒含水率很低，秸秆收集与处理机械化程度高。我国农村每年残留在田间的大量玉米秸秆仅有少部分被利用，大部分被废弃或焚烧；因收获期玉米秸秆含水率高达60%～70%，不适合直接利用机械打捆回收。

研究玉米秸秆收获时对其进行裂皮、破节使其快速干燥的调质技术及装备，可满足秸秆收集打捆要求，利于我国大部分一年两作地区秸秆快速回收利用及下季作物种植。目前，我国对玉米秸秆调质处理技术和设备大多旨在提高收获后玉米秸秆作为饲料生物质利用效果，进行机械加工；现具备秸秆回收功能的玉米联合收获机，大都只能将玉米秸秆割倒后铺放于田间或将玉米秸秆直接切碎回收，玉米穗茎兼收联合收获机和玉米青贮机等尚不具备秸秆调质功能[3-7]。

完成玉米秸秆调质处理的调质辊是功率消耗主要部件，为提供田间玉米秸秆收割调质装备的理论依据，利用自主研制的卧辊式玉米秸秆调质装置[8]，采用二次正交旋转组合设计方法开展调质功耗影响因素试验，旨在探究多因素影响下不同参数组合作业对玉米秸秆调质功率的影响规律，获得满足玉米秸秆调质性能要求又降低秸秆调质功耗的最优参数组合。

1 试验装置及材料

1.1 调质装置

1.1.1 调质装置结构

玉米秸秆调质是秸秆从两个旋转方向相反的调质辊间通过，使其产生压扁、破皮及裂节等力学性能及物理状态的改变过程。为研究玉米秸秆调质部件，试验设计秸秆调质试验台。该试验台由卧辊式玉米秸秆调质装置、输送装置和测控系统等部分组成。卧辊式玉米秸秆调质试验装置如图1所示，主要由上调质辊、下调质辊、浮动压下装置、机架、电动机底座、电动机及万向联轴器等构成。其中，上调质辊为光面辊，下调质辊为带凸棱的直齿辊，凸棱沿纵向均布8个。作业时通过浮动压下装置满足调质辊适应茎秆各部位的尺寸差异及调质间隙的调整。

图1 秸秆调质装置结构Fig.1 Structure of adjusting material device

1.1.2 工作原理

调质作业时，输送装置模仿机具前进时的状态，以一定速度向秸秆调质装置纵向整株输送玉米秸秆。上、下调质辊的运动由变频调速电动机控制，以满足运动部件间作业参数的最佳组合试验要求。动力经齿轮传动副、万向联轴器实现上、下调质辊的相向转动。上、下调质辊和浮动压下装置相配合对输送至上、下调质辊辊缝间的玉米秸秆夹持，秸秆经压扁、裂皮和破节等连续调质作业后抛出。

1.2 测控系统

1.2.1 测控系统设计

为完成对玉米秸秆调质试验装置的控制及其功耗的多通道同时测试，试验设计了测控系统，测控系统结构框图如图2所示，上位机软件基于LABVIEW编程开发[9]。

图2 测控系统结构Fig.2 Structure sketch of testing system

调质作业时，利用多功能电力仪表将秸秆调质功率电信号通过485-USB转换器转换传送给上位机（PC计算机），经计算机软件换算记录数据，并分别以数字和图形形式显示数据，实现对调质装置电功率的测试。

1.2.2 调质功率测试

秸秆调质功率利用测控系统基于电功率差值法间接测试获得。由调质装置对秸秆调质作业的总电功率为调质装置空载运行的总电功率与秸秆调质功率之和，即：

故秸秆调质功率

式中，Pz—调质装置调质作业总电功率（kW）；Pk—调质装置空载运行总电功率（kW）；Pt—秸秆调质功率（kW）。

1.3 材料与方法

1.3.1 试验材料

试验采用东北农业大学实习实验基地2012年9月人工收割的不带穗“东农253”玉米秸秆作为试验材料，随机抽取，茎秆直径Φ25～29 mm，高度1 950～2 450 mm，平均含水率75.01%。

1.3.2 试验方法

试验旨在探究调质装置在多因素影响下实现玉米秸秆裂皮、破节调质性能要求[6]又可降低秸秆调质功耗各因素水平的最优参数组合。试验中调质辊的轴向及径向参数不变，试验采用3因素5水平正交旋转中心组合方法设计安排试验[10]，依据单因素试验结果及理论分析，选择秸秆喂入速度、调质辊转速及调质间隙为试验因素，调质功率为评价指标，试验因素水平编码表如表1所示，试验共实施23组。每组调质试验重复5次，通过测试系统分别在线测得不同工况下调质装置空载运行的总电功率及调质作业的总电功率值，根据公式（2）计算得调质功率，取5次测试结果均值作为试验结果。试验方案设计及结果分析应用Design Expert 6.0.10软件完成。

表1 试验因素水平编码Table 1 Experimental factors and levels

2 结果与分析

2.1 试验结果

根据试验设计条件，对玉米秸秆调质装置的调质功率进行试验，以X1、X2、X3表示秸秆喂入速度、调质辊转速和调质间隙编码值，Pi为试验指标调质功率值，考虑各因素的交互作用，试验方案及试验结果如表2所示。

2.2 回归分析

2.2.1 回归方程及其显著性分析

利用Design Expert 6.0.10软件对表2中的试验结果进行分析，得到以调质功率P为响应函数，以各影响因素水平编码值为自变量的回归方程，如式（3）所示，并用F检验显著性。

式中，X1、X2、X3为各因素水平编码。

对调质功率P编码空间的回归方程式（3）进行方差分析，如表3所示。检验结果表明，回归模型的F1=3.16＜F0.01(5,8)=6.63，说明拟合方差不显著，回归方程与实测值拟合较好，所取回归模型合适；试验指标调质功率回归模型的F2=15.36＞F0.01(9,13)=4.19，说明回归方程在0.01水平极其显著，即试验数据与所采用数学模型相符。

表2 试验方案与结果Table 2 Experiment design and results

表3 回归模型方差分析Table 3 Variances analysis of model

对调质功率中各回归系数采用F检验，剔除模型中在信度α=0.1下不显著的系数项，获得调质功率的回归模型，如式（4）所示。

2.2.2 各因素对性能指标影响主次分析

经分析计算[11]，各因素对试验指标贡献率分别为0.37、1.37、1.95。结果表明，对于调质功率各因素（X1，X2，X3）贡献率大小依次为调质间隙X3、调质辊转速X2和喂入速度X1，即影响最大的因素是调质间隙，调质辊转速的作用小些，秸秆喂入速度的作用更小。

2.3 试验因素对调质功率的影响分析

2.3.1 单因素对调质功率的影响

由上述分析可知，调质间隙X3单因素效应对玉米秸秆调质功率影响极显著，调质辊转速X2影响显著，而喂入速度X1影响不显著。以式（4）为基础，取其他因素为0水平，进行单因素分析。得到各单因素——喂入速度、调质辊转速及调质间隙对秸秆调质功率的影响模型，如式（5）、（6）、（7）所示。

据上述方程得到各因素对调质功率的影响曲线，如图3所示。

图3 单因素对调质功率的影响Fig.3 Effect of single factor on adjusting material power

由图3可见，调质功率随调质间隙减小而呈显著增加趋势，最大调质功率值发生在最小间隙，这是由于调质间隙越小，秸秆压扁或压裂的压力越大，调质辊扭矩越大，功率值越大；随玉米秸秆喂入速度增大，调质功率值在各水平不变，表明喂入速度对调质功率没有影响；随着调质辊转速的增大，调质功率呈缓慢上升趋势，这是由于驱动电机转速越高，需要动能越大，消耗的电能越高；调质时间隙对功率消耗高于转速的作用，且作用明显，这与单因素预试验结果一致。

2.3.2 双因素对秸秆调质功率的影响

在建立的回归方程式（3）中，分别确定任意一个因素为零水平，研究其余两因素影响。利用De⁃sign Expert软件分别绘制喂入速度和调质辊转速、喂入速度和调质间隙、调质辊转速和调质间隙的交互作用对调质功率影响的响应曲面图，如图4所示。

喂入速度和调质辊转速对调质功率的影响如图4a所示。调质间隙零水平（4 mm）时，在-1～+1水平范围内，随着喂入速度的增加，秸秆调质功率呈缓慢下降趋势，随调质辊转速的增大，秸秆的调质功率呈缓慢上升趋势，表明喂入速度和调质辊转速的变化对调质功率影响较小。

喂入速度和调质间隙对调质功率的影响如图4b所示。调质辊转速零水平（95 r·min-1）时，随调质间隙的减小，调质功率呈显著增加趋势，调质间隙与调质功率呈负相关，这是由于间隙越小，秸秆调质压力越大，调质辊扭矩增大，功率值增大；随着喂入速度的增加，调质功率变化不大，调质间隙对调质功率的影响高于喂入速度。

调质辊转速和调质间隙对调质功率的影响如图4c所示。喂入速度零水平（4 km·h-1）时，调质间隙对调质功率的影响高于调质辊转速，随调质间隙减小，调质功率增大，调质辊转速对调质功率影响较小。

图4 各因素对调质功率影响的响应曲面Fig.4 Response surfaces of the effects of all factors on power

2.4 优化分析

为得到最佳试验因素水平，在满足秸秆调质性能前提下使调质功率最小为目标函数，对试验因素进行优化设计。综合考虑卧辊式秸秆调质装置基础上，以秸秆调质性能试验因素结果作为约束条件，建立数学模型为：

根据优化数学模型和调质功率回归方程，基于遗传算法利用Matlab软件对回归方程进行优化求解，得到满足调质性能要求使功率最小综合优化结果：喂入速度3.3～4 km·h-1，调质辊转速88 r·min-1，调质间隙2.5 mm时，调质功率511.35 W。

3 结论

a.研制的玉米秸秆调质试验装置及测控系统能够综合考查影响调质辊调质功耗因素，对已摘穗玉米秸秆进行裂皮、破节调质作业同时进行调质功率在线测试。

b.试验分析各因素对玉米秸秆调质功耗影响，结果表明，在调质辊辊型一定条件下，调质间隙对玉米秸秆调质功耗影响最显著。

c.对结果进行分析，在保证秸秆调质性能前提下，得到降低调质功耗各因素优化组合为：喂入速度3.3～4 km·h-1，调质辊转速88 r·min-1，调质间隙2.5 mm时，调质功率511.35 W。

[1]贺俊林,佟金.我国玉米收获机械的现状及其发展[J].农机化研究,2006(12):29-31.

[2]张强,秦涛,张红艳,等.玉米秸秆的综合开发利用[J].玉米科学,2006,14(2):168-169.

[3]张道林,孙永进,赵洪光.自走式穗茎兼收玉米联合收获机的设计与试验[J].农业工程学报,2005,21(1):79-82.

[4]陈志,韩增德,颜华,等.不分行玉米收获机分禾器适应性试验[J].农业机械学报,2008,39(1):50-52.

[5]丛宏斌,李汝莘,李洪江,等.玉米收获机茎秆堆放装置设计[J].农业工程学报,2010,26(5):107-111.

[6]李文哲,董欣,王德福,等.螺旋齿辊式秸秆调质装置性能试验[J].农业机械学报,2011,42(12):143-147.

[7]刘丽玲,王德福.玉米秸秆皮瓤分离机剖瓤机构试验研究[J].东北农业大学学报,2011,42(2):43-44.

[8]董欣,李紫辉,张鸿琼,等.双辊卧式秸秆压扁装置:中国,ZL 201020576331.7[P].2011-06-29.

[9]石博强,赵德永,李畅,等.LABVIEW6.1编程技术实用教程[M].北京:中国铁道出版社,2002.

[10]袁志发,周静芋.试验设计与分析[M].北京:高等教育出版社, 2000:292-303.

[11]徐中儒.回归分析与试验设计[M].北京:中国农业出版社, 1998.

Orthogonal experiment on power consumption of corn straw adjustingmaterial device/

DONG Xin,YANG Xitong,LI Zihui,AI Qingmu,BING Yuanyuan(School of Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

To meet the requirements of corn straw collecting and strapping achieve quick recycling in the bi-annual planting area,corn straw adjusting material is needed.Under the requirements of adjusting performance,the influence law of working parameters on power for the horizontal roller corn straw adjusting material device was studied.Using corn straw adjusting material test device and power measurement and control system developed independently and the quadratic orthogonal rotating combinatorial design,the tests were taken.Test factors are straw's feeding speed,adjusting material roller's rotation speed and adjusting material roller's working clearance.The response function is adjusting power.Test results show that when the parameter combination for feeding speed 3.3-4.0 km·h-1,rotation speed 88 r·min-1,clearance 2.5 mm,adjusting power is 511.35 W.The relationship between primary and secondary of the factors' contribution to the adjusting power:clearance greater than rotation speed greater than feeding speed.The theoretical basis is provided for design of straw harvesting and adjusting device.

corn straw;adjusting material device;power experimental

S225.5

A

1005-9369（2014）06-0109-06

时间 2014-6-11 16:18:16 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140611.1618.018.html

董欣,杨西同,李紫辉,等.卧辊式玉米秸秆调质装置功耗正交试验[J].东北农业大学学报,2014,45(6):109-113.

Dong Xin,Yang Xitong,Li Zihui,et al.Orthogonal experiment on power consumption of corn straw adjusting material device [J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(6):109-113.(in Chinese with English abstract)

2013-05-02

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2009AA043602）

董欣（1962-），女，教授，硕士，研究方向为机械设计及理论。E-mail:dongxin@neau.edu.cn