揉碎玉米秸秆螺旋输送装置参数试验优化

乌兰图雅 王春光 赵方超 王晓蓉

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

玉米秸秆是可再生、低污染的绿色资源，对其进行高效开发利用，对解决能源紧缺，生态环境恶化等问题具有十分积极的作用[1-2]。螺旋输送装置是玉米秸秆加工处理过程中的重要设备，其输送性能直接影响加工处理的质量和生产率，同时也影响螺旋输送设备的工作性能。

对螺旋输送装置的研究多以散粒体为研究对象，集中在设计制造、输送机理分析、虚拟仿真分析和参数优化等方面[3-8]。对于农作物秸秆的研究主要集中在苜蓿等牧草和秸秆类物料的摩擦因数及力学特性研究[9-13]。针对农业纤维物料螺旋输送性能的研究较少。已有研究主要对玉米茎秆切割铺放装置、苜蓿压扁收割机、双轴卧室肉羊饲料搅拌混合机和生物质热裂解制取机等设备上使用的螺旋输送器进行了设计，并研究了不同等级木屑对螺旋输送性能的影响[14-18]。本课题组在前期研究中对揉碎玉米秸秆的螺旋输送过程进行了理论分析，建立了输送功耗和生产率的数学模型，分析了结构参数和运动参数对功耗和生产率的影响机理[19-22]，但并未将生产率和功耗结合起来考虑并作为螺旋输送装置输送性能的指标。农业纤维物料螺旋输送装置仍存在输送效率低，能耗大的问题。

本研究拟采用理论分析与试验研究相结合的方法对螺旋输送装置的输送性能进行分析，建立比能产量的数学模型。以比能产量和功耗为输送性能指标，采用Box-Behnken响应面试验方法进行试验，建立各指标与因素间的回归数学模型，并对影响螺旋输送性能的结构与工作参数进行优化，寻求满足高效率低能耗输送时的较优参数组合，以期为实际螺旋输送装置的设计生产提供指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以经过9R-40型揉碎机揉碎后的玉米秸秆为试验物料，揉碎后物料长度小于180 mm，宽度2～8 mm，平均含水率53%。物料含水率参照GB 5009.3—2016 《食品中水分的测定》方法进行测定，计算公式为：

物料含水率/%=
[(鲜物质质量-干物质质量)/鲜物质质量]×100

1.2 试验仪器设备

本研究搭建的LS型螺旋输送装置试验台主要由电动机、转速扭矩测量仪、喂料器、机壳和螺旋轴等组成(图1)，喂入口尺寸为260 mm×400 mm、螺旋叶片外径250 mm、中心轴直径60 mm、螺旋叶片与外壳间的间隙5～8 mm、输送长度2 500 mm、螺距、螺旋轴转速和喂料器转速均可调。北京新宇航测控测控科技股份有限公司生产的JN338-500AE型转矩转速传感器；北京市菲姆斯科技开发公司生产的Famous牌电子天平，其精度0.01g，量程为6 kg； 天津宏诺仪器有限公司生产的202-005型电热恒温干燥箱。

1.电动机；2.联轴器；3.转速扭矩测量仪；4.联轴器；5.单相直流调速电动机；6.喂料器；7.外壳；8.螺旋轴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图1 螺旋输送装置试验台示意图Fig.1 Schematic diagram of auger conveyor test rig

1.3 目标函数

为达到最佳输送性能，要求螺旋输送装置生产率最高、输送功耗最低。根据前期研究发现，要获得较高的生产率，就必须要求螺距大，喂入量大，转速不宜过大；要获得较低的输送功耗，就必须要求合适的螺距，转速低，喂入量小。由于各因素对试验指标的影响不尽相同，因此，必须进行多目标优化，寻求满足输送性能的最佳因素组合。比能产量是衡量螺旋输送装置输送效率的重要参数，计算公式为：

(1)

式中：η为螺旋输送装置的比能产量，kg/W；Qg为螺旋输送装置的生产率，kg/min；E为螺旋输送装置的功耗，W。螺旋输送装置生产率Qg的表达式[22]为：

(2)

(3)

式中：k为功耗的修正系数；Z为输送长度，m；F3为机壳对物料的摩擦力，N；F6为螺旋叶片推进面对物料的摩擦力，N；F8为叶片背面对物料的摩擦力，N；Fc为中心轴对物料的摩擦力，N；Va为物料的绝对速度，m/s；Vr为物料的相对速度，m/s。

1.4 因素水平的选择

为了探讨功耗和比能产量与螺距、螺旋轴转速和喂入量之间的关系，先假定其他物理量值为常数，只改变其中1个物理量，采用MATLAB软件进行模拟计算，得出参数与功耗、比能产量间的关系见图2。

图2 功耗和比能产量与螺距(S)、螺旋轴转速(n)和喂入量(Ψ)的关系Fig.2 Power consumption and productivity ratio under different pitch, rotational speed and feeding quantity

由图2可知，功耗随着螺距、螺旋轴转速和喂入量的增大而增大，比能产量随着螺距、螺旋轴转速和喂入量的增大而先增大再减小。当螺旋叶片的螺距300～355 mm，螺旋轴转速100～140 r/min时，螺旋输送装置的输送效率较高，功耗较低；当喂入量30～70 kg/min时，螺旋输送装置能满足揉碎玉米秸秆的稳定输送要求[22]。因此，本试验中各因素的水平分别控制在以上范围内，各因素的水平见表1。

表1 功耗和比能产量的试验因素水平Table 1 Levels of test factors of power consumption and productivity ratio

根据Design-Expert软件中的响应曲面法进行试验方案设计，以螺旋输送装置的比能产量和输送功耗作为试验指标，试验总次数为17次，其中的12组作为分析因点，5组作为零点，零点试验重复多次，以估计试验误差。试验方案及结果见表2。

表2 响应曲面试验设计方案及结果Table 2 Scheme and results of response surface experiments design

1.5 试验结果方差分析

利用Design-Expert软件对表2中的数据进行二次多元回归拟合，得到比能产量和功耗对螺距、螺旋轴转速和喂入量等3个自变量的二次多项式响应面回归模型为：

(4)

y2=599.95+50.83x2+111.39x3

(5)

对比能产量和功耗进行方差分析，结果(表3)表明，比能产量和功耗响应面模型的P值均小于0.01，回归模型极显著，且失拟项均极不显著，说明试验正确有效且模型合适。2个模型的R2分别为0.914 5和0.900 5，表明可用于比能产量和功耗的预测。

影响因子x3、x12和x22对比能产量影响极显著，影响因子x2和x3对功耗影响极显著，其他影响因子不显著。各因子对比能产量的显著性由大到小依次为喂入量、螺距、螺旋轴转速；对功耗的显著性由大到小依次为喂入量、螺旋轴转速、螺距。

1.6 试验结果响应曲面分析

采用响应曲面法分析各因素对比能产量和功耗的影响，固定3个因素中1个因素水平，考察其他2个因素对比能产量和功耗的影响。

1)固定喂入量为30 kg/min，螺距和螺旋轴转速对比能产量和功耗的影响见图3。该试验水平下，螺旋输送装置的功耗随螺距的增大而增大，这是由于随着螺距的增大，螺旋叶片运送速度加快，因此物料的流动动能增大，所消耗的功耗增大；螺旋输送装置的功耗随螺旋轴转速的增加而增大，这是由于转速的增加不仅增大物料的流动动能，而且增大物料与螺旋叶片和机壳间的摩擦力，因此输送功耗增大。虽然增大螺距和转速使螺旋输送装置消耗更多的能量，但比能产量随着螺距和转速的增大而先增大再减小。因此选择适中的螺距和转速可以增加螺旋输送装置的比能产量，一定程度上降低工作成本、提高输送效率。

表3 比能产量和功耗试验结果的方差分析Table 3 Variance analysis of test results of productivity ratio and power consumption

图3 螺距(S)和转速(n)对功耗和比能产量影响的相应曲面Fig.3 Response surface showing effects of pitch and rotational speed on power consumption and productivity ratio

2)固定螺旋轴转速为120 r/min，螺距和喂入量对比能产量和功耗的影响见图4。该试验水平下，螺旋输送装置的功耗随螺距的增大而增大；功耗随喂入量的增大而增大，这是由于当喂入量增大时，螺旋槽内物料的密度增大，螺旋叶片和机壳所受摩擦力增大，导致输送功耗增大。比能产量随着螺距的增大而先增大再减小，随着喂入量的增大而减小。因此，喂入量大不仅使螺旋输送装置消耗更多的能量、提高工作成本、而且降低输送效率。

图4 螺距(S)和喂入量(Ψ)对功耗和比能产量影响的相应曲面Fig.4 Response surface showing effects of pitch and feeding quantity on power consumption and productivity ratio

3)固定螺距为335 mm，螺旋轴转速和喂入量对比能产量和功耗的影响见图5。该试验水平下，螺旋输送装置的功耗随转速和喂入量的增大而增大；比能产量随着喂入量的增大而减小，随着转速的增大而先增大再减小。减小喂入量、选择适中的转速可以降低输送能耗，提高输送效率。

图5 转速(n)和喂入量(Ψ)对功耗和比能产量影响的相应曲面Fig.5 Response surface showing effects of rotational speed and feeding quantity on power consumption and productivity ratio

2 参数优化与试验验证

2.1 参数优化与分析

为获得螺旋输送装置最佳性能的作业参数，利用 Design-expert 8.0.6 软件的优化模块，对式(4)和式(5)的回归模型进行有约束目标的优化求解。取比能产量的优化目标为最大，取功耗的优化目标为最小。考虑到提高比能产量、降低功耗的双重要求，优化目标函数为：

(6)

约束函数为：

(7)

优化结果为：螺距322.85 mm，螺旋轴转速102.14 r/min，喂入量30 kg/min，该条件下螺旋输送装置的比能产量为0.084 6 kg/W，功耗439.781 W。该优化结果的可取度为0.949，是43组优化结果中期望值最高的参数组合。

2.2 验证试验

根据农业机械设计手册设计要求、螺旋输送机行业标准及试验的可行性[22-23]，调整螺距为325 mm、螺旋轴转速为100 r/min、喂入量为30 kg/min，在螺旋输送装置试验台上进行试验，每组试验重复10次，取平均值作为最终的结果。将试验结果与优化前参数组合为螺距300 mm，转速120 r/min，喂入量30 kg/min时得到的结果进行对比(表4)可知，优化调节后螺旋输送装置的各项性能指标接近理论优化结果，且优化后比能产量比优化前提高了4.96%，功耗比优化前降低了2.44%。优化后在一定程度上提高了螺旋输送装置的输送效率，降低了能耗。

表4 优化前后试验结果对比Table 4 Comparison of experimental results before and after optimization

3 结 论

1)本研究建立了螺旋输送装置比能产量的数学模型。通过对比能产量和功耗模型进行模拟计算，确定了高效率低能耗输送时的参数范围：螺距300～355 mm，螺旋轴转速100～140 r/min，喂入量30～70 kg/min。

2)通过三因素三水平的Box-Behnken响应面分析法进行试验试验，得出各因素对比能产量的影响显著性顺序依次为：喂入量、螺距、螺旋轴转速；对功耗的影响显著性顺序依次为喂入量、螺旋轴转速、螺距。

3)通过Design-Expert软件得出螺旋输送装置的最佳参数组合为螺距325 mm，螺旋轴转速100 r/min，喂入量30 kg/min，优化后比能产量为0.084 6 kg/W，较优化前提高了4.96%，功耗为439.781 W，较优化前降低了2.44%。验证试验表明，在最佳参数组合下螺旋输送装置可实现高效率低能耗输送要求。