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環(huán)模秸稈壓塊機(jī)秸稈壓縮力試驗(yàn)研究

2016-03-23 07:21陳樹人沈柳柳
農(nóng)機(jī)化研究 2016年10期
關(guān)鍵詞:壓縮力因素分析優(yōu)化

陳樹人,沈柳柳

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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環(huán)模秸稈壓塊機(jī)秸稈壓縮力試驗(yàn)研究

陳樹人,沈柳柳

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 鎮(zhèn)江212013)

摘要:試驗(yàn)采用四因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)法,以水稻秸稈和稻殼為原料,主軸轉(zhuǎn)速、含水率、稻殼含量和秸稈長(zhǎng)度為試驗(yàn)影響因子,秸稈壓縮力為試驗(yàn)指標(biāo),利用9JYK-2000A型環(huán)模秸稈壓塊機(jī)進(jìn)行秸稈壓縮力試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為170r/min、含水率為20%、稻殼含量為30%、秸稈長(zhǎng)度為15mm時(shí),秸稈壓縮力有最佳值為20.407kN;各因素對(duì)環(huán)模秸稈壓塊機(jī)秸稈壓縮力貢獻(xiàn)率主次順序依次為:含水率>秸稈長(zhǎng)度>稻殼含量>主軸轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)驗(yàn)證可知:該組合下試驗(yàn)值與試驗(yàn)?zāi)P皖A(yù)測(cè)值之間相對(duì)誤差平均值為1.94%,可以為環(huán)模秸稈壓塊機(jī)壓縮機(jī)理研究和分析提供必要的參數(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:壓塊機(jī);水稻秸稈;壓縮力;優(yōu)化;因素分析

0引言

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó),秸稈資源豐富,分布廣泛[1-2]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì),我國(guó)各類秸稈年產(chǎn)量約7億t,玉米稈、水稻稈和麥稈占到秸稈總量的75%以上;但這些秸稈資源并沒有得到合理的利用,絕大部分被焚燒,不僅浪費(fèi)資源,而且污染環(huán)境[3]。自然狀態(tài)下農(nóng)作物秸稈具有體積大、密度小、不便儲(chǔ)存及容易腐爛等缺點(diǎn)[4]。為此,提出了固化成型技術(shù),即對(duì)松散的生物質(zhì)原料施加一定的壓力,使其固化成一定形狀的燃料,具有體積小、密度高、便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存等優(yōu)點(diǎn)。生物質(zhì)材料經(jīng)固化成型后成為一種高效清潔燃料,能量密度與中質(zhì)煤相當(dāng),燃燒特性較成型前有明顯改善[5-6]。因此生物質(zhì)固化成型技術(shù)是生物質(zhì)能源利用的主要途徑之一。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)生物質(zhì)壓縮特性和流變規(guī)律進(jìn)行了深入研究[7-11],但尚未系統(tǒng)分析不同因素對(duì)壓塊成型過程中秸稈壓縮力的影響規(guī)律。本文利用9JYK-2000A型環(huán)模秸稈壓塊機(jī),以水稻秸稈和稻殼為對(duì)象,對(duì)影響秸稈壓縮力的因素進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)和分析,優(yōu)化試驗(yàn)?zāi)P?,得出最佳因素下的最?yōu)壓縮力,為環(huán)模秸稈壓塊機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)提供數(shù)據(jù)參考。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)所需材料和設(shè)備包括江蘇省丹陽(yáng)地區(qū)種植的鎮(zhèn)稻413型水稻和該水稻稻殼;9JYK-2000A型環(huán)模秸稈壓塊機(jī);小型液壓缸;液壓缸支架;SYB-2手動(dòng)液壓泵;EPU-S系列矢量變頻器;FD-G2型高頻波數(shù)字水分儀;自動(dòng)程烘干箱;鍘草機(jī);卷尺;計(jì)重電子臺(tái)稱,精度0.01kg。

該壓縮裝置主要包括9JYK-2000A型環(huán)模秸稈壓塊機(jī)、小型液壓缸、液壓缸支架及SYB-2手動(dòng)液壓泵等裝置,如圖1所示。

1.SYB-2手動(dòng)液壓泵 2.9JYK-2000A型環(huán)模秸稈壓塊機(jī)

壓塊機(jī)停止工作后,立即將液壓缸支架置于壓塊機(jī)壓縮室內(nèi),小型液壓缸安放于液壓缸支架上且伸出端對(duì)準(zhǔn)壓塊機(jī)環(huán)???,手動(dòng)加壓使液壓缸將環(huán)模孔內(nèi)的秸稈壓塊推出,記錄壓力表讀數(shù)。

1.2 試驗(yàn)方法

將水稻秸稈用鍘草機(jī)鍘成5、10、20、25、30mm的草段,自然風(fēng)干后進(jìn)行調(diào)濕處理,并用FD-G2型高頻波數(shù)字水分儀對(duì)秸稈水分進(jìn)行測(cè)量,達(dá)到所需含水率10%、15%、20%、25%、30%;通過計(jì)重電子臺(tái)稱稱取相應(yīng)的稻殼,按照試驗(yàn)組合與對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度的秸稈均勻混合;試驗(yàn)時(shí),通過變頻器來(lái)調(diào)節(jié)壓塊機(jī)主軸轉(zhuǎn)速。機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)束后,立即拆去圓滾筒,安置好液壓缸等設(shè)備,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

選擇主軸轉(zhuǎn)速、含水率、稻殼含量和秸稈長(zhǎng)度為試驗(yàn)影響因子,秸稈壓縮力為試驗(yàn)指標(biāo),采用四因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)[12]。在現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)有生產(chǎn)條件下,確定各因素合適取值范圍以及水平劃分。試驗(yàn)以2、1、0、-1、-2分別來(lái)代表自變量水平,臂長(zhǎng)r=2,共36個(gè)處理組合。試驗(yàn)因素及水平如表1所示。

表1 各變量水平編碼表

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 中心組合試驗(yàn)方案及結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert軟件中Central Composite試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,并利用響應(yīng)面分析法對(duì)雙因素間交互作用進(jìn)行分析。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

續(xù)表2

2.2 回歸模型建立及檢驗(yàn)

借助Design Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,秸稈壓縮力Y與各因素編碼值的二次回歸方程為

Y=20.41-0.30X1-3.41X2-1.09X3+

2.01X4-0.25X1X2-0.68X1X3+0.23X1X4+

3.51X2X3-0.52X2X4+1.73X3X4+2.29X12-

1.27X22-1.98X32+0.076X42

(1)

利用Design Expert軟件對(duì)輸入的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸方程方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn),其分析結(jié)果如表3所示。方程的修正值R2為0.993 8(大于0.800 0),表明回歸方程與試驗(yàn)值整體符合度很高。模型中F=238.93,P<0.0001,表明回歸模型及其顯著,由噪聲引起不顯著的幾率為0.01%,擬合水平良好。失擬項(xiàng)P>0.05,則表明失擬不顯著,說明模型所擬合的二次回歸方程與實(shí)際相符合,可以用于對(duì)秸稈壓縮力的預(yù)測(cè)。根據(jù)表(3)中P值可知:模型中一次項(xiàng)X2、X3和X4影響極為顯著,而X1影響不顯著;二次項(xiàng)中X12、X22和X32影響極為顯著;交互影響中X1X3、X2X3、X2X4和X3X4影響極為顯著,其余各項(xiàng)均不顯著。由回歸方程中各因素系數(shù)絕對(duì)值可知:各因素對(duì)Y影響大小依次為X2、X4、X3、X1。

表3 回歸方程方差分析

續(xù)表3

2.3 單因素對(duì)秸稈壓縮力效應(yīng)分析

圖2為單因素在其它因素為0水平時(shí)對(duì)秸稈壓縮力影響的一維曲線圖。由圖2可知:隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,秸稈壓縮力呈現(xiàn)下降后上升的趨勢(shì),但變化較為平緩。這說明,在試驗(yàn)過程中,主軸轉(zhuǎn)速對(duì)秸稈壓縮力影響不大[13]。秸稈壓縮力隨著含水率的增加呈降低趨勢(shì),這是由于秸稈含水率高時(shí),細(xì)胞間隙內(nèi)水蒸氣增加使得木質(zhì)素不能充分接觸凝結(jié),秸稈壓塊松散故秸稈壓縮力降低。隨著混合物料中稻殼含量的不斷增加,秸稈壓縮力曲線呈先上升再下降趨勢(shì)。這是因?yàn)檫m量稻殼能填充秸稈之間的間隙,使得秸稈壓塊對(duì)環(huán)??變?nèi)壁正壓力增加,秸稈壓縮力也隨之增加;稻殼過多會(huì)使得秸稈壓塊難以成型,故秸稈壓縮力下降;隨著秸稈長(zhǎng)度的增大,秸稈壓縮力呈上升趨勢(shì),過長(zhǎng)的秸稈會(huì)堵住環(huán)模孔并形成厚厚的秸稈層,增大了出料時(shí)秸稈的壓縮力。

圖2 單因素與秸稈壓縮力關(guān)系

2.4 模型交互項(xiàng)對(duì)秸稈壓縮力影響規(guī)律的分析

由式(1)可知:X1X2和X1X4的交互作用對(duì)秸稈壓縮力的影響不顯著,故對(duì)以下X1X3、X2X3、X2X4和X3X4的影響規(guī)律進(jìn)行分析。

主軸轉(zhuǎn)速和稻殼含量對(duì)秸稈壓縮力的影響如圖3所示。由圖3可知:秸稈壓縮力隨著稻殼含量的增加由小變大再變小呈拋物線狀,而隨著轉(zhuǎn)速增大由大變小再變大。主要原因是:隨著稻殼含量的不斷增加,環(huán)模壓縮腔內(nèi)稻草秸稈難以相互纏繞在一起形成秸稈壓塊,此時(shí)秸稈壓塊比較松散,壓塊模型與環(huán)模內(nèi)壁正壓力較小,所形成的摩擦力相對(duì)較小,推出秸稈壓塊所需的壓縮力較小。秸稈壓縮力隨主軸轉(zhuǎn)速增大變幅度不大,故主軸轉(zhuǎn)速對(duì)秸稈壓縮力的影響不大。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速與稻殼含量對(duì)秸稈壓縮力的影響

含水率和稻殼含量對(duì)秸稈壓縮力的影響如圖4所示。由圖4可知:等高線在含水率軸上比稻殼含量軸分布更為密集。這說明,含水率對(duì)秸稈壓縮力的影響比稻殼含量更顯著,與方差分析結(jié)果相同。

圖4 含水率與稻殼含量對(duì)秸稈壓縮力的影響

含水率和秸稈長(zhǎng)度對(duì)秸稈壓縮力的影響如圖5所示。圖5中的響應(yīng)面坡度較大,說明含水率與秸稈長(zhǎng)度兩者交互作用顯著。由響應(yīng)曲面和等高線可以看出:秸稈含水率對(duì)秸稈壓縮力影響大于秸稈長(zhǎng)度的影響,這與方差分析結(jié)果相同。當(dāng)秸稈長(zhǎng)度固定在某一水平、含水率從10%增至30%時(shí),秸稈壓縮力呈先增大、后減小的變化;當(dāng)含水率在17%~23%時(shí),秸稈壓縮力有最佳值;當(dāng)含水率固定在某一水平、秸稈長(zhǎng)度從5mm變化到25mm時(shí),秸稈壓縮力與秸稈長(zhǎng)度呈正相關(guān),增加秸稈長(zhǎng)度,秸稈壓縮力增大。這是由于較短小的秸稈易被壓輥擠壓進(jìn)環(huán)模進(jìn)料腔,環(huán)模進(jìn)料端不易被堵住,秸稈壓縮力較?。划?dāng)秸稈長(zhǎng)度過長(zhǎng)時(shí),草料不易被擠壓進(jìn)環(huán)??變?nèi),容易在環(huán)模孔進(jìn)料端形成一層厚厚的秸稈片層,堵住進(jìn)料口,增大秸稈壓縮力。

圖5 含水率與秸稈長(zhǎng)度對(duì)秸稈壓縮力的影響

稻殼含量和秸稈長(zhǎng)度對(duì)秸稈壓縮力的影響如圖6所示。當(dāng)秸稈長(zhǎng)度固定在某一水平時(shí),隨著稻殼含量增加,秸稈壓縮力呈現(xiàn)由大到小的趨勢(shì)。這是因?yàn)榧尤脒m量稻殼可以填充秸稈之間的間隙,使得秸稈壓塊在環(huán)??變?nèi)結(jié)合更緊密,增大了秸稈壓縮力;過量的稻殼含量會(huì)使環(huán)??變?nèi)稻殼多于秸稈,物料之間松散,秸稈壓縮力急劇減小。當(dāng)?shù)練ず抗潭ㄔ谀骋凰綍r(shí),秸稈壓縮力呈現(xiàn)由小到大的趨勢(shì)。這是由于較短的秸稈容易被壓輥擠壓進(jìn)環(huán)???,而較長(zhǎng)的秸稈容易堵住環(huán)??走M(jìn)料處,增大試驗(yàn)中推出秸稈的壓縮力。從響應(yīng)曲面可以看出:在秸稈長(zhǎng)度為13~17mm、稻殼含量為25%~35%時(shí),秸稈壓縮力比較穩(wěn)定,此時(shí)有最佳秸稈壓縮力。

圖6 稻殼含量與秸稈長(zhǎng)度對(duì)秸稈壓縮力的影響

2.5 工藝參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

利用Design-Expert對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,在轉(zhuǎn)速160~180r/min、含水率10%~30%、稻殼含量0~60%、秸稈長(zhǎng)度5~25mm約束下,設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)秸稈壓縮力在約束范圍內(nèi)取最佳值。軟件優(yōu)化工藝參數(shù)為:主軸轉(zhuǎn)速170r/min、含水率20%、稻殼含量30%、秸稈長(zhǎng)度15mm,此時(shí)最佳秸稈壓縮力理論值為20.407kN。

為驗(yàn)證軟件優(yōu)化的工藝參數(shù)及秸稈壓縮力的可靠性,采用上述最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行5次試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果及與理論值的相對(duì)誤差如表4所示。5次試驗(yàn)的秸稈壓縮力平均值為20.810kN,平均誤差為1.94%,說明該回歸模型是可靠的。

表4 試驗(yàn)結(jié)果及誤差

3結(jié)論

1)結(jié)合Central Composite試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,采用四因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)中心組合設(shè)計(jì)法,對(duì)影響秸稈壓縮力的因素及其交互作用進(jìn)行分析,得出影響秸稈壓縮力的因素由大到小依次為含水率、秸稈長(zhǎng)度、稻殼含量、主軸轉(zhuǎn)速;主軸轉(zhuǎn)速和稻殼含量之間、含水率和稻殼含量之間、含水率和秸稈長(zhǎng)度之間稻殼含量和秸稈長(zhǎng)度之間的交互作用對(duì)秸稈壓縮力影響顯著。

2)建立了秸稈壓縮力與主軸轉(zhuǎn)速、含水率、稻殼含量和秸稈長(zhǎng)度的二次多項(xiàng)式回歸模型,并得到最佳工藝參數(shù):主軸轉(zhuǎn)速170r/min、含水率20%、稻殼含量30%、秸稈長(zhǎng)度15mm,此時(shí)最佳秸稈壓縮力理論值為20.407kN。

3)驗(yàn)證試驗(yàn)表明:最優(yōu)工藝參數(shù)下實(shí)際平均秸稈壓縮力為20.810kN,與回歸模型的預(yù)測(cè)值之間相對(duì)誤差為1.94%,表明優(yōu)化工藝參數(shù)組合可以作為實(shí)際秸稈壓塊生產(chǎn)的最佳依據(jù),回歸模型方程可以用來(lái)預(yù)測(cè)秸稈壓縮力。

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Abstract ID:1003-188X(2016)10-0169-EA

Experimental Study on Ring Mold Straw Briquetting Machine about Straw Compression Force

Chen Shuren, Shen Liuliu

(Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract:Experiment is designed as quadratic regression orthogonal of four factors and five levels,which takes spindle speed, moisture content, rice husk content and straw length as influence factors,and straw compression force as test index. Compression force tests were performed by taking a 9JYK-200A circular mold briquetting machine as testing apparatus with rice straw and rice husk as raw material.The result indicated that when the raw material had moisture content of 20%,rice husk content of 30%,straw length of 15mm and spindle speed of 170r/min,the straw compression force had the optimal value of 20.407KN.The order of contribution rate of every experiment factor on target index was obtained as follows:moisture content, straw length,rice husk content,spindle speed.The verification of the experiment shows that the relative error between the predictive values and experimental values is 1.94%,which can provide the necessary parameters for the research and the analysis of circular mold briquetting machine.

Key words:briquetting machine; rice straw; compression force; optimization; factor analysis

中圖分類號(hào):S817.11+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1003-188X(2016)10-0169-05

作者簡(jiǎn)介:陳樹人(1965-),男,湖南攸縣人,教授,(E-mail)srchen@ujs.edu.cn。通訊作者:沈柳柳(1989-),男,江蘇南通人,碩士研究生,(E-mail)1035643235@qq.com。

基金項(xiàng)目:國(guó)家農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目(2013GB2C100182);江蘇省農(nóng)業(yè)科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(BE2013412);江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(蘇政辦發(fā)[2014]37號(hào))

收稿日期:2015-09-11

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