宋占華 邢書侖 王 征 田富洋,3 王鋒德 李法德

(1.山東農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室， 泰安 271018；3.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實驗室， 泰安 271018； 4.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院， 北京 100083)

0 引言

苜蓿是優(yōu)良的植物蛋白飼料。隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，苜蓿的種植面積不斷增加，產(chǎn)業(yè)化規(guī)模也不斷加大。傳統(tǒng)的苜蓿收獲方式是將其割斷晾曬，然后撿拾、打捆、貯藏。苜蓿的莖、葉水分含量不一致，在晾曬過程中莖、葉的失水速率也不同，易出現(xiàn)苜蓿葉片風干、脫落，而莖稈因含水量高、失水速率慢而在貯存期間出現(xiàn)發(fā)酵變質(zhì)的現(xiàn)象。同時傳統(tǒng)的苜蓿收獲方式生產(chǎn)效率低，蛋白質(zhì)損失嚴重[1-2]。飼草的調(diào)制處理是指通過對飼草進行破節(jié)、裂皮、壓扁、折彎等處理，使刈割后的新鮮飼草迅速處于生理干燥狀態(tài)，從而抑制細胞呼吸作用，降低飼草的養(yǎng)分分解程度[3-4]。經(jīng)調(diào)制處理后的苜?？梢韵o稈和葉片角質(zhì)層與纖維素對水分蒸發(fā)的阻礙作用，加速莖稈水分蒸發(fā)，減少營養(yǎng)物質(zhì)損失，對提高苜蓿的經(jīng)濟效益具有重要意義[5-7]。為了更好地研究苜蓿收獲機械中的調(diào)制機構(gòu)，需利用帶有測控功能的試驗裝置對苜蓿進行調(diào)制試驗，從而對調(diào)制過程中的關(guān)鍵參數(shù)進行采集與分析，為進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)設計提供可靠依據(jù)。

國內(nèi)外已有學者進行了相關(guān)研究。分別得到調(diào)制輥工作參數(shù)、調(diào)制輥結(jié)構(gòu)形式以及調(diào)制輥材質(zhì)對苜蓿等飼草作物的破碎作用、干燥速率以及蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)損失量的影響程度，進而為苜蓿調(diào)制裝置設計提供了參考[8-11]。劉文峰等[12]基于LabVIEW和SQL Server開發(fā)了一套秸稈粉碎機測控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時、精確地采集粉碎工況中刀輥轉(zhuǎn)速、扭矩等信號。張居敏等[13]利用LabVIEW測控軟件設計了一套高茬秸稈還田耕整機功耗檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可動態(tài)測定耕整機的螺旋刀輥轉(zhuǎn)速、扭矩和功耗參數(shù)，實現(xiàn)了對耕整機田間作業(yè)功耗的實時測定。此外，還有學者設計開發(fā)了用于青貯飼料加工的調(diào)制裝置[14-15]以及用于測試棉花秸稈[16-17]、蔬菜[18]、水稻[19]、玉米莖稈[20-21]等農(nóng)作物切割特性的測控平臺。

以上研究尚未考慮苜蓿調(diào)制過程中的能耗情況。在調(diào)制過程中，調(diào)制輥作為主要工作部件將承受較大的扭矩及壓力，從而產(chǎn)生較大的能耗。為此，本文基于LabVIEW軟件設計一套苜蓿調(diào)制試驗臺測控系統(tǒng)，通過上位機遠程控制試驗臺的運行，并實時監(jiān)測電動機的運行狀況；通過間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)精確控制調(diào)制輥間隙，并實時監(jiān)測浮動輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力變化；利用扭矩傳感器和數(shù)據(jù)采集卡實時采集固定輥與傳動軸之間的扭矩和轉(zhuǎn)速信息，進而計算出不同工況下試驗臺調(diào)制單位質(zhì)量苜蓿所需的能量，以期為苜蓿調(diào)制機械的研究提供參考依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，試驗臺由變頻電動機、浮動輥、固定輥、調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)、傳動機構(gòu)、喂料口、扭矩傳感器以及測控系統(tǒng)等組成。其中浮動輥與固定輥均由兩段螺旋角為30°的左旋壓扁輥和右旋壓扁輥組成，輥筒總長度為424 mm，有效工作長度(喂料口寬度)為400 mm，調(diào)制輥頂圓半徑Ra為100 mm，根圓半徑Rf為80 mm，表面為人字齒結(jié)構(gòu)，齒高為20 mm、齒寬為50 mm，兩調(diào)制輥之間的間隙為c，可根據(jù)喂入物料的尺寸調(diào)整c。圖2為調(diào)制輥示意圖。

試驗臺工作時，兩調(diào)制輥在傳動機構(gòu)的驅(qū)動下等速反向旋轉(zhuǎn)，兩輥表面上的人字齒相互嚙合，從而實現(xiàn)對苜蓿的壓扁與彎折作用。為提高調(diào)制輥使用壽命，其材料選為耐磨性好、抗拉伸強度高的天然橡膠加碳黑。表1為試驗臺主要技術(shù)參數(shù)。

表1 調(diào)制試驗臺技術(shù)參數(shù)Tab.1 Parameter of condition test bench

1.2 工作原理

試驗臺工作原理如圖3所示，打開測控系統(tǒng)程序，程序初始化完成后，啟動測控系統(tǒng)，將調(diào)制輥間隙調(diào)整至指定大小，開始數(shù)據(jù)采集并控制變頻器啟動試驗臺，待試驗臺運行平穩(wěn)后開始喂入物料。試驗過程中，數(shù)據(jù)采集卡將實時采集傳感器數(shù)據(jù)，并在測控系統(tǒng)顯示界面上實時顯示與保存扭矩、轉(zhuǎn)速、功率以及壓力變化曲線及數(shù)據(jù)，待調(diào)制試驗完成后，依次停止數(shù)據(jù)采集工作和試驗臺運行，退出測控系統(tǒng)。

2 試驗臺測試與控制系統(tǒng)設計

2.1 測控系統(tǒng)硬件組成

圖4為測控系統(tǒng)硬件示意圖，測控系統(tǒng)硬件部分主要由電動機控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)以及安裝有LabVIEW軟件的上位機系統(tǒng)組成。電動機控制系統(tǒng)通過UT-208型通信轉(zhuǎn)換適配器與變頻器建立聯(lián)接，上位機通過發(fā)送與接收報文控制和監(jiān)測電動機運行狀態(tài)，并在屏幕上實時顯示電動機功率曲線；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過研華USB-4711A型數(shù)據(jù)采集卡實時采集扭矩傳感器扭矩和轉(zhuǎn)速信號，為保證測量信號的準確性，信號輸出端安裝有KCPD-55D-B型信號隔離器；調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)則通過控制電動推桿的伸縮量來精確調(diào)節(jié)浮動輥和固定輥之間間隙，并且通過液壓系統(tǒng)上的壓力傳感器時刻檢測浮動輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力變化；上位機系統(tǒng)具有良好的人機交互界面，可以方便操作者實時觀察和控制試驗臺的運行狀態(tài)。

2.1.1電動機

試驗臺采用YVP型變頻調(diào)速三相異步電動機(徐州統(tǒng)一電動機有限公司)，該電動機具有調(diào)速范圍廣、運行平穩(wěn)的特點，表2為電動機性能參數(shù)。

表2 電動機性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of motor

2.1.2數(shù)據(jù)采集卡

測控系統(tǒng)選用研華USB-4711A型數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡自帶完備的驅(qū)動程序，其版本號為SDK-4.1.4.0，驅(qū)動程序安裝好之后將支持LabVIEW軟件對其進行編程控制，且研華公司開發(fā)出了一系列已封裝好的數(shù)據(jù)采集卡操作控件，用戶只需調(diào)用所需控件并將其進行邏輯上的連接，即可完成程序框圖的搭建。并且，該數(shù)據(jù)采集卡屬于即插即用設備，所有與總線相關(guān)的配置，如I/O地址和中斷，都已預先由即插即用功能自動設置好，無需設置任何跳線和DIP開關(guān)，操作簡便，抗干擾能力強。表3為數(shù)據(jù)采集卡性能參數(shù)。

表3 數(shù)據(jù)采集卡性能參數(shù)Tab.3 Performance parameters of data acquisition card

2.1.3變頻器

該測控系統(tǒng)采用17.5 kW西門子V20型變頻器，支持基于RS485和RS232的通用串行接口(Universal serial interface，USS)通信，可實現(xiàn)對變頻電動機的無級調(diào)速、正反轉(zhuǎn)控制以及電動機運行狀態(tài)的監(jiān)測；當負載較大時，可通過內(nèi)部PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定輸出頻率電壓和電流，保證電動機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)；電動機超負荷運行時，對其進行過載保護等。

圖5為USS通信框圖，西門子V20型變頻器通信時，上位機首先通過串口向變頻器發(fā)送含有控制字的任務報文，變頻器在接收到報文之后，執(zhí)行有效數(shù)據(jù)區(qū)的指令并向上位機返回含有狀態(tài)字(功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等)的應答報文。

圖6為通信報文結(jié)構(gòu)示意圖，上位機與變頻器之間的數(shù)據(jù)傳輸以ASCII碼的形式進行，每條通信報文都是以固定的字符02hex開始，包括表示通信報文中有效字節(jié)數(shù)的說明字節(jié)LGE、指明變頻器通信地址的地址字節(jié)ADR、向變頻器傳達動作指令及狀態(tài)字請求指令的PKW區(qū)和PZD區(qū)以及數(shù)據(jù)的異或校驗字節(jié)BCC。

2.1.4扭矩傳感器

系統(tǒng)選用TQ-660型扭矩傳感器(北京世通科創(chuàng)技術(shù)有限公司)，該傳感器可同時輸出扭矩信號和轉(zhuǎn)速頻率信號，精度高，可靠性好，可任意位置、任意方向安裝。使用時，需通過PH61V2D型信號變送器將轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為標準0～10 V電壓信號進行采集；安裝時，傳感器兩端通過聯(lián)軸器分別與傳動軸和固定輥相連接；試驗臺工作時扭矩傳感器可實時檢測固定輥與傳動軸之間的扭矩。為減少同軸度誤差和機器振動對扭矩傳感器造成損傷，傳感器下部墊有2 mm厚的橡膠墊片，對高頻振動起一定的緩沖作用。表4為傳感器主要技術(shù)參數(shù)。

表4 扭矩傳感器技術(shù)參數(shù)Tab.4 Technical parameters of torque sensor

2.1.5調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)

為實現(xiàn)調(diào)制輥間隙快速準確調(diào)節(jié)，設計了圖7所示的調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)[22]，即電動推桿(力姆泰克(北京)傳動設備有限公司)通過擺桿和連桿帶動柱塞泵柱塞做往復運動，通過控制柱塞泵的排油量來改變間隙調(diào)節(jié)液壓缸的活塞伸長量，間隙調(diào)節(jié)液壓缸安裝在浮動輥軸承座下方，當活塞伸長量發(fā)生變化時帶動浮動輥軸承座繞樞軸擺動，進而實現(xiàn)固定輥與浮動輥之間間隙的調(diào)節(jié)[23]。間隙調(diào)節(jié)完成后關(guān)閉截止閥，保持柱塞泵出油量不再發(fā)生變化。在柱塞泵的出口處安裝有PCM300型壓力傳感器(蘇州軒勝儀表科技有限公司；量程0～40 MPa；精度等級0.5)，可時刻監(jiān)測浮動輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力變化。

表5為電動推桿技術(shù)參數(shù)，電動推桿采用24 V直流伺服電機提供動力，并安裝有RCC38H型增量式編碼器和機械限位開關(guān)，可通過閉環(huán)控制精確調(diào)節(jié)電動推桿位移量，從而實現(xiàn)對柱塞泵排油量的精準控制[24-25]。

表5 電動推桿技術(shù)參數(shù)Tab.5 Technical parameters of linear actuator

2.1.6防干擾措施

圖8為測控系統(tǒng)防干擾措施實物圖，為防止電磁信號對通信和信號采集過程造成干擾，測控系統(tǒng)設計了以下防干擾措施：雙絞線屏蔽，即上位機與變頻器之間以及傳感器與數(shù)據(jù)采集卡之間采用專用的屏蔽雙絞線進行信息傳遞；獨立接地，即變頻器上的專用接地端子PE和傳感器供電電源分別與大地連接；穩(wěn)壓濾波，即在變頻器進線端和出線端連接電抗器和濾波器，避免耦合電壓或電流對變頻器造成不必要的沖擊；避免線路交叉，即電源線路與信號線路保持一定距離，無法避開線路交叉時兩者走線方向呈直角以減少電磁干擾；電源隔離，即利用BK-1KVA型隔離控制變壓器(科穩(wěn)電氣有限公司)為傳感器單獨提供穩(wěn)定電源。

2.2 測控系統(tǒng)軟件設計

2.2.1測控系統(tǒng)軟件

本測控系統(tǒng)基于LabVIEW軟件編寫，該軟件采用32位編譯的圖像化語言，用戶可通過調(diào)用模塊化的子函數(shù)，快速地進行虛擬儀器的開發(fā)，操作簡便，條理清晰[26-27]，同時該軟件具有良好的人機交互界面，靈活性強，被廣泛應用于數(shù)據(jù)采集與分析以及儀器控制、測試測量等領(lǐng)域[28-29]。

2.2.2測控系統(tǒng)功能框圖

圖9為該測控系統(tǒng)功能框圖，本測控系統(tǒng)主要通過功能選擇控件運行指定功能程序：電動機控制系統(tǒng)子程序?qū)崿F(xiàn)對苜蓿調(diào)制試驗臺的遠程控制及電動機運行狀態(tài)的監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)子程序?qū)崿F(xiàn)固定輥與傳動軸之間的扭矩和轉(zhuǎn)速以及浮動輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間壓力參數(shù)的實時采集、顯示和存儲；調(diào)制輥間隙控制系統(tǒng)子程序?qū)崿F(xiàn)對調(diào)制輥間隙的精確控制，并在顯示界面上顯示間隙及變化量。

2.2.3測控系統(tǒng)顯示界面

圖10為本測控系統(tǒng)的人機交互式界面，主要分為顯示區(qū)和控制區(qū)。顯示區(qū)可實時顯示固定輥與傳動軸之間的扭矩、轉(zhuǎn)速變化曲線，浮動輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力變化曲線以及電動機功率變化曲線，記錄并保存采樣時間及采樣數(shù)據(jù)?？刂茀^(qū)則主要實現(xiàn)遠程控制試驗臺運行狀態(tài)，設定數(shù)據(jù)采集頻率及開始停止狀態(tài)，精確調(diào)節(jié)調(diào)制輥間隙等。

圖10試驗臺工況為：調(diào)制輥轉(zhuǎn)速660 r/min、調(diào)制輥間隙4 mm、調(diào)制輥單位工作長度喂入量3.8 kg/(m·s)，連續(xù)喂入3次苜蓿試樣。苜蓿通過調(diào)制輥時，由于阻力增加，固定輥與傳動軸之間扭矩上升、轉(zhuǎn)速下降，同時電動機輸出功率增加。在設定浮動輥與固定輥之間的間隙時，由于拉桿和壓簧的作用，間隙越大，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)壓力越大；間隙減小，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)壓力降低；當間隙調(diào)整至設定值時，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)的壓力保持不變。試驗臺正常工作的情況下，當喂入的試樣較少時，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)的壓力變化不大，基本穩(wěn)定；喂入量較大時，由于試樣的阻力，浮動輥在試樣的作用下向上浮動，浮動輥對調(diào)節(jié)液壓缸的壓力變小，因此，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)的壓力降低。但由于拉桿和壓簧的作用，兩調(diào)制輥之間的壓力會增大，并始終保持對試樣的壓扁作用；當喂入的試樣從調(diào)制輥之間排出后，浮動輥在壓簧和自身重力的作用下，恢復到間隙調(diào)整時的位置，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)的壓力恢復到原來的值。

2.2.4調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)子程序

圖11為調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)子程序框圖，該子程序利用數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸出功能控制電動推桿的伸縮速度，利用數(shù)字量輸出功能控制電動推桿的啟停、伸縮方向和伸縮量；利用數(shù)據(jù)采集卡的高速計數(shù)功能和模擬量輸入功能判斷電動推桿伸縮量和伸縮速度，采用模糊PID算法實現(xiàn)了對間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)的閉環(huán)控制，控制精度為0.1 mm，提高了間隙調(diào)節(jié)系統(tǒng)的魯棒性和快速響應能力[30-32]。

2.2.5電動機控制與監(jiān)測子程序

電動機控制與監(jiān)測子程序主要用來控制試驗臺的運行及監(jiān)控電動機運行狀態(tài)。圖12為該子程序框圖，上位機通過虛擬儀器軟件架構(gòu)(Virtual instruments software architecture,VISA)技術(shù)與變頻器進行全雙工串口通信，每條指令和數(shù)據(jù)都以特定格式的通信報文進行傳送[33-34]。變頻器在執(zhí)行任務報文的同時向上位機發(fā)送應答報文，上位機通過報文解碼得到電動機的輸出功率參數(shù)，從而實現(xiàn)對電動機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。

2.2.6數(shù)據(jù)采集子程序

圖13為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序框圖。數(shù)據(jù)采集子程序?qū)崿F(xiàn)了對固定輥與傳動軸之間的扭矩、轉(zhuǎn)速以及浮動輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力信號的快速采集。該程序運行前需先選擇對應的數(shù)據(jù)采集卡設備，設置采樣通道、采樣范圍以及采樣頻率。采樣過程中數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)部的先進先出(First input first output,FIFO)內(nèi)存緩存器分為大小相同的前后兩個半?yún)^(qū)進行存儲，當數(shù)據(jù)采集卡半滿或全滿時系統(tǒng)將產(chǎn)生中斷，已滿半?yún)^(qū)中的數(shù)據(jù)被傳輸?shù)接脩艟彌_區(qū)，進而在前面板上進行顯示與保存，前后兩個半?yún)^(qū)交替循環(huán)存儲保證了傳感器信號的連續(xù)高速采集。

3 試驗

為驗證測控系統(tǒng)實際運行效果，2020年10月15日利用測控系統(tǒng)控制試驗臺對苜蓿進行不同條件下的調(diào)制試驗，如圖14所示。試驗材料取自國家草品種區(qū)域試驗站(山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境管理學院試驗站)，品種為紫花苜蓿(始花期)，高度為40～70 cm，人工收割后的試樣按照高度進行3等分，由根部至頂部依次分為下部、中部、上部。參照國家標準[35]測得試樣下部、中部和上部含水率及直徑范圍如表6所示。試驗用其他儀器設備包括：水分測定儀(0.001 g，ZTXY-101型， 濰坊中特電子儀器有限公司)、電子天平(0.1 g，ACS-6型，永康市香海衡器廠)、卷尺(5 m)、游標卡尺(0.02 mm)等。

表6 苜蓿試樣基本參數(shù)Tab.6 Basic parameters of alfalfa samples

3.1 試驗指標確定

在確保苜蓿調(diào)制質(zhì)量的前提下，能量消耗越低越好。因此，本文選取單位能耗、苜蓿壓扁率、壓扁損失率作為試驗指標。

(1)單位能耗

單位能耗是指壓扁單位質(zhì)量物料所需要的凈能量，是設計苜蓿調(diào)制裝置時進行功率配備所必需的重要數(shù)據(jù)。利用自行開發(fā)的調(diào)制試驗臺測控系統(tǒng)和USB-4711A型數(shù)據(jù)采集卡測得固定輥與傳動軸在工作過程中扭矩動態(tài)變化過程，單位能耗計算公式為

(1)

式中Y1——單位能耗，J/kg

W0——試驗臺空載能耗，J/kg

W1——試驗臺總能耗，J/kg

T0——空載扭矩，N·m

T(t)——t時刻扭矩，N·m

t——調(diào)制過程持續(xù)的時間，s

m——每次試驗喂入苜蓿的質(zhì)量，kg

n——調(diào)制輥轉(zhuǎn)速，r/min

t0——調(diào)制開始的時刻，s

t1——調(diào)制結(jié)束的時刻，s

(2)壓扁率與壓扁損失率

根據(jù)國家標準[36-37]，將每次調(diào)制試驗后的苜蓿長度大于等于7 cm，且長度50%以上被壓扁的植株挑出并稱量，苜蓿壓扁率計算公式為

(2)

式中Y2——苜蓿壓扁率，%

mp——長度大于等于7 cm且長度50%以上被壓扁的苜?？傎|(zhì)量，g

mj——苜蓿試樣總質(zhì)量，g

將長度小于7 cm的苜蓿挑出并稱量，苜蓿壓扁損失率計算公式為

(3)

式中Y3——苜蓿壓扁損失率，%

mt——長度小于7 cm的苜蓿總質(zhì)量，g

3.2 試驗因素

通過前期預試驗得到調(diào)制輥轉(zhuǎn)速n、調(diào)制輥單位工作長度喂入量q和調(diào)制輥間隙c對試驗臺性能的影響較為顯著。調(diào)制輥轉(zhuǎn)速在660～900 r/min之間時，調(diào)制效果較好，壓扁損失率較低；轉(zhuǎn)速低于660 r/min時，試驗臺工作效率低；高于900 r/min時，苜蓿葉片壓扁損失率較高；故試驗時選取轉(zhuǎn)速n為660、780、900 r/min，對應調(diào)制輥頂圓線速度分別為6.91、8.17、9.42 m/s；根據(jù)調(diào)制輥間隙在2～4 mm之間時，壓扁效果較好[38]，試驗時選取c為2、3、4 mm；根據(jù)小型割草壓扁機田間實際作業(yè)工況可知，喂入量與作業(yè)速度關(guān)系式為

(4)

式中Q——喂入量，kg/s

v——機組行駛速度，m/s

M——苜蓿產(chǎn)量，kg/hm2

B——割幅，m

本次試驗模擬小型手扶式山地割草壓扁機[39-40]的作業(yè)速度1.92、3.24、4.56 km/h；根據(jù)切割器長度應大于壓扁輥長度[41]，并且試驗臺調(diào)制輥有效工作長度為0.4 m，假設苜蓿割草機的割幅為0.8 m；假設割草壓扁機勻速作業(yè)時，喂入量保持恒定，苜蓿長勢良好且無雜草，每茬苜蓿鮮草平均產(chǎn)量[42]為15 000 kg/hm2，可得喂入量為0.64、1.08、1.52 kg/s，對應調(diào)制輥單位工作長度喂入量q分別為1.6、2.7、3.8 kg/(m·s)。

為了研究不同試驗因素對苜蓿調(diào)制質(zhì)量和單位能耗的影響程度以及各試驗因素之間的交互作用，本次試驗采用Box-Behnken試驗設計方法進行響應面試驗，試驗因素編碼如表7所示，試驗結(jié)果如表8所示，表中A、B、C分別是調(diào)制輥轉(zhuǎn)速n、調(diào)制輥單位工作長度喂入量q、調(diào)制輥間隙c的因素編碼值。

表7 苜蓿調(diào)制試驗因素編碼Tab.7 Factors and codes of alfalfa conditioning test

表8 試驗方案及結(jié)果Tab.8 Test scheme and result

3.3 回歸模型建立與顯著性檢驗

利用Design-Expert 10.0.7軟件對表8中數(shù)據(jù)開展多元回歸擬合分析，建立單位能耗Y1、苜蓿壓扁率Y2及壓扁損失率Y3對調(diào)制輥轉(zhuǎn)速、調(diào)制輥單位工作長度喂入量和調(diào)制輥間隙的二次多項式響應面回歸模型，建立模型為

Y1=5 105.49-7.34n-183.62q-726.49c-0.37nq-
0.04nc+20.88qc+0.005 9n2+68.03q2+95.35c2

(5)

Y2=43.84+0.12n+6.97q-2.21c-0.000 3nq-
0.000 7nc-0.13qc-0.000 07n2-1.29q2+0.31c2

(6)

Y3=40.03-0.07n-4.55q-1.89c+0.001 8nq+
0.000 8nc-0.50qc+0.000 04n2+0.78q2+0.31c2

(7)

由表9可知，單位能耗Y1、苜蓿壓扁率Y2和壓扁損失率Y3與試驗因素的回歸模型的P值分別為0.000 9、0.005、0.006 3(均小于0.01)，表示模型極顯著；模型失擬項的P值分別為0.073 8、0.108 9、0.402 6(均大于0.05)，表明無失擬因素的存在，3個模型在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，擬合程度較高；模型決定系數(shù)R2分別為0.949 9、0.916 2、0.910 2，表明該模型可以較好地解釋不同因素作用下的響應值，從而預測試驗臺的工作參數(shù)。此外，在單位能耗Y1的回歸模型中，因素q、n2、q2對模型影響顯著，因素n、c、c2對模型影響極顯著；在苜蓿壓扁率Y2的回歸模型中，因素q、n2對模型影響顯著，因素c、q2對模型影響極其顯著；在壓扁損失率Y3的回歸模型中，因素q、qc、n2對模型影響顯著，因素c、q2對模型影響極顯著。在保證模型P<0.05，失擬項P>0.05的基上，剔除不顯著回歸項對模型的影響，進一步優(yōu)化模型得到

Y1=5 028.45-7.45n-121.01q-700.81c-
0.005 9n2+68.03q2+95.35c2

(8)

Y2=44.25+6.63q-0.88c-0.000 07n2-1.27q2

(9)

Y3=34.51-3.17q-1.29c-0.50qc+
0.000 04n2+0.78q2

(10)

3.4 試驗因素對性能指標的影響

根據(jù)表9試驗結(jié)果，可得調(diào)制輥轉(zhuǎn)速、調(diào)制輥單位工作長度喂入量、調(diào)制輥間隙及其交互作用對各性能指標的影響，并利用Design-Expert 10.0.7軟件進行響應面分析。

表9 苜蓿調(diào)制試驗二次項模型方差分析Tab.9 ANOVA of quadratic models for alfalfa conditioning experiments

各試驗因素對單位能耗的響應面曲面如圖15所示。圖15a為調(diào)制輥間隙位于中心水平(3 mm)時，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥單位工作長度喂入量對單位能耗的影響情況，由圖15a可知，調(diào)制輥單位工作長度喂入量一定時，單位能耗隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的升高先降低后升高；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時，單位能耗隨著調(diào)制輥單位工作長度喂入量的增加先降低后升高。圖15b顯示了調(diào)制輥單位工作長度喂入量位于中心水平(2.7 kg/(m·s))時，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥間隙對單位能耗的影響情況，由圖15b可知，調(diào)制輥間隙一定時，單位能耗隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的增加先降低后升高；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時，單位能耗隨調(diào)制輥間隙的增大先降低后升高。圖15c顯示了調(diào)制輥轉(zhuǎn)速位于中心水平(780 r/min)時，調(diào)制輥單位工作長度喂入量和調(diào)制輥間隙對單位能耗的影響情況，由圖15c可知，調(diào)制輥單位工作長度喂入量一定時，單位能耗隨著調(diào)制輥間隙的增大先降低后升高；調(diào)制輥間隙一定時，單位能耗隨著調(diào)制輥單位工作長度喂入量的增加先降低后升高。綜合考慮3個因素對單位能耗的影響，當調(diào)制輥轉(zhuǎn)速為709.92 r/min、調(diào)制輥單位工作長度喂入量為 3.23 kg/(m·s)、調(diào)制輥間隙為3.96 mm時，單位能耗存在最優(yōu)值，為888.98 J/kg。

各試驗因素對苜蓿壓扁率的響應面曲面如圖16所示。圖16a顯示了調(diào)制輥間隙位于中心水平(3 mm)時，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥單位工作長度喂入量對苜蓿壓扁率的影響情況，由圖16a可知，調(diào)制輥單位工作長度喂入量一定時，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的增大先升高后降低；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥單位工作長度喂入量的增加先升高后降低。圖16b顯示了調(diào)制輥單位工作長度喂入量位于中心水平(2.7 kg/(m·s))時，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥間隙對苜蓿壓扁率的影響情況，由圖16b可知，調(diào)制輥間隙一定時，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的增加先升高后降低；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥間隙的增加而降低。圖16c顯示了調(diào)制輥轉(zhuǎn)速位于中心水平(780 r/min)時，調(diào)制輥單位工作長度喂入量和調(diào)制輥間隙對苜蓿壓扁率的影響情況。由圖16c可知，調(diào)制輥間隙一定時，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥單位工作長度喂入量的增加先升高后降低；調(diào)制輥單位工作長度喂入量一定時，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥間隙的增加而降低。綜合考慮3個因素對苜蓿壓扁率的影響，當調(diào)制輥轉(zhuǎn)速為806.62 r/min、調(diào)制輥單位工作長度喂入量為2.51 kg/(m·s)、調(diào)制輥間隙為2 mm時，苜蓿壓扁率存在最優(yōu)值，為96.68%。

各試驗因素對壓扁損失率的響應面曲面如圖17所示。圖17a顯示了調(diào)制輥間隙位于中心水平(3 mm)時，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥單位工作長度喂入量對壓扁損失率的影響情況，由圖17a可知，調(diào)制輥單位工作長度喂入量一定時，壓扁損失率隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的增大先降低后升高；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時，壓扁損失率隨著調(diào)制輥單位工作長度喂入量的增加先降低后升高。圖17b顯示了調(diào)制輥單位工作長度喂入量位于中心水平(2.7 kg/(m·s))時，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥間隙對壓扁損失率的影響情況，由圖17b可知，調(diào)制輥間隙一定時，壓扁損失率隨著調(diào)制輥轉(zhuǎn)速的增加先降低后升高；調(diào)制輥轉(zhuǎn)速一定時，壓扁損失率隨著調(diào)制輥間隙的增加而降低。圖17c顯示了調(diào)制輥轉(zhuǎn)速位于中心水平(780 r/min)時，調(diào)制輥單位工作長度喂入量和調(diào)制輥間隙對壓扁損失率的影響情況，由圖17c可知，調(diào)制輥間隙一定時，壓扁損失率隨著調(diào)制輥單位工作長度喂入量的增加先降低后升高；調(diào)制輥單位工作長度喂入量一定時，苜蓿壓扁率隨著調(diào)制輥間隙的增加而降低，但是，當調(diào)制輥單位工作長度喂入量最小時，壓扁損失率隨著調(diào)制輥間隙的增加變化不明顯。綜合考慮3個因素對壓扁損失率的影響，當調(diào)制輥轉(zhuǎn)速為740.24 r/min、調(diào)制輥單位工作長度喂入量為3.38 kg/(m·s)、調(diào)制輥間隙為4 mm時，壓扁損失率存在最優(yōu)值，為2.36%。

3.5 最佳參數(shù)組合

通過響應面試驗，需要確定影響該試驗臺工作性能的最優(yōu)參數(shù)組合，從而提高苜蓿壓扁率，降低壓扁損失率與單位能耗。以最小單位能耗Y1、最高苜蓿壓扁率Y2和最低壓扁損失率Y3為評價指標，建立優(yōu)化數(shù)學模型

(11)

利用Design-Expert 10.0.7軟件對回歸方程進行優(yōu)化得試驗臺工況最佳組合：n=774.70 r/min，q=2.77 kg/(m·s)，c=3.33 mm；由于試驗臺實際工作參數(shù)很難調(diào)整至理論求解的優(yōu)化值，故選取一組接近于優(yōu)化求解值的參數(shù)進行試驗驗證，參數(shù)值?。簄=775 r/min，q=2.77 kg/(m·s)，c=3.3 mm，代入模型中求解得單位能耗Y1為909.25 J/kg，苜蓿壓扁率Y2為96.67%，壓扁損失率Y3為1.67%。

3.6 驗證試驗

根據(jù)試驗優(yōu)化分析得到的最優(yōu)參數(shù)，于2020年10月24日在山東農(nóng)業(yè)大學農(nóng)機實驗室進行驗證試驗。試驗用紫花苜蓿試樣與15日試驗所用試樣取自相同試驗田，其下部、中部、上部含水率分別為72.3%、74.5%、75.6%，直徑分別為3.6～5.2 mm、2.6～4.0 mm、2.1～3.7 mm，試樣高度為45～79 cm。試驗共進行5次，依據(jù)式(1)～(3)進行計算，得到單位能耗Y1為931.42 J/kg、苜蓿壓扁率Y2為94.33%、壓扁損失率Y3為1.65%。由于驗證試驗中采用的苜蓿試樣即將進入盛花期，植株較為成熟，莖稈較為粗壯，故試驗結(jié)果與理論優(yōu)化值之間存在一定差異，其中單位能耗高于理論最優(yōu)值，其相對誤差為2.44%；苜蓿壓扁率低于理論最優(yōu)值，其相對誤差為2.42%；壓扁損失率低于理論最優(yōu)值，其相對誤差為1.20%。三者的相對誤差均小于3%，表明求解的單位能耗Y1、苜蓿壓扁率Y2和壓扁損失率Y3與試驗因素的回歸模型能夠滿足參數(shù)優(yōu)化需求。

4 結(jié)論

(1)基于LabVIEW軟件平臺開發(fā)了苜蓿調(diào)制試驗臺測控系統(tǒng)，該測控系統(tǒng)可遠程控制試驗臺調(diào)制輥轉(zhuǎn)速在350～1 350 r/min之間穩(wěn)定運行，并實時監(jiān)測電動機的功率變化；設計了一種調(diào)制輥間隙調(diào)節(jié)機構(gòu)，可通過測控系統(tǒng)精確控制調(diào)制間隙在2～4 mm之間變化，控制精度為0.1 mm；通過測控系統(tǒng)可實時采集固定輥與傳動軸之間的扭矩、轉(zhuǎn)速以及浮動輥軸承座與間隙調(diào)節(jié)液壓缸之間的壓力參數(shù)，并在顯示界面上實時顯示和保存數(shù)據(jù)。

(2)通過二次正交試驗驗證了苜蓿調(diào)制試驗臺測控系統(tǒng)工作的可靠性以及數(shù)據(jù)采集的準確性。對試驗結(jié)果進行響應面分析，分別建立了單位能耗、苜蓿壓扁率以及壓扁損失率的二次回歸模型，并利用Design-Expert 10.0.7軟件對模型進行優(yōu)化，得出理論最優(yōu)解為：調(diào)制輥轉(zhuǎn)速775 r/min、調(diào)制輥單位工作長度喂入量2.77 kg/(m·s)、調(diào)制輥間隙3.3 mm，此時單位能耗為909.25 J/kg、苜蓿壓扁率為96.67%、壓扁損失率為1.67%。通過驗證試驗實測單位能耗、苜蓿壓扁率、壓扁損失率分別為931.42 J/kg、94.33%、1.65%，試驗值與理論優(yōu)化值之間的相對誤差小于3%，回歸模型可靠。