孫延成，牟孝棟，王志偉，姜慧新，王志堅(jiān)，耿端陽

(1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博，255000； 2. 山東省畜牧總站，濟(jì)南市，250002；3. 山東芳華農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，山東德州，253300)

0 引言

構(gòu)樹作為富含蛋白質(zhì)的飼用林木[1]，在2015年就被國務(wù)院扶貧辦列為十大產(chǎn)業(yè)扶持工程之一，并專門頒發(fā)了《關(guān)于開展構(gòu)樹扶貧工程試點(diǎn)工作的通知》；2018年國家農(nóng)業(yè)農(nóng)村部第22號(hào)文正式將構(gòu)樹納入飼料原料目錄，從而加快了該項(xiàng)目在國內(nèi)推廣，目前在山東、湖南、河南等地開始了初步試點(diǎn)與示范。

雖然構(gòu)樹葉片柔嫩多汁且富含營養(yǎng)，但是在收獲過程存在莖稈、枝條同收問題，加之為了提高飼料的適口性，尚需對(duì)收獲的構(gòu)樹飼料進(jìn)行發(fā)酵處理，以促使纖維素和木質(zhì)素向粗蛋白的轉(zhuǎn)化，所以構(gòu)樹收獲后必須對(duì)其進(jìn)行絲化處理，以保證發(fā)酵飼料的質(zhì)量和良好的適口性。內(nèi)蒙古林業(yè)科學(xué)研究院研制的2GP-100型灌木平茬機(jī)采用拖拉機(jī)后右側(cè)懸掛、工作時(shí)由拖拉機(jī)進(jìn)行動(dòng)力輸出，在復(fù)合運(yùn)動(dòng)作用下將枝條割斷，然后由撥條桿將割后的枝條甩向右側(cè)[2]。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院研制的懸掛式割灌機(jī)采取雙圓盤相向向外轉(zhuǎn)切割方式切割后的構(gòu)樹枝條散落在機(jī)器兩側(cè)、需要人工再進(jìn)行撿拾、打捆后期進(jìn)行絲化處理[3]。中國農(nóng)機(jī)院生物質(zhì)能中心研制開發(fā)的新型4GM-200灌木聯(lián)合收獲機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)構(gòu)樹無損收割、強(qiáng)制喂入切碎、集裝、液壓自動(dòng)翻轉(zhuǎn)卸料聯(lián)合作業(yè)，但收獲后的構(gòu)樹絲化率低、整枝條仍然存在。

基于上述研究目前大部分莖稈切斷裝置主要是通過高速旋轉(zhuǎn)的錘爪或甩刀，對(duì)莖稈進(jìn)行多次高速錘擊、切割和揉搓[4]。莖稈隨機(jī)受到錘擊、切割和揉搓作用，導(dǎo)致莖稈切碎長(zhǎng)度隨機(jī)性大、絲化率低，嚴(yán)重影響了發(fā)酵飼料的質(zhì)量，降低了構(gòu)樹飼料的適口性。針對(duì)現(xiàn)有莖稈切斷裝置莖稈絲化率低、飼料適口性差的問題，本研究設(shè)計(jì)了三級(jí)揉搓絲化裝置，利用構(gòu)樹收獲機(jī)進(jìn)行收獲試驗(yàn)，并分析了揉搓絲化級(jí)數(shù)、莖稈切斷長(zhǎng)度以及揉搓板數(shù)對(duì)莖稈絲化率的影響規(guī)律，為提高構(gòu)樹莖稈絲化率及反芻動(dòng)物飼料的適口性提供了裝備支持。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

針對(duì)構(gòu)樹生長(zhǎng)特性以及反芻動(dòng)物飼料要求：將構(gòu)樹莖葉加工成絲狀，有利于提高其發(fā)酵效果，改善反芻動(dòng)物采食的適口性，降低采食過程的能量消耗，開發(fā)具有莖枝切碎和揉搓處理功能的構(gòu)樹收獲機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。即構(gòu)樹收獲機(jī)主要由割臺(tái)、揉搓絲化裝置、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、集料箱等組成。

圖1 構(gòu)樹收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)方案Fig. 1 Overall structure scheme of Broussonetia papyriferaharvester1.割臺(tái) 2.揉搓絲化裝置 3.底盤 4.發(fā)動(dòng)機(jī) 5.集料箱 6.駕駛室

構(gòu)樹收獲機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下作業(yè)時(shí)，首先由割臺(tái)完成對(duì)構(gòu)樹的切斷，并將其拋向割臺(tái)，然后在速度遞增輸送輥?zhàn)饔孟聦⑵渌屯o稈切碎裝置，完成長(zhǎng)莖稈向短莖稈的轉(zhuǎn)化；進(jìn)而將其送往揉搓絲化裝置，完成莖稈的切斷、揉搓，使其符合反芻動(dòng)物采食和反芻消化的要求，最后在拋撒輪作用下由拋送筒送往集料箱，完成構(gòu)樹飼料的收獲。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

為了保證構(gòu)樹飼料的發(fā)酵處理和滿足反芻動(dòng)物采食與消化要求，一般需要收獲作業(yè)時(shí)對(duì)構(gòu)樹莖稈與枝條進(jìn)行切段、切碎和揉搓處理[5-6]，減少中間環(huán)節(jié)，盡量降低雜菌感染的機(jī)會(huì)；考慮構(gòu)樹莖稈與枝條木質(zhì)化、纖維化突出的問題，所以其揉搓絲化就成為本機(jī)的核心技術(shù)。

如前文所述，構(gòu)樹枝桿由于木質(zhì)化結(jié)構(gòu)比較明顯，所以對(duì)其絲化采用了循環(huán)處理方式，假設(shè)每次絲化率為φi，則未被絲化的莖稈量為1-φi，所以經(jīng)過n次絲化處理后，莖稈的n次絲化率

(1)

為了方便計(jì)算，假設(shè)每次絲化處理的效果相同，即每次莖稈絲化率都相等，φ1=φ2=…=φn，則式(1)變?yōu)?/p>

R=1-(1-φ)n

(2)

從而循環(huán)處理次數(shù)

(3)

本研究中，莖稈絲化選用了莖稈還田式粉碎結(jié)構(gòu)，所以每次其莖稈絲化率φ可達(dá)70%[7]，按照莖稈飼料達(dá)到95%以上的絲化效果計(jì)算，則循環(huán)處理次數(shù)n=2.488，所以本機(jī)采用了三級(jí)絲化處理。具體分布如圖2所示。

圖2 構(gòu)樹收獲機(jī)莖稈循環(huán)絲化處理結(jié)構(gòu)分布Fig. 2 Structure distribution of straw recycling treatment inBroussonetia papyrifera harvester1.莖稈次級(jí)絲化裝置 2.拋料筒 3.莖稈三級(jí)絲化裝置4.莖稈拋送裝置 5.機(jī)架 6.莖稈初級(jí)切段絲化裝置7.莖稈調(diào)直裝置 8.莖稈輸送裝置 9.切割器10.莖稈次級(jí)輸送裝置 11.莖稈混合輸送裝置

作業(yè)時(shí)，構(gòu)樹在割臺(tái)切斷后，被莖稈輸送裝置向后輸送，進(jìn)入莖稈初級(jí)切斷絲化處理裝置，完成莖稈的切段和初級(jí)絲化；進(jìn)而在莖稈次級(jí)輸送裝置作用下送入莖稈混合輸送裝置，完成切段莖稈的均質(zhì)化；隨后，將均質(zhì)化的莖稈送往莖稈次級(jí)絲化裝置，改善莖稈的絲化效果；接著將其送往莖稈三級(jí)絲化處理裝置，實(shí)現(xiàn)莖稈的全部絲化后，將其由拋料筒拋出，完成構(gòu)樹的切斷—初級(jí)絲化—均質(zhì)化混合—次級(jí)絲化—三級(jí)絲化處理工藝。

2.1 初級(jí)莖稈切斷絲化裝置

構(gòu)樹由于每年收獲多茬，所以一般來說盡量選擇在株高1.0～1.5 m、主桿木質(zhì)化不是太嚴(yán)重的時(shí)期進(jìn)行收獲。為了改善反芻動(dòng)物采食的適口性，保證莖稈的切段長(zhǎng)度，因此采用動(dòng)—定刀配合方式切斷，以保證莖稈的絲化效果。即根據(jù)反芻動(dòng)物對(duì)飼料長(zhǎng)度要求，將其長(zhǎng)度確定為15 cm[8]；為了降低對(duì)構(gòu)樹枝條的切割阻力，在選用構(gòu)樹切段絲化裝置與作業(yè)幅寬等寬以及單支撐切斷的基礎(chǔ)上，采用滑切方式完成莖稈的切斷；為了降低莖稈切碎過程的振動(dòng)，動(dòng)刀采用鉸接方式與刀座連接。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 初級(jí)莖稈切段絲化裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure diagram of primary stalk cutting silk device1.梳齒 2.刀軸 3.刀座 4.定刀 5.甩刀(動(dòng)刀)

2.1.1 梳齒間距確定

由于構(gòu)樹屬于灌木，枝條較多，輸送喂入過程必然出現(xiàn)很多枝條不垂直于定/動(dòng)刀刃口方向，難以保證莖稈切碎長(zhǎng)度一致性的要求，所以為了提高莖稈切碎長(zhǎng)度一致性，在莖稈入口位置設(shè)置了如圖3所示的等距梳齒。設(shè)梳齒間距為d，且該間距必須保證甩刀通過，即梳齒間隙d必須大于甩刀切斷寬度B。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，本研究選擇了Ⅰ型切碎刀片(見JB T9816—1999甩刀式切碎機(jī)刀片)；為了提高切碎效率，動(dòng)刀采用了如圖4所示的組合式結(jié)構(gòu)。

d≥2B+2δ

(4)

式中：δ——梳齒與動(dòng)刀之間的間隙，主要依據(jù)切斷對(duì)象來確定。

圖4 甩刀結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of combined flail Knife

考慮當(dāng)構(gòu)樹莖稈以傾斜姿態(tài)進(jìn)入梳齒之間被動(dòng)刀切斷時(shí)，必然導(dǎo)致構(gòu)樹莖稈的實(shí)際切斷長(zhǎng)度大于理論切斷長(zhǎng)度，如圖5所示。

設(shè)莖稈理論切斷長(zhǎng)度為l，梳齒間隙為d，則當(dāng)莖稈喂入傾斜角度為θ，梳齒間隙為d=l/tanθ，切碎莖稈的最大長(zhǎng)度為l/sinθ，切碎莖稈長(zhǎng)度與理論切斷長(zhǎng)度的差為Δl=l/sinθ-l，以理論切碎長(zhǎng)度為l=15 cm為例，以對(duì)角線AC與定刀所在位置的夾角θ為x軸，以Δl為y軸，繪制偏差Δl隨夾角θ的變化曲線，如圖6所示。

圖5 莖稈傾斜喂入的最大切斷長(zhǎng)度Fig. 5 Cutting length of stem feeding in inclined direction

由圖6可以看出，在θ角度較小時(shí)，莖稈切斷長(zhǎng)度差異Δl很大，當(dāng)該角度到40°以后，其切斷長(zhǎng)度一致性就有很大的提高，所以梳齒間隙初步確定為等于理論莖稈切斷長(zhǎng)度，即該角度為45°時(shí)，其莖稈切碎長(zhǎng)度一致性即可得到較好的保證。

圖6 莖稈傾斜喂入角度對(duì)切斷長(zhǎng)度一致性的影響Fig. 6 Effect of oblique feeding angle toconsistency of stem cutting length

2.1.2 長(zhǎng)度一致性分析

依據(jù)莖稈切碎長(zhǎng)度主要由甩刀切斷轉(zhuǎn)速和莖稈輸送速度確定，具體方法這里不再贅述[9-10]。但是在該機(jī)中，考慮構(gòu)樹枝條不能保證全部以垂直動(dòng)刀刃口方向喂入，所以在初級(jí)莖稈切斷裝置的入口設(shè)置了如圖3所示的梳齒。在莖稈實(shí)際切斷過程，當(dāng)莖稈處于垂直于動(dòng)定刀刃口方向時(shí)，其實(shí)際切碎長(zhǎng)度等于理論切碎長(zhǎng)度。按照前述理論切斷長(zhǎng)度為15 cm計(jì)算，即lmin=15 cm；當(dāng)莖稈處于如圖5所示方向喂入時(shí)，其實(shí)際切碎長(zhǎng)度達(dá)到最大值，且lmax=l/sinθ=21.21 cm。

這樣莖稈切碎長(zhǎng)度的均值

(5)

方差

(6)

一般來說，在同一切碎裝置、莖稈處于強(qiáng)制喂入狀態(tài)時(shí)，莖稈切碎長(zhǎng)度符合正態(tài)分布，即

(7)

查正態(tài)分布表[11]，有莖稈切碎長(zhǎng)度一致性R=0.998 7，即其一致性可以達(dá)到99.87%，完全滿足構(gòu)樹發(fā)酵和反芻動(dòng)物采食的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2 莖稈三級(jí)絲化裝置設(shè)計(jì)

由于本機(jī)采用了三級(jí)絲化處理，其分布如圖2所示，前兩級(jí)都是采用與秸稈還田機(jī)相似的結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理[12-13](為了避免重復(fù)，第二個(gè)絲化過程就不再分析)，為了進(jìn)一步保證構(gòu)樹飼料的絲化效果，最后一級(jí)采用了搓板式揉搓裝置，如圖7所示。工作時(shí)，葉片在驅(qū)動(dòng)軸的作用下高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入揉搓區(qū)的物料在葉片作用下被甩向周邊，并在葉片和揉搓板作用下被揉搓，形成絲狀物料。而在物料被甩向四周的過程，揉搓區(qū)即形成了負(fù)壓，從而為后續(xù)物料的進(jìn)入創(chuàng)造了條件；又為了減少葉片對(duì)送入物料的阻滯，葉片設(shè)計(jì)為圖7所示結(jié)構(gòu)，為物料進(jìn)入留出最大的空間。

圖7 莖稈三級(jí)絲化裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Structure diagram of stalk three-stage silking device1.揉搓葉片 2.揉搓板 3.拋料筒

在該過程，由于物料只有在葉片通過揉搓板時(shí)才能對(duì)物料進(jìn)行揉搓，所以設(shè)每次可以實(shí)現(xiàn)15%的莖稈完成絲化處理，則還有85%的莖稈不能得到理想的絲化處理，故為了保證飼料所需要的絲化效果，則必須對(duì)物料進(jìn)行循環(huán)揉搓絲化處理。設(shè)在該區(qū)布置的揉搓板數(shù)量為n1，飼料的絲化率要求為95%，按照可靠性設(shè)計(jì)中串聯(lián)結(jié)構(gòu)處理[14-15]，則

R=1-(1-φ)n1

(8)

對(duì)其轉(zhuǎn)化后，有

(9)

代入R=95%、φ=15%，則有n1=18.43。

即構(gòu)樹粉碎物料必須經(jīng)過18.43次如此結(jié)構(gòu)的循環(huán)揉搓才能達(dá)到95%的絲化效果；結(jié)合該揉搓絲化底殼的結(jié)構(gòu)尺寸，最終選擇了24根揉搓板。

為了進(jìn)一步減少莖稈滯留揉搓板根部對(duì)揉搓效果的影響，綜合降低制造成本的要求，本揉搓板采用角鋼結(jié)構(gòu)，避免了揉搓板與底殼焊接部位死角的出現(xiàn)；考慮揉搓原理是通過兩配合件之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)物料的揉搓，故為了提高構(gòu)樹飼料的絲化效果，應(yīng)盡量延長(zhǎng)莖稈通過揉搓面的時(shí)間，即該揉搓板選擇了不等邊角鋼結(jié)構(gòu)，其型號(hào)為L(zhǎng)32×20，具體分布如圖8所示。

圖8 揉搓板結(jié)構(gòu)與分布Fig. 8 Structure and distribution of rubbing board1.底殼 2.葉片 3.驅(qū)動(dòng)軸 4.揉搓板

3 田間試驗(yàn)

3.1 田間試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在德州市武城縣山東芳華農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司進(jìn)行(圖9)。試驗(yàn)材料為國家大力推廣的雜交構(gòu)樹101，隨機(jī)選取長(zhǎng)度約20 m、寬度約15 m的構(gòu)樹試驗(yàn)田為一組試驗(yàn)，進(jìn)行3組重復(fù)試驗(yàn)。其中試驗(yàn)構(gòu)樹的主要特征參數(shù)如表1所示。

圖9 構(gòu)樹收獲機(jī)作業(yè)過程Fig. 9 Operation process of Broussonetia papyrifera harvester

表1 構(gòu)樹主要特征參數(shù)Tab. 1 Plant parameters of Broussonetia papyrifera

3.2 試驗(yàn)方法

通過前述理論分析確定了構(gòu)樹化收獲機(jī)的揉搓絲化級(jí)數(shù)、莖稈的理論切斷長(zhǎng)度以及揉搓板的數(shù)量。根據(jù)串聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性模型，過多的揉搓絲化級(jí)數(shù)必然會(huì)導(dǎo)致裝備的復(fù)雜性和制造成本的增加。為了進(jìn)一步探究構(gòu)樹莖稈揉搓絲化的效果的影響規(guī)律，同時(shí)降低裝備的復(fù)雜性以及制造成本。在理論分析的基礎(chǔ)上，采取Box-Behnken響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行正交試驗(yàn)，選取莖稈切斷長(zhǎng)度、揉搓絲化級(jí)數(shù)和揉搓板數(shù)為試驗(yàn)因素，以莖稈絲化率為試驗(yàn)指標(biāo)，開展三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗(yàn)[16]，各因素編碼如表2所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab. 2 Factors and coding of experiment

試驗(yàn)中選擇反映整機(jī)作業(yè)效果的構(gòu)樹莖稈絲化率作為考核指標(biāo)，在試驗(yàn)作業(yè)離開地頭20 m后，每間隔5 m 在出口接取樣品1次，每次接取樣品不少于500 g。將3次樣品混合稱重，揀出其中不符合農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(NY/T 509—2015)秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范的莖稈，即挑出取樣中長(zhǎng)度大于18 cm，或者直徑大于5 mm 的莖稈，對(duì)其稱重后，按式(10)計(jì)算。

平均莖稈絲化率

(10)

式中：m1——樣品中超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的莖稈質(zhì)量，g；

m——樣品質(zhì)量，g。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 方差分析

根據(jù)Design-Expert軟件中的響應(yīng)曲面法進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析，以莖稈絲化率作為考核指標(biāo)，試驗(yàn)總共進(jìn)行17次，其中12組為析因點(diǎn)，5組作為零點(diǎn)，零點(diǎn)試驗(yàn)重復(fù)多次，以估計(jì)試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)方案和結(jié)果見表3。由表3可知在揉搓絲化級(jí)數(shù)為3級(jí)、莖稈切斷長(zhǎng)度為18 cm、揉搓板數(shù)為24個(gè)情況下，莖稈絲化率為95.6%，此時(shí)揉搓絲化效果最佳。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab. 3 Test design scheme and results

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Design-Expert軟件處理后，得出莖稈絲化率的方差分析結(jié)果，如表4所示。由表4中數(shù)據(jù)可知，揉搓絲化級(jí)數(shù)、莖稈切斷長(zhǎng)度、揉搓板數(shù)量對(duì)莖稈絲化率的影響各不相同。其中揉搓絲化級(jí)數(shù)的失擬項(xiàng)P<0.000 1，表明揉搓絲化級(jí)數(shù)對(duì)莖稈絲化率影響極顯著；莖稈絲斷長(zhǎng)度與揉搓板數(shù)量的失擬項(xiàng)分別為0.007 5和0.003 4均小于0.01，表明莖稈切斷長(zhǎng)度與揉搓板數(shù)量對(duì)莖稈絲化率的影響很顯著。為進(jìn)一步優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)表4中的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸，除去不顯著因素，得到莖稈絲化率與各因素編碼值間的二次多元回歸方程為

S=72.3+10.29X1+2.94X2+3.42X3+

1.07X1X2+1.15X1X3+0.45X2X3+

5.41X12+3.56X22+0.64X32

(11)

表4 莖稈絲化率的方差分析結(jié)果Tab. 4 Analysisresult of variance of straw silking rate

通過方差分析的結(jié)果可知所選的3個(gè)參數(shù)都是影響莖稈絲化率的主要因素；且影響莖稈絲化率因素的主次順序?yàn)槿啻杲z化級(jí)數(shù)、揉搓板數(shù)和莖稈切斷長(zhǎng)度。

3.3.2 響應(yīng)曲面分析

考慮構(gòu)樹絲化處理非單一因素作用的結(jié)果，所以應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析各因素交互作用對(duì)構(gòu)樹莖稈絲化率的影響，即固定3個(gè)因素中的1個(gè)因素為0水平，考察其他兩個(gè)因素對(duì)構(gòu)樹莖稈絲化率的影響[17]。

1) 當(dāng)揉搓板數(shù)控制為24個(gè)時(shí)，揉搓絲化級(jí)數(shù)及莖稈切斷長(zhǎng)度與莖稈絲化率的關(guān)系為

S=72.3+10.29X1+2.94X2+1.07X1X2+

5.41X12+3.56X22

(12)

具體變化規(guī)律如圖10所示，即當(dāng)揉搓板的數(shù)量為24個(gè)時(shí)，隨著揉搓絲化級(jí)數(shù)的增加，莖稈絲化率呈快速上升趨勢(shì)，完全符合串聯(lián)結(jié)構(gòu)的可靠性模型。這是因?yàn)樵谇o稈絲化過程，揉搓絲化級(jí)數(shù)的增加會(huì)使莖稈得到多次揉搓過程，從而顯著降低未被絲化的莖稈數(shù)量，提高構(gòu)樹飼料的絲化率，但過多的絲化級(jí)數(shù)，必然導(dǎo)致裝備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜和成本的上升；隨著莖稈切斷長(zhǎng)度的不斷增加，莖稈絲化率提高緩慢，但過長(zhǎng)的莖稈切斷長(zhǎng)度不僅影響反芻動(dòng)物采食過程的能量消耗，而且會(huì)增加揉搓板循環(huán)絲化的次數(shù)和揉搓強(qiáng)度，加大了構(gòu)樹飼料揉搓絲化過程的能耗，造成莖稈絲化率上升趨勢(shì)緩慢、甚至下降的趨勢(shì)。通過響應(yīng)面分析可知：在揉搓絲化級(jí)數(shù)為3級(jí)以及莖稈切斷長(zhǎng)度為18 cm時(shí)，構(gòu)樹飼料的莖稈絲化率達(dá)到95%以上，完全滿足構(gòu)樹飼料的發(fā)酵和反芻動(dòng)物的采食要求。

圖10 揉搓絲化級(jí)數(shù)與莖稈切斷長(zhǎng)度的交互作用Fig. 10 Effects of stem silking rate by kneadingnumbers and stem cutting length

2) 當(dāng)莖稈切斷長(zhǎng)度控制為15 cm時(shí)，揉搓板數(shù)及揉搓絲化級(jí)數(shù)與莖稈絲化率的關(guān)系

S=72.3+10.29X1+3.42X3+1.15X1X3+

5.41X12+0.64X32

(13)

具體變化規(guī)律如圖11所示，莖稈絲化率隨著揉搓絲化級(jí)數(shù)增加，莖稈絲化率快速上升，僅在揉搓絲化級(jí)數(shù)單因素作用下莖稈絲化率達(dá)到80%以上，符合串聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠性模型，但過多的揉搓絲化級(jí)數(shù)，必然增加了裝備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和制造成本的上升；隨著揉搓板數(shù)量的增加，在揉搓絲化級(jí)數(shù)與揉搓板數(shù)共同作用下莖稈絲化率達(dá)到90%以上，滿足構(gòu)樹飼料的發(fā)酵和反芻動(dòng)物采食的要求。

圖11 揉搓板數(shù)與揉搓絲化級(jí)數(shù)的交互作用Fig. 11 Effects of stem silking rate by kneading boards andstem cutting length

3) 當(dāng)揉搓絲化級(jí)數(shù)控制為2級(jí)時(shí)，莖稈切斷長(zhǎng)度及揉搓板數(shù)與莖稈絲化率的關(guān)系為

S=72.3+2.94X2+3.42X3+0.45X2X3+

3.56X22+0.64X32

(14)

具體變化規(guī)律如圖12所示，揉搓絲化級(jí)數(shù)僅為兩級(jí)時(shí)，此時(shí)構(gòu)樹莖稈的揉搓作業(yè)是由同莖稈還田機(jī)相似的結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，未采用揉搓板式揉搓裝置。其莖稈絲化率增長(zhǎng)較慢，絲化率較低。由此可見采用帶有揉搓板式揉搓裝置的三級(jí)揉搓絲化對(duì)莖稈絲化率效果明顯。

圖12 揉搓板數(shù)與莖稈切斷長(zhǎng)度的交互作用Fig. 12 Effects of stem silking rate by kneading boards andstem cutting length

通過前述分析與試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了影響莖稈絲化率的最佳參數(shù)為揉搓絲化級(jí)數(shù)為3級(jí)、莖稈切斷長(zhǎng)度為18 cm、揉搓板數(shù)為24個(gè)時(shí)，構(gòu)樹莖稈絲化率達(dá)到95.6%，完全符合構(gòu)樹飼料發(fā)酵與反芻動(dòng)物的采食要求，也滿足標(biāo)準(zhǔn)NY/T 509—2015《秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》[18-19]，其揉搓絲化后的產(chǎn)品如圖13所示。

圖13 構(gòu)樹飼料揉搓絲化效果Fig. 13 Silking effect of Broussonetia papyrifera

4 結(jié)論

1) 本文重點(diǎn)對(duì)構(gòu)樹收獲機(jī)揉搓絲化裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，確定了初級(jí)絲化裝置中莖稈喂入傾斜角度為45°、梳齒間隙為15 cm、莖稈切碎長(zhǎng)度一致性可以達(dá)到99.87%以及莖稈絲化處理的串聯(lián)級(jí)數(shù)為3級(jí)；采用可靠性設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)了莖稈三級(jí)絲化裝置確定了物料絲化率為95%的情況下應(yīng)選擇24根揉搓板，可滿足構(gòu)樹飼料發(fā)酵和反芻動(dòng)物采食要求，為整機(jī)結(jié)構(gòu)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

2) 利用Box-Behnken試驗(yàn)方法建立了影響構(gòu)樹莖稈絲化率的三個(gè)主要因素(揉搓絲化級(jí)數(shù)、莖稈切斷長(zhǎng)度、揉搓板數(shù))與莖稈絲化率的回歸方程；證明了最佳參數(shù)組合為揉搓絲化級(jí)數(shù)為3級(jí)、莖稈切斷程度為18cm、揉搓板數(shù)為24個(gè)時(shí)，莖稈絲化率達(dá)到95.6%，達(dá)到了構(gòu)樹飼料的發(fā)酵和反芻動(dòng)物的采食要求，滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)要求。