環模秸稈壓塊機秸稈壓縮力試驗研究

陳樹人，沈柳柳

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江　212013)

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環模秸稈壓塊機秸稈壓縮力試驗研究

陳樹人，沈柳柳

(江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江212013)

摘要：試驗采用四因素五水平二次回歸正交旋轉中心組合設計法，以水稻秸稈和稻殼為原料，主軸轉速、含水率、稻殼含量和秸稈長度為試驗影響因子，秸稈壓縮力為試驗指標，利用9JYK-2000A型環模秸稈壓塊機進行秸稈壓縮力試驗研究。結果表明：當主軸轉速為170r/min、含水率為20%、稻殼含量為30%、秸稈長度為15mm時，秸稈壓縮力有最佳值為20.407kN；各因素對環模秸稈壓塊機秸稈壓縮力貢獻率主次順序依次為：含水率>秸稈長度>稻殼含量>主軸轉速。試驗驗證可知：該組合下試驗值與試驗模型預測值之間相對誤差平均值為1.94%，可以為環模秸稈壓塊機壓縮機理研究和分析提供必要的參數依據。

關鍵詞：壓塊機；水稻秸稈；壓縮力；優化；因素分析

0引言

我國作為農業大國，秸稈資源豐富，分布廣泛[1-2]。據相關文獻統計，我國各類秸稈年產量約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，不僅浪費資源，而且污染環境[3]。自然狀態下農作物秸稈具有體積大、密度小、不便儲存及容易腐爛等缺點[4]。為此，提出了固化成型技術，即對松散的生物質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、便于運輸和儲存等優點。生物質材料經固化成型后成為一種高效清潔燃料，能量密度與中質煤相當，燃燒特性較成型前有明顯改善[5-6]。因此生物質固化成型技術是生物質能源利用的主要途徑之一。

國內外學者針對生物質壓縮特性和流變規律進行了深入研究[7-11]，但尚未系統分析不同因素對壓塊成型過程中秸稈壓縮力的影響規律。本文利用9JYK-2000A型環模秸稈壓塊機，以水稻秸稈和稻殼為對象，對影響秸稈壓縮力的因素進行二次回歸正交旋轉中心組合試驗和分析，優化試驗模型，得出最佳因素下的最優壓縮力，為環模秸稈壓塊機結構設計和優化改進提供數據參考。

1試驗材料與方法

1.1　試驗材料與設備

試驗所需材料和設備包括江蘇省丹陽地區種植的鎮稻413型水稻和該水稻稻殼；9JYK-2000A型環模秸稈壓塊機；小型液壓缸；液壓缸支架；SYB-2手動液壓泵；EPU-S系列矢量變頻器；FD-G2型高頻波數字水分儀；自動程烘干箱；鍘草機；卷尺；計重電子臺稱，精度0.01kg。

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

1.SYB-2手動液壓泵　2.9JYK-2000A型環模秸稈壓塊機

壓塊機停止工作后，立即將液壓缸支架置于壓塊機壓縮室內，小型液壓缸安放于液壓缸支架上且伸出端對準壓塊機環模孔，手動加壓使液壓缸將環模孔內的秸稈壓塊推出，記錄壓力表讀數。

1.2　試驗方法

將水稻秸稈用鍘草機鍘成5、10、20、25、30mm的草段，自然風干后進行調濕處理，并用FD-G2型高頻波數字水分儀對秸稈水分進行測量，達到所需含水率10%、15%、20%、25%、30%；通過計重電子臺稱稱取相應的稻殼，按照試驗組合與對應長度的秸稈均勻混合；試驗時，通過變頻器來調節壓塊機主軸轉速。機器運轉結束后，立即拆去圓滾筒，安置好液壓缸等設備，進行數據采集。

選擇主軸轉速、含水率、稻殼含量和秸稈長度為試驗影響因子，秸稈壓縮力為試驗指標，采用四因素五水平二次回歸正交旋轉中心組合試驗法進行試驗[12]。在現場現有生產條件下，確定各因素合適取值范圍以及水平劃分。試驗以2、1、0、-1、-2分別來代表自變量水平，臂長r=2，共36個處理組合。試驗因素及水平如表1所示。

表1　各變量水平編碼表

2試驗結果與分析

2.1　中心組合試驗方案及結果

試驗數據采用Design-Expert軟件中Central Composite試驗設計原理對數據進行回歸分析，并利用響應面分析法對雙因素間交互作用進行分析。試驗方案與結果如表2所示。

表2　試驗方案及結果

續表2

2.2　回歸模型建立及檢驗

借助Design Expert軟件對試驗結果進行分析，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軟件對輸入的試驗結果進行回歸方程方差分析和回歸系數顯著性檢驗，其分析結果如表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際相符合，可以用于對秸稈壓縮力的預測。根據表(3)中P值可知：模型中一次項X2、X3和X4影響極為顯著，而X1影響不顯著；二次項中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，其余各項均不顯著。由回歸方程中各因素系數絕對值可知：各因素對Y影響大小依次為X2、X4、X3、X1。

表3　回歸方程方差分析

續表3

2.3　單因素對秸稈壓縮力效應分析

圖2為單因素在其它因素為0水平時對秸稈壓縮力影響的一維曲線圖。由圖2可知：隨著主軸轉速的增加，秸稈壓縮力呈現下降后上升的趨勢，但變化較為平緩。這說明，在試驗過程中，主軸轉速對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，這是由于秸稈含水率高時，細胞間隙內水蒸氣增加使得木質素不能充分接觸凝結，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。這是因為適量稻殼能填充秸稈之間的間隙，使得秸稈壓塊對環模孔內壁正壓力增加，秸稈壓縮力也隨之增加；稻殼過多會使得秸稈壓塊難以成型，故秸稈壓縮力下降；隨著秸稈長度的增大，秸稈壓縮力呈上升趨勢，過長的秸稈會堵住環模孔并形成厚厚的秸稈層，增大了出料時秸稈的壓縮力。

圖2　單因素與秸稈壓縮力關系

2.4　模型交互項對秸稈壓縮力影響規律的分析

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

主軸轉速和稻殼含量對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，環模壓縮腔內稻草秸稈難以相互纏繞在一起形成秸稈壓塊，此時秸稈壓塊比較松散，壓塊模型與環模內壁正壓力較小，所形成的摩擦力相對較小，推出秸稈壓塊所需的壓縮力較小。秸稈壓縮力隨主軸轉速增大變幅度不大，故主軸轉速對秸稈壓縮力的影響不大。

圖3　主軸轉速與稻殼含量對秸稈壓縮力的影響

含水率和稻殼含量對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，含水率對秸稈壓縮力的影響比稻殼含量更顯著，與方差分析結果相同。

圖4　含水率與稻殼含量對秸稈壓縮力的影響

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

圖5　含水率與秸稈長度對秸稈壓縮力的影響

稻殼含量和秸稈長度對秸稈壓縮力的影響如圖6所示。當秸稈長度固定在某一水平時，隨著稻殼含量增加，秸稈壓縮力呈現由大到小的趨勢。這是因為加入適量稻殼可以填充秸稈之間的間隙，使得秸稈壓塊在環模孔內結合更緊密，增大了秸稈壓縮力；過量的稻殼含量會使環模孔內稻殼多于秸稈，物料之間松散，秸稈壓縮力急劇減小。當稻殼含量固定在某一水平時，秸稈壓縮力呈現由小到大的趨勢。這是由于較短的秸稈容易被壓輥擠壓進環模孔，而較長的秸稈容易堵住環模孔進料處，增大試驗中推出秸稈的壓縮力。從響應曲面可以看出：在秸稈長度為13~17mm、稻殼含量為25%~35%時，秸稈壓縮力比較穩定，此時有最佳秸稈壓縮力。

圖6　稻殼含量與秸稈長度對秸稈壓縮力的影響

2.5　工藝參數優化與試驗驗證

利用Design-Expert對參數進行優化，在轉速160~180r/min、含水率10%~30%、稻殼含量0~60%、秸稈長度5~25mm約束下，設定優化目標秸稈壓縮力在約束范圍內取最佳值。軟件優化工藝參數為：主軸轉速170r/min、含水率20%、稻殼含量30%、秸稈長度15mm，此時最佳秸稈壓縮力理論值為20.407kN。

為驗證軟件優化的工藝參數及秸稈壓縮力的可靠性，采用上述最優工藝參數進行5次試驗，試驗結果及與理論值的相對誤差如表4所示。5次試驗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　試驗結果及誤差

3結論

1)結合Central Composite試驗設計原理，采用四因素五水平二次回歸正交旋轉中心組合設計法，對影響秸稈壓縮力的因素及其交互作用進行分析，得出影響秸稈壓縮力的因素由大到小依次為含水率、秸稈長度、稻殼含量、主軸轉速；主軸轉速和稻殼含量之間、含水率和稻殼含量之間、含水率和秸稈長度之間稻殼含量和秸稈長度之間的交互作用對秸稈壓縮力影響顯著。

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

3)驗證試驗表明：最優工藝參數下實際平均秸稈壓縮力為20.810kN，與回歸模型的預測值之間相對誤差為1.94%，表明優化工藝參數組合可以作為實際秸稈壓塊生產的最佳依據，回歸模型方程可以用來預測秸稈壓縮力。

參考文獻：

[1]梁榕旺,徐淑莉.我國秸稈資源現狀及其利用[J].畜牧與飼料科學，2011(11):21-23.

[2]劉耀堂，李曉夢.我國農業秸稈的現狀與利用方法[J]． 北方環境，2011(7):150-155．

[3]劉建勝.我國秸稈資源分布及利用現狀的分析[D].北京:中國農業大學,2005.

[4]Sylvia Larsson.Fuel Pellet Production from Reed Canary Grass[D].Sweden:Doctoral Thess of Swedish University of Agricultural Scienses,2008:16-21．

[5]張百良.生物質成型燃料技術與工程化[M].北京：科學出版社，2012.

[6]崔明，趙立欣，田宜水，等．中國主要農作物秸稈資源能源化利用分析評價[J]．農業工程學報，2008，24(12)：291-296．

[7]Skalweit,H.Krafte und beanspruchungen in strohpressen[Force and stress in straw balers].In:4Konstruckteurkursus[J].PKTL-Schriften.Beuth:beuth-verreib,1938(88):30-35.

[8]Mewes,E.Verdichtungsgesetzmassigkeiten nach presstopfversuchen[Compression relationships as a result of experiments in pressure chambers][J].Landtechnische Forshung,1959,9(3):68-76.

[9]O′Dogherty M.J,Huber J.A.Dyson J,etal.A study of the physical and mechanical properties of wheat straw[J].J.Agri Engng Res， 1995， 62:133-142.

[10]FaborodeM.O,O’Callaghan J.R.Theoretical analysis of compression of fibrous.agrieultural materials[J].J.Agrie.Eng.Res,1986， 35(3):175-191.

[11]SudhagarMania, Lope G Tabilb, Shahab Sokhansan.j Specific energy requirement for compacting corn stover[J].Biore-source Technology,2006,97(12):1420-1426.

[12]陳樹人，段建，姚勇，等．環模式成型機壓縮水稻稈成型工藝參數優化[J]．農業工程學報，2013，29(22):32-41．

[13]劉寶軍. 秸稈壓塊機壓縮力試驗研究及環模有限元分析[D].呼和浩特:內蒙古農業大學，2009.

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：S817.11+5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0169-05

作者簡介：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。

基金項目：國家農業科技成果轉化資金項目(2013GB2C100182)；江蘇省農業科技支撐計劃項目(BE2013412)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(蘇政辦發[2014]37號)

收稿日期：2015-09-11