一體式煙稈拔稈破碎機工作參數優化與試驗

張大斌，舒成松，余朝靜，劉維崗，曹 陽，2

(1.貴州大學 機械工程學院，貴陽 550025；2.貴州科爾達客機電設備有限公司，貴陽 550003)

0 引言

煙稈作為煙葉生產過程中的特殊副產物，在煙葉采摘完畢后大多將被直接遺棄在田間，由于其含有煙堿或部分攜帶煙草病毒等，這種處理方式不僅造成土壤污染，同時也影響來年煙葉的生長，需在煙葉收獲后立即拔除[1]。而我國煙稈回收的機械化程度較低，回收環節費時費力，效率不高[2]。煙稈的資源化利用較廣，主要用于制備有機肥、提取化學原料、制作生物質燃料及造板等[3-4]。因此，近年來煙稈的回收與綜合利用成為研究熱點之一，而煙稈機械化回收設備是提升煙稈綜合利用效益的重要設備。

目前，煙稈回收有人工拔除和機械化回收兩種方式。人工拔除費時費力，經濟成本高，拔除不徹底，易殘留大量煙稈根莖[5]。機械化回收設備就目前國內煙稈拔稈機而言，一種(如青州華農4YG-lA型煙稈拔除機[6]和華盛泰山4JD-80型煙草拔除機等[7])通過蔸式拔稈刀輥將煙稈拔起后平鋪于田間，再進行二次收集和處理；另一種(如江蘇久泰JTBG-A型拔稈機[8])可以完成拔稈、破碎等作業功能，但在山區作業時存在含土率高、粉碎粒徑大等問題，區域整體適應性不強。

針對此問題，設計了一種集煙稈拔稈、拋擲、抓取、輸送、清理和破碎的一體式煙稈拔稈破碎機，并介紹了拔稈破碎機的總體結構和工作原理。為獲得較優的機具工作參數，保證作業質量，選取機組行進速度、刀輥轉速和對輥轉速等因素進行單因素試驗和Box—Behnken中心組合響應面優化試驗[9]，通過建立漏稈率和破碎粒徑合格率為響應指標的數學模型對其進行工作參數優化，得到最優的工作參數組合。

1 樣機總體結構

1.1 總體結構

一體式煙稈拔稈破碎機是一種集拔稈、破碎和收集功能為一體的多功能聯合作業煙草機械，主要由拔稈刀輥、對輥傳輸機構，破碎機構、三點懸掛裝置和液壓系統等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理及過程

一體式煙稈拔稈破碎機在田間作業時，由四輪拖拉機先把煙稈壓倒，刀輥液壓馬達通過鏈傳動驅動刀輥反向旋轉從煙壟底部切削土壤，使煙壟土壤疏松并將煙蔸掘出地面，在刀輥反轉力和齒梳的作用下將煙稈拋送至后部輸送對輥；對輥液壓馬達通過鏈傳動方式驅動輸送對輥Ⅱ上對輥，對輥Ⅱ上下對輥通過齒輪傳動進行驅動，再通過鏈傳動共同驅動各級對輥的運動，實現煙稈的輸送、煙蔸去土等工序；最后，在自動上下浮動對輥的作用下將煙稈強制喂入破碎機入口進行煙稈的破碎；破碎的煙稈顆粒在流場的作用下拋至收集裝置，實現煙稈的連續拔稈和破碎作業。

1.3 主要技術指標

外形尺寸/mm：3 100×2 000×1 100

作業指標/667m2·h-1：≥2

拔稈率/%:≥90

破碎粒徑/cm：≤4

1.刀輥 2.齒梳 3.輸送對輥Ⅰ 4.三點懸掛 5.刀輥液壓馬達 6.刀輥傳動減速箱 7.輸送對輥液壓馬達 8.輸送對輥Ⅲ 9.擺臂 10.輸送對輥Ⅳ 11.煙稈破碎機 12.破碎機液壓馬達 13.機架 14.殼體 15.輸送對輥Ⅱ 16.拔稈耕深調節輪

2 試驗設備與方法

2.1 試驗條件

為開展試驗，本項目組于2017年10-11月在貴州省安順市平壩縣十字鄉進行了樣機的田間拔稈破碎試驗，試驗對象為單壟種植模式下煙葉收獲后留下的完整煙稈。其壟高180～220mm，壟寬680～720mm，壟間距1 000～1 100mm，單壟長70m；煙株高度1 200～1 500mm,煙株距550～600mm,煙稈直徑25～40mm,煙蔸直徑為240～300mm；壟體平均含水率為21%，平均土壤硬度為945kPa，工作幅寬650～700mm,耕深150～200mm。試驗在未清除煙稈、雜草、地膜的條件下進行，可移動一體式煙稈拔稈破碎機配套動力為東方紅ME404拖拉機，功率為29.4kW，如圖2所示。

圖2 樣機田間試驗Fig.2 Field experiment of prototype

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗指標

作為煙稈拔稈破碎機械，對輥傳輸機構的傳輸快慢對拔稈效果有著重要影響。傳輸速度過快，會造成單位時間內進入破碎機入口的喂入量過大，破碎粒徑大；傳輸速度過慢，會導致刀輥處煙稈堆積，影響漏稈率。因此，將漏稈率B、破碎粒徑合格率P作為機具試驗評價的2個指標[10-11]。

1)漏稈率B。

(1)

其中，B為漏稈率(未拔起或拔起未傳輸到破碎機構)(%)；N1為成功拔起煙稈并傳輸到破碎機入口處煙稈數；N為單壟煙稈數。

2)破碎粒徑合格率P。

(2)

其中，P為破碎粒徑合格率(%)；m0為4cm(課題要求粒徑指標)以下的破碎煙稈顆粒的質量,通過篩孔篩選再稱重(kg)；m為總的煙稈顆粒的質量(kg)。

2.2.2 試驗設計

一體式煙稈拔稈破碎機是拔稈、傳輸、破碎的聯合作業，通過前期的結構設計和理論分析可知：影響其試驗指標的主要因素為機具的行走速度、刀輥轉速和對輥轉速。試驗先開展主要因素的單因素試驗，得到作業性能較好的工作參數范圍，在此基礎上利用Box—Behnken中心組合響應面優化試驗對工作參數進行優化，再將優化結果作為試驗參數進行田間試驗，驗證其優化模型的可靠性。在本試驗中，為提高試驗精確性及可比性，選擇試驗條件近似的5壟煙稈進行5組拔稈破碎試驗，并在拔稈破碎機安裝轉速傳感器和無紙記錄儀，便于確定試驗過程中上述的參數值。

1)單因素試驗。為得到刀輥轉速、傳輸對輥轉速及機組行進速度對漏稈率和破碎粒徑合格率的影響，分別開展其影響因素的單因素試驗。將破碎機轉速設定為1 440r/min，對輥傳輸速度551r/min，保持刀輥轉速140r/min，根據課題作業要求0.37m/s(2×667m2/h)，故將機組行進速度分別設置為0.19、0.28、0.37、0.46、0.55m/s開展試驗。保持機組行進速度0.37m/s，對輥傳輸速度設定為551r/min，根據山地拔稈機初步試驗，刀輥轉速為140 r/min時，拔稈率為92.3%，故依次將刀輥轉速設置為80、110、140、170、200r/min考查刀輥轉速對試驗指標的影響。保持保持機組行進速度0.37m/s，設定刀輥傳輸速度為140r/min，根據設計計算的理論結果對輥傳輸速度551r/min，依次改變對輥傳輸速度為451、501、551、601、651r/min，記錄相應的試驗數據。

2)多因素試驗。考慮到個參數的相互影響，根據單因素試驗結果，以機組行進速度(A)、刀輥轉速(B)、對輥轉速(C)為試驗因素，漏稈率、破碎粒徑合格率為評價指標，因素水平表如表1所示。

表1 響應面因素水平編碼表Table1 Response surface Factor level code table

3 結果與分析

3.1 單因素試驗

3.1.1 機組行走速度

試驗時，通過控制拖拉機的油門和制動器來控制拖拉機的前進速度。隨著行走速度的增加，破碎粒徑合格率呈先上升后下降趨勢，漏稈率呈上升趨勢，如圖3所示。其原因是機組行進速度越快，單位時間內拔起煙稈數量增加，齒梳及刀輥的相互作用不能及時將煙稈拋送至傳輸對輥，導致在旋耕刀輥處堆積或者散落至壟間，致使煙稈的漏稈率增加；此外，還會導致多根含土率較高的煙稈同時進入對輥Ⅰ傳輸機構，使煙稈的破碎粒徑增大。綜合考慮，選擇較適合的機組的前進速度為0.28～0.46m/s。

圖3 不同機組行進速度下的漏稈率和破碎粒徑合格率Fig.3 Leaking stem rate and broken grain percent of broken grains at the traveling speed of different units

3.1.2 刀輥轉速

刀輥轉速對漏稈率和破碎粒徑合格率關系如圖4所示。刀輥轉速過低時，煙稈不能及時地拔起并拋送至輸送機構，散落在壟間，同時拋土效果不佳，拔起的煙稈煙蔸處含有大量的土壤，致使煙稈漏稈率較高；隨著轉速的增加，漏稈率呈下降趨勢，破碎粒徑合格率呈先增加后減少趨勢，但當轉速達到170r/min以上時，漏稈率下降趨勢漲幅不大，此時的功耗加劇，增加整個液壓系統的負載。綜合考慮，選擇較適合的刀輥轉速為110～170r/min。

圖4 不同刀輥轉速下的漏稈率和破碎粒徑合格率Fig.4 The rate of leakage and the qualified rate of broken grains at the rotational speed of the different cutter rolls

3.1.3 對輥轉速

對輥轉速對漏稈率及破碎粒徑合格率的關系如圖5所示。對輥轉速過低時，傳遞煙稈量小，導致漏稈率高；隨著對輥轉速的增加，拔起的煙稈成功傳輸到破碎機比例增加，會導致送入破碎機入口處的煙稈喂入量過大，使破碎粒徑增大。綜合各項評價指標及功耗，對輥轉速為501～551r/min時的拔稈破碎效果較優。

圖5 不同對輥轉速下漏稈率和破碎粒徑合格率Fig.5 The rate of leakage of stem and the qualified rate of broken grain at different roller speed

3.2 多因素試驗

3.2.1 試驗方案及結果

試驗設計中考慮了各因素的交互效應，因此采用響應曲面分析法，應用Box—Behnken法設計的試驗方案[12-13]及結果如表2所示。

表2 試驗方案及結果Table 2 Design scheme and test result

續表2

3.2.2 試驗結果分析

在Design-Expert8.06曲面分析軟件中建立以漏稈率、破碎粒徑合格率為響應指標的二次多元回歸方程，對響應指標的3個因素進行顯著性檢驗與分析，得到響應面模型及方差分析結果如表3所示。

漏稈率的回歸方程為

Y1=361.9-187.8X1-0.77X2-0.95X3+

0.06X1X2-0.07X1X3+0.006X2X3+

(3)

破碎粒徑合格率的回歸方程為

Y2= -411.8+4.97X1+0.3X2+1.8X3+

0.46X1X2+0.19X1X3-0.003X2X3-

(4)

其中，Y1為漏稈率；Y2為破碎粒徑合格率；X1為機組行進速遞；X2為刀輥轉速；X3為對輥轉速。

表3 回歸統計分析結果Table 3 Regression statistical analysis results

3.2.3 漏稈率及破碎粒徑合格率響應曲面分析

一體式煙稈拔稈破碎機前進速度X1、刀輥轉速X2、對輥轉速X3對漏稈率和破碎粒徑合格率交互作用的響應曲面如圖6所示。

圖6(a)、(b)中：當對輥轉速為551r/min時，隨著機組行進速度和刀輥轉速的增加，漏稈率呈先降低后升高的趨勢，破碎粒徑合格率呈先增加后降低的趨勢。機組行進速度快，在有限的傳輸機構腔體內單位時間內拔起煙稈的數量增加，會導致煙稈堵塞掉至壟間；刀輥轉速過低，拔起的煙稈不能拋送至傳輸機構，導致拔起的煙稈堆積在刀輥處，使漏稈率增加。同時，刀輥轉速較低時，煙稈成功拔起并拋送至輸送機構的量少，導致破碎粒徑合格率較低，但轉速及行進速度過快時會導致多根煙稈同時進入破碎腔，使破碎粒合格率降低。

圖6(c)、(d)中：當刀輥轉速為140r/min時，漏稈率隨著機組行進速度和對輥轉速的增加呈先降低后升高的趨勢，破碎粒徑合格率呈先升高后降低的趨勢。機組行進速度過高和對輥轉速過低會導致拔稈量和傳輸量之間不匹配，超過傳輸量的煙稈將會被拋送至壟間，使漏稈率增加；當對輥轉速和行進速度均較低時，喂入破碎腔的煙稈量少，對輥轉速及行進速度過高時，多根煙稈會被迅速喂入破碎腔，使破碎粒徑減少。

圖6(e)、(f)中：當機組行進速度為0.37m/s時，漏稈率隨對輥轉速和刀輥轉速的增加呈先降低后升高的趨勢，破碎粒徑合格率先升高后降低的趨勢。刀輥轉速過低，煙稈不易成功拋送至輸送機構；刀輥轉速及對輥轉速均過高時，對輥輸送機構不能即時將全部煙稈輸送至破碎腔，使漏稈率值均偏高；當刀輥轉速過低時，成功拔起并拋送至破碎腔的煙稈量少，對輥轉速過高時，單位時間喂入破碎腔的煙稈量大，使破碎粒徑合格率值均偏低。

根據所建立的響應面優化模型和試驗指標的回歸方程，應用軟件Design-Expert8.06中Optimization-Numerical模塊對回歸方程模型在該目標下進行優化求解[14]。將漏稈率目標求極小值，破碎粒徑合格率目標求極大值，得到最優的拔稈破碎機工作參數為：機組行進速度0.37m/s、刀輥轉速140r/min、對輥轉速551r/min時，漏稈率為4%，破碎粒徑合格率為93.8%。為驗證模型(3)、(4)的可靠性，利用優化后的工作參數開展6次煙稈的拔稈破碎試驗，試驗數據取平均值，得到漏稈率為4.6%，破碎粒徑合格率為92.63%。優化后的作業參數下的實際漏稈率和破碎粒徑合格率與優化值基本相符，且能達到課題的試驗技術指標。因此，所建立的回歸模型基本可靠，具有一定應用價值。

圖6 交互因素對漏稈率和破碎粒徑合格率的影響Fig.6 The influence of interaction factors on the rate of missing stalk and the qualified diameter of broken grains in

4 結論

1)介紹了一體式煙稈拔稈破碎機的結構及工作原理，并進行了單因素試驗及響應曲面法試驗分析，結果表明：隨著對輥轉速、機組行進速度和刀輥轉速的增加，漏稈率呈先降低后升高的趨勢，破碎粒徑合格率先升高后降低的趨勢，表明兼顧兩個評價指標時煙稈拔稈破碎機的工作參數應取中間值。

2)基于Design-Expert中的Optimization-Numerical模塊對回歸方程模型進行目標優化求解，通過優化后得到拔稈破碎機工作最優參數為：機組行進速度0.37m/s，刀輥轉速140r/min，對輥轉速551r/min。此時，漏稈率為4%，破碎粒徑合格率為93.8%。

3)采用最優參數組合進行了田間試驗，得到漏稈率為4.6%，破碎粒徑合格率為92.63%。優化后的作業參數下的實際漏稈率和破碎粒徑合格率與優化值基本相符，優化后的工作參數具有一定實用價值。