苜蓿調制試驗臺測控系統設計與試驗

宋占華 邢書侖 王 征 田富洋,3 王鋒德 李法德

(1.山東農業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.山東省農業裝備智能化工程實驗室， 泰安 271018； 4.中國農業機械化科學研究院， 北京 100083)

0 引言

苜蓿是優良的植物蛋白飼料。隨著畜牧業的發展，苜蓿的種植面積不斷增加，產業化規模也不斷加大。傳統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發酵變質的現象。同時傳統的苜蓿收獲方式生產效率低，蛋白質損失嚴重[1-2]。飼草的調制處理是指通過對飼草進行破節、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，從而抑制細胞呼吸作用，降低飼草的養分分解程度[3-4]。經調制處理后的苜?？梢韵o稈和葉片角質層與纖維素對水分蒸發的阻礙作用，加速莖稈水分蒸發，減少營養物質損失，對提高苜蓿的經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制機構，需利用帶有測控功能的試驗裝置對苜蓿進行調制試驗，從而對調制過程中的關鍵參數進行采集與分析，為進一步優化結構設計提供可靠依據。

國內外已有學者進行了相關研究。分別得到調制輥工作參數、調制輥結構形式以及調制輥材質對苜蓿等飼草作物的破碎作用、干燥速率以及蛋白質等營養物質損失量的影響程度，進而為苜蓿調制裝置設計提供了參考[8-11]。劉文峰等[12]基于LabVIEW和SQL Server開發了一套秸稈粉碎機測控系統，該系統能實時、精確地采集粉碎工況中刀輥轉速、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，該系統可動態測定耕整機的螺旋刀輥轉速、扭矩和功耗參數，實現了對耕整機田間作業功耗的實時測定。此外，還有學者設計開發了用于青貯飼料加工的調制裝置[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]等農作物切割特性的測控平臺。

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

1 整體結構和工作原理

1.1 整體結構

如圖1所示，試驗臺由變頻電動機、浮動輥、固定輥、調制輥間隙調節機構、傳動機構、喂料口、扭矩傳感器以及測控系統等組成。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，表面為人字齒結構，齒高為20 mm、齒寬為50 mm，兩調制輥之間的間隙為c，可根據喂入物料的尺寸調整c。圖2為調制輥示意圖。

試驗臺工作時，兩調制輥在傳動機構的驅動下等速反向旋轉，兩輥表面上的人字齒相互嚙合，從而實現對苜蓿的壓扁與彎折作用。為提高調制輥使用壽命，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為試驗臺主要技術參數。

表1 調制試驗臺技術參數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，打開測控系統程序，程序初始化完成后，啟動測控系統，將調制輥間隙調整至指定大小，開始數據采集并控制變頻器啟動試驗臺，待試驗臺運行平穩后開始喂入物料。試驗過程中，數據采集卡將實時采集傳感器數據，并在測控系統顯示界面上實時顯示與保存扭矩、轉速、功率以及壓力變化曲線及數據，待調制試驗完成后，依次停止數據采集工作和試驗臺運行，退出測控系統。

2 試驗臺測試與控制系統設計

2.1 測控系統硬件組成

圖4為測控系統硬件示意圖，測控系統硬件部分主要由電動機控制系統、數據采集系統、調制輥間隙調節系統以及安裝有LabVIEW軟件的上位機系統組成。電動機控制系統通過UT-208型通信轉換適配器與變頻器建立聯接，上位機通過發送與接收報文控制和監測電動機運行狀態，并在屏幕上實時顯示電動機功率曲線；數據采集系統通過研華USB-4711A型數據采集卡實時采集扭矩傳感器扭矩和轉速信號，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；調制輥間隙調節系統則通過控制電動推桿的伸縮量來精確調節浮動輥和固定輥之間間隙，并且通過液壓系統上的壓力傳感器時刻檢測浮動輥軸承座與間隙調節液壓缸之間的壓力變化；上位機系統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。

2.1.1電動機

試驗臺采用YVP型變頻調速三相異步電動機(徐州統一電動機有限公司)，該電動機具有調速范圍廣、運行平穩的特點，表2為電動機性能參數。

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

2.1.2數據采集卡

測控系統選用研華USB-4711A型數據采集卡，該數據采集卡自帶完備的驅動程序，其版本號為SDK-4.1.4.0，驅動程序安裝好之后將支持LabVIEW軟件對其進行編程控制，且研華公司開發出了一系列已封裝好的數據采集卡操作控件，用戶只需調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，該數據采集卡屬于即插即用設備，所有與總線相關的配置，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，操作簡便，抗干擾能力強。表3為數據采集卡性能參數。

表3 數據采集卡性能參數Tab.3 Performance parameters of data acquisition card

2.1.3變頻器

該測控系統采用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，可實現對變頻電動機的無級調速、正反轉控制以及電動機運行狀態的監測；當負載較大時，可通過內部PID調節系統穩定輸出頻率電壓和電流，保證電動機的穩定運轉；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送含有控制字的任務報文，變頻器在接收到報文之后，執行有效數據區的指令并向上位機返回含有狀態字(功率、轉速、扭矩等)的應答報文。

圖6為通信報文結構示意圖，上位機與變頻器之間的數據傳輸以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數的說明字節LGE、指明變頻器通信地址的地址字節ADR、向變頻器傳達動作指令及狀態字請求指令的PKW區和PZD區以及數據的異或校驗字節BCC。

2.1.4扭矩傳感器

系統選用TQ-660型扭矩傳感器(北京世通科創技術有限公司)，該傳感器可同時輸出扭矩信號和轉速頻率信號，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型信號變送器將轉速信號轉換為標準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為傳感器主要技術參數。

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

2.1.5調制輥間隙調節機構

為實現調制輥間隙快速準確調節，設計了圖7所示的調制輥間隙調節機構[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節液壓缸的活塞伸長量，間隙調節液壓缸安裝在浮動輥軸承座下方，當活塞伸長量發生變化時帶動浮動輥軸承座繞樞軸擺動，進而實現固定輥與浮動輥之間間隙的調節[23]。間隙調節完成后關閉截止閥，保持柱塞泵出油量不再發生變化。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)，可時刻監測浮動輥軸承座與間隙調節液壓缸之間的壓力變化。

表5為電動推桿技術參數，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，可通過閉環控制精確調節電動推桿位移量，從而實現對柱塞泵排油量的精準控制[24-25]。

表5 電動推桿技術參數Tab.5 Technical parameters of linear actuator

2.1.6防干擾措施

圖8為測控系統防干擾措施實物圖，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據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(科穩電氣有限公司)為傳感器單獨提供穩定電源。

2.2 測控系統軟件設計

2.2.1測控系統軟件

本測控系統基于LabVIEW軟件編寫，該軟件采用32位編譯的圖像化語言，用戶可通過調用模塊化的子函數，快速地進行虛擬儀器的開發，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，被廣泛應用于數據采集與分析以及儀器控制、測試測量等領域[28-29]。

2.2.2測控系統功能框圖

圖9為該測控系統功能框圖，本測控系統主要通過功能選擇控件運行指定功能程序：電動機控制系統子程序實現對苜蓿調制試驗臺的遠程控制及電動機運行狀態的監控；數據采集系統子程序實現固定輥與傳動軸之間的扭矩和轉速以及浮動輥軸承座與間隙調節液壓缸之間壓力參數的實時采集、顯示和存儲；調制輥間隙控制系統子程序實現對調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測控系統顯示界面

圖10為本測控系統的人機交互式界面，主要分為顯示區和控制區。顯示區可實時顯示固定輥與傳動軸之間的扭矩、轉速變化曲線，浮動輥軸承座與間隙調節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據。控制區則主要實現遠程控制試驗臺運行狀態，設定數據采集頻率及開始停止狀態，精確調節調制輥間隙等。

圖10試驗臺工況為：調制輥轉速660 r/min、調制輥間隙4 mm、調制輥單位工作長度喂入量3.8 kg/(m·s)，連續喂入3次苜蓿試樣。苜蓿通過調制輥時，由于阻力增加，固定輥與傳動軸之間扭矩上升、轉速下降，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，調節液壓缸內壓力越大；間隙減小，調節液壓缸內壓力降低；當間隙調整至設定值時，調節液壓缸內的壓力保持不變。試驗臺正常工作的情況下，當喂入的試樣較少時，調節液壓缸內的壓力變化不大，基本穩定；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，浮動輥對調節液壓缸的壓力變小，因此，調節液壓缸內的壓力降低。但由于拉桿和壓簧的作用，兩調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，恢復到間隙調整時的位置，調節液壓缸內的壓力恢復到原來的值。

2.2.4調制輥間隙調節子程序

圖11為調制輥間隙調節子程序框圖，該子程序利用數據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；利用數據采集卡的高速計數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算法實現了對間隙調節機構的閉環控制，控制精度為0.1 mm，提高了間隙調節系統的魯棒性和快速響應能力[30-32]。

2.2.5電動機控制與監測子程序

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

2.2.6數據采集子程序

圖13為數據采集系統程序框圖。數據采集子程序實現了對固定輥與傳動軸之間的扭矩、轉速以及浮動輥軸承座與間隙調節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據采集卡設備，設置采樣通道、采樣范圍以及采樣頻率。采樣過程中數據采集卡內部的先進先出(First input first output,FIFO)內存緩存器分為大小相同的前后兩個半區進行存儲，當數據采集卡半滿或全滿時系統將產生中斷，已滿半區中的數據被傳輸到用戶緩沖區，進而在前面板上進行顯示與保存，前后兩個半區交替循環存儲保證了傳感器信號的連續高速采集。

3 試驗

為驗證測控系統實際運行效果，2020年10月15日利用測控系統控制試驗臺對苜蓿進行不同條件下的調制試驗，如圖14所示。試驗材料取自國家草品種區域試驗站(山東農業大學資源與環境管理學院試驗站)，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Tab.6 Basic parameters of alfalfa samples

3.1 試驗指標確定

在確保苜蓿調制質量的前提下，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量物料所需要的凈能量，是設計苜蓿調制裝置時進行功率配備所必需的重要數據。利用自行開發的調制試驗臺測控系統和USB-4711A型數據采集卡測得固定輥與傳動軸在工作過程中扭矩動態變化過程，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——調制過程持續的時間，s

m——每次試驗喂入苜蓿的質量，kg

n——調制輥轉速，r/min

t0——調制開始的時刻，s

t1——調制結束的時刻，s

(2)壓扁率與壓扁損失率

根據國家標準[36-37]，將每次調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|量，g

mj——苜蓿試樣總質量，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的苜蓿總質量，g

3.2 試驗因素

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

(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]的作業速度1.92、3.24、4.56 km/h；根據切割器長度應大于壓扁輥長度[41]，并且試驗臺調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量[42]為15 000 kg/hm2，可得喂入量為0.64、1.08、1.52 kg/s，對應調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制質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，試驗結果如表8所示，表中A、B、C分別是調制輥轉速n、調制輥單位工作長度喂入量q、調制輥間隙c的因素編碼值。

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

表8 試驗方案及結果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中數據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對調制輥轉速、調制輥單位工作長度喂入量和調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個模型在試驗參數范圍內，擬合程度較高；模型決定系數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。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

根據表9試驗結果，可得調制輥轉速、調制輥單位工作長度喂入量、調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為調制輥間隙位于中心水平(3 mm)時，調制輥轉速和調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，調制輥單位工作長度喂入量一定時，單位能耗隨著調制輥轉速的升高先降低后升高；調制輥轉速一定時，單位能耗隨著調制輥單位工作長度喂入量的增加先降低后升高。圖15b顯示了調制輥單位工作長度喂入量位于中心水平(2.7 kg/(m·s))時，調制輥轉速和調制輥間隙對單位能耗的影響情況，由圖15b可知，調制輥間隙一定時，單位能耗隨著調制輥轉速的增加先降低后升高；調制輥轉速一定時，單位能耗隨調制輥間隙的增大先降低后升高。圖15c顯示了調制輥轉速位于中心水平(780 r/min)時，調制輥單位工作長度喂入量和調制輥間隙對單位能耗的影響情況，由圖15c可知，調制輥單位工作長度喂入量一定時，單位能耗隨著調制輥間隙的增大先降低后升高；調制輥間隙一定時，單位能耗隨著調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，當調制輥轉速為709.92 r/min、調制輥單位工作長度喂入量為 3.23 kg/(m·s)、調制輥間隙為3.96 mm時，單位能耗存在最優值，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顯示了調制輥間隙位于中心水平(3 mm)時，調制輥轉速和調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，調制輥單位工作長度喂入量一定時，苜蓿壓扁率隨著調制輥轉速的增大先升高后降低；調制輥轉速一定時，苜蓿壓扁率隨著調制輥單位工作長度喂入量的增加先升高后降低。圖16b顯示了調制輥單位工作長度喂入量位于中心水平(2.7 kg/(m·s))時，調制輥轉速和調制輥間隙對苜蓿壓扁率的影響情況，由圖16b可知，調制輥間隙一定時，苜蓿壓扁率隨著調制輥轉速的增加先升高后降低；調制輥轉速一定時，苜蓿壓扁率隨著調制輥間隙的增加而降低。圖16c顯示了調制輥轉速位于中心水平(780 r/min)時，調制輥單位工作長度喂入量和調制輥間隙對苜蓿壓扁率的影響情況。由圖16c可知，調制輥間隙一定時，苜蓿壓扁率隨著調制輥單位工作長度喂入量的增加先升高后降低；調制輥單位工作長度喂入量一定時，苜蓿壓扁率隨著調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，當調制輥轉速為806.62 r/min、調制輥單位工作長度喂入量為2.51 kg/(m·s)、調制輥間隙為2 mm時，苜蓿壓扁率存在最優值，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顯示了調制輥間隙位于中心水平(3 mm)時，調制輥轉速和調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，調制輥單位工作長度喂入量一定時，壓扁損失率隨著調制輥轉速的增大先降低后升高；調制輥轉速一定時，壓扁損失率隨著調制輥單位工作長度喂入量的增加先降低后升高。圖17b顯示了調制輥單位工作長度喂入量位于中心水平(2.7 kg/(m·s))時，調制輥轉速和調制輥間隙對壓扁損失率的影響情況，由圖17b可知，調制輥間隙一定時，壓扁損失率隨著調制輥轉速的增加先降低后升高；調制輥轉速一定時，壓扁損失率隨著調制輥間隙的增加而降低。圖17c顯示了調制輥轉速位于中心水平(780 r/min)時，調制輥單位工作長度喂入量和調制輥間隙對壓扁損失率的影響情況，由圖17c可知，調制輥間隙一定時，壓扁損失率隨著調制輥單位工作長度喂入量的增加先降低后升高；調制輥單位工作長度喂入量一定時，苜蓿壓扁率隨著調制輥間隙的增加而降低，但是，當調制輥單位工作長度喂入量最小時，壓扁損失率隨著調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，當調制輥轉速為740.24 r/min、調制輥單位工作長度喂入量為3.38 kg/(m·s)、調制輥間隙為4 mm時，壓扁損失率存在最優值，為2.36%。

3.5 最佳參數組合

通過響應面試驗，需要確定影響該試驗臺工作性能的最優參數組合，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，建立優化數學模型

(11)

利用Design-Expert 10.0.7軟件對回歸方程進行優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很難調整至理論求解的優化值，故選取一組接近于優化求解值的參數進行試驗驗證，參數值?。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

根據試驗優化分析得到的最優參數，于2020年10月24日在山東農業大學農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，故試驗結果與理論優化值之間存在一定差異，其中單位能耗高于理論最優值，其相對誤差為2.44%；苜蓿壓扁率低于理論最優值，其相對誤差為2.42%；壓扁損失率低于理論最優值，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優化需求。

4 結論

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

(2)通過二次正交試驗驗證了苜蓿調制試驗臺測控系統工作的可靠性以及數據采集的準確性。對試驗結果進行響應面分析，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軟件對模型進行優化，得出理論最優解為：調制輥轉速775 r/min、調制輥單位工作長度喂入量2.77 kg/(m·s)、調制輥間隙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%，試驗值與理論優化值之間的相對誤差小于3%，回歸模型可靠。