齒輥式飼草作物調制試驗臺設計與試驗

李法德 邢書侖 田富洋,3 閆銀發,3 王 瑾 宋占華

(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.中國農業機械工業協會， 北京 100083)

0 引言

隨著飼草作物種植面積的不斷增加，飼草加工機械的需求量也越來越大[1-3]。青貯玉米、王草、甜高粱等秸稈類作物的表皮與節處較硬，且籽粒難以破碎，需要利用調制機械對其進行破節、表皮軟化、籽粒破碎等調制處理[4]。飼草作物的調制處理可以加速作物秸稈的水分蒸發、降低飼草營養物質的損失，同時有利于飼草作物的貯藏利用，對提高飼草的青貯價值和經濟效益具有重要意義[5-6]。

飼草作物機械調制的基本方法一般包括：①利用兩個轉速相同光滑圓柱輥進行壓扁或壓碎。②利用兩個轉速不同且表面刻有尖銳溝槽的圓柱輥進行截碎、砍碎或剁碎。③利用兩個高低不平的平面將飼草作物籽粒磨碎，如磨盤。④利用錘片的飛速旋轉將飼草作物自由錘擊而破碎。為了保證飼草作物的調制質量，大部分工作部件通常結合兩種或幾種方法進行作業。由于無法保證籽粒全部破碎或過度研磨使物料產生的粉末較多，壓扁法和磨碎法應用較少。國內外學者對錘片式和齒輥式飼草作物調制機械研究較多。錘擊式粉碎法具有生產效率高、機械結構簡單、產生粉末少等優點，已成為目前最常用的方法，部分學者通過對錘片式飼草作物加工機械進行結構優化得到了較為合理的工作參數[7]。與錘擊式粉碎法相比，齒輥式粉碎法既能將飼草作物壓扁、壓裂，又能將其截碎、剁碎，并且通過調節兩個調制輥之間的間隙可精確控制物料的粉碎程度，其調制效果好、工作效率高，適用于大部分籽粒飼草料[8]。文獻[9-10]對刀盤周圍布置的拋送葉進行改進，形成既有拋送功能又有揉搓功能的揉搓葉片，通過試驗驗證了該揉搓裝置對飼草作物具有較好的調制效果；LISOWSKI等[11-12]研究了秸稈切斷和揉搓過程的功耗變化規律和粉碎后的物料在出料口處的運動規律，并建立了相應的數學模型；叢宏斌等[13]利用三維設計軟件開發了錐輥式玉米秸稈揉搓裝置,并進行了樣機試制與試驗，證明了其工作有效性。

現有研究大多通過對機械結構的改進來提高飼草作物的調制效果，對調制機械的能耗問題研究較少。本文設計一種齒輥式飼草作物調制試驗臺，通過調制輥間隙調節機構改變調制輥的間隙，以適應不同飼草作物的加工需求，浮動輥可自適應不同喂入量時的工況，以防止堵塞。基于LabVIEW軟件開發飼草作物調制試驗臺測控系統，系統可遠程控制試驗臺的運行，實時采集固定輥與傳動軸之間的扭矩和轉速信息，進而得到試驗臺在不同工況下的能耗，以期為飼草作物調制裝置的研制和動力配備提供可靠的數據參考和理論依據。

1 整體結構和工作原理

如圖1所示，試驗臺由喂料口、傳動機構、間隙調節機構、機架、浮動輥、固定輥、電動機、扭矩傳感器以及測控系統等組成，具有防堵塞，穩定性好，工作效率高等特點。

該試驗臺通過一對相向轉動的差速齒輥完成調制作業。工作時，電機將動力通過傳動帶傳遞到固定輥，此時固定輥帶輪作為主動帶輪通過雙面V形帶帶動浮動輥反向轉動，同時由于固定輥與浮動輥上帶輪的基準直徑不同，使得兩調制輥之間產生速度差。當物料進入兩調制輥之間時，在兩輥的差速運動中受到擠壓、剪切、摩擦等多種作用而破碎[14]。當喂入量過大或有異物進入調制輥時，浮動輥受擠壓與軸承座一起繞樞軸擺動，間隙增大從而使異物通過，同時作用在軸承座上的壓力機構使浮動輥與固定輥之間始終保持一定的壓力。固定輥與傳動軸之間安裝有扭矩傳感器，并通過測控系統實時采集固定輥與傳動軸之間的扭矩、轉速。試驗臺主要技術參數如表1所示。

表1 調制試驗臺技術參數

2 關鍵部件設計與分析

2.1 調制輥設計

青貯玉米在蠟熟期收獲時，籽粒和莖節難以破碎，在對其進行貯藏的過程中需利用調制機械對籽粒和莖節進行壓扁和破碎作業，否則牲畜瘤胃難以消化[15-16]。調制機構的主要工作部件是一對直徑和長度相同、轉向相反的調制輥。工作時，兩調制輥之間存在一定的速度差，物料顆粒在兩調制輥之間受到擠壓、剪切、摩擦等作用而被壓扁或破碎。調制輥直徑是工作性能的重要因素，直徑越大，粉碎區越長，粉碎程度越強。調制輥直徑應根據顆粒尺寸及顆粒對調制輥表面的摩擦角而定。

如圖2所示，兩個半徑為R的調制輥，若將物料顆粒看成對稱的幾何體，則工作時物料顆粒在點A1和A2處分別受到正壓力P、P′，由此產生沿輥面切向的摩擦力T、T′。當兩調制輥轉速相同時有P=P′、T=T′。為保證調制輥能將物料顆粒扎入破碎區，必須滿足以下條件

(1)

其中

f=tanφ

(2)

式中α——入扎角，力P與對輥中心連線O1O2的夾角，(°)

f——摩擦因數

φ——物料對調制輥工作表面的摩擦角，(°)

由幾何關系可求得入扎角α為

(3)

(4)

式中r——物料顆粒大弧形半徑，mm

b——物料顆粒厚度一半，mm

a——物料顆粒長度一半，mm

c——調制輥間隙，mm

結合入扎條件可得輥筒最小直徑為

(5)

(6)

通過式(6)可以看出，調制輥直徑和顆粒直徑越大、調制輥間隙越小，破碎區長度越長，物料產生粉末越多，損失越嚴重。因此在滿足剛度和強度的前提下輥筒直徑不宜過大，根據粉碎機的經驗參數，調制輥直徑D一般取150～300 mm，同時借鑒國內外調制輥的形狀參數[17-18]，在設計時調制輥直徑D選為200 mm，材料選用65Mn。

為增強調制輥對物料的剝刮、剪切、撕裂和研壓作用，在調制輥表面開有較淺的溝槽，溝槽的截面形狀為鋸齒形。對于鋸齒形結構來說，輥齒高度和刃角都會影響物料的破碎效果，輥齒的高度越高、刃角越小，則調制輥對物料的剝刮、剪切作用越強，物料破碎效果越好，但是調制輥的耐磨性變差，易出現齒刃磨鈍甚至卷刃的現象；反之，輥齒的高度越低、刃角越大，則調制輥對物料的撕裂和研壓作用越強，物料和調制輥之間的摩擦力增大，進而導致機器能耗增加并出現莖稈拉絲的現象，物料調制效果變差。在綜合考慮試驗臺能耗情況和物料調制效果等因素后，將輥齒的高度設計為6 mm，刃角設計為54°。將齒面較寬的面定義為鈍面，齒面較窄的面定義為鋒面，兩調制輥采用鋒對鋒組合方式，圖3為調制輥齒形圖和組合方式示意圖。

2.2 調制輥模態分析

模態分析是計算結構振動特性的數值技術，結構振動特性包括固有頻率和振型[19]。對調制輥進行模態分析是為了確立調制輥的各階固有頻率和振型，避免其在工作過程中發生共振[20]。利用有限元軟件對調制輥按照實際工況進行約束模態分析，即在軸肩處施加Cylindrical Support圓柱面約束以模擬軸承對調制輥的支撐和固定作用，仿真以總變形量為研究目標，取前6階進行分析[21]。

調制輥主要由輥筒、軸與兩端法蘭盤組成，其中輥筒材料為65Mn，彈性模量206 GPa，密度7 850 kg/m3，泊松比0.28，屈服強度430 MPa；軸與法蘭盤為45鋼，彈性模量210 GPa，密度7 800 kg/m3，泊松比0.3，屈服強度355 MPa[22]。給零件賦予材料并進行六面體單元網格劃分，劃分后共產生節點72 586個，單元25 851個。

圖4為前6階振型圖。由圖4可知，1階變形表現為輥筒整個圓周方向上的變形；2階、3階最大變形體現在輥筒內部軸的彎曲上，且兩者彎曲方向不同，為將最大變形展現，將輥筒隱藏；4階最大變形為兩側法蘭盤均向Z軸方向鼓出，同時輥筒兩側產生變形，5階、6階最大變形表現為輥筒中間變扁，且兩者變形角度不同。表2為各階對應固有頻率和最大變形量，快輥在工作時的最高轉速4 000 r/min，根據調制輥轉速與振動頻率的換算關系n=60ν得快輥的最高激振頻率為66.67 Hz，遠低于調制輥的最低固有頻率434.08 Hz，因此調制輥在工作過程中不會產生共振現象。

表2 調制輥模態分析結果

2.3 調制輥間隙調節機構設計

如圖5所示，調制輥間隙調節機構主要由柱塞泵、間隙調節液壓缸、轉動軸承座、樞軸、樞軸壓塊、拉桿以及壓縮彈簧等組成。下調制輥作為固定輥與固定軸承座一起安裝在大側板上，上調制輥作為浮動輥則安裝在浮動軸承座上，浮動軸承座的固定端為半開式，可繞樞軸轉動，浮動端則裝有拉桿和壓縮彈簧，可通過調節彈簧座下方的螺母改變浮動輥與固定輥之間的調制壓力。在試驗臺工作過程中，當喂入量過大或有異物通過調制輥時，浮動輥可繞樞軸向上跳動，以避免試驗臺發生堵塞。當浮動輥發生跳動時，在壓縮彈簧和拉桿的作用下，使浮動輥與固定輥之間始終保持一定的壓力，從而改善了調制輥對物料的壓扁效果。浮動軸承座下方安裝有間隙調節液壓缸，其推桿中心位置與上、下調制輥初始位置的軸心連線重合。調節兩調制輥的間隙時，通過改變柱塞泵的排油量來控制間隙調節液壓缸活塞的伸縮量，在活塞的作用下，浮動軸承座帶動浮動輥以樞軸為中心逆時針擺動，從而調節兩調制輥之間的間隙[23]。

如圖6所示，點O為樞軸的軸心，點O1為固定輥軸心，點O2為浮動輥軸心的初始位置。初始位置時，兩調制輥的頂圓相切。當浮動輥繞樞軸逆時針擺動時，其軸心變為O′2，點M為點O′2在O1O2連心線延長線上的投影。兩調制輥頂圓半徑分別為R1、R2，間隙調節液壓缸的柱塞伸長量為h，上下調制輥之間的間隙為c，建立兩者之間的數學模型：

為了便于排屑，防止刀具各局部同時參與切削（減小切削力），每一刀具的切削局部的起始點在軸向具有一定的距離，同時也增大了容屑空間，使排屑順暢，防止前后刀面切下的切屑相互纏繞和堵塞。

調制輥間隙c與調制輥半徑之間的關系式為

c=lO1O′2-(R1+R2)

(7)

初始位置時，兩調制輥頂圓相切，即

lO1O2=R1+R2

(8)

由直角梯形OO2MO′2和三角形O1MO′2中的幾何關系可得調制輥間隙c與間隙調節液壓缸的活塞伸長量h之間的關系式為

(9)

將R1=R2=100 mm，lOO2=150 mm代入式(9)得

(10)

根據間隙調節機構浮動輥質量以及工作時拉桿的拉力，選擇載質量10 t、活塞行程25 mm的間隙調節液壓缸；為減少浮動輥恢復原位時，對間隙調節機構液壓系統造成的沖擊，選用容量為0.4 L、公稱壓力為31.5 MPa的囊式蓄能器作為補償，從而使系統壓力保持穩定，圖7為間隙調節機構液壓系統示意圖。

2.4 調制輥快速更換機構設計

為方便調制輥的快速更換，設計了一種可快速拼裝的側板結構。圖8為固定輥裝配體，即固定輥安裝到固定軸承座上，并將固定軸承座通過螺栓連接到兩側小側板上。大側板空隙間的上下面均有V形凸臺，小側板上下面則分別開有V形凹槽，兩者相互配合，安裝時只需將下輥裝配體推入到大側板中并通過側板連接塊用螺栓將大側板與小側板固定在一起即可實現快速更換調制輥。

2.5 測控系統設計

如圖9所示，該測控系統硬件部分主要由工控機(研華)、USB-4711A數據采集卡(研華)、TQ-660型扭矩傳感器(北京世通科創技術有限公司)、變頻器(17.5 kW、西門子V20系列)、UT-208型通訊轉換適配器(宇泰科技有限公司)、KCPD-55D-B型信號隔離器(上海肯創儀器儀表有限公司)、電抗器、濾波器等組成。上位機系統一方面通過通訊轉換適配器與變頻器建立通訊，進而遠程控制和監測電動機運行狀態；另一方面通過數據采集卡實時采集扭矩傳感器的扭矩和轉速信號，為提高測量信號的準確度，扭矩傳感器信號輸出端安裝有信號隔離器[24]。

如圖10所示，該測控系統是基于LabVIEW軟件開發完成，具有良好的人機交互式界面。系統界面分為顯示區和控制區，顯示區可實時顯示扭矩傳感器的扭矩和轉速變化曲線，并保存采樣數據和采樣時間；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等。

3 調制試驗臺性能試驗

于2020年9月18日進行三因素三水平響應面試驗，試驗材料為飼玉2號青貯玉米。試驗前將玉米莖稈按照長度進行三等分，由頂部到根部依次為分為上部、中部和下部。參照國家標準[25]中水分的測量方法，利用水分測定儀(0.001 g，ZTXY-101型，濰坊中特電子儀器有限公司)測得青貯玉米莖稈上部、中部、下部含水率分別為82.1%、76.3%、73.4%，籽粒含水率為34.7%。

參照國家標準[26]中對青貯玉米收獲機切段長度的要求，利用鍘切裝置將青貯玉米莖稈和玉米穗鍘切至長度2～3 cm，并將莖稈株數與果穗個數按照1∶1的比例均勻混合后，利用電子天平(0.1 g，ACS-6型，永康市香海衡器廠)進行稱量取樣，圖11為試驗用青貯玉米試樣。

試驗過程中通過測控系統遠程控制試驗臺的工作狀態，并實時采集扭矩傳感器的扭矩和轉速。試驗臺出料口處安裝有編織袋，可對調制后的青貯試樣進行收集；試驗結束后，采用十字交叉法取出莖稈試樣1 500 g，籽粒試樣1 000 g，用于評價試驗臺工作性能。圖12為試驗現場。

3.1 試驗因素

通過單因素試驗得到對試驗臺工作性能影響較為顯著的3個因素為：調制輥轉速、調制輥間隙和喂入量。試驗時選取固定輥(慢輥)轉速為675、1 012、1 350 r/min，對應調制輥頂圓線速度分別為7.07、10.60、14.14 m/s；借鑒國外青貯收獲機上調制輥的工作參數，浮動輥(快輥)與固定輥之間的速度差選取為20%[18]；根據喂入物料選取調制輥間隙為2、3、4 mm；根據青貯玉米收獲機田間實際作業工況可知，喂入量與作業速度關系式為

(11)

式中Q——喂入量，kg/s

v——機組行駛速度，m/s

M——青貯玉米產量，kg/hm2

B——割幅，m

試驗臺調制輥有效工作長度為0.4 m，根據切割器長度應大于調制輥長度，假設小型青貯玉米收獲機割幅為0.8 m，青貯玉米平均產量為45 000 kg/hm2，雜草在試驗前已清除，青貯玉米收獲機作業時平均速度為3.5、4.5、5.5 km/h，可得調制輥單位工作長度喂入量為8.75、11.25、13.75 kg/(m·s)。

3.2 試驗指標

調制試驗臺工作能耗是評價試驗臺工作性能的重要指標，同時需要對試驗臺作業效果進行評判，因此本文選取單位能耗、莖稈破節率、籽粒破碎率作為試驗指標。

(1)單位能耗

單位能耗是指破碎或者揉搓單位質量物料所需要的凈能量，利用自行開發的調制試驗臺測控系統以及USB-4711A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，進而計算得單位能耗，單位能耗計算公式為

(12)

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——空載時扭矩，N·m

t——時間，s

m——青貯玉米質量，kg

n——固定輥轉速，r/min

t0——調制開始時刻

t1——調制結束時刻

T(t)——t時刻扭矩，N·m

(2)莖稈破節率

參照國家標準中莖稈破節率計算方法[27]，對青貯玉米莖稈調制后的破節率進行測定，以試樣中的莖稈為測量對象，莖稈破節率計算公式為

(13)

式中Y2——莖稈破節率，%

mp——破裂成兩瓣及以上的莖稈質量，g

mj——試樣中莖稈總質量，g

(3)籽粒破碎率

青貯玉米籽粒破碎率計算公式為

(14)

式中Y3——籽粒破碎率，%

Gt——破碎成兩瓣及以上的籽粒總質量，g

Gj——試樣中籽粒總質量，g

3.3 試驗設計

為了研究不同試驗因素對試驗臺工作指標的影響程度以及各試驗因素之間的交互作用，試驗采用Box-Behnken試驗方法，進行響應面試驗，試驗因素編碼如表3所示，試驗結果如表4所示，表中A、B、C分別是固定輥轉速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3 青貯玉米調制試驗因素和水平

表4 試驗設計方案及響應結果

3.4 回歸模型建立與顯著性檢驗

利用Design-Expert 10.0.7軟件對表4中數據開展多元回歸擬合分析，建立單位能耗Y1、莖稈破節率Y2及籽粒破碎率Y3對固定輥轉速n、調制輥單位工作長度喂入量q以及調制輥間隙c等3個自變量的二次多項式響應面回歸模型，建立模型為

Y1=8 145.58-0.78n-681.81q-1 040.66c+0.003 2nq+0.31nc-12.63qc+0.000 2n2+30.30q2+120.47c2

(15)

Y2=92.88+0.006 3n+0.20q-1.37c+1.81nq+0.001 3nc-0.085 0qc-0.000 004n2-0.02q2+0.09c2

(16)

Y3=101.67+0.02n-1.60q-3.54c-0.000 03nq+0.000 08nc+0.034qc-0.000 007n2+0.06q2+0.34c2

(17)

由表5可知，單位能耗Y1、莖稈破節率Y2、籽粒破碎率Y3的P分別為0.002 4、0.000 6、0.003 6(均小于0.01)，表示影響極顯著。其失擬項的P分別為0.067 3、0.805 1、0.154 9(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；其決定系數R2分別為0.933 5、0.955 2、0.924 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響應面模型中，因素q、nc、c2對模型影響顯著，因素n、c、q2對模型影響極顯著；在莖稈破節率Y2響應面模型中，因素nc、n2對模型影響顯著，因素n、q、c對模型影響極其顯著；在籽粒破碎率Y3響應面模型中，因素q、n2對模型影響顯著，因素n、c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=8 412.60-0.43n-719.83q-1 188.31c+0.31nc+30.44q2+121.39c2

(18)

Y2=94.81+0.008 3n-0.21q-1.79c+0.001 3nc-0.000 004n2

(19)

Y3=101.73+0.02n-1.63q-3.46c-0.000 007n2

(20)

3.5 試驗因素對性能指標的影響

根據表5試驗結果，可得固定輥轉速、調制輥單位長度喂入量、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軟件繪制響應面曲線圖。

表5 青貯玉米調制試驗二次項模型方差分析

各因素對單位能耗的響應面曲面如圖13所示。由圖13a可知，調制輥間隙一定時，單位能耗Y1隨著固定輥轉速的增加而增大，同時，隨著調制輥單位工作長度喂入量的增加先減小后增大，增大調制輥單位工作長度喂入量和降低固定輥轉速有助于降低單位能耗；這是因為固定輥轉速越高時，調制輥對物料的沖擊力越大，受到的阻力就越大。由圖13b可知，調制輥單位工作長度喂入量一定時，單位能耗隨著固定輥轉速的增加而增大，隨著調制輥間隙的增加而減小；這是因為間隙越大，調制輥對物料的擠壓作用越小，而固定輥轉速越高，沖擊力對物料的破碎作用越明顯。由圖13c可知，固定輥轉速一定時，單位能耗隨著調制輥間隙的增加而減小，同時，隨著調制輥單位工作長度喂入量的增加先減小后增大，增大調制輥單位工作長度喂入量和調制輥間隙，均有助于降低單位能耗；這是因為調制輥間隙越大，物料對調制輥的阻力越小，所消耗的能量越少；而喂入的物料過多時，物料對調制輥的阻力急劇增大，單位能耗升高；喂入的物料過少時，調制輥的承載能力大于工作負載，造成能量浪費，單位能耗升高。

各因素對莖稈破節率的響應面曲面如圖14所示。由圖14a可知，調制輥間隙一定時，莖稈破節率隨著固定輥轉速的增加而升高，隨著調制輥單位工作長度喂入量的增加而減小。這是因為固定輥轉速越高，對物料的沖擊破碎作用越強，物料的破裂效果越明顯；調制輥單位工作長度喂入量增大時，物料通過浮動輥的速度加快，壓扁破裂效果差。由圖14b可知，調制輥單位工作長度喂入量一定時，莖稈破節率隨著調制輥間隙的減小和固定輥轉速的增加而升高；這是因為固定輥轉速越高，間隙越小，調制輥對物料的擠壓揉搓作用越強，莖稈破節率越高。由圖14c可知，固定輥轉速一定時，降低調制輥單位工作長度喂入量和減小調制輥間隙有助于提高莖稈破節率；這是因為間隙越小，調制輥單位工作長度喂入量越小，物料在調制輥之間揉搓、壓扁的時間越長，莖稈破裂效果越好。

各因素對籽粒破碎率的響應面曲面如圖15所示。由圖15a可知，調制輥間隙一定時，固定輥轉速越高，調制輥單位工作長度喂入量越小，籽粒破碎率越大，這是因為籽粒較為堅硬，其主要破壞形式為調制輥的沖擊作用產生的破壞，因此受轉速影響較大。由圖15b可知，調制輥單位工作長度喂入量一定時，增大固定輥轉速和減小調制輥間隙有助于提高籽粒破碎率。這是因為玉米籽粒體積小，調制輥對籽粒的破碎作用受間隙的影響較大。由圖15c可知，固定輥轉速一定時，降低調制輥單位工作長度喂入量和減小調制輥間隙，有助于提高籽粒破碎率。這是因為調制輥間隙越小，籽粒受到的破壞作用越強，而調制輥單位工作長度喂入量的增加會加快籽粒通過調制輥間隙，降低調制輥對籽粒的破壞作用。

3.6 各因素對目標值影響效應分析

貢獻率K能反映單個因素對所建立回歸模型的影響程度，K越大，影響程度就越大，K計算公式為

(21)

其中

(22)

式中F為方差分析的F值，為考核值。根據式(21)、(22)計算出各因素對目標值的貢獻率K，結果如表6所示。

表6 各因素對目標值的貢獻率

3.7 最佳參數組合的確定

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，從而提高莖稈破節率和籽粒破碎率，降低單位能耗。以最小單位能耗Y1、最高莖稈破節率Y2和最高籽粒破碎率Y3為評價指標，得到約束條件為

(23)

利用Design-Expert 10.0.7軟件對回歸方程進行優化得到試驗臺工況最佳組合為：固定輥轉速n為1 156.81 r/min，調制輥單位工作長度喂入量q為10.84 kg/(m·s)，調制輥間隙c為2.56 mm；此時，單位能耗Y1為2 347.44 J/kg，莖稈破節率Y2為95.66%，籽粒破碎率Y3為95.19%。

3.8 驗證試驗

根據響應面試驗優化分析得到的最優參數，于2020年9月21日在農機實驗室進行驗證試驗。試驗用青貯玉米試樣與18日試驗用青貯玉米取自相同試驗田，其上部、中部、下部含水率分別為81.7%、76.2%、72.6%，籽粒含水率為34.5%。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，參數值取為：固定輥轉速n為1 157 r/min，調制輥單位工作長度喂入量q為10.84 kg/(m·s)，調制輥間隙c為2.6 mm，試驗共進行5次重復，依據式(12)～(14)進行計算，得到單位能耗為2 377.53 J/kg、莖稈破節率為95.62%、籽粒破碎率為95.02%，計算得3個目標值的相對誤差均小于1%，表明求解的單位能耗Y1、莖稈破節率Y2、籽粒破碎率Y3的回歸模型能夠很好地滿足試驗臺工作參數的優化需求，同時，更加驗證了試驗臺工作性能的可靠性，圖16為調制后的青貯試樣。

4 結論

(1)設計了一種齒輥式飼草作物調制試驗臺，并完成了對青貯玉米的調制試驗。通過調制輥間隙調節機構可快速調整調制輥間隙，以適應不同作物的調制需求；通過大小側板的滑軌式設計可實現調制輥的快速拆裝與清理；上調制輥的可浮動性設計可避免喂入量過大時發生阻塞，極大地提高了機器的工作效率。

(2)基于LabVIEW軟件平臺開發了飼草作物調制試驗臺測控系統，該系統可遠程控制試驗臺的運行狀態，并實時采集、顯示與保存固定輥與傳動軸之間的扭矩、轉速等信息，進而可計算得到試驗臺能耗。

(3)采用Box-Behnken試驗方法，以固定輥轉速、調制輥單位工作長度喂入量、調制輥間隙為試驗因素，對試驗臺單位能耗、莖稈破節率、籽粒破碎率等試驗指標進行了響應面試驗。通過分析分別得到了單位能耗、莖稈破節率以及籽粒破碎率的二次回歸模型，利用Design-Expert 10.0.7軟件對模型進行優化，得出最優參數組合為固定輥轉速1 157 r/min、調制輥單位工作長度喂入量10.84 kg/(m·s)、調制輥間隙2.6 mm，此時單位能耗、莖稈破節率、籽粒破碎率分別為2 377.53 J/kg、95.62%、95.02%。驗證試驗表明，試驗指標實際值與理論優化值之間相對誤差小于1%，說明回歸模型可靠。本研究可為飼草作物調制機械的進一步優化提供數據參考和技術支持。