秸稈多級連續(xù)冷輥壓成型參數(shù)優(yōu)化與試驗

丁 寧 李海濤，2 閆 安 劉平義 韓魯佳 魏文軍

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計北京市重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

中國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量大，分布廣泛，是優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)資源，但由于收獲后的秸稈形狀尺寸不規(guī)則、堆積密度低，難以直接處理、運輸、儲存和利用[1-4]。因此秸稈資源高效利用的關(guān)鍵是依靠生物質(zhì)致密成型技術(shù)減小體積、提高密度，其中機械壓實是最有效的方法[5-6]。

當(dāng)前，生物質(zhì)致密技術(shù)研究主要集中于打捆技術(shù)及模輥式成型技術(shù)。其中打捆技術(shù)主要分為方捆式、圓捆式。馬春曉[7]、戚得眾等[8]對打捆機撿拾器進行了優(yōu)化設(shè)計與研究。付乾坤等[9]、GUERRIERI等[10]在不同工況下進行了試驗，對方捆打捆機除土去雜能力等進行了優(yōu)化試驗研究。王德福等[11]、李葉龍等[12]、雷軍樂等[13]分別對鋼輥式圓捆機捆繩機構(gòu)、輥盤式卷捆機構(gòu)及旋轉(zhuǎn)草芯形成因素等進行了優(yōu)化研究，但打捆技術(shù)普遍存在工作模式復(fù)雜、打捆密度低等問題，圓捆打捆機還存在作業(yè)過程不連續(xù)、圓捆密度不均勻等缺點。模輥式成型技術(shù)主要分為平模、環(huán)模及對輥式。胡運龍[14]對平模成型機壓輥進行了優(yōu)化試驗研究。陳樹人等[15]、叢宏斌等[16]對環(huán)模成型機成型參數(shù)進行了優(yōu)化試驗研究。寧廷州等[17]針對對輥柱塞式成型機成型參數(shù)進行了優(yōu)化試驗研究，但目前模輥式成型技術(shù)普遍存在成型能耗高、關(guān)鍵部件磨損快、維修成本高等問題。為了實現(xiàn)秸稈連續(xù)壓縮成型，減小能耗，提升效率，筆者團隊提出一種秸稈多級連續(xù)冷輥壓成型方法，并進行了可行性相關(guān)試驗研究[18-21]，目前針對此成型方法及成型機參數(shù)優(yōu)化方面的研究未見報道。

本文以玉米秸稈為原料，以秸稈多級輥壓成型機為研究對象，基于Design-Expert BBD(Box-Behnken design)試驗設(shè)計方法，以物料處理工藝參數(shù)：玉米秸稈含水率、玉米秸稈破碎長度，成型機工作參數(shù)：末級輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，以成型塊回彈率、密度和成型能耗為試驗指標，通過響應(yīng)面分析研究各因素及其交互作用對試驗指標的影響規(guī)律，獲取成型機工作參數(shù)的最優(yōu)變量組合，以期達到對玉米秸稈多級連續(xù)冷輥壓成型作業(yè)的最佳效果。

1 秸稈多級輥壓成型原理與樣機

1.1 秸稈多級輥壓成型原理

秸稈多級輥壓成型原理如圖1a所示：破碎后的秸稈從一端喂入，經(jīng)過多級對布壓縮輥連續(xù)壓縮后從一端出料，p1～p5分別表示秸稈物料在壓縮過程中各壓縮階段所受的壓力，各級壓縮輥轉(zhuǎn)動角速度分別為ω1、ω2、ω3、ω4、ω5，轉(zhuǎn)動方向如圖所示。連續(xù)輥壓成型可提高壓縮成型生產(chǎn)率；壓縮輥在工作過程中與秸稈物料作用方式為滾動摩擦，同時秸稈物料為冷壓縮成型，可減少成型能耗；對稱布置壓縮輥可抵消軸向力，提高設(shè)備運行的穩(wěn)定性，減小各工作部件磨損，提高整機壽命。

1.2 秸稈多級輥壓成型機樣機

為了減小試驗樣機尺寸，樣機只試制后三級壓縮成型部分，前端的喂料、預(yù)壓縮部分由預(yù)壓縮裝置完成[21]。如圖1b所示，秸稈多級輥壓成型機樣機主要由喂料口、一級壓縮輥、傳動系統(tǒng)、二級壓縮輥、三級壓縮輥、電動機、減速機、出料口等組成。

成型機主要參數(shù)如表1所示[21]。

表1 秸稈多級輥壓成型機參數(shù)Tab.1 Parameters of multi-stage roller forming machine for straw

2 試驗

于2020年9月在河北農(nóng)樂新能源科技有限公司進行試驗。目的是通過響應(yīng)面優(yōu)化分析方法，探索玉米秸稈含水率、玉米秸稈破碎長度、成型機末級輥轉(zhuǎn)速對成型塊回彈率、密度和成型能耗等指標的影響規(guī)律，獲得成型參數(shù)的最優(yōu)變量組合。

2.1 試驗原料與設(shè)備

試驗原料為玉米秸稈，2019年10月收獲于河北省石家莊市藁城區(qū)。試驗設(shè)備與儀器主要包括秸稈多級輥壓成型機(圖1a)、預(yù)壓縮裝置、ALPHA6000E型變頻器、DAM3505N型三相電量采集模塊、OHAUS MB23型水分分析儀、ZF-C10002型電子天平、3 000 mL燒杯、塑料密封袋、噴水壺、刻度尺等。主要試驗裝置與儀器如圖2所示。

2.2 試驗因素與指標

2.2.1試驗因素

(1)含水率：根據(jù)文獻[21]研究結(jié)果，同時考慮到玉米秸稈儲存平衡含水率實際要求[22]，選取含水率分別為15%、20%、25%，利用OHAUS MB23型水分分析儀測量玉米秸稈初始含水率，根據(jù)初始含水率決定含水率水平確定方式，為了更接近實際情況，通過自然晾曬方式降低含水率，調(diào)高含水率時計算出加水質(zhì)量，用噴水壺均勻噴灑，并在塑料密封袋中保存24 h后使用。隨機在各樣品中選取3組，通過OHAUS MB23型水分分析儀進行測量，控制調(diào)制含水率平均值與目標含水率誤差在2%以內(nèi)。

(2)秸稈破碎長度：根據(jù)文獻[21]研究結(jié)果及實際情況，為了有效防止壓縮過程中漏料并節(jié)省功耗，確定物料破碎方式為揉搓破碎，破碎長度水平分別為50、80、110 mm。

(3)末級輥轉(zhuǎn)速：保壓時間越長，秸稈壓縮成型塊品質(zhì)越高[23]，因此，相應(yīng)提高保壓時間，在保證生產(chǎn)率的同時，降低各級壓縮輥轉(zhuǎn)速。試驗中，末級輥轉(zhuǎn)速采用ALPHA6000E型變頻器改變電動機頻率的方式加以控制，將其頻率分別控制在30、40、50 Hz，此時成型輥轉(zhuǎn)速水平分別為0.87、1.16、1.45 r/min。

2.2.2試驗指標

試驗指標包括成型塊回彈率、密度及成型能耗，各指標具體測算方法如下。

(1)回彈率：成型機正常運行時，在成型機出口處隨機選取壓縮結(jié)束后的3組成型塊，每5 min檢測一次成型塊厚度，直到成型塊厚度不再變化時結(jié)束檢測，計算回彈率并求其平均值，計算式為

(1)

式中λ——秸稈壓縮成型塊回彈率，%

s″——回彈結(jié)束后成型塊厚度，mm

s′——壓縮結(jié)束后成型塊厚度，mm

(2)密度：成型機正常運行時，隨機選取3組回彈穩(wěn)定的成型塊，對其進行邊角修剪，留取密度均勻部分進行稱量，同時測量其長、寬、高并計算體積，然后計算其密度并求平均值，計算式為

(2)

式中ρ——秸稈壓縮成型塊密度，kg/m3

m——成型塊樣品質(zhì)量，kg

V——成型塊樣品體積，m3

(3)成型能耗：為了更好地表達成型過程能效轉(zhuǎn)換效率，引入成型能耗。此處的能耗為整個壓縮過程總能耗，單位為kW·h/t。成型機正常運行時，依次進行3組試驗，每組試驗時互感線圈將檢測到的電信號傳輸給DAM3505N型三相電量采集模塊，模塊通過USB-485轉(zhuǎn)換線與計算機相連，然后利用DAM-3000M(V6.130)測試系統(tǒng)將檢測到的瞬時功率等數(shù)據(jù)進行采集、保存，由于本次壓縮試驗非連續(xù)進行，因此在檢測瞬時功率過程中當(dāng)某一階段到達相對本次試驗的最大值階段時即為所有壓縮輥共同作用時，也就是成型機正常工作時的功率，提取此階段的瞬時功率并求取平均值即為本次試驗的成型機功率，同時稱取單位時間內(nèi)的秸稈壓縮成型塊質(zhì)量，計算成型能耗并求其平均值，計算式為

(3)

式中N——成型能耗，kW·h/t

Q——單位時間秸稈壓縮成型質(zhì)量，t/h

q——成型機正常工作時采集模塊采集數(shù)據(jù)次數(shù)

Pi——第i次采集到的成型機工作瞬時功率，kW

k——綜合系數(shù)，考慮預(yù)壓縮等過程的能耗，1.2

2.3 試驗設(shè)計

采用三因素三水平BBD試驗設(shè)計方法，選擇玉米秸稈含水率、破碎長度和末級輥轉(zhuǎn)速為試驗因素，以成型塊回彈率、密度及成型能耗為試驗指標，因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Experimental factors and codes

3 試驗結(jié)果與分析

采用Design-Expert 10數(shù)據(jù)分析軟件對試驗結(jié)果進行處理和分析，主要進行回歸分析和利用響應(yīng)面分析法對因素間顯著交互作用影響進行分析。試驗設(shè)計與結(jié)果如表3所示，其中X1、X2、X3分別表示含水率、破碎長度和末級輥轉(zhuǎn)速編碼值；Y1、Y2、Y3分別表示成型塊回彈率、成型塊密度和成型能耗。

表3 試驗設(shè)計與結(jié)果Tab.3 Experimental design and results

3.1 回歸模型建立與檢驗分析

(4)

表4 成型塊回彈率方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation for rebound rate

3.1.2成型塊密度回歸模型建立與顯著性檢驗

成型塊密度方差分析結(jié)果如表5所示，由表5可知，模型F=39.16，p<0.01，表明模型回歸方程自變量和因變量之間有極顯著相關(guān)關(guān)系，失擬項p=0.108 6(大于0.05)，不顯著，且該模型R2修正值為0.980 5(大于0.8)，體現(xiàn)出回歸方程與試驗值整體上擬合程度較高，說明該模型適用于對成型塊密度進行預(yù)測。對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，同時剔除不顯著項后，得到成型塊密度Y2與各因素編碼值的回歸模型為

(5)

表5 成型塊密度方差分析Tab.5 Variance analysis of regression equation for density

3.1.3成型能耗回歸模型建立與顯著性檢驗

成型能耗方差分析結(jié)果如表6所示，由表6可知，模型F=72.51，p<0.01，表明模型回歸方程自變量和因變量之間有極顯著相關(guān)關(guān)系，失擬項p=0.177 2(大于0.05)，不顯著，且該模型R2修正值為0.989 4(大于0.8)，體現(xiàn)出回歸方程與試驗值整體上擬合程度較高，說明該模型適用于對成型過程能耗進行預(yù)測。對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，同時剔除不顯著項后，得到成型能耗Y3與各因素編碼值的回歸模型為

(6)

3.2 各試驗因素對試驗指標影響程度分析

通過對式(4)～(6)的回歸系數(shù)分別檢驗得，各因素對成型塊回彈率貢獻率由大到小依次為末級輥轉(zhuǎn)速、破碎長度、含水率，其中破碎長度和含水率的貢獻率相差不大；各因素對成型塊密度貢獻率由大到小依次為破碎長度、末級輥轉(zhuǎn)速、含水率；各因素對成型過程能耗貢獻率由大到小依次為末級輥轉(zhuǎn)速、破碎長度、含水率。

表6 成型能耗方差分析Tab.6 Variance analysis of regression equation for forming energy consumption

3.3 各因素交互作用對試驗指標的影響

通過分析軟件Design-Expert 10做出不同試驗因素交互作用下試驗指標的響應(yīng)曲面，分析含水率、破碎長度、末級輥轉(zhuǎn)速之間顯著交互作用對試驗指標的影響，為成型機的優(yōu)化升級提供理論參考。

3.3.1破碎長度和末級輥轉(zhuǎn)速對成型塊回彈率的影響

圖3為含水率為20%(中心水平值)時，物料破碎長度和末級輥轉(zhuǎn)速交互作用對成型塊回彈率影響的響應(yīng)曲面。由圖3可知，當(dāng)末級輥轉(zhuǎn)速一定，壓縮成型塊的回彈率隨著破碎長度的升高先降低后升高，說明本壓縮方法試驗的秸稈破碎長度不宜過長或者過短，物料破碎過長，秸稈喂料過程不易均勻，導(dǎo)致壓縮過程中秸稈物料受力不均，成型塊回彈率會變大，而物料破碎太短，不易促使秸稈物料之間的交叉纏繞粘結(jié)，成型塊回彈率也會變大；當(dāng)破碎長度一定，壓縮成型塊的回彈率隨著末級輥轉(zhuǎn)速的升高而升高，因為越長的壓縮作業(yè)時間越能促進秸稈物料之間的交叉鉚固和粘結(jié)，進而降低回彈率，前期的試驗已驗證此現(xiàn)象；因此當(dāng)含水率為中心水平值20%時，破碎長度在65～96 mm之間，末級輥轉(zhuǎn)速在0.87～1.00 r/min之間，本試驗可以得到相對較小的回彈率。

3.3.2含水率和末級輥轉(zhuǎn)速對成型能耗的影響

圖4為破碎長度為80 mm(中心水平值)時，物料含水率和末級輥轉(zhuǎn)速交互作用對成型能耗影響的響應(yīng)曲面。由圖可知，當(dāng)末級輥轉(zhuǎn)速一定，含水率在15%～20%之間時，成型能耗變化不大，而當(dāng)含水率在20%～25%之間時，成型能耗隨著含水率的升高而降低，說明含水率在某一階段的升高可以減小秸稈物料之間的摩擦力，起到潤滑劑的作用，輔助秸稈物料在壓力作用下相互填充和嵌合，使得秸稈物料更容易被壓縮成型[25]；當(dāng)含水率一定，壓縮過程能耗隨著末級輥轉(zhuǎn)速的增加而降低，說明即使末級輥轉(zhuǎn)速增加會使電機功率增加，但此時成型機的生產(chǎn)率也會有很大程度的提升，最終會導(dǎo)致成型能耗降低；因此當(dāng)破碎長度為中心水平值80 mm時，含水率在18.2%～25%之間，末級輥轉(zhuǎn)速在1.12～1.45 r/min之間，本試驗可以得到相對較小的成型能耗。

4 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

4.1 參數(shù)優(yōu)化

應(yīng)用Design-Expert 10軟件中Optimization模塊對試驗的各參數(shù)進行優(yōu)化。在前期試驗及分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮各試驗指標及應(yīng)用可行性，在含水率15%～25%、破碎長度50～110 mm、末級輥轉(zhuǎn)速0.87～1.45 r/min的約束條件下，設(shè)定目標函數(shù)滿足回彈率小于7.0%，密度大于350 kg/m3，成型能耗小于16.0 kW·h/t，使得滿足條件解相交于陰影區(qū)域，如圖5所示(末級輥轉(zhuǎn)速為1.07 r/min)。

由圖5可知，在末級輥轉(zhuǎn)速為1.07 r/min時，黃色區(qū)域為參數(shù)優(yōu)化區(qū)域，即含水率為21.5%～25%，破碎長度為64～108 mm時，可獲得成型塊回彈率小于7.0%，密度大于350 kg/m3，成型能耗小于16.0 kW·h/t。

依據(jù)上述分析結(jié)果，為了進一步提升成型機各項性能參數(shù)，在試驗因素水平約束下，將成型塊回彈率及成型能耗的最小值、成型塊密度的最大值設(shè)定為優(yōu)化目標，進行目標優(yōu)化和最優(yōu)參數(shù)確定，優(yōu)化目標及約束條件為

(7)

對其參數(shù)進行求解，得到各項性能最優(yōu)時對應(yīng)的參數(shù)組合為：含水率24.26%、破碎長度73.25 mm、末級輥轉(zhuǎn)速1.07 r/min，此時成型塊回彈率為6.32%，成型塊密度為375.6 kg/m3，成型能耗為15.89 kW·h/t。

4.2 試驗驗證

為了驗證成型塊回彈率、密度和成型能耗的回歸方程及各試驗參數(shù)優(yōu)化結(jié)果的可靠性，使用最優(yōu)解參數(shù)組合條件進行5組試驗，試驗材料和方法與本文正交試驗一致，分別通過回歸方程對各指標值進行預(yù)測，對5組試驗結(jié)果進行統(tǒng)計，將試驗值與預(yù)測值進行對比得出，成型塊回彈率、密度及成型能耗試驗值與預(yù)測值之間的誤差分別為0.4%、1.32%和1.96%，說明各指標的回歸方程的預(yù)測值與試驗值比較接近，在最優(yōu)試驗組合條件下，各指標均能達到較優(yōu)值。證明本試驗所建立的成型塊回彈率、密度和成型能耗回歸方程可靠，可以通過回歸方程對試驗結(jié)果進行有效預(yù)測。

5 結(jié)論

(1)各因素對成型塊回彈率貢獻率大小依次為末級輥轉(zhuǎn)速、破碎長度、含水率，其中破碎長度和含水率的貢獻率相差不大；各因素對成型塊密度貢獻率大小依次為破碎長度、末級輥轉(zhuǎn)速、含水率；各因素對成型過程能耗貢獻率大小依次為末級輥轉(zhuǎn)速、破碎長度、含水率。

(2)當(dāng)末級輥轉(zhuǎn)速為1.07 r/min，含水率為21.5%～25%，破碎長度為64～108 mm時，本試驗可獲得玉米秸稈成型塊回彈率小于7.0%，密度大于350 kg/m3，成型能耗小于16.0 kW·h/t；各項指標性能最優(yōu)時對應(yīng)的參數(shù)組合為：含水率24.26%、破碎長度73.25 mm、末級輥轉(zhuǎn)速1.07 r/min，此時成型塊回彈率為6.32%，成型塊密度為375.6 kg/m3，成型能耗為15.89 kW·h/t。建立的成型塊回彈率、密度和成型能耗回歸方程可以對試驗結(jié)果進行有效預(yù)測。