三种甘蔗剥叶元件的试验分析.docx

    三种甘蔗剥叶元件的试验分析    王伟 林茂Reference：针对甘蔗剥叶元件对剥叶效果影响的不同，通过对不同甘蔗剥叶元件的试验分析，探讨各种剥叶元件的剥叶质量，为剥叶装置的选材提供参考对现有3种剥叶元件（钢丝绳、尼龙丝绳、橡胶脂）进行正交回归试验，分析各种元件与剥叶质量存在的关系，得出较优的剥叶元件结果表明，剥叶滚筒转速对剥叶质量影响最明显，在各因素优化值区间下，橡胶脂剥叶元件的含杂率为0.293%，橡胶脂剥叶元件可作为甘蔗剥叶元件材料的较优选择Keys：甘蔗机械；剥叶元件；试验分析；优化S225.5+3 ：A ：0439-8114（2015）09-2234-04目前国内甘蔗收获机械化方式中主要有整秆式和切段式两种，切段式收获机械没有剥叶装置，而整秆式收获机械中则有剥叶装置，对整秆式收获机械中剥叶装置的研究，能够为剥叶装置的改进提供试验依据，从而提高剥叶质量和剥叶效率当前国内对甘蔗剥叶机械（装置）的研究也较为广泛，采用的研究方法有物理样机试验、数理统计、计算机仿真、高速摄像分析等；研究主要内容有剥叶装置的结构设计、各运动部件参数、剥叶元件的选材、寿命和剥叶质量等，其中剥叶元件的选材、寿命及剥叶质量是目前研究的热点和难点。

本文从剥叶元件的选材及剥叶质量之间的相互关系，通过正交试验研究不同剥叶元件材料与剥叶质量存在的内在联系，探讨各种剥叶元件的剥叶质量，为剥叶装置的选材提供参考依据1 材料与方法1.1 材料与试验准备试验用的甘蔗材料为收割1 d后的台糖10#，数量500根，甘蔗断尾后测得平均长度为1 820.5 mm，平均直径为22.56 mm，蔗叶含水率为27.3%，茎叶比约为1∶0.05，直蔗和弯蔗的比例为10∶1购买3种不同材料的剥叶元件，分别为钢丝、尼龙和橡胶脂，各12排，可供安装在剥叶滚筒上1.2 设备试验设备采用广西农业机械研究院研制的甘蔗剥叶试验台[1]，其结构主要由台架、上下输入辊、剥叶滚筒、上下输出辊、链传动机构、无级调速电机等组成上下输入辊的间距可调，与剥叶滚筒的水平方向距离可进行移动调节；输出辊与剥叶滚筒之间的水平距离可调设备的工作原理主要是通过剥叶滚筒旋转，其上的剥叶元件与输入辊传送来的甘蔗发生摩擦撞击，蔗叶便脱离抛向输入辊的后方，随后甘蔗在输出辊的推送下也抛离剥叶装置1.3 方案实施根据国内外对甘蔗剥叶机械的相关研究[2-8]，影响剥叶质量的主要因素有：剥叶元件材料、剥叶元件排布方式、输入辊转速、输入辊与剥叶滚筒水平方向的间距、剥叶滚筒转速、输出辊与剥叶滚筒水平方向的间距、输出辊转速等。

以剥叶质量的主要指标含杂率（y）作为试验指标，y=（残存蔗叶量/剥叶后甘蔗总重量）×100%，y1为钢丝剥叶元件的含杂率，y2为尼龙剥叶元件的含杂率，y3为橡胶脂剥叶元件的含杂率；输入辊转速（x1）、剥叶滚筒转速（x2），输入辊与剥叶滚筒水平方向的间距（x3）、输出辊转速（x4）作为试验因素，采用正交试验法，四因素三水平确定各因素的水平值，因素与水平如表1所示，选取L27（313）正交表进行试验，每组试验的甘蔗数量为5根，单根进行剥叶，测得的数据取平均值2 结果与分析2.1 正交试验结果3种材料的剥叶元件进行试验的次序分别是钢丝剥叶元件、尼龙剥叶元件、橡胶脂剥叶元件每种材料的剥叶元件进行的试验次数都为27次，每次都测得其剥叶的含杂率最终的试验结果如表2所示2.2 正交试验结果分析2.2.1 数学模型 采用数理统计软件SPSS对试验结果数据进行回归分析，分别得到3种材料剥叶元件含杂率的数学模型，如下：■1=-3.571+0.007 x1+0.01 x2-x1x2×10-5-2.9 x2x3×10-5 +3.47 x32×10-5 （1）■2=-3.844+0.006 x1+0.012 x2-0.001 x4-1.1 x1x2×10-5 -3.5 x2x3×10-5+4.24 x32×10-5 （2）■3=-4.844+0.021 x2-0.007 x4-1.9 x1x2×10-5+3.22 x1x4×10-5-6.3 x2x3×10-5+7.72 x32×10-5 （3）方程（1）、（2）、（3）中■1，■2，■3分别指的是钢丝剥叶元件含杂率、尼龙剥叶元件含杂率和橡胶脂剥叶元件含杂率的回归值。

对所得的3个回归方程及其系数进行显著性检验，结果见表3从表3可以看出，回归方程在0.05内高度显著，其系数也在不同程度上达到显著水平，所得的回归方程是合理的2.2.2 单因素对含杂率的影响分析 由“2.2.1”中3个关于含杂率的数学模型，在零水平的条件下可分别得到各因素与含杂率的函数关系图，如图1所示由图1a可知，尼龙和橡胶脂剥叶元件的输入辊转速对含杂率的影响比较显著，随着输入辊转速增大，含杂率就减小；由图1b可知，钢丝和橡胶脂剥叶元件的滚筒转速对含杂率的影响比较显著，随着滚筒转速增大，含杂率减小；由图1c可知，3种剥叶元件的输入辊间距对含杂率的影响均为显著，随着间距的增大，含杂率减小；由图1d可知，尼龙和橡胶脂剥叶元件的输出辊转速对含杂率的影响均为显著，但尼龙剥叶元件的输出辊转速增大，含杂率减小更明显综合以上4个图形，可找出各因素的优化区间：输入辊转速区间为150～250 r/min，剥叶滚筒转速区间为600～900 r/min，输入辊间距区间为200～300 mm，输出辊转速区间为280～350 r/min2.2.3 回归方程综合分析与优化 试验的主要目的是要分析出3种不同材料剥叶元件剥叶质量的差异，先从回归方程定性方面分析，由方程（1）、（2）可知，钢丝剥叶元件和尼龙剥叶元件的含杂率与试验因素x1、x2、x3关系较为显著，与试验因素x4关系不显著；由方程（3）可知，橡胶脂剥叶元件的含杂率与试验中的4个因素关系均较为显著。

由表3中的回归方程系数分析，方程（1）与方程（2）的拟合程度相当，方程（3）相对拟合程度相对差点，但对试验结论无影响定量分析中需要把3个回归方程的回归值进行优化，然后比较各自回归值的大小，就能清楚了解3种不同剥叶元件的剥叶质量的差异采用MATLAB数学软件对3个回归方程进行综合优化，优化过程需要先确定各因素的优化区间值，然后再对优化目标进行优化各因素的优化区间值为各自的上下水平值区域，含杂率取值区间在0～10%对方程（1）在四因素优化组合下：x1=250 r/min，x2=900 r/min，x3=300 mm，x4=0，可得到较优的值y1min=0.322%；对方程（2）在四因素优化组合下：x1=250 r/min，x2=900 r/min，x3=300 mm，x4=0，可得到较优的值y2min=0.347%；对方程（3）在四因素优化组合下：x1=248.925 r/min，x2=806.606 r/min，x3=300 mm，x4=312.228 r/min，可得到较优的值y3min=0.293%3 小结与讨论试验对3种甘蔗剥叶元件进行综合试验对比，分析3种剥叶元件剥叶效果之间的差异。

从优化过程中可知，剥叶滚筒转速对含杂率的影响最显著，随着剥叶滚筒转速数值增大，含杂率就随之减小；从优化结果可知，方程（1）与方程（2）的优化结果差异不大，方程（3）的优化结果回归值最小，即橡胶脂剥叶元件的含杂率最小，表明橡胶脂剥叶元件作为甘蔗剥叶机的剥叶材料比钢丝和尼龙两种材料好与前人对甘蔗剥叶元件的试验研究成果相比，本研究主要在剥叶元件材料选择、剥叶效果分析上有明显的区别：前人选择一种或两种剥叶元件材料，本文则选择3种剥叶元件综合进行分析；前人对相关试验分析的结果显示，含杂率一般在1%左右，剥叶元件材料为尼龙的剥叶效果较好，而本文的研究结果表明，含杂率优化后可达0.3%左右，橡胶脂材料为较优的剥叶元件材料根据以上对3种剥叶元件材料的试验分析可以得知，橡胶脂剥叶元件是一种较为理想的剥叶材料，含杂率可达0.293%，剥叶滚筒的转速对剥叶质量的影响最显著但影响甘蔗机械剥叶质量的因素很多，本研究仅仅分析了4种因素对含杂率的影响，还未考虑剥叶元件的排布方式、剥叶元件材料的受力分析及其寿命分析等因素，后期对甘蔗机械剥叶质量的研究还需要综合多方面影响因素加以研究，以便得到更加合理的剥叶机械的结构参数、运动参数以及剥叶元件。

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