小型甘蔗剥叶质量影响因素的物理模拟实验

小型甘蔗剥叶质量影响因素的物理模拟实验

0甘蔗剥叶技术研究现状在甘蔗收获方面，澳大利亚和巴西等国广泛采用联合收割机的大型分段收获机，没有规定收获前甘蔗的功能。收获前，甘蔗被烧毁，收获过程中，通过收割机的轴流装置吸住剩余的果皮。因此，原料甘蔗的含杂率很高。日本根据本国情况发展分段收获,在剥叶机方面着重于剥叶元件材料的研究,经剥叶机处理的甘蔗含杂率普遍达到1%左右。国内由于甘蔗种植情况与日本相似,于几年前引进吸收日本的甘蔗剥叶技术,研制出了国产样机,剥叶技术指标达到了日本同类机型的水平,但仍得不到我国制糖企业的接受和认可,蔗农也就无法应用。目前,国内有关的农机科技工作者仍在进一步攻关甘蔗的剥叶技术。广西大学进行了甘蔗剥叶机运动仿真研究和剥叶机机架模态试验研究,并对排刷式剥叶元件进行了虚拟试验分析,但仍未解决含杂率高和剥叶元件寿命低的问题。目前,国内的大多数研究只是就单一影响因素进行分析,据查新,尚未对甘蔗剥叶技术的影响因素进行综合性试验研究。因此,对影响剥叶机剥叶质量的因素进行深入的综合试验研究,选择较优的工作参数,对改善甘蔗剥叶机的工作性能、结构设计及促进甘蔗剥叶机在我国的推广都具有重要的意义。1试验设备和试验条件1.1离心式剥叶法试验采用广西农业机械研究院研制的小型甘蔗剥叶试验台。该试验台由机架、输送辊(输入辊和输出辊)、剥叶元件、可水平移动的输入辊架、输出辊架和两个可以上下移动的剥叶滚筒架组成,采用离心式剥叶方法进行剥叶。输入辊与输出辊转速相同,剥叶滚筒和输送辊的转速分别由各自的外带调速电机控制,都可以进行无级调速,并且输入辊到剥叶滚筒之间的距离a、输出辊到剥叶滚筒之间距离b以及上下剥叶滚筒之间的距离c都可以在一定的范围内进行任意调整,达到多水平的试验的要求。结构示意图如图1所示。测量仪器为转速表、电子称、托盘天平和钢尺。1.2弯蔗占总蔗量的20%甘蔗为新鲜的台糖25#,平均高度为1780mm,平均直径为22mm,蔗叶含水率为26%,叶茎比为6%,弯蔗占总蔗量10%。试验采用两种剥叶元件(同为6排)进行对比试验。第1种剥叶元件为菱形剥叶胶指,第2种剥叶元件为尼龙剥叶刷,结构如图2和图3所示。菱形剥叶胶指剥叶间距定为5mm,尼龙剥叶刷剥叶元件交错深度为10mm。2次回归试验设计参考以往试验及相关文献,本试验研究把输入辊到剥叶滚筒之间的距离、输出辊到剥叶滚筒之间的距离、输送辊的转速和剥叶滚筒转速作为试验因素,以剥叶含杂率为试验指标,采用二次回归正交旋转设计,安排物理模拟试验(采用4因素1/2次实施),根据现有样机数据、前期简单试验数据及有关资料确定各因素的上下水平值、零水平值及星号臂值,如表1所示。定义含杂率为试验方案及试验结果见表2所示。3试验结果的分析与优化3.1剥叶含杂率及回归模型的建立采用SPSS软件对试验数据进行处理,从而得到在两种剥叶条件下指标与试验因素之间的回归数学模型。式中—菱形剥叶胶脂条件下甘蔗剥叶的含杂率;—尼龙剥叶刷条件下甘蔗剥叶的含杂率。分别对回归方程及回归系数进行F检验,结果分别对回归方程及回归系数进行F检验,结果如表3所示。由表3可知,回归数学模型均在0.005水平上高度显著,且回归数学模型的各项系数也均达到不同程度的显著水平。这表明,数学模型式(1)和(2)具有较高的精度。3.2模拟结果分析3.2.1辊距及转速与剥叶含杂率的关系为考察输入辊距离、输出辊距离、输送辊转速和剥叶滚筒转速对甘蔗剥叶率的影响,利用方程(1)和(2)进行计算机模拟计算。在回归方程中,把除要考虑的主因素以外的其他因素取零水平值,得到的结果如图4所示。图中,实线表示菱形剥叶胶指,点线表示尼龙剥叶刷。1)图(a)表明,剥叶含杂率与输入辊距离呈线性关系。对于菱形剥叶胶脂,剥叶含杂率随输入辊距离增大而降低,但变化幅度很小,对含杂率影响不显著,不予考虑;对于尼龙剥叶刷,剥叶含杂率随输入辊距离增大而增大。2)图(b)表明,对于菱形剥叶胶脂,剥叶含杂率与输出辊距离呈抛物线关系。含杂率先随输出辊距离增大而降低,达到最低值后,再随输出辊距离增大而增大。3)图(c)表明,剥叶含杂率与输送辊转速呈抛物线关系。对于两种剥叶元件,含杂率都先随输送辊转速增大而增大,达到最大值后,随输送辊转速增大而降低。4)图(d)表明,剥叶含杂率与剥叶滚筒转速呈线性关系。对于两种剥叶元件,含杂率都随剥叶滚筒转速增大而降低,其中菱形剥叶胶脂变化率较为明显。由以上单因素对剥叶含杂率的影响图形分析可知:输出辊的距离、输送辊的转速以及剥叶滚筒的转速对菱形剥叶胶脂的剥叶含杂率有很大影响;而对于尼龙剥叶刷,输送辊转速对剥叶含杂率的影响较明显。其中,输送辊转速和剥叶滚筒转速在两种不同剥叶元件情况下,对剥叶含杂率基本具有相同的影响趋势。在相同的因素条件下,菱形剥叶胶脂的剥叶含杂率较尼龙剥叶刷的稍高,这是因为尼龙剥叶刷有一定的交错深度,剥叶时增加了摩擦系数,从而加大了摩擦力,揉搓作用增强,所以剥叶效果好,含杂率低。3.2.2辊距离和输送辊转速对剥叶含杂率的影响因素的交互作用对性能指标的影响曲线如图5所示。1)由图(a)可知,在输入辊距离与剥叶滚筒转速的共同作用下,剥叶滚筒的转速对剥叶含杂率的变化起主要影响作用,含杂率明显随剥叶滚筒转速的增大而降低。当输入辊距离最小而剥叶滚筒转速最大时,含杂率最低。2)由图(b)可知,当输出辊距离和输送辊转速都较小时,剥叶含杂率最低;当输出辊距离和输送辊转速同时增大时,含杂率先随之增大,再随之减少。其中,输送辊转速变化对含杂率影响较为明显。输送辊转速增加,则甘蔗的运行速度加快,单位时间内剥叶次数减少,含杂率上升。3)由图(c)可知,剥叶含杂率随输出辊距离和剥叶滚筒转速的增大而降低。结合图(b)和图(c)可知,输出辊距离对剥叶含杂率有一定影响。甘蔗在经过剥叶元件的剥叶作用后运动速度下降,并以此速度通过输出辊这段距离,再经输出辊夹持摩擦力作用加速抛出。因此,增大输出辊距离,则增大了整根甘蔗的剥叶时间,含杂率下降。4剥叶含杂率计算为使两种试验条件下甘蔗剥叶机的剥叶含杂率都达到最小,笔者用MathCAD2001软件进行优化,得到较优的因素水平组合:菱形剥叶胶指条件下,输入辊距离1x=295mm,输出辊距离2x=292.8mm,输送辊转速3x=350rad/min,剥叶滚筒转速4x=1200rad/min,甘蔗含杂率ˆy1=0.42%;尼龙剥叶刷条件下,输入辊距离为1x=240mm,输出辊距离为2x=265mm,输送辊转速为3x=252.68rad/min,剥叶滚筒转速4x=1200rad/min,甘蔗含杂率ˆy2=0.20%。两种试验条件下,甘蔗剥叶含杂率的最大值小于0.5%。这表明,因素优化后的甘蔗剥叶机的剥叶质量都达到了较好水平。经室内剥叶试验验证结果,含杂率都在0.5%以下,表明因素优化结果可以作为甘蔗剥叶机设计的依据。5调整辊距和转速1)对于菱形剥叶胶指的试验条件,输送辊转速和剥叶滚筒转速、输入辊距离与剥叶滚筒转速、输出辊距离与输送辊转速以及输出辊距离与剥叶滚筒转速的交互作用对含杂率影响显著;对于尼龙剥叶刷的试验条件,输入辊距离和输送辊转速对含杂率影响明显。2)通过试验与优化得出小型甘蔗剥叶机的工作参数较优组合为:菱形剥叶胶脂条件下,输入辊距离1x=295mm,输出辊距离2x=292.83mm,输送辊转速3x=350r