青贮玉米粉碎物料压缩特性响应面优化试验.pdf
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1、引文格式:赵玉清,齐文涛,赵勇,等.青贮玉米粉碎物料压缩特性响应面优化试验J.云南农业大学学报(自然科学),2023,38(4):704713.DOI:10.12101/j.issn.1004-390X(n).202303039青贮玉米粉碎物料压缩特性响应面优化试验*赵玉清1,2,3,齐文涛1,3,赵勇1,3,马兴彪4,朱树早4,陈再兴1,3,熊坚2,赵伟1,3*(1.云南农业大学机电工程学院,云南昆明650201;2.昆明理工大学交通工程学院,云南昆明650093;3.云南省高原特色农业产业研究院,云南昆明650201;4.云南省寻甸县农业机械技术推广站,云南昆明655200)摘要:【目的】
2、研究青贮玉米粉碎物料压缩特性,解决青贮玉米压缩机械作业能耗大、压缩密度低的问题。【方法】以喂入量、压缩密度和压缩速度为试验因素,以比能耗、压缩时间和最大压缩力为试验指标,开展二次回归正交试验,进行试验因素显著性分析,建立回归模型,对试验结果进行响应面优化。【结果】各试验因素对比能耗影响顺序为压缩密度喂入量压缩速度,对压缩时间影响顺序为压缩速度压缩密度喂入量,对最大压缩力影响顺序为压缩密度压缩速度喂入量。响应面优化后的最佳因素水平组合为喂入量0.90kg、压缩密度 550kg/m3、压缩速度 245.50mm/min。【结论】本研究得到的回归模型误差小,优化结果可信度高,可用于青贮玉米饲料制备工
3、艺参数选取,也可为青贮玉米压缩装置设计提供理论参考。关键词:青贮玉米粉碎物料;压缩特性;响应面优化中图分类号:S513文献标志码:A文章编号:1004390X(2023)04070410Experiment Study on Compression Characteristics of Silage CornCrushed Material Based on Response Surface OptimizationZHAOYuqing1,2,3,QIWentao1,3,ZHAOYong1,3,MAXingbiao4,ZHUShuzao4,CHENZaixing1,3,XIONGJian2,Z
4、HAOWei1,3(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China;2.SchoolofTransportationEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650093,China;3.YunnanPlateauCharacteristicAgriculturalIndustryResearchInstitute,Kunming650201,China;4.Agricultur
5、alMachineryTechnologyExtensionStationofXundianCounty,Kunming655200,China)Abstract:PurposeTostudythecompressioncharacteristicsofcrushedsilagecornmaterialsandsolvetheproblemsofhighenergyconsumptionandlowcompressiondensityofsilagecorncompres-sionmachinery.MethodsUsingfeedingamount,compressiondensity,an
6、dcompressionspeedasexperimentalfactors,andspecificenergyconsumption,compressiontime,andmaximumcompres-sionforceasexperimentalindicators,aquadraticregressionorthogonalexperimentwasconductedtoanalyzethesignificanceofexperimentalfactors,establisharegressionmodel,andoptimizethere-sponsesurfaceoftheexper
7、imentalresults.ResultsTheorderofinfluenceonspecificenergycon-云南农业大学学报(自然科学),2023,38(4):704713http:/JournalofYunnanAgriculturalUniversity(NaturalScience)E-mail:收稿日期:2023-03-22修回日期:2023-07-01网络首发日期:2023-08-02*基金项目:云南省重大科技专项绿色食品国际合作研究中心项目(2019ZG009);云南省教育厅科学研究基金项目(2020Y198)。作者简介:赵玉清(1975),男,云南大理人,硕士,副教
8、授,主要从事智能农业机械装备研究。E-mail:*通信作者 Correspondingauthor:赵伟(1983),男,山西长治人,博士,讲师,主要从事农业收获技术与装备研究。E-mail:网络首发地址:https:/ speed,the order of influence on compression time was compression speedcompressiondensityfeedingamount,andtheorderofinfluenceonmaximumcompressionforcewascompressiondensitycompressionspeedfee
9、dingamount.Theoptimalfactorlevelcombinationafterresponsesur-faceoptimizationwasthefeedingamountof0.90kg,compressiondensityof550kg/m3,andcom-pressionspeedof245.50mm/min.ConclusionTheregressionmodelobtainedinthisstudyhassmallerrorandhighreliabilityofoptimizationresults,whichcanbeusedforselectingproces
10、spara-metersforthepreparationofsilagecornfeedandalsoprovidetheoreticalreferenceforthedesignofsilagecorncompressionequipment.Keywords:crushedsilagecornmaterial;compressioncharacteristics;responsesurfaceoptimization2015 年中国“粮改饲”政策实施以来,玉米因含有丰富的糖类(73.2%)、粗蛋白(8.5%)和脂肪(4.3%)等营养物质而成为反刍动物的重要饲料来源之一,被广泛运用于农牧产
11、业,逐步成为现代农业发展的重点农作物1-5。青贮玉米饲料是将处于乳熟末期至蜡熟前期的全株玉米经收获机械切割、揉搓、输送、压缩和打捆后密封储藏,再经厌氧发酵后制备而成的一种营养丰富的饲料6-8。粉碎物料的压缩是青贮玉米饲料制备过程中的关键环节,压缩效果直接对后续青贮玉米饲料发酵质量产生重要影响9-11。因此,青贮玉米粉碎物料压缩特性研究对青贮玉米饲料机械化工艺参数的优化和压缩装置的设计开发具有重要意义。目前,较多学者从优化玉米秸秆切割和粉碎等装备的工作参数角度出发,对玉米秸秆的力学特性开展了系列研究12-16,但对经切碎和揉搓后的青贮玉米粉碎物料开展压缩特性试验的研究相对较少。青贮玉米植株收获时
12、的含水率达到 60%70%,其力学特性也与籽粒玉米收获后的秸秆差异较大。本研究以红单 10 号青贮玉米粉碎物料为研究对象,利用万能试验机和自制压缩装置设计3 因素 3 水平二次回归正交试验,测定青贮玉米粉碎物料压缩过程中的力学特性参数,可为后续青贮饲料制备工艺和青贮玉米压缩打捆装置的设计提供理论参考。1 材料与方法1.1试验设备及材料1.1.1试验设备主要设备为美斯特 CMT6104 力学万能试验机(图 1)和自制可观测压缩装置(图 2)。万能试验机主要工作参数为:工作电压 220V,最大压力 10kN,功率 0.4kW,精度误差范围在0.1%0.1%之间,能通过调节不同的压缩速度测定压缩状态
13、下青贮玉米粉碎物料的力学特性数据。自制可观测压缩装置由压缩底座、压缩仓、压缩杆和透明压缩挡板组成,压缩仓尺寸为 100mm图 1 CMT6104 力学万能试验机Fig.1CMT6104mechanicaluniversaltestingmachine1234注:1.压缩底座;2.透明压缩挡板;3.压缩杆;4.压缩仓。Note:pressionbase;2.transparentcompressionbaffle;pres-sionrod;pressionbin.图 2 自制可观测压缩装置Fig.2Self-madeobservablecompressiondevice第4期赵玉清,等:青贮玉米
14、粉碎物料压缩特性响应面优化试验705100mm350mm(长 宽 高),压缩杆底面积为98mm98mm。试验时将压缩杆与万能试验机相连接,通过控制万能试验机升降速度,让压缩杆获得相应的升降速度从而实现压缩杆对压缩仓内青贮玉米粉碎物料的压缩,可实时对压缩仓内的压缩过程进行观察。其他试验设备包括 101-2A电热鼓风干燥箱和 LT501 电子天平称等。1.1.2试验材料试验用青贮玉米粉碎物料试样(图 3)于 2020年 9 月在云南省寻甸县青贮玉米种植基地收获,其初始密度为 312kg/m3。品种为红单 10 号,种植行距 6070cm,株距 1520cm,种植方式为单株密植,产量为 46kg/m
15、2。按照农业机械试验条件测定方法的一般规定(GB/T52562008)中关于含水率的测定方法,测得红单 10 号青贮玉米粉碎物料平均含水率为 68.42%,满足青贮农艺技术要求。1.2二次回归正交试验设计1.2.1因素水平选取根据青贮农艺技术要求,农业纤维物料在压缩青贮时,压缩密度应大于 450kg/m3,且压缩密度对后期青贮饲料发酵品质有重要影响17-18。课题组前期对青贮玉米粉碎物料进行的单因素压缩试验结果表明:喂入量和压缩速度对压缩特性有显著影响。因此,选取喂入量(A)、压缩密度(B)和压缩速度(C)为试验因素,设计青贮玉米粉碎物料压缩特性的正交试验(表 1)。1.2.2试验指标选取比能
16、耗是指单位质量青贮玉米粉碎物料被压缩成型时所消耗的能量,是压缩过程中评价能耗高低的重要技术指标。利用 MATLAB 软件对压缩过程中压缩力与压缩量曲线图进行梯形数值积分,梯形总面积即为比能耗15。压缩力和压缩量可由万能试验机测得,比能耗计算公式为=Wm=103mwF(x)dx。WmF(x)x式中:为压缩过程比能耗,J/kg;为压缩过程总能耗,J;为物料质量,kg;为压缩过程中随压缩量变化的压力,N;为压缩过程中的压缩量,mm。压缩时间是指压缩时青贮玉米粉碎物料状态由蓬松到压实所需的时间,能反映压缩过程的压缩效率。最大压缩力是指将青贮玉米粉碎物料压缩成型时所需的压力,能反映青贮玉米粉碎物料的可压
17、缩程度,对压缩装置的动力选择有重要指导意义。因此,选取比能耗()、压缩时间(T)和最大压缩力(P)为试验指标。1.2.3试验方案设计响应面分析法(Box-Behnken)是一种综合试验设计和数学建模的优化方法,采用多元二次方程来拟合因素和响应值之间的函数关系,通过对回归方程的分析寻求最优工艺参数。响应面分析法能够以最少试验次数优化试验过程,通过方差分析、响应面分析和响应面优化等试验数据分析得出因素的最佳组合和响应的最优值。本研究利用 Design-Expert10.0.7 中的 Box-Behnken 模块对青贮玉米粉碎物料试样进行 3 因素 3 水平二次回归正交压缩试验(表 2),建立回归模
18、型以表达比能耗、压缩时间和最大压缩力3 个试验指标与喂入量、压缩密度和压缩速度3 个因素取值之间的变化规律,共 17 次试验。试验过程中,各因素水平组合重复 3 次,结果取平均值。因素间交互效应可用响应面和等高线直观表示。响应面坡度越陡,因素间交互作用越显著,反之则不显著19;等高线则用于反映因素间交互作用的强弱20。为获得压缩青贮玉米粉碎物图 3 青贮玉米粉碎物料Fig.3Crushedsilagecornmaterial表 1 二次回归正交试验因素水平表Tab.1Factorleveltableofquadraticregressionorthogonaltest水平level因素fact
19、or喂入量/kgfeedingamount压缩密度/(kgm3)compressiondensity压缩速度/(mmmin1)compressionspeed10.555010000.760020010.9650300706云南农业大学学报第38卷料过程中的最佳因素水平组合,采用 Box-Behn-ken 模块对二次回归正交试验结果进行优化处理;为验证优化后最佳因素水平组合的可信度,按照最佳因素水平组合进行 10 次重复试验。2 结果与分析2.1压缩特性试验结果由表 2 可知:青贮玉米粉碎物料压缩时,比能耗、压缩时间和最大压缩力范围分别为 27.8045.26J/kg、29.1099.00s、
20、50.3387.91kPa。在试验过程中,当青贮玉米粉碎物料被压缩到一定程度时,会有汁液从压缩底板与压缩仓的间隙流出(图 4a)。压缩后的青贮玉米粉碎物料见图 4b。2.2各指标回归模型与方差分析利用 Design-Expert10.0.7 软件建立的回归方程分别为:=36.551.75A+7.40B+1.04C;a)b)注:a)粉碎物料汁液流出;b)压缩后的粉碎物料。Note:a)crushedmaterialjuiceflowsout;b)crushedmaterialaftercompression.图 4 压缩试验过程及压缩试验后粉碎物料情况Fig.4Compressiontestpr
21、ocessandcrushedmaterialaftercompressiontest表 2 Box-Behnken 试验设计方案及结果Tab.2Box-Behnkenexperimentaldesignandresults试验序号testserialnumber试验因素testfactors比能耗/(Jkg1)specificenergyconsumption压缩时间/scompressiontime最大压缩力/kPamaximumcompressionforceABC111030.8946.1051.77211027.8042.0052.15311044.2050.7085.8941104
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