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軸流式玉米脫粒裝置運行因素 對損耗和能耗的影響 Waree Srison,Somchai,Chuan-Udom,Khwantri,Saengprachatanarak 孔敬大學工程學院農(nóng)業(yè)工程系，泰國孔敬 40002 孔敬大學東北重點作物應用工程研究所，泰國孔敬 40002 摘要 研究了影響軸流式玉米脫粒裝置損耗和能耗的的運行因素。脫殼裝置長 0.90 米，釘齒末端直徑 0.30 米。 這些因素包括三個級別的水分含量（MC），三 個層次的進料速率（FR），以及三級轉(zhuǎn)子速度（RS）。實驗基于響應面方法和 23 因 子設計進行。研究結果表明，MC 顯著影響顆粒破碎和功率消耗，但不影響脫殼 裝置的損耗。增加 MC 可提高晶粒破碎率和耗電量。FR 影響了電耗，但不影響脫 粒裝置的損耗和谷物的破碎。增加 FR 增加了能耗。RS 對脫粒單元損失、糧食破 碎和耗電量均無明顯影響，增加 RS 值增加了晶粒破碎率和耗電量，但降低了脫 粒單位損失。在多元線性模型的基礎上建立了經(jīng)驗模型。 關鍵詞 玉米脫粒裝置 ；水分含量；進給速率；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 引言 玉米是對畜牧業(yè)來說很重要的飼料原料（Farjam 等人，2014）。玉米生產(chǎn)是 基于其多樣性，另外，收獲機制是玉米生產(chǎn)過程中最重要的組成部分之一（參考 文獻）（(Chuan-Udom，2013 年)。 Kunjara 等人(1998 年)討論了泰國的玉米脫殼問題，從中獲得以下信息。玉 米脫粒機自從 1929 起就被使用和改良。玉米脫粒機的開發(fā)主要是由當?shù)氐闹圃?商來進行，大部分玉米脫粒機采用的是紋桿脫粒機和釘齒脫粒機。這些脫粒機已 經(jīng)過測試和評估，以確定其最佳操作性能，直到累計損失（谷物損失和顆粒破碎） 低于 1.5％。然而，用紋桿式脫粒機時發(fā)現(xiàn)，殘留在凹形表面上的破碎作物部件 降低了谷物分離的有效性，而釘齒脫粒機的能耗和剝落滾筒速度是紋桿式脫粒機 的兩倍(Kunjara 等人，1998 年)。 玉米脫粒裝置最初是以小麥脫粒裝置為基礎研制而成的，但糧食破碎率較高 （農(nóng)業(yè)部，1996）。Chuan Udom（2013）對泰國脫粒機影響玉米脫殼損失的操作 因素進行了研究，發(fā)現(xiàn)軸流式脫粒機具有高效、易清洗、糧食破碎少等特點，對 調(diào)整脫粒玉米是經(jīng)濟的，并且只需要簡單的修改。此外，軸流脫殼裝置的原理適 用于泰國和亞洲國家的情況（Singhal 和 Thierstein，1987; Chuan-Udom，2011）。 Chuan-Udom 和 Chinsuwan（2009）對泰國軸流式水稻聯(lián)合收割機的運行和調(diào) 整進行的研究表明，轉(zhuǎn)子速度，導葉傾斜度，谷物含水率，進料速度和顆粒物質(zhì) 對脫粒裝置損失都有明顯的影響。Chinsuwan 等人（2003）研究了轉(zhuǎn)子切向速度 和進給速度對脫粒裝置損失和稻谷破損的影響。結果表明，當轉(zhuǎn)子切向速度增大 時，脫粒單元損失減小，損傷增大。安德魯斯等人（1993）研究了聯(lián)合收割機操 作參數(shù)對水稻收獲損失的影響，并介紹了喂入率、料谷比、顆粒含水量、旋翼轉(zhuǎn) 速、凹間隙等因素對脫粒裝置損失的影響。Gummert 等人（1992）報道了轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速、進給速度和百葉窗傾角對脫粒單元損失的影響，以及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對顆粒損傷的 影響。 合適的玉米脫粒機需要研究影響損耗和能耗的重要因素，即轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，進料 速率和谷物含水率。因此，本研究的目的是研究軸流式玉米脫殼裝置的運行因素 對損失和能耗的影響。 材料與方法 玉米脫粒裝置 本研究利用泰國農(nóng)業(yè)研究開發(fā)機構（公共組織）提供的軸流玉米脫殼裝置進 行，如圖 1 所示，脫粒裝置長為 0.90 米，直徑端面距釘齒末端 0.3 米，具有可 控的轉(zhuǎn)子速度。功率測量裝置如圖 2 所示，軸流式玉米脫粒裝置由圓柱釘齒構成， 圓筒下面的凹板由彎曲鋼筋制成，導葉的傾角是可調(diào)的。脫粒裝置下的谷物溜槽 分為九個槽，進給速度可通過控制物料輸送帶速度進入脫粒裝置來調(diào)節(jié)。實驗是 在實驗室內(nèi)成規(guī)模進行的。本試驗采用先鋒 B-80 玉米品種進行。 影響因素和實驗設計 如表 1 所示，影響軸流式玉米脫殼裝置損失和功耗的操作因素范圍包括水分 含量（MC），進料速率（FR）和轉(zhuǎn)子速度（RS）。在進行了因素實驗設計之后，需 要大量因素和程度來確定材料和實驗單元的數(shù)量。 因此，應用 2 3 析因?qū)嶒炘O計， 如圖所示表 2，減少材料的使用和測試時間（伯杰和 Maurer，2002). 測試方法 每次測試使用 10 公斤玉米，通過輸送帶將玉米送入脫粒裝置的入口，從玉 米籽粒和玉米棒出口取樣，直到只剩下玉米顆粒，稱重并從原來的 10 千克玉米 中減去籽粒，結果被認為是脫粒單位損失（TL）。 為獲得顆粒破碎率，隨機從斜 槽中取出兩個 1 公斤的樣品，用手工分離破碎籽粒并記錄破碎籽粒的重量。在該 實驗中，使用具有應變計的扭矩傳感器（KFG-2-350-D2-11L1M3R; Sokki Kenyujo Co.Ltd。; Tokyo，Japan）。 扭矩計安裝在氣缸軸上以測量扭矩并計算功耗（P）。 數(shù)據(jù)分析 從所獲得的參數(shù)中，使用術語 TL，GB 和 P 構建多個線模型。 然后，模型是 表 1 自變量及其因子水平 變量 范圍和級別（編碼） - 0 + X1; 含水量（％濕基） 14 21 28 X2; 進給率（t / hr） 0.5 1.5 2.5 X3; 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（m / s） 8 10 12 表 2 實驗裝置基于一個 2 3 因子設計，用于變量水分含量（X1），進料速率（X2） 和轉(zhuǎn)子速度（X3）的軸流式玉米脫粒裝置的損失和功耗。 實驗編號 X1 X2 X3 1 - - - 2 + - - 3 - + - 4 + + - 5 - - + 6 + - + 7 - + + 8 + + + 9 0 0 0 10 0 0 0 11 0 0 0 12 0 0 0 表 3 水分含量（MC），進料速率（FR）和轉(zhuǎn)子速度（RS）對脫粒單元損失， 籽粒破碎和功耗的影響。 實驗編號 MC（％ 濕基） FR(t/hr) RS(m/s) 脫殼單位 損失(%) 谷物破損 率 (%) 功耗(W) 1 14(-) 0.5(-) 8(-) 2.32 0.61 1529.73 2 14(-) 0.5(-) 8(-) 2.93 0.37 1439.82 3 14(-) 0.5(-) 8(-) 3.24 0.18 1417.35 4 28(+) 0.5(-) 8(-) 2.43 2.26 1979.24 5 28(+) 0.5(-) 8(-) 2.89 2.22 2046.66 6 28(+) 0.5(-) 8(-) 3.33 2.47 2024.19 7 14(-) 2.5(+) 8(-) 2.60 0.18 2271.42 8 14(-) 2.5(+) 8(-) 2.88 0.19 2316.37 9 14(-) 2.5(+) 8(-) 3.06 0.25 2316.37 10 28(+) 2.5(+) 8(-) 2.90 2.20 3058.06 11 28(+) 2.5(+) 8(-) 2.89 2.13 2990.63 12 28(+) 2.5(+) 8(-) 2.65 2.68 3058.06 13 14(-) 0.5(-) 12(+) 1.60 0.94 2069.14 14 14(-) 0.5(-) 12(+) 1.57 0.71 2046.66 15 14(-) 0.5(-) 12(+) 1.52 1.30 2091.61 16 28(+) 0.5(-) 12(+) 1.11 2.20 2361.32 17 28(+) 0.5(-) 12(+) 1.90 2.36 2338.84 18 28(+) 0.5(-) 12(+) 1.60 2.47 2428.74 19 14(-) 2.5(+) 12(+) 1.54 0.49 2653.50 20 14(-) 2.5(+) 12(+) 1.53 1.06 2541.12 21 14(-) 2.5(+) 12(+) 1.57 0.79 2631.02 22 28(+) 2.5(+) 12(+) 1.58 2.22 3215.39 23 28(+) 2.5(+) 12(+) 1.54 2.68 3215.39 24 28(+) 2.5(+) 12(+) 1.47 2.20 3215.39 25 21(0) 1.5(0) 10(0) 2.36 1.06 2586.07 26 21(0) 1.5(0) 10(0) 2.22 1.26 2653.50 27 21(0) 1.5(0) 10(0) 2.03 1.52 2563.60 28 21(0) 1.5(0) 10(0) 2.56 1.61 2586.07 括號中的數(shù)字表示范圍和級別的代碼; -低，0 中等，+高。 應用響應面法和 2 3 析因設計分析參數(shù)對損耗和功耗的影響，使用設計專家 軟件確定每個參數(shù)對測定系數(shù)（R2）的影響（版本 7; Stat-Ease 公司;明尼蘇達 州明尼阿波利斯，明尼蘇達州，美國）。采用方差分析法對影響 TL 的設計因素進 行回歸分析，在 P＜0.05 時進行籽粒破碎和功耗檢驗。 指標值 指標值 TL，GB 和 P 是根據(jù)評估玉米脫粒機的程序計算出來的（亞洲經(jīng)濟社 會委員會和太平洋農(nóng)業(yè)機械地區(qū)網(wǎng)絡 1995）。 結果與討論 MC，F(xiàn)R 和 RS 對 TL，GB 和 P 的影響如表 3 所示。 影響脫粒裝置損失的操作參數(shù) 影響脫殼裝置損失的操作參數(shù)的方差分析結果如表 4 所示。結果表明，RS 對脫殼單元損失有顯著影響，而 MC、FR、MCxFR、MCxRS、FRxRS 和 MCxFRxRS 對 脫殼單元損失的影響不顯著。 確定操作參數(shù)對脫殼裝置損失的影響的回歸方程如公式（1）： TL = 5.44 - 0.32RS （1） 其中 TL 是脫粒損失（百分比），RS（米每秒）是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，方程（1）中 R2 和 R2 的調(diào)整值分別為 0.87 和 0.87。 基于公式 （1）中，表示 MC 和 RS 對 TL 的影響的響應曲線圖如圖 3。 從圖 3 中可以看出，增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（RS）減少了與 Simonyan（2009）的研 究有關的脫粒單位損失（TL），其增加跳動導致脫粒能力增加減少脫粒單位損失。 影響籽粒破碎的操作參數(shù) 表 5 顯示影響籽粒破碎的操作參數(shù)的方差分析結果。結果表明，MC、RS 和 MC X RS 對籽粒破損有顯著影響，而 FR，MC X FR，F(xiàn)R X RS 和 MC X FR X RS 對 籽粒破碎沒有統(tǒng)計學影響。用于確定操作參數(shù)對籽粒破碎的影響的回歸方程如方 程 (2): GB =-3.40 + 0.22MC + 0.28RS - 9.85 X 10-3MC X RS (2) 其中 GB 是籽粒破碎率（百分比），MC 是含水量（百分比），Rs 是轉(zhuǎn)子速度（米 每秒），R2 和調(diào)整后的 R2 值分別為 0.96 和 0.94。 基于公式 (2)，開發(fā)了響應面圖以顯示 MC 和 RS 的影響（圖 4）以及 MC 和 FR（圖 5）在 GB 上。 如圖 4 和圖 5 所示，增加 RS 傾向于增加 GB，這與 Rostami 等人的研究有關 （2009 年），在這種情況下，跳動加劇導致?lián)p失加劇。 MC 的增加導致 GB 的增加趨勢（Chuan-Udom,2013,Mahmoud 和 Buchele， 1975），因為谷物的高含水量更加靈活，使得谷物在被擊打時更容易破碎。 表 4 影響脫殼裝置損耗的變異操作參數(shù)分析 資源 平方和 DF 均方根 F 值 p 值 Prob> F 模型 10.15 7 1.45 18.77 <0.0001 模型是重要的 MC 1.93x10-0.005 1 1.93x10-0.005 2.49x10-0.004 0.9876 FR 1.82x10-0.003 1 1.82x10-0.003 0.024 0.8796 RS 9.57 1 9.57 123.93 <0.0001 MCxFR 1.95x10-0.003 1 1.95x10-0.003 0.025 0.8754 MCxRS 2.51x10-0.003 1 2.51x10-0.003 0.032 0.8589 FRxRS 3.77x10-0.004 1 3.77x10-0.004 4.89x10-0.003 0.9450 MCxFRxRS 3.13x10-0.003 1 3.13x10-0.003 0.040 0.8426 純粹的錯誤 1.47 19 0.077 相關總數(shù) 11.65 27 MC 為水分含量，F(xiàn)R 為進給速率，RS 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速; DF 為自由度。 圖 3.當進料速率為 1.5 噸/小時，脫粒單位損失（TL）的響應曲線圖顯示了水分 含量（MC，以重量為基準測量百分比）和轉(zhuǎn)子速度（RS）的影響。 圖 4.當進料速率為 1.5 噸/小時，表明水分含量（MC，以重量基準測量百分比） 和轉(zhuǎn)子速度（RS）的影響的顆粒破碎的響應曲線圖（GB）。 圖 5.當轉(zhuǎn)子速度為 10 m / s 時，顯示進料速率（FR）和含水量（MC，以重量為 基準測量百分比）的影響的顆粒破碎響應曲線圖（GB）。 影響功耗的操作參數(shù) 表 6 示出了影響功率消耗的操作參數(shù)的方差分析結果。結果表明：MC、FR、RS、 MCxFR、MCxRS 和 FRxRS 對脫粒單元損失有顯著影響，而 MCxFRxRS 對脫粒單元損 失影響不顯著，方程（3）示出了確定操作參數(shù)對動力消耗的影響的回歸方程： P=-925.096+58.508MC+699.237FR+211.020RS +11.416MCxFR-3.345MCxRS-39.956FRxRS (3) 其中 P 是功率消耗（瓦特），MC 是水分含量（百分比），F(xiàn)R 為進給速度（每 秒米）RS 為轉(zhuǎn)子速度（每秒米），R2 和調(diào)整后的 R2 值分別為 0.99 和 0.99?；?于公式（2），開發(fā)了響應面圖，顯示 MC 和 FR（圖 6），MC 和 RS（圖 7）和 FR 和 RS（圖 8）對功耗的影響。 從圖 4 和 5，增加 MC 增加 P，因為含水量較高的谷物較粘。隨著 FR 數(shù)量的 增加，傾向于增加 P，因為將更多材料裝入脫粒裝置導致打擊增加（Saeng-Ong 等人，2015）如圖 6 和 8。從圖 7 和 8，增加 RS 導致了增加功耗，因為增加了打 擊（Saeng-Ong 等人，2015)。 主要研究結論如下：1）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（RS）顯著影響脫粒單位損失（TL），增加 RS 降低 TL；2）含水量（MC）和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（RS）對籽粒破碎有顯著影響，增加 MC 和 RS 導致籽粒破碎的增加趨勢；3）含水率（MC）、進給率（FR）和轉(zhuǎn)速（RS） 對功率消耗（P）有顯著影響，MC、FR 和 RS 增加消耗；4）影響脫粒單元損失（TL） 的運行因素的最優(yōu)線性模型為 5.44318-0.32501RS，R2 值為 0.87；5）影響糧食 破碎的操作因素的優(yōu)化模型為-3.40+0.22MC+0.28RS-9.85x10-0.03MCxRS，R2 值 為 0.96；6）影響電力消耗的操作因素（P）的優(yōu)化模型為- 925.096 + 58.508MC + 699.237FR + 211.02RS + 11.416MCxFR - 3.345MCxRS - 39.956FRxRS, R2 值 為 0.99。 表 5 影響谷物破碎的操作參數(shù)的方差分析 資源 平方和 DF 均方根 F 值 p 值 Prob> F 模型 19.54 7 1.45 51.62 <0.0001 模型重要 MC 16.80 1 16.80 310.70 <0.0001 FR 0.045 1 0.045 0.83 0.3728 RS 0.56 1 0.56 9.86 0.0054 MCxFR 0.068 1 0.068 1.26 0.2752 MCxRS 0.44 1 0.44 8.05 0.0105 FRxRS 2.04x10-0.004 1 3.77x10-0.004 3.77x10-0.003 0.9516 MCxFRxRS 3.37x10-0.004 1 3.13x10-0.003 6.24x10-0.003 0.9379 純粹的錯誤 1.03 19 0.077 相關總數(shù) 20.61 27 MC 為含水量，F(xiàn)R 為進給速率，RS 為轉(zhuǎn)子速度（RS），DF 為自由度。 表 6 影響功耗的操作參數(shù)的方差分析 資源 平方和 DF 均方根 F 值 p 值 Prob> F 模型 6.59x100.006 7 9.42x100.005 580.58 <0.0001 模型重要 MC 1.53x100.006 1 1.53x100.006 944.00 <0.0001 FR 3.93x100.006 1 3.93x100.006 2422.03 <0.0001 RS 8.74x100.005 1 8.74x100.005 535.67 <0.0001 MCxFR 86,211.76 1 86,211.76 53.16 <0.0001 MCxRS 57,765.05 1 57,765.05 35.62 <0.0001 FRxRS 86,211.76 1 86,211.76 53.16 <0.0001 MCxFRxRS 1.54x100.005 1 5388.24 3.32 0.0841 純粹的錯誤 36,202.20 19 1621.79 相關總數(shù) 6.95x100.006 27 MC 為含水量，F(xiàn)R 為進給速率，RS 為轉(zhuǎn)子速度（RS），DF 為自由度。 圖 6.當轉(zhuǎn)子速度（RS）為 10 m / s 時，功率消耗（P）的響應曲線圖顯示進料速率（FR）和 含水量（MC，以重量為基準測量百分比）的影響。 圖 7.當進料速度為 1.5 t / hr 時，功率消耗（P）的響應曲線圖顯示了含水量（MC，以重量基 準測量百分比）和轉(zhuǎn)子速度（RS）的影響。 圖 8.功率消耗（P）的響應曲線圖，顯示當潮濕含量為 14％時進料速率（FR）和轉(zhuǎn)子速度（RS） 的影響。 致謝 作者感謝：泰國農(nóng)業(yè)研究開發(fā)機構（公共組織）; 東北重要作物應用工程系，泰國孔敬 孔敬大學; 以及泰國曼谷高等教育委員會采后技術創(chuàng)新中心提供研究支持。 參考文獻 [1]Andrews, S.B., Siebenmorgen, T.J., Vories, E.D., Loewer, D.H., Mauromoustakos, A., 1993. 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