（农业机械化工程专业论文）甘蔗剥叶机剥叶质量影响因素的试验研究.pdf

甘蔗剥叶机剥叶质量影响因素的试验研究 摘要 为改善甘蔗剥叶机对倒伏甘蔗的适应性，提高其综合剥叶性能。采用 二次通用旋转组合设计、数理统计分析方法及计算机仿真、优化技术，以 直、弯蔗为研究对象，利用甘蔗剥叶试验台，对甘蔗剥叶质量的影响因素 ( 剥叶元件交错深度、剥叶辊转速、输入辊距离、输送辊转速) 进行了室 内模拟剥叶试验；建立了相应的回归数学模型，找出影响试验指标( 含杂 率、折断率) 的主要因素；研究了主要因素及交互作用对试验指标的影响 规律及机理；对试验因素进行优化分析，获取了参数的综合优化条件。 研究发现：相同条件下直蔗承受的剥叶元件作用力、运动速度和转动 角速度比弯蔗的小；在竖直方向上直蔗受力平衡，弯蔗受力不平衡；直蔗 剥叶时受到的打击梳刷和摩擦牵扯作用比弯蔗的弱，直蔗被剥叶元件打断 或因四处窜动而卡折的机率比弯蔗的小。故直蔗含杂率大于弯蔗含杂率， 直蔗折断率小于弯蔗折断率。在参数综合优化条件：元件交错深度为8 ( m m ) ， 剥叶辊转速为6 0 l ( r m i n ) ，输入辊距离为2 8 8 ( 1 l u l l ) ，输送辊转速为2 5 0 ( r m i n ) 的组合下，室内剥叶试验验证结果如下：直蔗含杂率为o 6 4 ，折断率为o ， 弯蔗含杂率为o 4 l ，折断率为1 6 6 7 ，改进后甘蔗剥叶机能有效加强对 弯蔗的适应性，提高综合剥叶质量。因此，因素优化结果可作为甘蔗剥叶 机的设计参考依据。 关键词：甘蔗剥叶机试验因素含杂率折断率影响机理优化 e x p e r i n n t a lr e s e a r c ho nf a c t o r sa f f e c t n 呵gt h e d e t r a s h i n gq u a l i t yo ft 眦s u g a r c a n ed e t r a s 玎已r a bs t r a c t i no r d e rt 0i m p r o v et h ea d a p t a b i l i t yo fs u g a r c a n ed e t r a s h e rt 0 l o 以e d s u g a r c a r l e ，跚l da d v a n c ei t sc o m b i n e dd e t r a s h i n gp e r f o m a n c e ，u s m gs t r a i g 址觚d b e n d i n gs u g a r c a n e 弱s u b j e c ti n v e s t i g a t e d ，b a s i n go nt 1 1 es u g a r c a l l ed e t r 豁1 1 i n g t e s ts t a r l d ，a ni n d o o rs i m u l a t i v ee ) ( p e r i m e n to fs u g a r c m l ed e 衄弱h i n gw a sc 删e d o u to nm ea 腩c t i n gf i a c t o r s ( c r o s sd e p mo fe l e m e n t s 、r o t a t i o n a ls p e e do fd e t r a s 访g r o l l e r 、d i s t a i l c eo fr u n i i lr o l l e r 、r o t a t i o n a ls p e e do fd e l i v e rr o l l e r )w h i c ha f r e c t t h ed e 舰s h m gq u a l 时b ym e a n so fm eq u 池t i cg e n e r a l 咖u m t i z e dd e s i g n ， s t a t i s t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n 、o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e a n d l e c o n e s p o n d h l gm a m e m a t i c a lm o d e lo fr e g r e s s i o n w 硒e s t a _ b l i s h e d t h em a i n a 丘宅c t i f l gf a c t o r so nm e t e s tq u o t a ( t 1 1 ei m p 嘶钞r a t ea n dn l p t u r er a t e ) w 弱f o u i l d o u t t h ei n n u e n c el a wa n dm e c h a l l i s mo ft l l em a i nf a c t o r sa n dm e i ri m e r 2 l c t i o n o nt h et e s tq u o t aw a sa n a l y z e d t h eo p t i m i z a t i o ns t u d yw a sd o n eo nm e e x p e r i m e n t a lf a c t o r sa n dm ec o n l p r e h e n s i v ec o m b i n a t i o no fp a 眦l e t e rw 硒 g a i n e d t h e 咖d yi n d i c a t e s ：u n d e rt h es 锄ec o n d i t i o n ，t 1 1 ea c t i n gf o r c eo fc l e a n i n g e l e m e n to ns t m i g h ts u g a r c a n ei sm o r el a 玛et h a l lb e n d i n gs u g a r c 毅1 e ；t 1 1 e t r a n s l a t i o n a ls p e e da n dr o 谢o n a ls p e e do f 咖i 曲ts u g a r c a n ei sb i g g e rm a n b e n d i n gs u g a r c a n e s ；t h es t r e s so fs 缸i g h ts u g a r c a n ei s b a l a n c ea tv e r t i c a l d i r e c t i o nb u tm eb e n d i n gs u g a r c a n e si sn o t t h eb l o w i r 培、s 仃i p p 访g 觚d 衔c t i o n a la c t i o no fs 仃a i g h ts u g a r c a n ei ss m a l l e rt i l 锄t l l eb e n d i n gs u g a r c a n e s t h em p t u r er a t eo fs t r a i g h ts u g a r c a n ei s 传w e rt h a nm eb e n d i n gs u g a r c a n e s b r o o k i nb yc l e a n i n ge l e m e 吣o rs e i z e do f rb e c a u s eo fp l a y i n ga na r o 眦l d s o t h ei m p u r i 够o fs 缸i a i g h ts u g a r c a n ei sm o r el 鹕et h 锄t h eb e n d i n gs u g a r c a n e s ， w h i l et h er u p t u r er a t eo fs 舰i g h ts u g a r c a l l ei ss m a l l e rt h a nt 1 1 eb e n d i n g s u g a r c a n e s u n d e rt h ec o n l p r e h e n s i v ec o m b i n a t i o no fp a u r a m e t e r ：c r o s sd 印t l lo f e l e m e n t si s8 ( m m ) ，r o t a t i o n a ls p e e do fd e 缸a s i n gr o l l e ri s6 01 ( r m i n ) ，d i s 协c eo f 1 1 j n mr o l l e ri s2 8 8 ( n m l ) ，r o t a t i o n a ls p e e do fd e l i v e rr o l l e ri s2 5 0 ( f m i l l ) ，t i l e r e s u l to fi n d o o rp r o o ft e s to fd e 恤s h i n gg a i n e d ：m ei m p 丽t ) rr a t ea i l dm p t u r e r a t eo fs t r a i g h ts u g a r c a n ei so 6 4 a n do ，t h ei m p u r i t yr a t ea n dm p t u r er a t e o fb e n d i n gs u g a r c a n ei so 41 a n d16 6 7 t h ea d a p 切l b i l i t ) ro f 踟g a r c a n e d e 仃a s h e rt ol o d g e ds u g a r c 肌em a yi m p r o v ee 虢c t i v e l y ， a n di t sc o m b i n e d d e 舰s h i n gq u a l i t y a d v 锄c e sa r e r i m p r 0 v e m e n t t h e r e f o r e ，t h e r e s u l to f o p t i m i z a t i o nm a y b eu s e da sr e f e r e n c ef o rd e s i g n i n go fs u g a r c a n ed e t m s h e r k e yw o l 如i s ：s u g a r c a n ed e t r a s h e r ；e x p e r i m e n tf a c t o r ；i m p u r i 哆r a t e ；r l j p t u r e r a t e ；a a e c t i n gm e c h a n i s m ；o p t i m i z a t i o n 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除己注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：噎翮翩 2 夕p 号年月节日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 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助于降低蔗农劳动强度，提高甘蔗剥叶作业的效率。然而，由于地势特点和种植方式的 制约、环境气候的不利影响、剥叶元件材料使用寿命短、剥叶设备不完善等多方面因素 的制约，导致我国甘蔗剥叶机械化的发展十分缓慢【9 1 。因此，对甘蔗剥叶质量的影响因 素进行试验研究，分析主要因素对性能指标的影响规律及机理，优化工作参数，为甘蔗 剥叶装置的设计改进提供理论依据，具有重要意义。 广。园r 大掌硕士掌位荫叼甘蘑剥叶机铡叶质量影响因素的试验研究 3 国内外研究现状 3 1 国外研究现状 澳大利亚、美国、巴西、日本、印度等主要产糖国对甘蔗剥叶技术的研究开发比我 国要早很多，目前各国的甘蔗剥叶技术已经比较成熟【1 0 1 2 1 ，存在的关键问题是剥叶元件 材料的使用寿命较短1 3 1 。为解决这问题各国开展了关于剥叶元件材质与装夹形式的研 究： 7 0 年代，日本京都大学和鹿儿岛大学研制钢丝绳方式的半自动甘蔗脱叶机，其剥叶 元件采用单根直径为1 0 4 吼的钢丝绳1 1 4 】。钢丝绳剥叶元件是由单条钢丝组合成剥叶元 件，钢丝弹性低、韧性低，钢丝之间相互依赖性小速摩擦下容易折断。通常使用的钢丝 绳剥叶元件一般采用直径约1n m 的钢丝，将数条钢丝集结成一束，由于钢丝绳钢丝之 间具有依赖性，可增加其使用寿命。经试验测知，该机型的剥叶含杂率为2 - 4 ，剥叶 元件的使用寿命为6 0 7 0 小时。但是，钢丝的更换费时费力。9 0 年代初期，日本( 宫部 芳照等，1 9 9 3 ) 开始将尼龙作为甘蔗剥叶元件材料应用到甘蔗剥叶机上。但尼龙的组成 成分比较复杂，不同组成成分的尼龙其使用寿命、剥叶效果差异也很大【1 5 1 。 如今，甘蔗剥叶元件的材料及使用寿命问题仍然是世界各产糖国重点研究并着力解 决的主要问题。随着计算机技术的发展，有限元分析法、注射模c a d c a e c m 软件等 虚拟设计技术的出现，各国开始将虚拟设计系统( 包括：c a d c a e c a m 软件、d f x 软 件、p d m 软件、专家系统软件、有限元分析软件等部分) 引入到剥叶元件材料和使用寿 命的研究上来。这是对农业机械数字化产品开发设计方法和技术创新的切入点，也是对 机电产品数字化技术的有益探索【1 6 1 。 近年来，国外研究工作者们利用虚拟设计技术和材料科学，对各式各样的纤维增强 聚合物( 如：聚脂树脂、环氧树脂、酚醛树脂和硅树脂等) 进行了材料性能( 当然包括 疲劳性能) 预测，给出了这些工程材料的s n 曲线资料f 1 刀。这将对材料的结构设计及优 化设计，新型材料的开发和应用，剥叶元件寿命和剥叶效率的提高都具有理论指导意义。 3 2 国内研究现状 我国从2 0 世纪6 0 年代开始研制甘蔗剥叶机，但由于多方面的原因，进展比较缓慢， 且当时的情形，注重实际剥叶效果的试验研究居多，对剥叶机理的研究方面就很少【1 羽。 目前，国内的科研工作者们仍在进一步攻关甘蔗剥叶技术： 2 0 0 0 年，华南农业大学工程技术学院商杭秋、区颖刚等用计算机图像分析方法对甘 2 甘蘑剥叶机剽叶质量影响因素的试验研究 蔗剥叶机理进行了研究。结果表明计算机图像分析方法能较清晰地记录刷式甘蔗剥叶机 构的工作过程，对了解其机理，改进设计性能良好的甘蔗剥叶机器提供了依据。但该研 究是在转轴转速低的条件下采用较为简单的方法实现的，对于高速条件下的情况还需要 进一步探讨【1 9 】。 2 0 0 1 年，广西大学王勇对甘蔗剥叶元件的疲劳寿命理论与虚拟试验平台进行了研 究：( 1 ) 研制了一台适用于非线性、大应变材料，承受冲击载荷的试样的疲劳试验机， 进行了关键部件的强度、动力系统校核，完成了剥叶元件的疲劳试验，填补了材料力学 性能资料的空白。( 2 ) 获取了加载速率、交错深度对元件受力影响的规律，为剥元件产 生的剥叶力提供了计算依据。得出了剥叶元件材料的s n 曲线，为剥叶元件寿命的量化 计算提供了可靠的依据，得出剥叶元件装夹机构和组合装夹方式的具体性能指标，并以 获取的数据完成了疲劳虚拟实验。( 3 ) 用m o l d f l o w 对剥叶元件注塑过程进行了分析。 经试验证明：研制的疲劳试验机满足试验要求，剥叶元件使用寿命得到量化计算与预测， 但由于剥叶元件材料为复合材料，性能参数较为缺乏，各部分之间还未进行全面、系统 的集成，还未形成一个完整的评价体系，因此今后还需要改进和完善【2 0 1 。 2 0 0 2 年，华南农业大学张增学等以整杆式甘蔗收割和人工砍蔗为基础，对梳刷式甘 蔗剥叶机的机理问题进行了研究。提出了影响甘蔗剥叶效果的主要因素及其参数，分析 了甘蔗品种、剥叶元件材料、剥叶滚筒转速、剥叶元件排列形式，甘蔗喂入方式，剥时 元件线径，剥叶元件间距、剥叶刷有效长度，甘蔗喂入密度等主要参数对一甘蔗剥叶质 量的影响规律：对甘蔗在剥叶过程中的运动状态和受力情况进行了分析，对影响梳刷式 甘蔗剥叶的剥叶刷梳刷次数进行了探讨。试验研究认为：甘蔗剥叶过程主要由压紧阶段、 撕裂牵扯蔗叶阶段和蔗叶向后抛送阶段组成；与不同剥叶材料所匹配的最优剥叶滚筒转 速范围不同，对于尼龙、钢丝和塑料三种剥叶材料来说，最优的剥叶滚筒转速范围 为：9 0 0 1 2 0 0 曲n j i l ：获得较好剥叶质量时，按照所需要的稳定工作的剥叶滚筒转速值由 小到大的顺序，三种材料依次为钢丝、尼龙和塑料：影响甘蔗剥叶效果的各因素及其参 数的关系为：剥叶元件的排列形式取一对剥叶滚筒，每个滚筒上等分安装4 排剥叶刷、上 下滚筒剥叶刷之间的安装位错角取4 5 0 为宜；甘蔗的喂入方式为蔗叶所在平面垂直于剥叶 滚筒轴线；剥叶元件间距大小以所需剥叶的甘蔗的平均直径大小相近为好；剥叶刷的有 效长度以使得剥叶刷重叠长度大于1 2 蔗径小于1 5 倍的蔗径最佳；甘蔗的喂入密度增加， 剥叶工效增加，但含杂率也增加，实际生产中应以获得较好的剥叶质量为前提确定喂入 密度。甘蔗在田间根切后不同时间剥叶对剥叶质量指标影响较大，应尽可能地在根切后 3 甘蘑删叶机测叶质量影响因素的试验研究 立即进行剥叶；剥叶材料对剥叶工效的影响不大，剥叶刷的排数对剥叶效果的影响较大。 甘蔗品种不同，则蔗叶被剥离蔗茎的方式也不同。甘蔗在剥叶过程中所受到的力的大小， 以垂直力为主，水平力其次，力矩较小【2 l 】。 2 0 0 2 年，广西大学麻芳兰对甘蔗收获机械排刷式剥叶元件进行了虚拟试验分析与研 究：( 1 ) 通过对剥叶元件动静态试验研究及剥叶机理的研究发现：剥叶元件的剥叶质 量受到不同的装夹方式影响；增加元件的排数可有效地降低元件根部的应力；增大螺旋 角、前角与交错深度在提高打击力的同时，产生的应力也较大。( 2 ) 利用标准的正交 表对影响剥叶效果及使用寿命的各因素进行了虚拟的正交试验，得出各因素不同水平的 最佳组合，并通过方差分析检验其显著性。( 3 ) 利用经验公式对最佳组合的剥叶元件 进行了疲劳寿命预测分析，说明剥叶元件不仅具有较好的剥叶效果，还具有较高的抗疲 劳特性。( 4 ) 通过回归分析揭示各因素对剥叶指标的内在关系，为建立各因素与剥叶 指标的经验公式进行了初步的研究。( 5 ) 利用v i 刚b 舔i c 编写了针对剥叶元件虚拟试 验分析的封装程序。操作用户只需输入剥叶元件中的可变参数，即可运行a n s y s 的批处 理进行分析计算及结果后处理。但是，该研究在对剥叶元件进行动态测试中，由于测力 仪传递力的中间环节没设计好，当元件高速旋转时，力的变化无法通过测力仪反映出来， 因此该装置须进一步改进；同时，在对剥叶元件进行有限元分析时，速度的影响在a n s y e 中难以考虑【2 2 1 。 2 0 0 3 年，合肥工业大学蒙艳玫进行了基于可视化虚拟设计的甘蔗收获机械设计开发 若干关键技术的研究：( 1 ) 分析了整杆式甘蔗收获剥叶机构的工作机理。提出了剥叶 机构的总体设计方案。结合理论、仿真和实验分析了其核心元件一剥叶元件工作过程的 受力状态及其影响因素，找到了排刷式剥叶元件受力及对剥叶效果影响的分析依据。( 2 ) 针对没有明确优化目标函数和具体约束条件的多因素、多目标优化设计问题，提出了采 用数值模拟正交试验的方法进行分析，快速寻找设计参数的最佳组合。( 3 ) 分析了高分 子剥叶元件疲劳断裂的机理及影响因素。认为元件注塑成型造成的缺陷会引起应力集中 成为疲劳源，在周期动载荷的作用下，应力集中部位逐渐萌生裂纹，并不断扩展，当应 力值超过材料的内聚破坏的临界值时，试样就在应力集中的有缺陷或缺口处突然断裂。 ( 4 ) 结合数值模拟正交试验，通过编程工具开发出剥叶元件设计、分析、优化和疲劳 寿命预估的虚拟试验分析平台，并把试验平台嵌入到甘蔗收获机械可视化虚拟设计支持 平台中，进一步完善了该设计平台的功能。然而，仍有许多内容有待深入研究解决：( 1 ) 论文中用到的c a d 、c a e 及设计、分析和评价综合决策系统等软件构建的产品可视化虚拟 4 广西大掌硕士掌位论文甘蘑捌叶机捌叶质量影响因素的试验研究 设计环境，只适用于设计过程并发性不强的情况，开发平台需要进一步完善；( 2 ) 如何 利用p d m 实现对知识的管理，以提高系统的集成度，有效地提高系统智能决策分析能力， 这个问题也需要进一步挖掘。( 3 ) 如何进一步提高可视化虚拟设计建模分析的可靠性和 准确度仍然需要深入地研究探索，以便更大地提高产品设计开发的速度和效率【2 3 1 。 2 0 0 6 年，广西大学王光炬对小型甘蔗剥叶机剥叶质量的影响因素( 剥叶辊转速、输 送辊转速、输入辊距离、输出辊距离) 进行了综合性试验研究，建立了不同剥叶元件材 料下，各因素与试验指标( 含杂率、工作效率) 的回归数学模型，对甘蔗剥叶机理进行 了动力学、生物学和计算机仿真分析，同时进行优化分析找出了甘蔗剥叶机工作参数的 较优组合：元件材料为菱形胶指时，输入辊距离为2 9 5 m m 、输出辊距离为2 9 2 8 3 i m n 、 输送辊转速为3 5 0 阳d m i n 、剥叶滚筒转速为1 2 0 0 r a d m i n ；元件材料为尼龙剥叶刷时，输 入辊距离为2 4 0 m m 、输出辊距离为2 6 5 m m 、输送辊转速为2 5 2 6 8 r a d m i n 、剥叶滚筒转 速为1 2 0 0 r a d m i n ，相应的含杂率分别为o 1 8 和o 4 2 。研究结果为甘蔗剥叶机设计提 供了参考依据【2 4 1 。 另外，我国甘蔗产地大多分布在热带、亚热带季风气候影响区，每年夏季受到台风、 大风、暴雨的影响，甘蔗倒伏率高达3 0 4 0 【2 5 1 。这增加了甘蔗收获剥叶作业的复 杂性和随机性，而我国现有的甘蔗收获、剥叶机对倒伏弯蔗的适应性差，大量弯蔗还需 靠人工进行收割和剥叶，严重制约了甘蔗收获剥叶作业的全面机械化。因此，培育耐涝、 抗弯的甘蔗品种能在一定程度上减少环境气候对剥叶机械化的影响，而研制对倒伏弯蔗 适应性强的剥叶机对甘蔗剥叶机械化的发展则更具重大意义瞄】。目前我国在甘蔗切割机 的扶蔗器研制上已经取得了一定进展，但对整杆式弯蔗剥叶机的研究还是一片空白。因 此，以现有剥叶机为试验平台，对影响弯蔗剥叶质量的因素进行试验研究和优化分析f 2 7 1 ， 为改善甘蔗剥叶机对倒伏甘蔗的适应性、提高现有剥叶机的综合剥叶性能提供理论依 据，具有重要意义。 4 本课题的研究内容及技术路线 4 1 研究内容 甘蔗剥叶含杂率、蔗茎折断率影响因素确定研究( 包括剥叶机结构因素、运动参数、 甘蔗形态因素等) 。 多因素试验设计方案研究。 室内物理模拟试验研究( 实现剥叶装置工作状态模拟和进行相关的测试分析) 。 统计分析、主要影响工作性能多因素数学模型建立研究( 包括试验数据处理、数 5 甘蘑剥叶机利叶质量影响因素的试验研完 理统计分析、数学建模及检验) 。 图形分析( 绘制试验因素对性能指标的影响关系曲线) 。 甘蔗剥叶机理的动态仿真分析、试验因素对性能指标的影响机理分析。 工作性能影响因素的优化研究和物理模拟试验对优化结果的验证。 4 2 技术路线 5 本章小结 介绍了课题研究的背景、甘蔗剥叶机的国内外研究与发展情况，并给出了课题的研 究内容及技术路线。 6 广西大掌硕士学位论文甘蘑捌叶机剁叶质量影响因素的试验研究 第一章甘蔗剥叶机的物理模拟试验 1 1 试验目的 剥叶含杂率和蔗茎折断率是衡量甘蔗剥叶机剥叶质量的重要指标，而剥叶机的运动 参数( 剥叶辊、输送辊转速) 、结构参数( 剥叶元件交错深度、元件排列方式、元件排 数、元件材料、输送辊距离等) 及甘蔗的生长状态( 蔗茎形态、蔗叶伸展角度、蔗叶含 水率等) 可能对这两个指标造成一定影响1 2 8 】。但由于影响甘蔗剥叶质量的因素多，且不 同的甘蔗状态下，同一因素影响剥叶质量的规律存在差异。然而，当前国内的相关研究 中，较少考虑不同甘蔗状态对剥叶质量的影响。因此，以直蔗、弯蔗为研究对象，通过 物理模拟试验研究，找出影响甘蔗剥叶质量的主要因素，分析各因素在不同蔗茎形态下 对剥叶质量的影响规律，并通过优化研究，获取因素较优组合，从而为设计、改进剥叶 机以提高其综合剥叶性能提供参考依据。 1 2 试验设计 1 2 1 试验因素及其水平、试验指标的确定 根据相关文献【舢2 1 ，结合现有样机情况，物理模拟试验以剥叶元件交错深度、剥叶 辊转速、输入辊距离、及输送辊转速四个参数作为试验因素，同时分别以直蔗和弯蔗作 为研究对象，研究不同蔗茎形态下各试验因素对试验指标产生的影响。 在衡量甘蔗剥叶机剥叶性能的指标中，含杂率是我国制糖企业对入榨甘蔗质量的评 价标准，含杂率高则蔗糖的纯度会降低；而折断率则影响甘蔗变质的快慢，折断率高会 导致糖份损失较快【3 3 1 。因此研究选择剥叶含杂率与蔗茎折断率为评价指标。 试验中有四个试验因素，同时要考虑试验因素之间的交互作用，属于多因素试验， 因此，研究采用二次回归通用旋转组合设计方法( 四因素半实施) 【3 4 1 安排试验。 根据二次回归通用旋转组合设计法，可知试验方案的试验次数为： 。 刀= 掰。+ 2 p + 所o ( 1 ) 册。分布在规范变量空间中半径为成= 万球面上的试验点； 朋。风= o 球面上的试验点。 7 广西大学司n b 掌位毹艺定甘繁捌叶机劐叶质量影响因素的试验研究 按照1 2 实施试验，p = 4 ，则所。= 2 产1 = 8 ，星号值，= 咖万= 1 6 8 2 。为了保证二 次回归系数间的正交性和避免设计退化，必须满足： ? 氅喘：1 ( 2 ) ( p + 2 ) ( 优。+ 2 ，2 ) 2 一 由( 1 ) 、( 2 ) 两式可得，试验方案的试验次数”= 2 0 ：= 4 。 根据样机数据，首先确定各因素的上、下星号臂值，然后按公式 x + x 一巧 而2 彳铲竿铲”，“飞坞 对各因素水平进行编码，得到因素水平编码如表1 1 所示。其中，= 1 ，2 ，p 。 表卜l 试验因素水平编码表 1 a b 1 - lc 0 d i n gt a _ b l eo f f 犯t 0 硌a n dl e v e l so f e x p e r i m e n t 上星号臂( + 1 6 8 2 ) 1 81 0 0 02 9 03 5 0 上水平( + 1 ) 1 59 1 92 8 03 3 0 零水平( o ) 1 08 0 02 6 53 0 0 下水平( 1 ) 56 8 l2 5 02 7 0 下星号臂( 1 6 8 2 ) 26 0 02 4 02 5 0 变化区间( ) 51 1 9 t 1 53 0 1 2 2 试验设备与材料 ( 1 ) 剥叶装置 物理模拟试验采用的剥叶装置为广西农业机械研究院研制的4 z b 1 2 型甘蔗剥叶试 验台，如图1 1 所示。该试验台由无级调速剥叶辊和无级调速输送辊组成，采用离心式 剥叶原理，靠剥叶辊带动剥叶元件高速旋转时产生的离心力和切向力压紧、冲击、梳刷 蔗茎而揉搓牵扯蔗叶，实现甘蔗的茎叶分离【3 5 】；输送辊与剥叶辊之间的水平距离、上下 剥叶辊之间的垂直距离可以进行柔性调整【3 6 】；剥叶辊和输送辊分别由直流电机和交流电 机通过传动带驱动；输入辊和输出辊之间、上下剥叶辊之间均通过链传动实现动力传递。 试验时可分别调整控制电柜上的调速按钮和交流电机上的调速手柄使剥叶辊和输送辊 的分别转速达到试验方案要求的水平值。 8 甘蔗剥叶机剥叶质量影响因素的试验研究 ( 2 ) 调速电机 试验中使用交流电机和直流电机各一台，如图1 2 所示。其中，交流电机用于驱动 输送辊，直流电机用于驱动剥叶辊。交流电机型号为m b l l 5 y 一1 5 ；额定输入功率为 1 5 k w ；变速比：1 5 ；额定输入转速：1 4 0 0 转分；调速范围：2 0 0 1 9 0 0 转分。直 流电机型号为7 2 3 2 ；结构类型：9 2 t 2 ；功率：2 2 k w ；电压：2 2 0 伏；励磁电压： 2 2 0 伏：转速：1 5 0 0 转分：t 作方式：连续。 图l 一14 z b 1 2 型甘蔗剥叶机 f i g 1 一lt h e4 z b 一12s u g a r c a n ed e t r a s h e r ( 3 ) 剥叶元件 甘蔗剥叶元件构造如图1 3 所示。 元件长2 2 0 聊聊、宽8 0m 聊、厚1 0 m m 。 元件材料为耐磨橡胶，由广西南宁拖拉 机厂生产。试验取剥叶元件共1 2 片， 图1 2 调速电机 f i g 1 2t h ea ( 1 j u s t a b l e - s p e e dm o t o r s 上下剥叶辊上分别对称安装6 片。 f i g 1 3 ( 4 ) 测量仪器 图1 3试验中使用的剥n 1 元件 t h ec i e a n i n ge l e m e n t su s e di nt h ee x p e r i m e n t 试验中使用的测量仪器如下：a 、s h t s 0 2 型智能磁 感应式转速表，用以测定剥叶辊转速和输送辊转速；b 、 托盘称、托盘天平，分别用于称取剥叶后甘蔗的总重量 和残留在甘蔗上的叶重；c 、米尺和游标卡尺，分别测量 甘蔗高度和甘蔗直径。此外还有调整输送辊距离、剥叶 辊距离用到的钢尺。 ( 5 ) 试验材料 ( a ) 直蔗( b ) 弯蔗 图1 4 试验使用的甘蔗 f i g 1 4t h es u g a r c a n eu s e di nt h ee x p e r i m e n t 试验材料为广西甘蔗研究所新培育的品种：“桂糖1 7 号”，如图1 4 所示。直蔗平 9 厂酉大掌硕士掌位论文 甘囊 曩g 叶机曩日叶质量影响因素的试疆r 研完 均直径为2 3 8 0 所m ，平均高度为2 2 3 7 5 6 m 坍；弯蔗平均直径为2 3 6 5 坍坍，平均高度为 2 2 刃韶册历；蔗叶含水率为2 9 5 ，茎叶比约为l ：0 0 4 。切割后立即进行剥叶试验， 剥叶前砍去甘蔗尾部。 1 2 3 试验方案及试验结果 根据试验设计安排表确定试验方案并进行甘蔗剥叶模拟试验，所得试验方案和试验 数据如表l - 2 所示。其中，y 卜y 2 分别表示直蔗和弯蔗的含杂率；w l 、w 2 分别表示直 蔗和弯蔗的折断率。 表卜2 试验方案和试验数据汇总表 1 曲1 - 2 s u m m a r ys h e e to fs c h e m e 锄d 陀c o r do f e x p e r i i n e n t 1 3 本章小结 阐明了进行甘蔗剥叶物理模拟试验的目的，确定了试验因素及水平，详细介绍了试 验过程采用的设备和材料，并按照试验方案进行了室内物理模拟试验，得出试验数据。 1 0 甘蘑剥叶机测叶质量影响因素的试验研完 第二章试验数据的回归分析 2 1 回归方程的建立 二次回归方程的一般形式3 7 1 为： 夕：+ 圭以_ + 曼圭_ + 兰巧 - 0七= 1 ，= 七+ ii f 式中p 为变量个数，即所考察因素的个数，本试验中，p = 4 ；= o ，1 ，2 ，3 ，p ； 利用s p s s 统计软件包删提供的多元回归程序，采用向后剔除法【3 9 】对试验数据进行 回归分析，得到回归方程分别为： 允一：6 竺：竺警+ o m 9 1 0 9 丘“5 5 5 1 0 7 x ；_ 9 d 6 0 1 0 。； ( 2 2 ) 一1 4 4 5 1 0 。4 x ： 、7 允o 篡：6 恐翟。二- 9 0 2 7 1 0 啊- 即2 名1 4 1 旷即 ( 2 3 ) + 4 8 1 9 1 0 - o x ，x 。 、7 卧鬈：嚣兰z 墨黑乏譬8 0 州0 2 墨五q q一1 0 3 1 0 司z x 。+ 1 5 4 7 1 0 - 4 x ；+ 1 7 1 5 1 0 - 2 x ： 、7 以= 2 5 0 0 8 8 1 4 4 7 五+ 1 “7 l o - 2 x x ，一6 6 9 6 l o - 2 x x 。 + 1 4 9 4 l o 一3 x 2 i + o 3 6 6 x ? 一3 ；5 二1 0 一4 r ；+ 9 7 0 三二。一4 z ： ( 2 - 5 ) 式( 2 2 ) ( 2 - 5 ) 中，舅、夕：分别表示直蔗含杂率和弯蔗含杂率的回归值；峨、吼分 别表示直蔗折断率和弯蔗折断率的回归值；x 。为剥叶元件交错深度、x ：为剥叶辊转速、 x ，为输入辊距离、) ( 4 为输送辊转速。 2 2 回归方程及其系数的显著性检验 2 2 1 直蔗的回归方程及其系数的显著性检验 对直蔗含杂率和折断率的回归方程式( 2 2 ) 和( 2 4 ) 及其系数进行显著性检验， 得到回归方程f 检验的显著值及回归系数t 检验的显著值如表2 一l 所示。 由表2 - 1 可知，直蔗含杂率和折断率影响因素的回归数学模型显著水平分别o 0 6 4 和0 0 0 3 ，回归方程的各项系数也达到不同程度的显著水平。表明回归方程拟合得较好， l l 广日大掌硕士掌位论文甘蔗剥叶机剥叶质量影响因素的试验研究 且具有较高的精度。 表2 1 直蔗的回归方程及其系数显著性检验表 t a b 2 - ls i 印i f i c 锄c el e v e lt e s tt a b l e0 f r e g r e s s i o ne q u a t i o n 锄dc o e 硒c i e n t s0 f s 吼i g h ts u g a r c 锄e 淤夕 川 系数，1 w l b 1 一 b l l 瓷 量 曙磊：3 ：岳：囊謇凿盘擎 鞋岔 回归方程 o 0 6 4 o 0 0 3 标准差彦0 2 9 94 1 5 8 2 2 2 弯蔗的回归方程及其系数的显著性检验 弯蔗含杂率和蔗茎折断率的回归方程式( 2 3 ) 和( 2 5 ) 的f 检验的显著值及其 回归系数t 检验的显著值如表2 2 所示。 表2 2 弯蔗的回归方程及其系数显著性检验表 t a b 2 2s i 印i f i c 锄c el e v e lt e s tt a b i eo fr e g r e s s i o ne q 咖i o n 狮dc o e f f i c i e n t so fb e n d i n gs u g a r c 锄e 淤勇 嘭 系数2 w 2 一 b l 一 b i l ，0 0 0 4 瓷 曼。乏8 。哆8 嘻妻；：。 夺 b 1 3 回归方程 0 0 5 5 0 0 0 7 寄 b 1 4 o 0 7 6 o 0 0 0 最 留0 o 刍m 9 标准差彦 o 1 1 29 3 1 4 由表2 2 可知，弯蔗含杂率和折断率影响因素的回归数学模型显著性水平为o 0 5 5 和o 0 0 7 ，且回归方程的各项系数也达到不同程度的显著水平，表明弯蔗剥叶质量影响 因素的回归模型有较高精度和可靠性。 2 3 试验因素显著性分析结论 由表2 1 知，甘蔗为直蔗时，输入辊距离x ，和输送辊转速) ( 4 两个因素对含杂率的 主效应分别为较显著和有一定影响，对折断率的主效应均高度显著：剥叶辊转速x ：、输 入辊距离x ，对含杂率和折断率的二次效应均到达不同程度的显著水平，输送辊转速) ( 4 1 2 甘蘑捌叶机划叶质量影响因素的试验研究 的二次效应对含杂率有一定影响；剥叶元件交错深度x 。与剥叶辊转速x ：、交错深度x 。 与输送辊转速x 4 、剥叶辊转速x 2 与输送辊转速) ( 4 之间的交互效应对折断率都高度显著。 表2 2 表明，甘蔗为弯蔗时，输入辊距离x ，对折断率的主效应显著，输送辊转速 ) ( 4 对含杂率的主效应也达到显著水平；元件交错深度x 。、剥叶辊转速x ：、输送辊转速 x 4 三个因素对折断率的二次效应达到较显著或高度显著水平；交错深度x ，与剥叶辊转 速x ：、交错深度x 。与输送辊转速k 之间的交互作用对弯蔗含杂率和折断率均有不同程 度的影响，剥叶辊转速x ：与输入辊距离x ，之间的交互作用对折断率有一定影响，剥叶 辊转速x 2 与输送辊转速沁之间的交互作用对含杂率的影响较显著。 综合表2 1 和表2 2 可知，不论甘蔗是直蔗还是弯蔗，输送辊转速) ( 4 对含杂率的 主效应是确定的；输入辊距离x ，的主效应、剥叶辊转速x ：的二次效应、交错深度x ，与 剥叶辊转速x 2 、交错深度x 。与输送辊转速x 4 之间的交互效应对直蔗和弯蔗的折断率都 达到显著或高度显著水平。 2 4 本章小结 运用s p s s 统计软件对试验数据进行回归分析处理，得出直蔗和弯蔗两种蔗茎形态 下含杂率和折断率的回归数学模型。经显著性检验可知，各回归方程及其系数均达到不 同程度的显著水平。 1 3 甘蔗捌叶机捌叶质量影响因素的试验研完 第三章试验因素对性能指标影响的图形分析 通过对试验数据的回归分析，建立了试验因素与试验指标之间可信度较高的回归数 学模型，通过对回归方程及其系数的显著性检验可知，各试验因素对试验指标有着不同 程度的显著影响。为了考察试验因素变化对指标影响的规律，本章利用m 砒c a d 数据处 理软件【删，求出各因素及其交互效应与试验指标之间的关系曲线，为下一章研究试验因 素对试验指标的影响机理提供依据。 3 1 单因素变化对剥叶质量的影响分析 3 1 1 含杂率的影响分析 利用m a l c a d 数据处理软件，对回归方程式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 进行计算机模拟计算，结果 如图3 1 所示。作图时，除要考虑的因素外，其它因素均取零水平值1 4 l 】。图中，x l 表示剥 叶元件交错深度、x 2 表示剥叶辊转速、x 3 表示输入辊距离、) ( 4 表示输送辊转速，y 表示 直蔗和弯蔗两种蔗茎形态下含杂率指标的回归值。 萎 诗 礤 钿 l 篓1 褂i 鬈o 0 0 交错深度x i ( m m ) ( a ) 输入辊距离x 3 ，( m m ) ( c ) 1 j 逞1 2 ， 褥0 9 嚣0 6 0 3 l 逞l ， 褥0 谣 钿0 0 细6 如7 6 08 4 09 2 01 0 0 0 剥叶辊转速2 ( r m i n ) ( b ) 2 加2 7 02 9 0 3 1 0 3 3 03 加 输送辊转速x 4 ( r m j n ) ( d ) 图3 一l 单因素与含杂率的关系曲线 f i g 3 一lr e l a t i o n s h i pc l l r 、，eo f s i n 百ef a c t 0 幅伽t h ei m p u r i t y 船：c e 注：j 蔗含杂率；弯蔗含杂率 1 4 甘蘑捌叶机到叶质量影响因素的试验研究 由图3 1 ( a ) 可知，弯蔗含杂率与元件交错深度x l 呈单调线性关系；随x l 的增大，弯 蔗含杂率增大，且