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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(xué)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)工程系，泰國孔敬 40002 孔敬大學(xué)東北重點作物應(yīng)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(yīng)面方法和 23 因 子設(shè)計進行。研究結(jié)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(chǔ)上建立了經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?
關(guān)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(dāng)?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(chǔ)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(dǎo)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(jié)果表明，當(dāng)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(gòu)（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(gòu)成， 圓筒下面的凹板由彎曲鋼筋制成，導(dǎo)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(shè)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(shè)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(yīng)用 2 3 析因?qū)嶒炘O(shè)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(jié)果被認(rèn)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(yīng)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(shù)語 TL，GB 和 P 構(gòu)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(shè)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(yīng)用響應(yīng)面法和 2 3 析因設(shè)計分析參數(shù)對損耗和功耗的影響，使用設(shè)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(dá) 州明尼阿波利斯，明尼蘇達(dá)州，美國）。采用方差分析法對影響 TL 的設(shè)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(biāo)值
指標(biāo)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(luò) 1995）。
結(jié)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(jié)果如表 4 所示。結(jié)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(yīng)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(guān)的脫粒單位損失（TL），其增加跳動導(dǎo)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(jié)果。結(jié)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(xué)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(yīng)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(guān)
（2009 年），在這種情況下，跳動加劇導(dǎo)致?lián)p失加劇。
MC 的增加導(dǎo)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(guān)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(dāng)進料速率為 1.5 噸/小時，脫粒單位損失（TL）的響應(yīng)曲線圖顯示了水分 含量（MC，以重量為基準(zhǔn)測量百分比）和轉(zhuǎn)子速度（RS）的影響。
圖 4.當(dāng)進料速率為 1.5 噸/小時，表明水分含量（MC，以重量基準(zhǔn)測量百分比） 和轉(zhuǎn)子速度（RS）的影響的顆粒破碎的響應(yīng)曲線圖（GB）。
圖 5.當(dāng)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(zhǔn)測量百分比）的影響的顆粒破碎響應(yīng)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(jié)果。結(jié)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(yīng)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(dǎo)致打擊增加（Saeng-Ong 等人，2015）如圖 6 和 8。從圖 7 和 8，增加 RS 導(dǎo)致了增加功耗，因為增加了打 擊（Saeng-Ong 等人，2015)。
主要研究結(jié)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(dǎo)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(guān)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(guān)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(dāng)轉(zhuǎn)子速度（RS）為 10 m / s 時，功率消耗（P）的響應(yīng)曲線圖顯示進料速率（FR）和 含水量（MC，以重量為基準(zhǔn)測量百分比）的影響。
圖 7.當(dāng)進料速度為 1.5 t / hr 時，功率消耗（P）的響應(yīng)曲線圖顯示了含水量（MC，以重量基 準(zhǔn)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(yīng)曲線圖，顯示當(dāng)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(gòu)（公共組織）; 東北重要作物應(yīng)用工程系，泰國孔敬
孔敬大學(xué); 以及泰國曼谷高等教育委員會采后技術(shù)創(chuàng)新中心提供研究支持。
參考文獻
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