基于離散元法苜蓿壓扁調(diào)制過程仿真分析與試驗

王 林，張克平，楊君乾

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，蘭州 730070）

苜蓿被稱為“牧草之王”，是養(yǎng)殖業(yè)重要飼草來源，其高效優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)對調(diào)整農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、牧草產(chǎn)品精深加工和生態(tài)環(huán)境優(yōu)化具有重要影響。實現(xiàn)苜蓿田間收獲機械化可提高生產(chǎn)水平及效率，降低人工成本[1-3]。苜蓿膠體物質(zhì)較多且碳水化合物較少，不易青貯，刈割后需及時晾曬干燥，否則易發(fā)霉變質(zhì)甚至腐爛。苜蓿莖稈和葉片干燥速度不同，田間晾曬過程中葉片先于莖稈達到安全水分，進一步干燥脫水減小莖葉連接力，輕微抖動或搬運造成落葉損失，導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量急劇減少。為實現(xiàn)苜蓿莖稈和葉片同步干燥，田間實際收割時常利用割草壓扁機的調(diào)制機構(gòu)對莖稈進行破節(jié)、裂皮、壓扁、折彎等處理[4-5]，以消除或降低莖稈角質(zhì)層和纖維素在晾曬過程中對水分蒸發(fā)的阻礙作用[6-7]。因此，研究并優(yōu)化調(diào)制機構(gòu)作業(yè)性能可有效提升苜蓿草產(chǎn)品質(zhì)量。

近年來，離散元法（DEM）得到廣泛應(yīng)用，諸多學(xué)者將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械設(shè)計領(lǐng)域[8-9]。在農(nóng)作物參數(shù)標定方面：廖宜濤、侯杰等分別探究油菜及水稻莖稈離散元接觸參數(shù)（碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和滾動摩擦系數(shù)）[10-11]。馬彥華等采用生物力學(xué)特性試驗和仿真優(yōu)化相結(jié)合方法標定苜蓿莖稈基本接觸參數(shù)[12]。在農(nóng)機具性能提升方面：王韋韋等利用離散元軟件EDEM建立玉米莖稈模型，模擬莖稈還田后玉米播種器開溝過程，分析該過程中莖稈位移變化，改進開溝器結(jié)構(gòu)[13]。萬星宇等以油菜莖稈為研究對象，建立飼用油菜機械化收獲切碎過程離散元模型，開展切碎過程離散元仿真研究，優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)[14]。郭茜等應(yīng)用EDEM建立切割粉碎機中番茄莖稈仿真模型，研究莖稈切割時刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)對莖稈切削效率、切割性能的影響[15]。Bart 等通過EDEM 建立整株稻稈模型，模擬稻稈和谷粒之間摩擦特性，檢驗稻稈谷粒分離效率，為后期稻稈-土壤-機具之間相互作用研究提供數(shù)據(jù)支持[16]。Li等運用離散元基本原理建立小段秸稈、谷物、篩子和風(fēng)機相互作用模型，探究三者耦合作用關(guān)系，模擬風(fēng)機和篩子在清選過程中對谷物和秸稈的相互作用，檢驗設(shè)計機構(gòu)有效性[17]。

上述研究確定部分農(nóng)作物參數(shù)并提升相關(guān)農(nóng)機具作業(yè)性能，研究對象多為油菜、水稻等莖稈，苜蓿莖稈相關(guān)研究大多針對其力學(xué)特性試驗，對莖稈在壓扁機中調(diào)制程度、受力情況等研究較少。因割草壓扁機中莖稈調(diào)制過程較復(fù)雜，各試驗因素對莖稈調(diào)制效率及性能等影響較大，本文基于離散元法建立苜蓿莖稈和調(diào)制機構(gòu)模型，采用單因素和響應(yīng)曲面法進行仿真試驗研究，結(jié)合臺架試驗驗證，確定試驗因素及其交互作用對考核指標的影響規(guī)律和最優(yōu)參數(shù)組合，以期為相關(guān)農(nóng)機具設(shè)計和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

1 壓扁調(diào)制機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及其工作過程

壓扁調(diào)制機構(gòu)是割草壓扁機重要組成，作業(yè)方式主要包括壓扁輥式和連枷式[18]，其中壓扁輥式在苜蓿調(diào)制中應(yīng)用更廣泛，人字型橡膠壓扁輥因兼具柔性壓扁和鉗入功能，是常用核心部件。

壓扁調(diào)制機構(gòu)主要由調(diào)制輥組合與調(diào)節(jié)裝置組成，如圖1所示[19]。

圖1 割草壓扁調(diào)制機構(gòu)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of mowing flattening modulation mechanism

機具工作前，根據(jù)田間苜蓿生長狀況及飼草調(diào)制要求，通過調(diào)節(jié)裝置調(diào)整上、下調(diào)制輥嚙合間隙，機具作業(yè)時，切割后苜蓿植株通過導(dǎo)草滾筒輸送至調(diào)制輥前端，在慣性力和人字形橡膠壓扁輥鉗入作用下被喂入上、下調(diào)制輥間隙，相向轉(zhuǎn)動的調(diào)質(zhì)輥完成對苜蓿植株的壓實、精梳和壓扁調(diào)制，調(diào)制后苜蓿草通過調(diào)制輥的送料功能被聚攏成一定幅寬的草條均勻鋪放在田間。

2 仿真模型建立

2.1 仿真參數(shù)確定

采用生物力學(xué)特性試驗結(jié)合仿真試驗標定苜蓿莖稈黏結(jié)參數(shù)。試驗樣本選用蘭州新區(qū)收獲期紫花苜蓿，挑選無病蟲害、無機械損傷的通直主莖稈，將其中部平均含水率為73.2%～74.5%、直徑為3.48～3.65 mm、壁厚為0.73～0.78 mm莖稈截成長度為20 mm 無節(jié)試樣[20]。利用超技質(zhì)構(gòu)儀（TA.XT plus，SMS 公司）進行力學(xué)特性試驗，獲得最大徑向壓力為113.6 N，抗壓強度為1.17 MPa，最大載荷為55.2 N，剪切強度為6.92 MPa。

通過EDEM軟件進行苜蓿莖稈壓縮和剪切仿真模擬試驗，根據(jù)破壞后的表現(xiàn)特征與實際試驗結(jié)果對比，確定苜蓿莖稈離散元模型bond 鍵的黏結(jié)參數(shù)[21]。苜蓿莖稈力學(xué)特性，仿真模擬與試驗對比結(jié)果如圖2所示，仿真壓縮試驗顯示的3個階段和剪切后莖稈形態(tài)與實際試驗中壓扁及剪切破壞行為一致，此時黏結(jié)模型參數(shù)表現(xiàn)出的力學(xué)形態(tài)與在生物力學(xué)特性試驗中莖稈的實際情況相近。通過對比實際與仿真試驗結(jié)果，壓縮和剪切試驗值相對誤差分別為7%～11%和8%～15%，證明所建苜?？招那o稈分布模型可靠，最終確定Bonding 黏結(jié)模型參數(shù)：法向剛度系數(shù)3.45×108N·m-3，切向剛度系數(shù)3.15×108N·m-3，臨界法向應(yīng)力2.32 MPa，臨界法向應(yīng)力7.16 MPa，黏結(jié)半徑0.54 mm。

圖2 苜蓿莖稈力學(xué)特性與仿真模擬試驗對比Fig.2 Comparison of mechanical characteristics of alfalfa stem and simulation test

2.2 苜蓿莖稈離散元模型

如圖3所示，空心莖稈顆粒建模采用圓球顆粒拼接方式，選用“虛實轉(zhuǎn)換”模式建立苜蓿莖稈的三維實體模型（長100 mm、外徑3.62 mm、壁厚0.76 mm），由1 533 個半徑為0.36 mm 圓球模型拼接填充而成。

圖3 空心莖稈模型Fig.3 Hollow stem model

2.3 壓扁調(diào)制機構(gòu)模型

為減少仿真試驗計算量，利用SolidWorks 軟件構(gòu)建簡化模型，將簡化幾何模型以.step 格式導(dǎo)入EDEM中并完成初始仿真設(shè)置。苜蓿莖稈利用顆粒工廠（Factory）的靜態(tài)方式生成，在生成平面以速率100 個·s-1生成50 個大顆粒，再通過Particle Replacement 完成莖稈模型的替換，確保所有莖稈顆粒在0.1 s 內(nèi)落在輸送帶，苜蓿莖稈顆粒及壓扁調(diào)制機構(gòu)仿真模型如圖4所示。

圖4 莖稈壓扁調(diào)制機構(gòu)仿真模型Fig.4 Simulation model of stem flattening modulation mechanism

在壓扁調(diào)制作業(yè)過程中，莖稈顆粒受壓扁、摩擦等作用導(dǎo)致黏結(jié)鍵發(fā)生斷裂，仿真過程及壓力流線型顯示如圖5所示。圖5a為苜蓿莖稈進入調(diào)制輥前，兩輥之間的高速運動在入口處形成一定壓力差，此時莖稈受壓最小；圖5b 為莖稈進入兩輥間，莖稈受壓增大；圖5c 左半截莖稈處于壓扁狀態(tài)，可明顯看出，受壓部分壓力更大，此時莖稈受壓逐步增大；圖5d 為莖稈離開兩輥間，此時壓扁完成將要輸出，發(fā)現(xiàn)莖稈受壓減小變形部分恢復(fù)，但受壓程度仍大于進入兩壓扁輥前，此后隨慣性作用輸送至接料處，完成壓扁過程。

圖5 莖稈模型調(diào)制過程及壓力流線型顯示Fig.5 Modulation process and pressure streamline display of stem model

3 壓扁調(diào)制過程仿真試驗與驗證

3.1 試驗指標

苜蓿莖稈壓扁調(diào)制裝置性能評價標準有壓扁率、壓扁損失率、粗蛋白含量及單位能耗等，本研究選用壓扁率和壓扁損失率為仿真試驗評價指標。

3.1.1 壓扁率

根據(jù)國家標準，將每次調(diào)制試驗后苜蓿長度≥7 cm，且長度50% 以上被壓扁的莖稈挑取稱量，即為壓扁苜蓿質(zhì)量，其與收獲苜?？傎|(zhì)量之比為苜蓿壓扁率，計算公式如下：

式中，Y1為苜蓿壓扁率（%）；mb為壓扁苜蓿質(zhì)量（g）；mz為收獲苜蓿總質(zhì)量（g）。

3.1.2 壓扁損失率

將每次調(diào)制試驗后苜蓿長度＜7 cm 莖稈稱為碎草，即調(diào)制過程中碎草質(zhì)量與收獲苜?？傎|(zhì)量之比為壓扁損失率，計算公式如下：

式中，Y2為壓扁損失率（%）；mt為碎草質(zhì)量（g）；mz為收獲苜?？傎|(zhì)量（g）。

3.2 單因素試驗

影響調(diào)制性能的主要因素包括喂入量、調(diào)制輥轉(zhuǎn)速及調(diào)制輥間隙等[22-24]。為減少仿真試驗次數(shù)，精準分析各工作參數(shù)交互作用，對上述各因素進行單因素仿真試驗，探討試驗因素對苜蓿壓扁率、壓扁損失率的影響規(guī)律，確定取值范圍。

3.2.1 喂入量

喂入量是影響調(diào)制效果重要因素之一，可模擬苜蓿田間長勢。仿真試驗設(shè)定調(diào)制輥間隙為3.5 mm，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速為650 r·min-1，當(dāng)喂入量在1.0～4.0 kg·s-1區(qū)間遞增時，獲得苜蓿壓扁率、壓扁損失率變化曲線如圖6所示。

圖6 喂入量對調(diào)制性能的影響Fig.6 Effects of feeding amount on modulation performance

由圖6可知，隨喂入量增加，參與調(diào)制的苜蓿莖稈逐漸增多，苜蓿壓扁率呈先增后減趨勢，壓扁損失率呈先減后增趨勢。喂入量為1.0 kg·s-1時，壓扁率較低且損失率較高，調(diào)制效果較差，隨喂入量增加，效果好轉(zhuǎn)；喂入量為2.5 kg·s-1時，損失率最小，此后開始增長，壓扁率處于上升階段；喂入量為3.5 kg·s-1時，壓扁率最大，此后開始下降，而損失率仍呈現(xiàn)增長趨勢。隨喂入量增加，參與調(diào)制的苜蓿莖稈數(shù)量逐漸增多，此時單根莖稈所受壓扁力降低，造成碎草減少，故壓扁率升高，壓扁損失率降低；若喂入量持續(xù)增加，當(dāng)莖稈群短時間內(nèi)打擊的力度超過某臨界值時，造成莖稈斷裂過多，壓扁率降低而壓扁損失率升高。因此，確定喂入量范圍為1.5～3.5 kg·s-1。

3.2.2 調(diào)制輥轉(zhuǎn)速

為保證牧草順利通過調(diào)制輥，不出現(xiàn)堵塞和堆積的情況，研究調(diào)制輥轉(zhuǎn)速對作業(yè)性能的影響規(guī)律。仿真試驗設(shè)定喂入量為2.5 kg·s-1，調(diào)制輥間隙為3.5 mm，當(dāng)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速在482～818 r·min-1區(qū)間遞增時，仿真試驗獲得苜蓿壓扁率、壓扁損失率變化曲線如圖7所示。

圖7 調(diào)制輥轉(zhuǎn)速對調(diào)制性能的影響Fig.7 Effects of modulation roller speed on modulation performance

由圖7可知，隨調(diào)制輥轉(zhuǎn)速增加，苜蓿壓扁率呈先增后減趨勢，壓扁損失率呈先增后減再增趨勢，在調(diào)制輥轉(zhuǎn)速為650 r·min-1時，調(diào)制效果最好，當(dāng)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速由650 r·min-1繼續(xù)增加時，壓扁率開始下降，損失率逐漸上升。調(diào)制輥轉(zhuǎn)速過低時，對莖稈群壓扁力度較小，產(chǎn)生碎草較少，無法達到調(diào)制所需壓扁效果，此時壓扁率較低、壓扁損失率較高；隨調(diào)制輥轉(zhuǎn)速增加，對莖稈群運動方向的影響逐漸加劇，導(dǎo)致壓扁過度，碎草增多，故壓扁率降低、壓扁損失率增大。綜合考慮，確定調(diào)制輥轉(zhuǎn)速范圍為550～750 r·min-1。

為進一步分析調(diào)質(zhì)輥轉(zhuǎn)速對莖稈壓扁過程的影響，獲取轉(zhuǎn)速分別為550、650 和750 r·min-1時莖稈運行速度分布，如圖8所示。

圖8 不同調(diào)制輥轉(zhuǎn)速時莖稈運行速度Fig.8 Stem running speed with different modulation roller gap

由圖8可知，不同調(diào)制輥轉(zhuǎn)速對應(yīng)莖稈運行速度差別明顯，當(dāng)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速為550 r·min-1時，3 個階段莖稈運行速度均為最低，隨輥轉(zhuǎn)速逐步增加，莖稈運行速度也增加；從調(diào)制過程分析，喂入前莖稈運行速度最低，在調(diào)制進行時莖稈速度達到最高，調(diào)制完成后莖稈速度降低但遠大于喂入前運行速度，同時驗證仿真結(jié)果真實性和可靠性。

3.2.3 調(diào)制輥間隙

調(diào)制輥間隙對莖稈壓扁程度及調(diào)制性能均有較大影響。仿真試驗設(shè)定喂入量為2.5 kg·s-1，調(diào)制輥轉(zhuǎn)速為650 r·min-1，當(dāng)調(diào)制輥間隙在2～5 mm區(qū)間遞增時，仿真試驗獲得苜蓿壓扁率、壓扁損失率變化曲線如圖9所示。

圖9 調(diào)制輥間隙對調(diào)制性能的影響Fig.9 Effects of modulation roller gap on modulation performance

由圖9可知，隨調(diào)制輥間隙增加，苜蓿壓扁率呈先增后減趨勢，壓扁損失率呈先減后增趨勢；當(dāng)調(diào)制輥間隙由2.0 mm 增至4.5 mm 時，壓扁率和碎草率均明顯改善。這是因為隨調(diào)制輥間隙增大，輥齒對莖稈群打擊面積和力度也相對增大；當(dāng)調(diào)制輥間隙過小，為2.0 mm時，通過莖稈群較少，因莖稈直徑小于此時的調(diào)制輥間隙，易造成壓扁過度及產(chǎn)生過多碎草，導(dǎo)致壓扁率較低、壓扁損失率較高；當(dāng)調(diào)制輥間隙增加至4.5 mm 時，其內(nèi)部空間可容納苜蓿莖稈數(shù)量逐步增多，兩輥齒之間壓扁力度也可達到預(yù)期調(diào)制效果，產(chǎn)生碎草較少，此時壓扁率較高，壓扁損失率較低。因此綜合考慮調(diào)制輥間隙應(yīng)取2.5～4.5 mm。

3.3 響應(yīng)面仿真試驗與分析

3.3.1 試驗方案

綜合單因素試驗為研究不同試驗因素對苜蓿壓扁調(diào)制質(zhì)量的影響程度及各因素交互作用，采用三因素三水平Box-Behnken試驗設(shè)計方法進行響應(yīng)面試驗。

以喂入量X1、調(diào)制輥轉(zhuǎn)速X2和調(diào)制輥間隙X3為自變量，苜蓿壓扁率Y1和壓扁損失率Y2為響應(yīng)值，各試驗因素編碼見表1。根據(jù)設(shè)計方案在EDEM中進行仿真試驗，試驗方案及結(jié)果見表2。

表1 試驗因素編碼Table 1 Coding of test factors

表2 試驗方案及結(jié)果Table 2 Factors and codes of alfalfa conditioning test

3.3.2 回歸模型建立與顯著性檢驗

利用Design-Expert 11 軟件對苜蓿壓扁率Y1和壓扁損失率Y2回歸模型進行方差分析，如表3 所示，建立各項評價指標與試驗因素之間二次回歸方程模型如式3、4所示。

表3 回歸方程方差分析Table 3 Variance analysis of regression equation

由表3可知，苜蓿壓扁率Y1和壓扁損失率Y2與試驗因素的回歸模型P＜0.0001和P＜0.0039（均小于0.01），表明模型極顯著；失擬項P值分別為0.4844、0.2192（均大于0.05），表明無失擬因素存在，兩個模型在試驗參數(shù)范圍內(nèi)，擬合程度較高，可較好預(yù)測優(yōu)化試驗中各種試驗結(jié)果；模型決定系數(shù)R2分別為0.9768、0.9223，表明該模型可較好解釋不同因素作用下響應(yīng)值，預(yù)測試驗臺工作參數(shù)。

此外，在苜蓿壓扁率Y1回歸模型中，因素X1、X3、X12、X22、X32對模型影響極顯著，因素X2對模型影響顯著；在壓扁損失率Y2回歸模型中，因素X3、X12對模型影響極顯著，因素X1、X2、X1X2對模型影響顯著；根據(jù)模型各因素回歸系數(shù)大小，可得到各因素對苜蓿壓扁率影響主次順序為：X1、X3、X2，即喂入量、調(diào)制輥間隙、調(diào)制輥轉(zhuǎn)速；對壓扁損失率影響主次順序為：X3、X1、X2，即調(diào)制輥間隙、喂入量、調(diào)制輥轉(zhuǎn)速。

3.3.3 試驗因素對性能指標的影響

根據(jù)表3 試驗結(jié)果，分析喂入量、調(diào)制輥轉(zhuǎn)速、調(diào)制輥間隙及其交互作用對各性能指標的影響，利用Design-Expert 11 軟件進行響應(yīng)面分析，根據(jù)建立的回歸模型分別獲得各因素之間交互作用響應(yīng)曲面圖。

3.3.3.1 苜蓿壓扁率

各試驗因素對苜蓿壓扁率交互的影響如圖10所示。

圖10 各試驗因素對苜蓿壓扁率的交互影響Fig.10 Interaction effect of various experimental factors on alfalfa flattening rate

由圖10a 可知，當(dāng)喂入量固定在某一水平時，苜蓿壓扁率隨調(diào)制輥轉(zhuǎn)速增加，先升后降；當(dāng)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速固定在某一水平時，苜蓿壓扁率隨喂入量增加，先升后降；由響應(yīng)曲面變化趨勢可見喂入量對壓扁率的影響高于輥轉(zhuǎn)速，這是因為調(diào)制輥做功主要集中在苜蓿之間的相對位移和摩擦上，當(dāng)喂入量增加時，莖稈貼合性增強，體積橫量此時變大，被壓實的莖稈相互貼緊堆砌產(chǎn)生塑性形變。

由圖10b 可知，當(dāng)調(diào)制輥間隙固定在某一水平時，苜蓿壓扁率隨調(diào)制輥轉(zhuǎn)速增加，先升后降；當(dāng)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速固定在某一水平時，苜蓿壓扁率隨調(diào)制輥間隙增加，先升后降；由響應(yīng)曲面變化趨勢可知調(diào)制輥間隙對苜蓿壓扁率的影響顯著高于調(diào)制輥轉(zhuǎn)速，這是因苜蓿在未經(jīng)調(diào)制時排列相對松散，苜蓿之間存在間隙，當(dāng)調(diào)制輥間隙較大時，人字形調(diào)制輥壓扁苜蓿具有隨機性，此時苜蓿受壓不均勻，無法保證每根苜蓿均被壓扁。

由圖10c可知，當(dāng)調(diào)制輥間隙固定在某一水平時，苜蓿壓扁率隨喂入量增加而增加；當(dāng)喂入量固定在某一水平時，苜蓿壓扁率隨調(diào)制輥間隙增加，先升后降，由響應(yīng)面變化趨勢可知，喂入量對苜蓿壓扁率影響顯著高于調(diào)制輥間隙。

3.3.3.2 壓扁損失率

各試驗因素對壓扁損失率的交互影響如圖11所示。

圖11 各試驗因素對壓扁損失率的交互影響Fig.11 Interaction effect of various experimental factors on the flattening loss rate

由圖11a 可知，當(dāng)喂入量固定在某一水平時，壓扁損失率隨調(diào)制輥轉(zhuǎn)速增加整體呈上升趨勢；當(dāng)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速固定在某一水平時，壓扁損失率隨喂入量增加先降后升，其響應(yīng)曲面較陡，喂入量與調(diào)制輥轉(zhuǎn)速交互作用對壓扁損失率影響顯著，與方差分析結(jié)果相同，由響應(yīng)面變化趨勢可知喂入量對壓扁損失率影響明顯高于調(diào)制輥轉(zhuǎn)速。

由圖11b可知，當(dāng)調(diào)制輥轉(zhuǎn)速固定在某一水平時，壓扁損失率隨調(diào)制輥間隙增加而降低；調(diào)制輥間隙固定在某一水平時，壓扁損失率隨調(diào)制輥轉(zhuǎn)速增加先降后升，由響應(yīng)面變化趨勢可知調(diào)制輥間隙對壓扁損失率影響高于調(diào)制輥轉(zhuǎn)速。

由圖11c 可知，當(dāng)喂入量固定在某一水平時，壓扁損失率隨調(diào)制輥間隙增加而降低；當(dāng)調(diào)制輥間隙固定在某一水平時，壓扁損失率隨調(diào)制輥間隙增加先降后升，由響應(yīng)面變化趨勢可知可調(diào)制輥間隙對壓扁損失率的影響高于喂入量。

3.3.4 最優(yōu)工作參數(shù)確定

根據(jù)上述試驗結(jié)果分析，為進一步提升苜蓿壓扁率，降低壓扁損失率，需確定影響該性能最優(yōu)參數(shù)組合。在各試驗因素水平約束條件下，以最高苜蓿壓扁率Y1和最低壓扁損失率Y2作為優(yōu)化指標，建立性能指標全因子二次回歸方程，進行目標優(yōu)化及最優(yōu)工作參數(shù)確定。

應(yīng)用Design-Expert 11 軟件中優(yōu)化求解器對回歸方程進行該目標下優(yōu)化求解，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合：喂入量2.89 kg·s-1、調(diào)制輥轉(zhuǎn)速693.91 r·min-1、調(diào)制輥間隙3.72 mm。但因調(diào)制機構(gòu)實際工作參數(shù)較難調(diào)整至理論求解的優(yōu)化值，故選取一組接近于優(yōu)化求解值的參數(shù)進行試驗驗證，參數(shù)值?。何谷肓?.9 kg·s-1、調(diào)制輥轉(zhuǎn)速694 r·min-1、調(diào)制輥間隙3.7 mm，其中，苜蓿壓扁率重要度為+++++，壓扁損失率重要度為+++++，代入模型中求解得苜蓿壓扁率Y1為94.45%、壓扁損失率Y2為3.27%。

3.4 臺架試驗驗證

為驗證所建立回歸模型及仿真試驗結(jié)果可靠性，設(shè)計制造苜蓿壓扁調(diào)制試驗臺如圖12a 所示，其中電動機固定安裝在機架左側(cè)的下橫梁上與變頻器相連，實現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速無級調(diào)節(jié)，為苜蓿壓扁調(diào)制試驗臺的工作提供動力；通過輸送帶連接安裝在機架和間距調(diào)節(jié)架上的兩輸送帶托輥，實現(xiàn)苜蓿輸送和喂料量調(diào)節(jié)功能；兩調(diào)制輥通過軸承座分別安裝在間距調(diào)節(jié)架和機架下梁上，實現(xiàn)苜蓿的壓扁調(diào)制；出料板固定安裝在右機架側(cè)梁上，實現(xiàn)壓扁后苜蓿輸出。

圖12 苜蓿調(diào)制試驗臺結(jié)構(gòu)與臺架驗證Fig.12 Structure drawing of alfalfa mixing experimental bench and bench validation

利用苜蓿壓扁調(diào)制試驗臺按照上述最優(yōu)工作參數(shù)組合進行作業(yè)性能試驗。試驗選取的苜蓿為初花期，其中部平均含水率為68%～74%，直徑為2.8～3.6 mm，試樣高度為30～45 cm，所需儀器及工具為游標卡尺、米尺、分析天平（精度0.1 mg）。試驗過程如圖12b所示，試驗共5次，依據(jù)評價指標公式計算，得到5次試驗下苜蓿壓扁率為93.21%，壓扁損失率為3.35%。

如圖12b所示，通過現(xiàn)場結(jié)果可直觀看出，苜蓿壓扁調(diào)制后可分為碎草與壓扁狀態(tài)。因驗證試驗采用的苜蓿試樣直徑與長度不一致，且計算機精度遠高于人工試驗，故試驗結(jié)果與理論優(yōu)化值之間存在一定差異，但兩者相對誤差均小于3%。

4 結(jié) 論

a.利用EDEM軟件建立苜蓿莖稈和壓扁調(diào)制機構(gòu)離散元仿真模型，按照Box-Behnken試驗設(shè)計原理，采用三因素三水平響應(yīng)曲面方法完成離散元仿真試驗，結(jié)果表明，影響苜蓿壓扁率與壓扁損失率的因素主次順序由大到小分別為喂入量、調(diào)制輥間隙、調(diào)制輥轉(zhuǎn)速和調(diào)制輥間隙、喂入量、調(diào)制輥轉(zhuǎn)速。

b.建立苜蓿壓扁率、壓扁損失率與喂入量、調(diào)制輥轉(zhuǎn)速、調(diào)制輥間隙二次多項式回歸模型，以苜蓿壓扁率最高和壓扁損失率最低為目標，得出最優(yōu)解為：喂入量2.9 kg·s-1、調(diào)制輥轉(zhuǎn)速694 r·min-1、調(diào)制輥間隙3.7 mm，此時苜蓿壓扁率為94.45%、壓扁損失率為3.27%。臺架試驗驗證表明，試驗值與理論優(yōu)化值之間相對誤差小于3%，回歸模型可靠，可為相關(guān)機具設(shè)計和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考和理論依據(jù)。