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２０１０年６月农业机械学报第４１卷第６期ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００１２９８．２０１０．０６．０２２紫花苜蓿干燥和茎叶分离效果预测模型与工艺优化高 扬１ 王德成１ 王光辉１ 方宪法２ 宁国鹏１ 杨 洁１（１中国农业大学工学院，北京１０００８３；２中国农业机械化科学研究院，北京１０００８３） 【摘要】 为研究新鲜切碎紫花苜蓿茎叶干燥分离过程中，入口温度、入口风速、转筒转速和喂料速度对出机叶料含水率、出机茎料含水率、茎叶分离率的影响，采用９ＧＦＱＡ６００型苜蓿干燥茎叶分离设备进行试验，设计了四因素二次正交旋转组合试验进行回归分析，建立了相应的数学模型并进行了优化。结果表明，得到的回归方程显著，具有较好的拟合度；４个因素对苜蓿茎叶干燥分离效果的影响大小依次为：入口温度、入口风速、转筒转速、喂料速度；最优参数组合为：入口温度４００℃、入口风速１４ｍ／ｓ、转筒转速为１２ｒ／ｍｉｎ、喂料速度８ｋｇ／ｍｉｎ，在此条件下出机叶料含水率为１３４２％、出机茎料含水率为１４２４％、茎叶分离率为７７３８％。关键词：紫花苜蓿 茎叶分离 干燥 数学模型 工艺优化中图分类号：Ｓ２２６６；Ｓ５４１＋９文献标识码：Ａ文章编号：１０００１２９８（２０１０）０６０１１３０５ＥｆｆｅｃｔＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎＭｏｄｅｌａｎｄＰｒｏｃｅｓｓＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＤｒｙｉｎｇａｎｄＳｅｐａｒａｔｉｎｇｆｏｒＬｅａｆｓｔｅｍｏｆＦｒｅｓｈＣｈｏｐｐｅｄＡｌｆａｌｆａＧａｏＹａｎｇ１ ＷａｎｇＤｅｃｈｅｎｇ１ ＷａｎｇＧｕａｎｇｈｕｉ１ ＦａｎｇＸｉａｎｆａ２ ＮｉｎｇＧｕｏｐｅｎｇ１ ＹａｎｇＪｉｅ１（１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ２ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＭａｎｙｆａｃｔｏｒｓｈａｖｅｅｆｆｅｃｔｓｏｎｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｎｇｒａｔｉｏ，ｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｔｅｍｓａｎｄｌｅａｖｅｓｉｎｆｒｅｓｈｃｈｏｐｐｅｄａｌｆａｌｆａｄｒｙｉｎｇａｎｄｓｅｐａｒａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｆｏｕｒｍａｊｏｒｆａｃｔｏｒｓ：ｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｎｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｏｆｒｏｔａｒｙｄｒｕｍ，ａｎｄｆｅｅｄｉｎｇｓｐｅｅｄｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｌｅａｆｓｔｅｍｓｅｐａｒａｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ａｑｕａｄｒａｔｉｃｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｒｏｔａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈ４ｆａｃｔｏｒｓｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｄｏｔｈｅｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ．Ｔｈｅｎｍｏｄｅｌｓｗｅｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｍｏｄｅｌｓｆｉｔｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄａｔａｗｅｌｌ．Ｔｈｅｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｆｆｅｃｔｅｄｔｈｅｄｒｙｉｎｇａｎｄｓｅｐａｒａｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｏｓｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｏｆｒｏｔａｒｙｄｒｕｍ，ｆｅｅｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｉｔｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｏｓｔｏｐｔｉｍｉｚｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅ４００℃ｏｆｉｎｌｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，１４ｍ／ｓｏｆｉｎｌｅｔｖｅｌｏｃｉｔｙ，１２ｒ／ｍｉｎｏｆｒｏｔａｔｉｏｎａｌｓｐｅｅｄｏｆｒｏｔａｒｙｄｒｕｍ，ａｎｄ８ｋｇ／ｍｉｎｏｆｆｅｅｄｉｎｇｓｐｅｅｄ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｓｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｌｅａｆｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｗａｓ１３４２％，ｔｈｅｓｔｅａｍｍｏｉｓｔｕｒｅｃｏｎｔｅｎｔｗａｓ１４２４％，ａｎｄｌｅａｆｓｔｅａｍｓｅｐａｒａｔｉｏｎｒａｔｉｏｗａｓ７７３８％．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ａｌｆａｌｆａ，Ｌｅａｆｓｔｅｍｓｅｐａｒａｔｉｏｎ，Ｄｒｙｉｎｇ，Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ，Ｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ收稿日期：２００９１２２５ 修回日期：２０１００１２５“十一五”国家科技支撑计划资助项目（２００６ＢＡＤ１１Ａ０９０２、２００７ＢＡＤ３５Ｂ０１０１）和财政部、农业部国家牧草产业技术体系资助项目（ｎｙｅｙｔｘ０２７）作者简介：高扬，博士生，主要从事草业加工研究，Ｅｍａｉｌ：ｇａｏｙａｎｇ－ａｂｃ６６６６＠１６３．ｃｏｍ通讯作者：王德成，教授，博士生导师，主要从事草业机械研究，Ｅｍａｉｌ：ｗｄｃ＠ｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 引言对于大多数牧草来说，其叶片和茎秆中营养物质的含量存在很大差异［１］，例如紫花苜蓿的叶片富含蛋白质和类胡萝卜素，是猪和家禽等单胃动物的优良饲料或作为反刍家畜的蛋白质补充饲料，甚至可作为人类的蛋白副食和治疗糖尿病、甲状腺病、关节炎以及高血醇等疾病的草药；而在其茎秆中则含有大量的粗纤维，是牛、羊等复胃反刍类家畜的必需饲料，同时也是造纸和生物能源产品的重要原料。因此，通过茎叶分离可以有效提高苜蓿的利用率，并直接促进相关产业的发展［２～４］。目前，有关茎叶分离技术的研究多集中在采用单纯的气流分离法对干燥的饲草进行茎叶分离，而很少能够直接对新鲜牧草在干燥的同时实现茎叶分离，且多数仍然处在实验室研究阶段，还没有达到工业化生产的水平［５～１０］。本文采用自行研制的９ＧＦＱＡ６００型苜蓿干燥茎叶分离设备，研究入口温度、入口风速、转筒转速和喂料速度等干燥参数对苜蓿茎叶干燥分离效果的影响，并建立相应的数学模型，以期为今后苜蓿干燥方面的研究提供参考。１ 试验设备结构及原理９ＧＦＱＡ６００型苜蓿干燥茎叶分离设备主要由干燥转筒、茎叶分离室、叶料捕集器、风机、热风炉、上料机和除尘器等组成，如图１所示。图１ 试验设备总体结构简图Ｆｉｇ．１ Ｔｏｔａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍａｃｈｉｎｅ１．上料机 ２．喂料器 ３．预干燥段 ４．三回程干燥转筒 ５．茎叶分离室 ６．旋风式叶料捕集器 ７．引风机 ８．除尘器 ９．叶料出口 １０．接料输送带 １１．茎料出口 １２．转筒驱动电动机及传动装置 １３．支承装置 １４．热风炉 切碎的鲜苜蓿经过带式上料机进入料斗，由喂料闭风器喂入转筒。在风机的作用下，热风炉所产生的高温热风快速通过设备，物料在热风的作用下，首先进入预干燥转筒，并在转筒的转动下被抄板不断地抄起，在下落的过程中与热风充分接触。当物料含水率下降到一定程度时，即随热风进入三回程干燥转筒。当物料到达转筒尾部的茎叶分离室时，比重较小的叶片在气流的带动下进入旋风分离器（捕集器）并由其底部排出，而茎秆则直接由茎料出口排出［１１］。２ 试验设计与过程２１ 试验物料试验所用的物料选自河北省黄骅市，正处于现蕾期的中苜１号紫花苜蓿，茬次为第三茬，刈割时间为２００９年８月２０日。测定新鲜苜蓿含水率为７０％（湿基），用切草机将苜蓿整株切成３～５ｃｍ的草段。２２ 试验设备与仪器９ＧＦＱＡ６００型苜蓿干燥茎叶分离设备（中国农业大学）；ＤＨＧ９０５３Ａ型电热鼓风干燥箱（上海一恒科技有限公司）；袖珍型风速仪（日本ＫＡＮＯＭＡＸ公司）；ＡＲ２１４０型电子天平（上海奥豪斯仪器有限公司）；ＪＪ１０００型精密电子天平（美国双杰兄弟有限公司）；ＫＹ９Ｚ４Ｃ型切草机（山东省济宁曲阜市科阳实业有限公司）；国家标准检验筛（浙江省上虞市春耀仪器纱筛厂）；称量瓶；计时器；自封袋；托盘。２３ 试验流程（１）热风炉开启后，待各部件充分预热后，才能开始投料。预热温度不得超过１００℃，连续投料后再逐渐升温。（２）根据试验设计要求，分别调节入口风速、入口温度、转筒转速、喂料速度等工作参数至预定值。待茎料出口和叶料出口均达到稳定持续排料状态时，开始试验取样，分别用托盘同时接取叶料样品和茎料样品，装入相应的样品袋并作好标记，同时记录接样时间，接样时间不得少于２０ｓ，重复３次。（３）试验完毕后，测定每个试验组合下接得的出机叶料样品和出机茎料样品的含水率，每次测定３个平行样。（由于含水率测定所用样品质量远远小于接得的样品质量，因此在计算茎叶分离率时，这部分样品的质量可以忽略不计。）２４ 指标测定（１）新鲜苜蓿含水率和干燥分离后样品含水率测定根据文献［１２］提供的标准进行。（２）茎叶分离率测定方法。分别将各样品中的茎和叶分开，并分别称量，记录结果。（分样标准为直径小于１ｍｍ或长度小于１ｃｍ的茎秆按叶片处理，茎料样品中茎叶相连的部分按茎秆处理，叶料样品中茎叶相连的部分按叶片处理。）茎叶分离率［１３～１４］计算式为η＝Ｗ１ＬＷ１Ｌ＋Ｗ２Ｌ×１００％（１）式中 Ｗ１Ｌ———叶料出口处分离得到的叶片质量，ｇＷ２Ｌ———茎料出口处分离得到的叶片质量，ｇ２５ 试验设计试验采用四因素二次回归正交旋转组合设计。以入口温度ｘ１、入口风速ｘ２、转筒转速ｘ３和喂料速度ｘ４为试验变量，以出机叶料样品含水率Ｙ１、出机茎料样品含水率Ｙ２和茎叶分离率Ｙ３为目标函数。每个变量取５个水平，因素水平组合设计如表１所示。４１１农 业 机 械 学 报 ２０１０年表１ 试验设计因素水平编码Ｔａｂ．１ Ｆａｃｔｏｒｓａｎｄｌｅｖｅｌｓｏｆｑｕａｄｒａｔｉｃｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｒｏｔａｔｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｄｅｓｉｇｎ编码因素入口温度ｘ１／℃入口风速ｘ２／ｍ·ｓ－１转筒转速ｘ３／ｒ·ｍｉｎ－１喂料速度ｘ４／ｋｇ·ｍｉｎ－１２４５０１６２５３２１４００１４２０２６０３５０１２１５２０－１３００１０１０１４－２２５０８５８３ 结果与分析３１ 回归模型的建立试验设计与结果如表２所示。应用ＳＰＳＳ１６０软件中的Ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ过程对数据进行分析，分别得到用编码值表示的出机叶料样品含水率Ｙ１、出机茎料样品含水率Ｙ２和茎叶分离率Ｙ３的二次回归方程Ｙ１＝１５４０２－３１１４Ｘ１－０３４２Ｘ２＋０４７７Ｘ３＋０５６６Ｘ４＋０１１９Ｘ１Ｘ２－００１４Ｘ１Ｘ３＋０００１Ｘ１Ｘ４＋０１９８Ｘ２Ｘ３－００８５Ｘ２Ｘ４－００３０Ｘ３Ｘ４＋０１１２Ｘ２１＋０１０２Ｘ２２＋０４３２Ｘ２３＋０６３６Ｘ２４（２）Ｙ２＝１６５２３－３０９８Ｘ１－０５４１Ｘ２＋０４３５Ｘ３＋０５３３Ｘ４－００９７Ｘ１Ｘ２－００８２Ｘ１Ｘ３－００６６Ｘ１Ｘ４－００６１Ｘ２Ｘ３＋００２３Ｘ２Ｘ４＋０１６６Ｘ３Ｘ４＋０１９４Ｘ２１＋０２８３Ｘ２２＋０３２３Ｘ２３＋０４６５Ｘ２４（３）Ｙ３＝６６３７４＋４９５８Ｘ１＋４７４８Ｘ２－２０２９Ｘ３－２２８４Ｘ４＋０２７６Ｘ１Ｘ２－０３９９Ｘ１Ｘ３－０３４１Ｘ１Ｘ４＋０２５７Ｘ２Ｘ３－００２８Ｘ２Ｘ４－０２２３Ｘ３Ｘ４－２５５６Ｘ２１－１８１２Ｘ２２－１６０６Ｘ２３－０６０８Ｘ２４（４）对Ｙ１方差分析结果显示，模型ＦＲ＝４０９７７＞Ｆ００１（１４，２１）＝３０７，Ｐｒ＜０００１，回归极显著，复相关系数Ｒ２＝０９６５，表明该模型能够解释出机叶料含水率随各因素变化的关系，拟合水平良好。对回归系数进行显著性检验结果如表３所示，其中一次项Ｘ１、Ｘ２与Ｙ１呈负相关，Ｘ３、Ｘ４与Ｙ１呈正相关；交互项Ｘ１Ｘ２、Ｘ１Ｘ４、Ｘ２Ｘ３与Ｙ１呈正相关，Ｘ１Ｘ３、Ｘ２Ｘ４、Ｘ３Ｘ４与Ｙ１呈负相关；各平方项与Ｙ１均呈正相关关系。表２ 二次回归正交旋转组合设计及试验结果Ｔａｂ．２ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｅｖｅｌｓａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｑｕａｄｒａｔｉｃｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｒｏｔａｔｉｎｇｔｅｓｔ试验序号Ｘ１Ｘ２Ｘ３Ｘ４Ｙ１／％Ｙ２／％Ｙ３／％１１１１１