二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的籽棉清雜系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化

二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)的籽棉清雜系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化

籽棉清雜系統(tǒng)棉花機(jī)械收獲是棉花生產(chǎn)機(jī)械中的一個(gè)重要而復(fù)雜的環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)棉花采摘機(jī)主要有水平摘錠式和梳齒式。梳齒式采棉機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)率高,生產(chǎn)使用成本低,但因采收后籽棉含雜率高制約了其應(yīng)用推廣。籽棉清雜系統(tǒng)是梳齒式采棉機(jī)的核心部件,其結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)的選擇和優(yōu)化是進(jìn)一步降低采收后籽棉含雜率的關(guān)鍵。目前國(guó)內(nèi)對(duì)梳齒式采棉機(jī)籽棉清雜系統(tǒng)研究較多采用對(duì)比試驗(yàn)和正交試驗(yàn),對(duì)籽棉清雜系統(tǒng)影響因素(刺釘滾筒轉(zhuǎn)速、鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速和刷棉滾筒轉(zhuǎn)速)與性能指標(biāo)(含雜率)建立相關(guān)關(guān)系的研究極少。響應(yīng)面方法(responsesurfacemethodology,簡(jiǎn)稱RSM)由于其合理的設(shè)計(jì)及優(yōu)良的效果,已被各行業(yè)所采用,但在籽棉清雜作業(yè)的研究中還鮮有報(bào)道。本文采用響應(yīng)面方法對(duì)梳齒式采棉機(jī)籽棉清雜系統(tǒng)含雜率的影響因素進(jìn)行研究。1試驗(yàn)條件和方法1.1棉田棉田清雜系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)間是2011年10月7~25日。試驗(yàn)地點(diǎn)為新疆石河子市133團(tuán)盛鑫農(nóng)場(chǎng)。試驗(yàn)棉田:地塊面積352hm2;棉花品種為新陸早33號(hào);播種方式為覆膜播種;行距(66+10)cm;平均株高70cm;最低棉鈴高度12cm;棉花脫葉率82%;吐絮率95%;含水率10%;該棉田產(chǎn)量為4500kg/hm2。籽棉清雜系統(tǒng)主要由刺釘滾筒、鋸齒滾筒、刷棉滾筒、格條柵、回收滾筒和出棉管等組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí),拖拉機(jī)為其提供動(dòng)力,刺釘滾筒將籽棉打散,并將其均勻拋送至鋸齒滾筒,利用籽棉與雜質(zhì)在鋸齒滾筒上的反彈性能與附著力不同,將二者分離,清雜后的籽棉經(jīng)出棉管進(jìn)入集棉箱。籽棉清雜系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。1.2樣樣社區(qū)性速度設(shè)計(jì)影響梳齒式采棉機(jī)籽棉清雜系統(tǒng)含雜率的因素主要有機(jī)組前進(jìn)速度、刺釘滾筒a轉(zhuǎn)速、刺釘滾筒b轉(zhuǎn)速、鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速和刷棉滾筒轉(zhuǎn)速。機(jī)組的前進(jìn)速度越快,喂入到清雜系統(tǒng)中的籽棉也越多,在其他因素一定時(shí),含雜率會(huì)升高,反之含雜率會(huì)降低。但在試驗(yàn)過(guò)程中,機(jī)組的前進(jìn)速度直接影響采收臺(tái)工作穩(wěn)定性,機(jī)組前進(jìn)速度大于3.6km/h時(shí),采收臺(tái)極易被堵塞,需停機(jī)對(duì)采收臺(tái)進(jìn)行人工疏導(dǎo),機(jī)組前進(jìn)速度不大于3.6km/h時(shí),采收臺(tái)工作順暢,無(wú)堵塞現(xiàn)象,故本試驗(yàn)在保證采收臺(tái)工作順暢的前提下,設(shè)定樣機(jī)行走速度為3.6km/h。在前期研究的基礎(chǔ)上,本次試驗(yàn)刺釘滾筒a和刺釘滾筒b轉(zhuǎn)速取值范圍為325~378r/min,鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速取值范圍為282~328r/min,刷棉滾筒轉(zhuǎn)速取值范圍為594~721r/min。1.3籽棉含雜率測(cè)定拖拉機(jī)牽引清雜系統(tǒng)以3.6km/h的速度行走,每隔30m按試驗(yàn)方案調(diào)整各滾筒轉(zhuǎn)速,每30m取樣3次,每次取樣品5kg,檢出其中雜質(zhì),計(jì)算籽棉含雜率的平均值。根據(jù)Box-Benhnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果選取對(duì)籽棉含雜率影響顯著的刺釘滾筒轉(zhuǎn)速、鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速、刷棉滾筒轉(zhuǎn)速3個(gè)因素,進(jìn)行3因素5水平的響應(yīng)面分析,試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)如表2所示。2計(jì)方案優(yōu)化結(jié)果采用三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案對(duì)影響籽棉含雜率的3個(gè)主要參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化。試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表3所示,回歸方程的方差分析如表4所示。2.1籽棉含雜率y編碼空間回歸模型的建立利用Design-Expert7.0軟件對(duì)表3中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合,得出回歸方程中的各項(xiàng)系數(shù)(表4),并用F檢驗(yàn)顯著性。由表3得出含雜率Y的回歸方程Y=13.18-0.7X1+0.3X2+0.63X3-0.41X1X2+0.72X1X3+1.19X2X3+1.36X2112+0.51X2222+1.1X2332(1)對(duì)籽棉含雜率Y編碼空間的回歸方程模型進(jìn)行方差分析,結(jié)果見(jiàn)表5所示。由4.99<F0.99(5,8)=6.63,檢驗(yàn)結(jié)果表明,在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)部,回歸方程與實(shí)測(cè)值擬合較好,所取回歸模型合適。由51.3>F0.99(9,13)=4.19,檢驗(yàn)結(jié)果表明,回歸方程在α=0.05水平上是顯著的,二次回歸方程擬合較好。2.2響應(yīng)面效應(yīng)從表6的分析結(jié)果可知,對(duì)含雜率的影響效果由大到小為:X2、X3、X1,即影響因素重要性順序?yàn)?鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速、刷棉滾筒轉(zhuǎn)速和刺釘滾筒轉(zhuǎn)速。2.2.1獨(dú)立置護(hù)機(jī)構(gòu)y+3.2回歸方程固定其中2個(gè)因素于0水平,求第3個(gè)因素與含雜率的降維回歸方程:刺釘滾筒轉(zhuǎn)速與含雜率的回歸方程Y=13.18-0.7X1+1.36X2112鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速與含雜率的回歸方程Y=13.18+0.3X2+0.51X2222刷棉滾筒轉(zhuǎn)速與含雜率的回歸方程Y=13.18+0.63X3+1.1X2332根據(jù)這些方程得到3個(gè)因子對(duì)含雜率影響的關(guān)系曲線如圖2所示。從圖2可看出,隨著刺釘滾筒轉(zhuǎn)速不斷增大,含雜率在338.2~351.4r/min之間達(dá)到最小值;隨著鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速增大,含雜率在283.5~305.0r/min之間達(dá)到最小值;隨著刷棉滾筒轉(zhuǎn)速的增大,含雜率在625.8~657.5r/min之間達(dá)到最小值,含雜率均呈先降后升趨勢(shì),這與單因素預(yù)試驗(yàn)結(jié)果一致,試驗(yàn)范圍選擇恰當(dāng)。2.2.2因素間的交互效應(yīng)在式(1)中,確定任意一個(gè)因素在零水平,研究其余2個(gè)因素間的交互效應(yīng)。應(yīng)用Design-Expert7.0統(tǒng)計(jì)分析軟件做響應(yīng)曲面,分析刺釘滾筒轉(zhuǎn)速、鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速和刷棉滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響。(1)動(dòng)力系統(tǒng)含雜率的優(yōu)化將建立的回歸方程中X3固定在0水平,即可得到X1、X2對(duì)指標(biāo)Y影響的子模型Y=13.18-0.7X1+0.3X2-0.41X1X2+1.36X2112+0.51X22所得回歸方程對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲面如圖3a所示。由圖中可以看出,含雜率隨著刺釘滾筒轉(zhuǎn)速的增加先減小后增大,要使含雜率最小,最優(yōu)刺釘滾筒轉(zhuǎn)速范圍為335.0~351.0r/min。含雜率隨著鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速的增加逐漸減小,但是當(dāng)含雜率達(dá)到最小值時(shí)繼續(xù)增大鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速,含雜率又呈上升的趨勢(shì)。說(shuō)明鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速過(guò)小時(shí),含雜率反而會(huì)增大,這是因?yàn)殡s質(zhì)與籽棉的粘合力大于雜質(zhì)隨滾筒旋轉(zhuǎn)的離心力,至使雜質(zhì)不能與籽棉分離。對(duì)應(yīng)的鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速應(yīng)在291.0~305.0r/min。(2)刷棉螺釘轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響將建立的回歸方程中X2固定在0水平,即可得到X1、X3對(duì)指標(biāo)Y影響的子模型Y=13.18-0.7X1+0.63X3+0.72X1X3+1.36X2112+1.1X2332從圖3b中可以看出,在刺釘滾筒轉(zhuǎn)速為351r/min、鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速為305r/min、刷棉滾筒轉(zhuǎn)速為657r/min水平時(shí),含雜率出現(xiàn)極小峰值。還可以看出,在刺釘滾筒轉(zhuǎn)速的各水平下,含雜率隨著刷棉滾筒轉(zhuǎn)速的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)。在刷棉滾筒轉(zhuǎn)速各水平下,含雜率隨著刺釘滾筒的增大呈相同趨勢(shì)。(3)齒輪齒輪轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響將建立的回歸方程中X1固定在0水平,即可得到X2、X3對(duì)指標(biāo)Y影響的子模型Y=13.18+0.3X2+0.63X3+1.19X2X3+0.51X2222+1.1X2332從圖3c中可以看出:在鋸齒滾筒各個(gè)水平下,其對(duì)應(yīng)的含雜率隨著刷棉滾筒轉(zhuǎn)速的增加呈先減小后增大的趨勢(shì)。在刷棉滾筒各個(gè)水平下,其對(duì)應(yīng)的含雜率隨著鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速的增加呈相同的趨勢(shì)。當(dāng)刺釘滾筒轉(zhuǎn)速為351.0r/min時(shí),隨著鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速和刷棉滾筒轉(zhuǎn)速的增加,含雜率呈先減小后增大的趨勢(shì)。由圖3c可以看出,含雜率極小值對(duì)應(yīng)的鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速范圍為305.0~319.0r/min,對(duì)應(yīng)刷棉滾筒轉(zhuǎn)速范圍為619.0~657.0r/min。3優(yōu)化解決方案和驗(yàn)證3.1標(biāo)準(zhǔn)1.2單次給藥試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化理想的結(jié)果是在約束條件范圍內(nèi)盡可能減少含雜率,因此將其作為評(píng)價(jià)指標(biāo),建立數(shù)學(xué)模型如下:目標(biāo)函數(shù)minY(X1,X2,X3)約束條件-1.682≤X1≤1.682-1.682≤X2≤1.682-1.682≤X3≤1.682利用牛頓迭代法規(guī)劃求解,得到含雜率最小時(shí)的最佳試驗(yàn)參數(shù)組合:刺釘滾筒轉(zhuǎn)速366r/min,鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速316r/min和刷棉滾筒轉(zhuǎn)速706r/min。優(yōu)化后的含雜率理論值為14.54%。3.2刺釘齒輪轉(zhuǎn)速與刷棉置率關(guān)系實(shí)際作業(yè)時(shí),機(jī)組工作參數(shù)的調(diào)整受到傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪設(shè)計(jì)的參數(shù)限制,很難調(diào)整到優(yōu)化后的參數(shù)組合,取刺釘滾筒轉(zhuǎn)速為367r/min、鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速291r/min和刷棉滾筒轉(zhuǎn)速為695r/min,試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值,此時(shí)籽棉含雜率為15.10%,與優(yōu)化值(14.54%)差別不大,這一差異在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中影響甚微。4優(yōu)化條件的確定(1)根據(jù)二次正交旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,建立了影響因素與含雜率之間的數(shù)學(xué)回歸模型,并研究了刺釘滾筒轉(zhuǎn)速、鋸齒滾筒轉(zhuǎn)速和刷棉滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)含雜率的影響。(2)利用有約束非線性優(yōu)化理論對(duì)回歸方程的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化