基于實驗設計的玉米粗粉碎優(yōu)化研究

林 溪,馬鳳德,朱良青,金忠興

(1.江蘇豐尚智能科技有限公司,江蘇 揚州 225000;2.嘉吉投資(中國)有限公司,上海 200030)

中國是飼料生產(chǎn)大國,我國飼料行業(yè)產(chǎn)量已經(jīng)連續(xù)8年位居世界第一,占全球總產(chǎn)量的1/4。飼料工業(yè)不僅是支撐現(xiàn)代農(nóng)牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)及糧食深加工企業(yè)發(fā)展的基礎產(chǎn)業(yè),而且成為關系到城鄉(xiāng)居民動物性食品供應的民生產(chǎn)業(yè)。鑒于此,強化技術創(chuàng)新,優(yōu)化產(chǎn)品結構,提高飼料粉碎的效率和效益,符合《“十四五”全國飼草產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》的要求,對國內(nèi)經(jīng)濟的發(fā)展、人民生活水平的提高以及生態(tài)環(huán)境的保護都具有重要的現(xiàn)實意義。

錘片粉碎機是飼料粉碎過程中被廣泛使用的一種機械,在原料粉碎加工行業(yè)中起著重要作用。錘片粉碎機主要應用于粉碎各種顆粒狀飼料原料,如玉米、高粱、麥類、破碎后的餅類及其他物料。由于不同種類原料的水分、容重、油脂含量、纖維含量等特性不同,相同參數(shù)配置的粉碎產(chǎn)能也不盡相同,因此,如何快速地找到不同特性物料的最優(yōu)粉碎參數(shù),使錘片粉碎機發(fā)揮最大效率,成為目前飼料工廠提高生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益的重點難題[1]。

實驗設計(DOE)是目前現(xiàn)代企業(yè)管理中最有效的改善和科研工具之一。它是一種以概率論和數(shù)理統(tǒng)計理論為基礎,以相對較少的試驗次數(shù)、較短的試驗周期以及較低的成本投入,經(jīng)濟科學地獲得必要的技術信息,并用合適的統(tǒng)計方法分析數(shù)據(jù),得出多個輸入因素對輸出的影響最佳水平組合,亦即最佳試驗結論的方法[2]。DOE的實施方法和理論已經(jīng)在國內(nèi)外得到了極大的認可和應用,但其在錘片粉碎機方面的應用實驗研究卻并不多見。本研究采用DOE方法,在保證粉碎機穩(wěn)定運行的前提下,嘗試以采用盡可能少的實驗次數(shù),相對精確地得到不同物料的最佳粉碎參數(shù)[3]。

此項研究以玉米粗粉碎為案例,采用DOE,對包括粉碎機的風量、轉子線速度、錘片厚度、錘篩間隙在內(nèi)的生產(chǎn)工藝參數(shù)進行研究分析,探究生產(chǎn)工藝參數(shù)的不同水平對粉碎玉米的生產(chǎn)效率以及粒度分布的影響變化規(guī)律,并尋求可行性生產(chǎn)參數(shù)的最優(yōu)設計組合,探究結果可為飼料廠的實際生產(chǎn)作業(yè)提供理論參考和數(shù)據(jù)支撐[4]。

1 實驗設備

本次試驗在嘉吉某工廠進行,實驗設備均選用現(xiàn)場已有設備直接使用。

現(xiàn)場設備條件:

①豐尚SFSP132×50A型錘片式粉碎機(110 kW);

②脈沖除塵器LNGM36(48筒);

③風機6-23-8C-11 kW(風機風量為3 486～6 626m3/h);

④提升機TDTG40/28;

⑤喂料器TWLY25×50(1.5 kW)。

2 實驗方案設計

2.1 分析因子設計

考慮到每次實驗粉碎機所需的玉米粉碎量較多,多次實驗的成本較高,并且每組實驗調(diào)整實驗參數(shù)的準備時間較長,更換錘片的人工工作量較大,故選取對錘片粉碎機產(chǎn)能影響最為主要的四個因子:風量、轉子線速度、錘片厚度、錘篩間隙進行顯著性分析,對每個因子取兩個不同水平,如表1所示。

表1 因子水平設計表

其中錘片厚度與錘篩間隙通過提前試制不同規(guī)格錘片與安裝位置進行調(diào)節(jié),風量與轉子線速度則分別通過給風機電機以及主機電機增加變頻器實現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)。

設計的正交實驗表如表2所示,其中在正交實驗設計中,增加一組中心點。

表2 4因子2水平正交實驗設計表

2.2 試驗步驟

由于整個實驗過程中,僅調(diào)整粉碎機的生產(chǎn)工藝參數(shù),每組實驗流程需盡可能保持前后一致以減少變量因子外的實驗干擾,提高后續(xù)實驗數(shù)據(jù)分析的準確性,保證最終實驗結果的有效性和可靠性,故設計的實驗步驟如下:

(1)測量工廠當前生產(chǎn)現(xiàn)狀的測量數(shù)據(jù)作為實驗空白對比組;

(2)檢測原料水分;

(3)校核原料質量;

(4)安裝當前實驗組的實驗錘片并校核錘片數(shù)量及排列;

(5)安裝全新篩片并校核錘篩間隙與篩片孔徑是否正確;

(6)空載運行粉碎生產(chǎn)系統(tǒng),檢查相關設備的運行狀況是否正常,同時調(diào)節(jié)轉子線速度與風機風量達到本組實驗的設定值;

(7)使用電能測試儀測試空載參數(shù),使用鉗型表檢測電流;

(8)開始帶料試驗,開啟喂料器,調(diào)整喂料頻率,待實際運行電流達到額定電流的95%后,穩(wěn)定運行16 min;

(9)當主電機的電流穩(wěn)定后,開始計時,待穩(wěn)定運行16 min后,停止計時,計時開始與停止時均記錄電能表示數(shù);

(10)分別在粉碎機運行穩(wěn)定后的第5、第10、第15 min取200 g粉碎后物料;

(11)記錄整個過程內(nèi)的相關試驗參數(shù);

(12)檢測成品水分并記錄數(shù)據(jù);

(13)檢測成品粒度并記錄數(shù)據(jù);

(14)完全停機后調(diào)整下一組實驗參數(shù),重復該實驗步驟。

其中,整個粉碎實驗過程中需要特別注意的關鍵點如下:

①測量產(chǎn)量所制定的方法標準需要從頭到尾保持一致,采集數(shù)據(jù)的人員前后保持一致;

②測量水分、粒度的人員和設備保持一致;

③粉碎的物料盡量保證同一批次。

3 試驗結果與分析驗證

正交實驗結果見表3。

表3 實驗數(shù)據(jù)及結果

3.1 因子顯著性分析(見圖1)

圖1 標準化效應的Pareto圖

運用標準化效應的Pareto圖將影響因子作為縱坐標,對粉碎機產(chǎn)量影響的顯著水平作為橫坐標,由圖1可見,D(錘篩間隙)和C(錘片厚度)對玉米粗粉碎產(chǎn)量的影響較為顯著。

3.2 主效應分析

運用主效應圖比較不同變量設置的產(chǎn)量擬合均值,圖2可以明顯看出粉碎機產(chǎn)量隨著錘篩間隙的加大而明顯增加,而錘片厚度變薄同樣也會顯著提升粉碎產(chǎn)量,而風量與線速度在中等水平時的產(chǎn)量較高,在高水平與低水平處較低且差異不大;同時,結合四個因子最佳水平分析可知,玉米粗粉碎的最佳因素水平組合為:風量3 600 m3/h、錘片厚度4 mm、主機線速度110 m/s、錘篩間隙10 mm。

圖2 主效應圖

3.3 交互效應分析

通過使用交互作用圖評估風量分別對轉子線速度、錘片厚度、錘篩間隙的交互效應,由圖3可以看出,圖3內(nèi)的兩條直線之間的交叉程度不大,說明風量分別對轉子線速度、錘片厚度、錘篩間隙的交互作用不顯著。

(a)風量與線速度的交互作用圖

3.4 實驗驗證與后期跟蹤

通過對實驗數(shù)據(jù)結果的現(xiàn)場分析得出當前玉米粉碎的最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)后,以該參數(shù)再次進行粉碎實驗以驗證實驗結果是否可靠準確(做了兩組實驗,只調(diào)整了風量的高低水平,其余參數(shù)均按照最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)設置),實驗結果如表4所示。

表4 實驗驗證結果

對比工廠實驗前的現(xiàn)有產(chǎn)量數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)使用最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)的粉碎機產(chǎn)量提高了大約9.3%,驗證了本次DOE對于錘片粉碎機提高玉米生產(chǎn)效率的有效性。

考慮到最佳生產(chǎn)工藝參數(shù)中將錘片厚度減薄,會導致錘片的使用壽命相對縮短,故綜合考慮生產(chǎn)效率與使用壽命,對使用薄錘片的粉碎機進行一個長期跟蹤,統(tǒng)計一個完整使用壽命周期內(nèi)錘片的生產(chǎn)量,并與過往使用的厚錘片進行總產(chǎn)量的對比,對比粉碎效率匯總數(shù)據(jù)和錘片壽命周期,結果見圖4與表5。

(a)4 mm錘片2022年4-6月粉碎效率

表5 錘片壽命周期表

從圖4以及表5中可以觀察得出,2021年3—5月使用常規(guī)厚錘片(6 mm)粉碎效率的中位數(shù)對比2022年4—6月實驗改進后的薄錘片(4 mm)粉碎效率的中位數(shù),改進后比之前提升了19%左右,并且兩套錘片在其完整的使用壽命周期內(nèi)的總產(chǎn)量基本一致,更加論證了本次DOE改進對玉米粉碎效率的一個顯著提升。

4 結論

(1)通過DOE方法,在試驗次數(shù)較少、試驗成本較低的情況下快速確定出錘片粉碎機粉碎玉米的最優(yōu)生產(chǎn)工藝條件:風量3 600 m3/h、錘片厚度4 mm、主機線速度110 m/s、錘篩間隙10 mm,粉碎效率相比改造前提升了19%左右。

(2)錘片厚度與錘篩間隙是玉米粉碎的顯著影響因子,對錘片粉碎機粉碎玉米的產(chǎn)量影響較大,錘片厚度越薄、錘篩間隙越大,玉米粉碎的產(chǎn)量越高,線速度對產(chǎn)量的影響相比于前兩者較小,而風量對玉米粉碎的產(chǎn)量幾乎沒有影響。

本次DOE得到了該工廠運營團隊的高度認可與評價,也提供了一個成功實踐案例,為飼料行業(yè)運用DOE解決生產(chǎn)問題提供了方法和途徑,利用DOE對粗粉碎玉米的最優(yōu)生產(chǎn)工藝的篩選方法對于其他不同特性物料的高效生產(chǎn)提供了借鑒,對于提高粉碎設備的生產(chǎn)效率,降低粉碎工段能耗,綜合提升工廠的生產(chǎn)效益有著廣泛的應用前景。

(3)本實驗設計采用的是企業(yè)工廠實踐案例,實驗數(shù)據(jù)均真實可靠,相較于其他仿真實驗更具有可靠性和復現(xiàn)性。