11JF-1.2型棉花秸秆饲料化发酵机试验及参数优化

郭兆峰 班婷 马艳 沈卫强

摘要：为提高11JF-1.2型棉花秸秆饲料化发酵机的工作性能，保证输出物料的质量，对该机具工作参数进行优化。通过开展单因素试验和正交试验，并运用 Design-Expert 10.0软件对试验所得数据进行响应面优化分析。试验结果表明：各因素对评价指标的贡献率从大到小依次为主轴转速、物料密度、加热机温度，通过软件中的优化求解功能得到最佳工作参数组合为主轴转速5r/min、物料密度176.5kg/m3、加热机温度39.5℃。根据得到的最优参数组合进行试验验证，含水率方差平均值为1.009，发酵温度平均值为36.9℃，优化后机具性能提升明显且满足设计要求。

关键词：棉花秸秆；饲料化；发酵机；参数优化；正交试验

中图分类号：S226.5

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2023） 070111

07

Experiment and parameter optimization of 11JF-1.2 cotton straw

feeding-fermentation machine

Guo Zhaofeng1， 2， Ban Ting1， 2， Ma Yan1， 2， Shen Weiqiang1， 2

（1. Institute of Agricultural Machinery， Xinjiang Academy of Agricultural Science， Urumqi， 830091， China;

2. Key Laboratory of Intelligent Control Technology for Xinjiang Facility Agriculture， Urumqi， 830091， China）

Abstract： In order to improve the performance of 11JF-1.2 cotton straw feeding-fermentation machine and ensure the quality of output materials， the working parameters of the machine were optimized. By carrying out single-factor tests and orthogonal tests and using Design-Expert 10.0 software， response surface optimization analysis was carried out on the data obtained from the test. The test results show that the contribution rate of each factor to the evaluation index， from largest to smallest， was spindle speed， material density， and heater temperature. Through the optimization and solving function in the software， the optimal combination of working parameters was spindle speed at 5r/min， material density at 176.5kg/m3， and heater temperature at 39.5℃. According to the obtained optimal parameter combination， the average moisture content variance is 1.009， and the average fermentation temperature is 36.9℃. After optimization， the performance of the machine was significantly improved and met the design requirements.

Keywords： cotton straw； feeding； fermentation mechine； parameter optimization； orthogonal test

0 引言

农作物秸秆是指在农业生产过程中，稻谷、玉米、小麦等作物收获后剩余的茎和少部分叶［1］。我国作为农业大国，农作物种植面积广阔且丰富，因此收获产生的农作物秸秆数量大，种类较多以及分布范围较广。农作物秸秆作为农业生产之余的副产品，含有丰富的有机质和微量元素，可以育肥土壤、增加土地生产力，也可作为畜牧、养殖业发展的有机饲料［27］。

我国是世界上最大的棉花生产大国之一，棉花生产基地主要位于地处欧亚大陆腹地的新疆。新疆气候干燥、干旱少雨，适合大面积种植商品棉，近年来，新疆棉花种植面积和产量以及质量都位于世界前列［8］。2021 年我國棉花种植总面积为3028.1khm2，新疆棉花种植面积达到2506.1khm2，产量约占全国产量的85％，约占全球棉花产量的20％。棉花摘除后，棉秸秆主要剩余茎、叶和棉桃壳，同一植株棉秸秆中棉茎占73%，棉桃壳占27%，有机物含量占比在91%以上，其中纤维素含量约40%左右［912］。棉秸秆作为一种丰富的可再生资源，应用潜力巨大，新疆棉秸秆目前主要的处理方式为粉碎还田肥土和作为燃料使用，科学合理利用棉秸秆可推动农业农村可持续发展。

为了实现农作物秸秆高效利用，秸秆的基质化、饲料化和能源化等得到了诸多学者的关注和研究。吴慧等［13］将腐熟的棉花秸秆按基质成分不同进行分类配比，然后用在番茄幼苗上观察长势，结果表明棉花秸秆基质对番茄幼苗的理化性质以及其他方面长势指标优于其他配比基质。张艳萍等［14］利用腐熟的玉米秸秆培养筛选土壤微生物，获得可降解秸秆纤维的真菌，可解决秸秆还田后普遍存在降解所需时间长的问题。章智钧等［15］利用棉花秸秆等为原材料，研究不同配比基质对草莓植株的影响，结果表明腐熟棉花秸秆可代替部分草炭作为草莓无土栽培基质使用。 杨雪海等［16］使用同一品种不同时期的油菜秸秆作为试验原料，通过营养成分检验、检测、分析等方法分析油菜秸秆的饲用价值。Djibrillou等［17］研究了奶牛对未处理棉秸秆（UNTS）、尿素处理棉秸秆（UTS）、未处理棉秸秆+400g棉籽（UNTS+CS）的消化情况，通过方差分析显示，尿素处理的棉秸秆可能是哺乳期马拉地犬适宜的饲料，并发现添加棉籽的未处理秸秆也比单独未处理秸秆有优势。

本研究针对新疆棉花种植面积广、产量大、饲料化利用率低的特点和问题，研发了一种棉秸秆饲料化发酵设备，并对该设备工作参数进行优化，旨在充分利用新疆棉花秸秆资源，对深入研究棉花秸秆饲料化发酵技术有重要参考价值。

1 整机结构与工作过程

1.1 整机结构

11JF-1.2型棉花秸秆发酵设备配有上料系统、搅拌系统、加热机送风系统、出料提升系统以及电控系统等装置，为棉秸秆饲料化加工发酵、工况参数优化提供试验平台，设备简图如图1所示，整机主要技术参数和搅拌系统主要参数分别如表1、表2所示。

1.2 工作过程

棉花秸秆发酵设备工作时，首先打开电源，通过电控表开启风机和加热机，再启动主轴搅拌系统，观察设备正常运行1min后，通过上料箱向搅拌桶输送粉碎后的棉花秸秆与配料混合物，此时风机产生的气流经过加热机形成热风，通过搅拌桶底部由负压风腔排出，搅拌桶内混合物料温度逐渐上升，待搅拌桶饱和后停止送料并闭合上盖板，调节风速和温度并持续搅拌，当达到要求发酵时间后打开出料口，物料通过出料口堆集、打包、封存发酵。搅拌系统结构如图2所示，主要由螺旋叶片、叶片支架、搅拌刀片、主轴以及图中未表示出的搅拌桶组成。

2 试验与分析

2.1 试验方案

试验地点位于新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州博湖县进行，试验品种选择采摘棉花后的新疆1号棉花秸秆，试验前需要对棉花秸秆进行前处理，即先将新疆1号棉花秸秆风干或烘干至含水率为15%左右，使用秸秆粉碎机将棉花秸秆揉切成3～5cm小段，再加水、菌剂和麸皮充分搅拌混合，制成试验所需物料。参考标准GB/T 24675.6—2009《保护性耕作机械秸秆粉碎还田机》和NY/T 3020《农作物秸秆综合利用技术通则》、NY/T 1701《农作物秸秆资源调查与评价技术规范》，设置主轴转速、物料密度以及加热机温度为试验因素，发酵均匀性Hf和发酵温度Tf作为试验指标。

为保证喂入量恒定并减少试验误差，设计上料箱满载重量为50±1kg，并在喂料过程中充分搅拌料池物料混合物，使每次上料的密度差值在可接受的误差范围以内。单因素试验中，每组试验只调整单个试验因素参数，主轴转速通过变频调速器控制，物料密度是前处理阶段的重点，需通过调整棉花秸秆小段、水、麸皮和菌剂的配比制成三种不同密度的试验物料以备使用。改变加热机温度可以使发酵设备内部温度变化，物料搅拌过程中实时温度可通过测温枪测量。每组试验结束后，必须严格清理发酵箱内部的物料残渣，避免物料混合造成密度误差。对于发酵温度，需要在试验开始1h、1.5h和2h三个时刻使用测温枪随机测试三个位置的温度并取平均值，每组试验刚结束，需在出料口随机5个位置取样（每个位置取样0.5kg），使用具备称重功能的水分测定仪器（YLS16A卤素水分测定仪）进行含水率测定，由于试验物料的复杂性，物料发酵均匀性无法实际测得，因此使用干基含水率方差来代替物料发酵的均匀性。含水率方差［18］计算公式如式（1）所示。

σ2=∑（X－μ）2N

（1）

式中：

X——每组样本的含水率；

μ——样本含水率的平均值；

N——样本数量。

为了使试验结果更加准确、科学，每组单因素试验需要重复进行3次。

2.2 单因素试验

图3（a）为主轴转速对发酵均匀性和发酵温度的影响，设定加热机温度为39℃，物料密度为175kg/m3，主轴转速3～7r/min范围内取5个值对秸秆发酵机发酵性能进行评价。随着主轴转速逐渐升高，含水率方差呈下降趋势，发酵温度先上升后下降。含水率方差降低，说明棉秸秆物料发酵均匀性越好，发酵温度随主轴转速增大呈二次曲线先上升后下降，归因于主轴转速越慢，物料混合均匀性差，测温时局部出现极值温度，随着主轴转速越快，物料混合均匀程度变高，发酵温度更加趋于平稳，不会出现极值温度。图3（b）为加热机温度对含水率方差和发酵温度的影响，设定主轴转速为5r/min，物料密度为175kg/m3，加热机温度在35℃～42℃之间取值。试验结果表明，发酵温度随加热机温度增高呈正比例趋势上升，当加热机温度达到38℃后含水率方差趋于平稳，归因于温度越高，物料失水率上升，含水率测定误差减小，更加准确。图3（c）为物料密度对发酵性能的影响，当物料密度为176kg/m3时含水率方差最低，物料均匀性最佳，发酵温度随密度增大呈逐渐下降趋势。

2.3 正交试验

为了深入研究主轴转速、 加热机温度和物料密度三个试验因素与秸秆发酵机评价指标之间的交互作用，探究各因素影响规律并寻找较优的工作参数组合，结合单因素试验结果确定各因素水平和取值范圍，以含水率方差和发酵温度为评价指标进行正交试验。

依据单因素试验结果，选取主轴转速中间值为5r/min，物料密度中间值为175±0.5kg/m3， 加热机温度中间值为39℃，为提高试验准确性和科学性，对试验因素进行编码如表3所示，试验正交如表4所示。A、B、C为因素编码值。

2.4 回归模型建立与显著性检验

运用Design-Expert 10软件中Box-Behnken功能［19］设计试验，并进行多元回归拟合分析，建立主轴转速、物料密度和加热机温度三个因素与含水率方差、发酵温度两个评价指标的响应面正交回归模型，再进行方差分析，结果如表5所示。根据方差分析结果，含水率方差指标模型为P=0.0039（P＜0.01），说明回归模型达到了极显著水平，拟合精度高，含水率方差和发酵温度两评价指标失拟项P值分别为0.0648和0.0932（失拟项P＞0.05），表明失拟项不显著。综上，可以利用该响应面正交回归模型进行参数优化设计［20］。

在含水率方差指标模型中，因素A、A2的P值均小于0.01，对回归模型影响极显著；因素B、AB、AC、BC、B2、C2的P值均大于0.05，对回归模型影响不显著；发酵温度指标模型中，因素A的P值小于0.01，对回归模型影响极显著；因素AB、AC、BC、B2、C2的P值均大于0.05，对回归模型影响不显著，由此可得模型回归项优化方程为

Y1=1.06－0.025A－0.016C+0.029A2

（2）

Y2=

36.68+0.34A+0.11B+0.15C－

0.27A2

（3）

贡献率［21］Δj可以反映出单个参数对所建回归模型的影响程度，Δj越大则影响程度就越大。贡献率Δj可用式（4）、式（5）计算，即

δ=

0F≤1

1－1FF＞1

（4）

Δj=δj+12∑m

i=1

i≠jδij+δjj j=1，2，…，m

（5）

式中：

δ——考核值；

F——方差分析表中F值；

δj——一次项贡献率，%；

δjj——二次项贡献率，%；

δij——交互贡献率，%。

根据上式计算得到各个因素贡献率如表6所示，即回归模型中每个因素对评价指标的贡献率从大到小顺序为主轴转速、物料密度、加热机温度。

图4为各因素组合对含水率方差响应曲面。

如图4（a）所示，物料密度增高时，含水率方差呈先下降后上升趋势，含水率方差与主轴转速呈负相关关系。主轴转速变化对响应曲面影响更加明显，归因于当主轴转速增大时，单位时间内物料被搅拌频率增加，受热均匀、混合程度高；如图4（b）所示，主轴转速和加热机温度增高时，含水率方差呈上升趋势。加热机温度变化对含水率方差影响较小，主轴转速对响应曲面影响更加显著；如图4（c）所示，加热机温度与物料密度对含水率方差都呈现正相关关系，物料密度对含水率方差影响更明显，归因于当主轴转速不变、物料密度逐渐增大时，搅拌装置单位时间内需要处理的物料总量增加，会出现受热不均匀、搅拌不到位的情况，影响发酵物料含水率变化。

以主轴转速、物料密度以及加热机温度作为工作参数优化对象，以物料含水率方差和发酵温度作为优化目标，利用分析软件中的优化求解功能进行较优参数筛选，约束条件方程为

minY1（A，B，C）

Y2（37）

－1≤A≤1

－1≤B≤1

－1≤C≤1

（4）

得到棉花秸秆饲料化发酵设备最佳工作参数组合为：主轴转速5.26r/min，物料密度176.54kg/m3，加热机温度为39.46℃，该参数组合下物料含水率方差和发酵温度分别为1.005和37℃。

2.5 试验验证

为了方便操作控制并充分考虑各因素参数单位精度问题，对所得最佳参数进行圆整，调整后的参数分别为：主轴转速5r/min，物料密度176.5kg/m3，加热机温度为39.5℃。根据最优参数进行3次验证试验，试验现场如图5所示，统计计算含水率方差和发酵温度并求平均值，如表7所示。

由表7可知，在最优工作参数组合下含水率方差平均值为1.009，发酵温度平均值为36.9℃，含水率方差接近1，说明该发酵设备输出产物均匀性更加稳定，优化效果明显，满足机具设计要求［22］。

3 结论

1） 确定使用含水率方差代替物料均匀性作为试验指标，通过单因素试验与正交试验，得到了相关工作参数取值范围为主轴转速4～6r/min、物料密度175～177kg/m3、 加热机温度38℃～40℃，确定正交试验因素为主轴转速、物料密度、加熱机温度。

2） 利用Design Expert软件对试验中获取的数据进行方差与响应面分析，结果表明主轴转速对含水率方差影响极显著，各因素贡献率顺序从大到小为主轴转速、物料密度、加热机温度。使用软件中优化求解功能对工作参数进行优化，得到较优工作参数组合为主轴转速5r/min，物料密度176.5kg/m3，加热机温度为39.5℃，该参数组合下平均含水率方差为1.009，平均发酵温度为36.9℃。

参 考 文 献

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