秸秆粉碎特性分析及其粉碎设备结构优化

摘要

秸秆是农业生产中最大的可再生资源，有着广泛的用途。秸秆还田就是其中一种重要的利用途径，该方法能够增加土壤有机质、改善土壤结构、增强蓄水保墒能力，同时也是保护环境、发展生态农业、实现农业可持续发展的重要措施。烟秆作为秸秆中的一个重要类别，自身携带病原体不适合直接粉碎还田，所以需要将烟秆粉碎加工后综合利用其生物质价值。目前我国烟草种植量很大，大量烟秆需要回收、粉碎后进行综合处理。但是当下关于秸秆和烟秆粉碎的理论尚不成熟，各种粉碎机层次不齐。因此，本课题选择烟秆为粉碎对象，在其组织结构及力学特性研究基础上，对现有粉碎设备的结构进行优化设计，使其适用于烟秆这类硬质秸秆的粉碎；然后通过试验对优化后的烟秆粉碎机进行工作参数的优化，提高粉碎机的粉碎粒径合格率，降低粉碎功耗。通过研究形成的烟秆的相关技术和设备也可推动玉米、高粱等秸秆破碎技术和设备的形成。 首先，测量了烟秆的外观尺寸，分析了鲜烟秆的组织结构，采用微机控制电子万能试验机对烟秆的力学特性进行了试验研究，包括烟秆的压缩、弯曲及剪切等试验研究。通过试验得到了烟秆的力学性能参数，为粉碎机喂料机构与切割机构的优化提供了参考，并获得了EDEM中建立烟秆模型所需的参数。 其次，针对现有秸秆粉碎机工作时存在的卡秆、打滑、振动幅度大、切割功耗高等问题，结合烟秆特性对粉碎机的关键零部件进行了理论分析及优化设计，包括喂料机构的优化设计、烟秆切断装置的优化设计、锤片的分布设计及受力分析。 然后，采用FLUENT对粉碎室内的流场进行了仿真分析，得到不同转速下粉碎室内压力场和速度场的分布云图，通过对流场特性的对比分析得出了转子转速对粉碎室内负压特性及气流流速的影响规律；根据烟秆的组织结构特性及力学特性，建立了烟秆的BPM粘结模型，采用EDEM离散元软件对粉碎过程进行了模拟仿真，分析了不同转速下粉碎机的粉碎效果与排料效果。根据仿真分析结果对粉碎室的结构进行了优化设计，包括粉碎腔结构优化、梯形齿板的布置、出料口筛网的设计及出料通道的优化等，将优化后的仿真结果与优化前的结果进行对比分析后，发现优化后粉碎室内物料-气流的环流现象明显减弱，使得排料更加顺畅，提高了粉碎效果。 最后，通过单因素试验和二次回归正交旋转组合试验，运用响应面分析法分析了喂料速度、转子转速、筛孔直径对粉碎粒径合格率及度电产量的综合影响，并对粉碎机的工作参数进行了多目标优化，得到了一组最优的工作参数，通过试验验证了优化结果是正确可行的。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 秸秆力学特性研究现状

1.2.2 秸秆粉碎设备研究现状

1.3 研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

1.4 本章小结

第2章 烟秆物理特性研究

2.1 烟秆的结构分析

2.2 烟秆力学模型建立

2.3 烟秆力学特性试验

2.3.1 试验材料、设备与方法

2.3.2 烟秆压缩试验研究

2.3.3 烟秆弯曲试验研究

2.3.4 烟秆剪切试验研究

2.4 本章小结

第3章 粉碎机结构优化设计及其运动学分析

3.1 粉碎机总体结构

3.2 喂料机构的优化设计

3.2.1 喂料对辊结构及参数优化

3.2.2 喂料对辊间距调节装置的优化设计

3.2.3 喂料口的优化设计

3.3 烟秆切断装置的设计

3.3.1 切断装置的工作要求

3.3.2 烟秆切断方式的分析及选择

3.3.3 刀具结构分析

3.4 锤片分布的优化及受力分析

3.4.1 锤片分布的优化设计

3.4.2 锤片的受力及运动分析

3.5 本章小结

第4章 基于CFD、DEM的粉碎装置仿真及优化

4.1 粉碎室模型的建立

4.1.1 实体模型的建立

4.1.2 计算区域建模

4.1.3 网格划分

4.2 数学模型

4.3 粉碎室内流场分析

4.3.1 边界条件设置

4.3.2 仿真结果分析

4.4 基于DEM的粉碎过程模拟与研究

4.4.1 烟秆模型的建立

4.4.2 相关参数的设置

4.4.3 仿真结果分析

4.5 基于流场与粉碎过程仿真分析的结构优化

4.6 本章小结

第5章 粉碎机的性能试验研究

5.1 试验目的及方法

5.1.1 试验目的

5.1.2 试验方法

5.2 试验材料及设备

5.2.1 试验材料

5.2.2 试验设备

5.3 评价指标

5.4 粉碎机的单因素试验研究

5.4.1 单因素试验方案设计

5.4.2 喂料对辊转速对粉碎性能的影响

5.4.3 转子主轴转速对粉碎性能的影响

5.4.4 出料口筛孔直径对粉碎性能的影响

5.5 多因素试验研究及工作参数优化

5.5.1 试验方法的选取及其原理

5.5.2 二次回归正交旋转组合试验方案设计

5.5.3 数学模型的建立

5.5.4 各因素对粉碎粒径合格率的影响

5.5.5 各因素对度电产量的影响

5.5.6 工作参数优化及试验验证

5.6 本章小结

第6章 总结及展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

附录A 在学期间发表的学术论文与研究成果