本文關(guān)鍵詞：番茄秸稈混料立式螺旋帶式混合方法及性能試驗(yàn)研究

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【摘要】：隨著我國設(shè)施園藝快速發(fā)展,產(chǎn)生大量園藝作物秸稈與殘茬,污染環(huán)境,加重病蟲害。研究發(fā)現(xiàn),秸稈就近粉碎、混合、發(fā)酵基質(zhì)化造肥處理是園藝作物秸稈低成本資源化處理一種有效方法;其需要解決的關(guān)鍵問題之一,是如何實(shí)現(xiàn)秸稈碎料與發(fā)酵菌種的高效混合。本文以作為基質(zhì)原料的番茄秸稈碎料為主要研究對(duì)象,針對(duì)其資源化利用處理中與發(fā)酵菌種的混合工藝以及節(jié)能與高效要求,開展立式螺旋帶式混合方法及機(jī)理系統(tǒng)研究,為研發(fā)園藝作物秸稈碎料與發(fā)酵菌種的高效混合專用設(shè)備提供理論依據(jù)。主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)論如下:(1)立式螺旋帶式混合方法及其理論研究針對(duì)番茄秸稈碎料與發(fā)酵菌種的混合問題,依據(jù)現(xiàn)有的固體混合設(shè)備選擇決策邏輯,提出立式螺旋帶式混合方法,開展了相關(guān)理論分析與研究:首先設(shè)計(jì)了立式螺旋帶式混合設(shè)備結(jié)構(gòu)模型,其由物料桶與一個(gè)垂直的內(nèi)外雙螺旋帶攪拌葉片組成;其后對(duì)立式螺旋帶式混合設(shè)備的混合過程及機(jī)理定性分析發(fā)現(xiàn),物料桶內(nèi)整體區(qū)域的混合物料是以對(duì)流混合為主,伴隨著剪切混合與擴(kuò)散混合的復(fù)雜過程,有大量湍流現(xiàn)象的產(chǎn)生;然后對(duì)混合物料進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,研究其主要性能及影響因素發(fā)現(xiàn),攪拌葉片的半徑、螺距和旋轉(zhuǎn)速度都對(duì)混合物料的軸向速度產(chǎn)生非線性影響;最后通過混合物料的攪拌功率計(jì)算,分析發(fā)現(xiàn),填料高度、攪拌葉片的寬度和旋轉(zhuǎn)速度都對(duì)混合物料的功率有一次線性遞增影響,攪拌葉片的半徑則對(duì)其功率有二次線性遞增的影響。(2)番茄秸稈碎料的特性測(cè)定與試驗(yàn)分析以成熟時(shí)期番茄秸稈為測(cè)定對(duì)象,通過3FC-500型秸稈切割粉碎機(jī)切割獲得秸稈碎料,觀察其幾何形狀特征,可將其簡(jiǎn)化為長度均值為6.93mm、直徑均值為2.09mm的圓柱形;分別采用TA.XTPLUS物性測(cè)試儀拉伸模塊,剪切模塊和摩擦力模塊套件,測(cè)得番茄秸稈碎料的彈性模量為235.2Mpa,剪切模量為5.38Mpa,番茄秸稈碎料之間靜摩擦系數(shù)為1.17,番茄秸稈碎料之間動(dòng)摩擦系數(shù)為1.02,番茄秸稈碎料與鋼材之間的靜摩擦系數(shù)為0.97,番茄秸稈碎料與鋼材之間的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.84;采用MJ33水分測(cè)試儀測(cè)得番茄秸稈碎料的含水率均值為22.61%;采用JA31002電子天平,利用填充法,測(cè)得堆積密度188.02kg.m-3和孔隙率58.56%,計(jì)算其真密度為453.72kg.m-3;采用高速攝像技術(shù),測(cè)得番茄秸稈碎料之間,番茄秸稈與鋼材之間的恢復(fù)系數(shù)分別為0.2029,0.1935。以上這些秸稈碎料的特性為進(jìn)一步開展立式螺旋帶式混合離散元仿真研究提供了基礎(chǔ)與依據(jù)。(3)立式螺旋帶式混合離散元仿真與試驗(yàn)研究建立離散元模型,通過對(duì)離散元參數(shù)標(biāo)定,采用正交試驗(yàn)的方法,對(duì)模擬仿真與實(shí)際試驗(yàn)的堆積角進(jìn)行對(duì)比,確定適合于番茄秸稈碎料仿真試驗(yàn)組合:顆粒間靜摩擦因數(shù)1.1,顆粒密度450kg.m-3,顆粒間粘性系數(shù)2000,開展離散元仿真試驗(yàn)研究:(1)通過對(duì)單個(gè)物料顆粒的運(yùn)動(dòng)過程仿真研究發(fā)現(xiàn):物料顆粒群上表面徑向中心區(qū)域位置的物料顆粒沿著內(nèi)螺旋帶攪拌葉片螺旋下降,速度穩(wěn)定,物料桶底部徑向外部區(qū)域的物料顆粒沿著外螺旋帶攪拌葉片振蕩上升,速度較慢;(2)通過對(duì)徑向中心區(qū)域多個(gè)物料顆粒在不同因素下的軸向平均位移仿真研究發(fā)現(xiàn):受擴(kuò)散混合影響,多個(gè)物料顆粒的軸向下降平均速度要比單個(gè)顆粒慢得多;不同旋轉(zhuǎn)速度情況下,軸向平均位移從大到小順序?yàn)?0r/min、60r/min、90r/min,不同螺距情況下,軸向平均位移從大到小順序?yàn)?75mm、150mm、400mm,不同填料高度情況下,軸向平均位移從大到小順序?yàn)?00mm、360mm、440mm;(3)通過對(duì)徑向外邊緣區(qū)域多個(gè)物料顆粒在對(duì)不同因素下的軸向平均位移仿真研究發(fā)現(xiàn):多個(gè)物料顆粒的軸向上升平均位移,受擴(kuò)散混合影響較小;不同旋轉(zhuǎn)速度情況下,軸向平均位移從大到小順序?yàn)?0r/min、60r/min、30r/min,不同螺距情況下,軸向平均位移從大到小順序?yàn)?50mm、275mm、400mm,不同填料高度情況下,軸向平均位移的從大到小順序?yàn)?00mm、360mm、440mm;(4)采用單因素試驗(yàn)法,對(duì)待發(fā)酵的番茄秸稈碎料與粘有發(fā)酵菌種番茄秸稈碎料混合運(yùn)動(dòng)仿真,研究不同因素下立式螺旋帶式混合性能,分析發(fā)現(xiàn):隨著攪拌葉片螺距的增加,混合均勻度得到提高,混合功耗呈先增大后減小的趨勢(shì),隨著攪拌葉片旋轉(zhuǎn)速度的增加,混合均勻度同樣得到提高,功耗呈大幅度提高的趨勢(shì),隨著填料高度的增加,攪拌均勻度呈降低趨勢(shì),功耗呈增加趨勢(shì)。(4)樣機(jī)試制與試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)并搭建了一種立式螺旋帶式混合試驗(yàn)裝置,具有根據(jù)試驗(yàn)要求精確控制攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)速度,取料加料,攪拌葉片的快速更換,以及轉(zhuǎn)矩的實(shí)時(shí)采集等功能。采用該試驗(yàn)裝置分別開展了以攪拌葉片螺距,旋轉(zhuǎn)速度和填料高度為單因素的試驗(yàn),以及以攪拌葉片螺距,旋轉(zhuǎn)速度和填料高度為多因素的回歸正交試驗(yàn),研究結(jié)果表明:隨著攪拌葉片螺距的增加,混合均勻度得到提高,混合功耗呈先增大后減小的趨勢(shì),隨著攪拌葉片旋轉(zhuǎn)速度的增加,混合均勻度同樣得到提高,功耗呈大幅度提高的趨勢(shì),隨著填料高度的增加,攪拌均勻度呈降低趨勢(shì),功耗呈增加趨勢(shì);混合均勻度與攪拌葉片螺距,填料高度和旋轉(zhuǎn)速度存在一次線性關(guān)系,影響的主次順序依次為螺距、轉(zhuǎn)速、填料高度。構(gòu)建了混合均勻度與結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,通過MathCAD軟件的求解與優(yōu)化,得到當(dāng)填料高度440mm、轉(zhuǎn)速30r/min、螺距400mm時(shí),物料混合變異系數(shù)為4.3,揭示了立式螺旋帶式混合的高效機(jī)理。
【關(guān)鍵詞】：秸稈基質(zhì)化 造肥處理 混合 螺旋攪拌 均勻度 功耗
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：S224.29
【目錄】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 緒論15-23
• 1.1 研究背景和意義15-16
• 1.2 混合設(shè)備的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀16-19
• 1.3 混合理論的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-20
• 1.4 離散元法在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20
• 1.5 主要研究?jī)?nèi)容20-23
• 第二章 立式螺旋帶式混合方法及動(dòng)力學(xué)分析23-30
• 2.1 混合方式的選擇23-24
• 2.2 立式螺旋帶式混合設(shè)備結(jié)構(gòu)模型及工作原理24-25
• 2.3 混合物料的動(dòng)力學(xué)分析25-28
• 2.3.1 混合物料的力學(xué)分析25-27
• 2.3.2 混合物料的運(yùn)動(dòng)分析27-28
• 2.4 立式螺旋帶式混合設(shè)備主要性能及其影響因素分析28-29
• 2.5 本章小結(jié)29-30
• 第三章 混合物料特性與測(cè)定試驗(yàn)30-40
• 3.1 番茄秸稈碎料的尺寸與測(cè)定試驗(yàn)30-32
• 3.1.1 測(cè)量原理與方法31
• 3.1.2 測(cè)量結(jié)果與分析31-32
• 3.2 含水率與測(cè)定試驗(yàn)32-33
• 3.2.1 測(cè)量原理與方法32
• 3.2.2 測(cè)量結(jié)果與分析32-33
• 3.3 真密度與測(cè)定試驗(yàn)33-34
• 3.3.1 測(cè)量原理與方法33
• 3.3.2 測(cè)量結(jié)果與分析33-34
• 3.4 彈性模量與測(cè)定試驗(yàn)34-36
• 3.4.1 測(cè)量原理與方法34-35
• 3.4.2 測(cè)量結(jié)果與分析35-36
• 3.5 摩擦系數(shù)與測(cè)定試驗(yàn)36-37
• 3.5.1 測(cè)量原理與方法36-37
• 3.5.2 測(cè)量結(jié)果與分析37
• 3.6 恢復(fù)系數(shù)與測(cè)定試驗(yàn)37-39
• 3.6.1 測(cè)量原理和方法38-39
• 3.6.2 測(cè)量結(jié)果和分析39
• 3.7 本章小結(jié)39-40
• 第四章 番茄秸稈碎料的離散元仿真建模與參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)40-47
• 4.1 離散元法簡(jiǎn)介40-41
• 4.2 EDEM軟件簡(jiǎn)介41
• 4.3 EDEM仿真模型的建立41-45
• 4.3.1 混合顆粒模型的建立41-42
• 4.3.2 接觸模型42-43
• 4.3.3 混合結(jié)構(gòu)幾何模型43
• 4.3.4 時(shí)間步長43-45
• 4.3.5 混合顆粒工廠45
• 4.4 參數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)45-46
• 4.4.1 試驗(yàn)內(nèi)容與方案45
• 4.4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析45-46
• 4.5 本章小結(jié)46-47
• 第五章 立式螺旋帶式混合運(yùn)動(dòng)與性能仿真研究47-61
• 5.1 仿真試驗(yàn)內(nèi)容與方案47-49
• 5.1.1 仿真均勻度的統(tǒng)計(jì)方法47-48
• 5.1.2 仿真功耗的統(tǒng)計(jì)方法48
• 5.1.3 單因素試驗(yàn)安排48-49
• 5.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析49-59
• 5.2.1 立式螺旋帶式混合物料的運(yùn)動(dòng)仿真分析49-51
• 5.2.2 不同因素對(duì)物料顆粒流場(chǎng)的影響51-53
• 5.2.3 不同因素對(duì)物料接觸數(shù)目的影響53-54
• 5.2.4 不同因素對(duì)徑向中心區(qū)域物料運(yùn)動(dòng)的影響54-56
• 5.2.5 不同因素對(duì)徑向外部區(qū)域物料運(yùn)動(dòng)的影響56-58
• 5.2.6 不同因素對(duì)混合均勻度的影響58
• 5.2.7 不同因素對(duì)混合功耗的影響58-59
• 5.3 本章小結(jié)59-61
• 第六章 立式螺旋帶式混合性能試驗(yàn)研究61-69
• 6.1 立式螺旋帶式混合試驗(yàn)裝置搭建61-63
• 6.1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)61
• 6.1.2 動(dòng)力裝置61-62
• 6.1.3 升降裝置62
• 6.1.4 傳動(dòng)方式62
• 6.1.5 測(cè)控系統(tǒng)62-63
• 6.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方案63-64
• 6.2.1 物料混合均勻度的統(tǒng)計(jì)方法63
• 6.2.2 單因素試驗(yàn)安排63-64
• 6.2.3 回歸正交試驗(yàn)安排64
• 6.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析64-68
• 6.3.1 不同因素對(duì)混合均勻度的影響65-66
• 6.3.2 不同因素對(duì)混合功耗的影響66
• 6.3.3 多因素線性回歸分析與參數(shù)優(yōu)化66-68
• 6.4 本章小結(jié)68-69
• 第七章 工作總結(jié)及展望69-72
• 7.1 工作總結(jié)69-71
• 7.2 展望71-72
• 參考文獻(xiàn)72-76
• 致謝76-77
• 碩士期間參與科研工作及成果77

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