【摘要】：生物炭基肥是一種以生物炭為載體與傳統(tǒng)肥料摻混制成的新型緩釋肥料,在農(nóng)作物生產(chǎn)、土壤改良和污染治理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。通常采用團(tuán)聚、擠壓、熔融、噴霧、流化等方法制備生物炭基肥。課題組前期開發(fā)了一款新型生物炭基肥成型機(jī),相較于傳統(tǒng)成型機(jī),該成型機(jī)集輸送、擠壓、成型、切粒于一體,工作穩(wěn)定可靠,所制備的炭基肥顆粒強(qiáng)度高,基本滿足肥料相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn),具有較高適用性。但我們通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該成型設(shè)備溫升明顯,容易造成產(chǎn)品能耗高、成型率低等問題。本文分析了成型設(shè)備溫升規(guī)律,從物料成型工藝和成型機(jī)結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面加以改進(jìn):一方面進(jìn)行物料擠壓成型試驗(yàn),通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)面試驗(yàn)獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)組合;另一方面借助數(shù)值模擬方法優(yōu)化了螺桿參數(shù),設(shè)計(jì)了對應(yīng)的冷卻系統(tǒng),并制造出改進(jìn)后的成型設(shè)備。最后進(jìn)行了對照試驗(yàn),驗(yàn)證了改進(jìn)效果。本文主要內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)探究了成型設(shè)備溫升機(jī)理,溫升主要由物料成型過程中變形熱和摩擦熱引起。借助微元法和螺桿基礎(chǔ)理論推導(dǎo)了摩擦熱和變形熱的計(jì)算公式,成型溫升受到螺桿結(jié)構(gòu)、物料壓縮特性和螺桿轉(zhuǎn)速的影響。當(dāng)物料配方和成型機(jī)結(jié)構(gòu)確定時(shí),螺桿轉(zhuǎn)速是決定設(shè)備溫升的關(guān)鍵因素。(2)建立了成型過程溫度場分析模型,實(shí)測了成型機(jī)溫升規(guī)律并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。根據(jù)仿真結(jié)果物料區(qū)域溫度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加,最高溫度位于靠近螺桿的區(qū)域,溫度由內(nèi)向外依次遞減。而實(shí)際生產(chǎn)中機(jī)筒內(nèi)部物料溫度經(jīng)歷緩慢增長、快速增長、最終趨于平緩三個(gè)階段且溫度分布呈現(xiàn)梯度變化,越靠近螺桿溫度越高,隨著轉(zhuǎn)速增加,物料最高溫度先增加最終有所回落。機(jī)筒表面溫度變化與物料區(qū)域相似,但數(shù)值上有較大差距,且溫度分布不均越靠近出料口溫度越高。實(shí)測溫度與仿真結(jié)果誤差在8%~15%之間,說明分析模型具有一定參考價(jià)值。(3)進(jìn)行了物料擠壓成型試驗(yàn)。通過單因素試驗(yàn)和四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)探討了不同壓縮速度、模具長徑比、物料含水率、基肥比對比能耗和抗壓強(qiáng)度的影響,建立了比能耗和抗壓強(qiáng)度的二元回歸模型,并對回歸模型進(jìn)行了預(yù)測。響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果表明,各因素對比能耗影響作用的大小依次為:長徑比含水率壓縮速度基肥比;模具長徑比和含水率的交互作用對比能耗有顯著影響。各因素對抗壓強(qiáng)度影響作用的大小依次為:含水率基肥比壓縮速度長徑比;含水率和基肥比的交互作用對抗壓強(qiáng)度有顯著影響。在成型比能耗最小,抗壓強(qiáng)度最大的條件下,得到了最佳工藝參數(shù)組合:壓縮速度為50 mm/min,模具長徑比為3.5,含水率為14.16%,基肥比為4,該條件下產(chǎn)生的比能耗為20.541 kJ/kg�？箟簭�(qiáng)度為35.013 N,預(yù)測的平均相對誤差依次為3.3%、2.3%,說明回歸模型可靠性較高。(4)借助FLUENT分析了不同螺桿參數(shù)條件下機(jī)筒內(nèi)部物料壓力分布,優(yōu)化了螺桿參數(shù),當(dāng)壓縮比為1.8,螺槽深度為17.5 mm,螺棱寬度為5 mm時(shí)物料成型效果較好。根據(jù)溫升規(guī)律設(shè)計(jì)出對應(yīng)的冷卻系統(tǒng),通過計(jì)算驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性,并對相應(yīng)配件進(jìn)行選型。重新制造出新一代樣機(jī),對改進(jìn)前后的效果進(jìn)行對比。改進(jìn)后物料溫升下降幅度達(dá)15.4%,機(jī)筒表面溫升下降幅度達(dá)28.8%。產(chǎn)品產(chǎn)量和成型率均有明顯提升,其中產(chǎn)量平均增幅為51.1%,成型率平均提升37.6%,同時(shí)保持較高顆粒強(qiáng)度,說明改進(jìn)較為合理。
【圖文】：

華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 2019 屆碩士研究生（畢業(yè)）論文對核心部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期改善設(shè)備溫升，同時(shí)保持現(xiàn)有產(chǎn)品質(zhì)型緩釋肥和成型設(shè)備的研究提供理論支撐和技術(shù)支持。內(nèi)外研究現(xiàn)狀生物炭基肥成型設(shè)備的研究前，國內(nèi)炭基肥生產(chǎn)仍然沒有成熟的配套設(shè)備，鑒于炭基肥原料與有基肥成型設(shè)備通常參考有機(jī)肥成型設(shè)備改進(jìn)而成。常見炭基肥成型設(shè)制粒機(jī)、平模制粒機(jī)、環(huán)模制粒機(jī)、對輥制粒機(jī)（原魯明等 2015）。常見炭基肥成型設(shè)備研究近況進(jìn)行介紹。1）螺旋擠壓制粒機(jī)

1.進(jìn)料斗 2.壓輥 3.平模 4.出料口 5.變速箱 6.電動(dòng)機(jī) 7.物料 8.�？讏D 1-2 平模制粒機(jī)示意圖Fig. 1-2 The schematic diagram of flat die molding machine圖 1-2 為平模制粒機(jī)示意圖，平模制粒機(jī)是電機(jī)通過錐齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)的平模轉(zhuǎn)動(dòng)，壓輥受到主軸驅(qū)動(dòng)一邊公轉(zhuǎn)運(yùn)行，，一邊在物料的摩擦力驅(qū)轉(zhuǎn)，依靠壓輥與平模之間的擠壓力和摩擦力，將物料輸送到壓縮室內(nèi)，相互之間進(jìn)行摩擦擠壓，使物料擠出�？淄庵瞥深w粒。平模制粒技術(shù)成率高。然而產(chǎn)生的擠壓力和摩擦力會(huì)導(dǎo)致壓輥和平模雙重?fù)p耗，大幅降使用壽命。對此學(xué)者們從壓輥和平模兩方面對平模制粒機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。王述洋等（20輥的改進(jìn)，通過建立壓輥受力的數(shù)學(xué)模型，指出將直立壓輥改為錐形壓改善制粒機(jī)特性，減少平模磨損，極大地提高效益。鮑昀利等（2015）壓輥改為大、小兩對錐輥，借助傾斜安裝等措施降低模輥磨損提高了生產(chǎn)瑞等（2014）參照行星輪系運(yùn)行特點(diǎn)設(shè)計(jì)出一種行星輪式內(nèi)外錐輥平模成外錐輥的設(shè)計(jì)能夠改善壓輥磨損，提高工作穩(wěn)定性。雎利銘等（2012）
【學(xué)位授予單位】：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：S224.2

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本文編號：2605618