本文關鍵詞：番茄秸稈混料立式螺旋帶式混合方法及性能試驗研究

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【摘要】：隨著我國設施園藝快速發(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;其需要解決的關鍵問題之一,是如何實現(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象,針對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備提供理論依據(jù)。主要研究內(nèi)容與結論如下:(1)立式螺旋帶式混合方法及其理論研究針對番茄秸稈碎料與發(fā)酵菌種的混合問題,依據(jù)現(xiàn)有的固體混合設備選擇決策邏輯,提出立式螺旋帶式混合方法,開展了相關理論分析與研究:首先設計了立式螺旋帶式混合設備結構模型,其由物料桶與一個垂直的內(nèi)外雙螺旋帶攪拌葉片組成;其后對立式螺旋帶式混合設備的混合過程及機理定性分析發(fā)現(xiàn),物料桶內(nèi)整體區(qū)域的混合物料是以對流混合為主,伴隨著剪切混合與擴散混合的復雜過程,有大量湍流現(xiàn)象的產(chǎn)生;然后對混合物料進行動力學分析,研究其主要性能及影響因素發(fā)現(xiàn),攪拌葉片的半徑、螺距和旋轉速度都對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算,分析發(fā)現(xiàn),填料高度、攪拌葉片的寬度和旋轉速度都對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其功率有二次線性遞增的影響。(2)番茄秸稈碎料的特性測定與試驗分析以成熟時期番茄秸稈為測定對象,通過3FC-500型秸稈切割粉碎機切割獲得秸稈碎料,觀察其幾何形狀特征,可將其簡化為長度均值為6.93mm、直徑均值為2.09mm的圓柱形;分別采用TA.XTPLUS物性測試儀拉伸模塊,剪切模塊和摩擦力模塊套件,測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摩擦系數(shù)為0.84;采用MJ33水分測試儀測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,測得堆積密度188.02kg.m-3和孔隙率58.56%,計算其真密度為453.72kg.m-3;采用高速攝像技術,測得番茄秸稈碎料之間,番茄秸稈與鋼材之間的恢復系數(shù)分別為0.2029,0.1935。以上這些秸稈碎料的特性為進一步開展立式螺旋帶式混合離散元仿真研究提供了基礎與依據(jù)。(3)立式螺旋帶式混合離散元仿真與試驗研究建立離散元模型,通過對離散元參數(shù)標定,采用正交試驗的方法,對模擬仿真與實際試驗的堆積角進行對比,確定適合于番茄秸稈碎料仿真試驗組合: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研究:(1)通過對單個物料顆粒的運動過程仿真研究發(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)通過對徑向中心區(qū)域多個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):受擴散混合影響,多個物料顆粒的軸向下降平均速度要比單個顆粒慢得多;不同旋轉速度情況下,軸向平均位移從大到小順序為30r/min、60r/min、90r/min,不同螺距情況下,軸向平均位移從大到小順序為275mm、150mm、400mm,不同填料高度情況下,軸向平均位移從大到小順序為400mm、360mm、440mm;(3)通過對徑向外邊緣區(qū)域多個物料顆粒在對不同因素下的軸向平均位移仿真研究發(fā)現(xiàn):多個物料顆粒的軸向上升平均位移,受擴散混合影響較小;不同旋轉速度情況下,軸向平均位移從大到小順序為90r/min、60r/min、30r/min,不同螺距情況下,軸向平均位移從大到小順序為150mm、275mm、400mm,不同填料高度情況下,軸向平均位移的從大到小順序為400mm、360mm、440mm;(4)采用單因素試驗法,對待發(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動仿真,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,隨著攪拌葉片旋轉速度的增加,混合均勻度同樣得到提高,功耗呈大幅度提高的趨勢,隨著填料高度的增加,攪拌均勻度呈降低趨勢,功耗呈增加趨勢。(4)樣機試制與試驗研究設計并搭建了一種立式螺旋帶式混合試驗裝置,具有根據(jù)試驗要求精確控制攪拌葉片的旋轉速度,取料加料,攪拌葉片的快速更換,以及轉矩的實時采集等功能。采用該試驗裝置分別開展了以攪拌葉片螺距,旋轉速度和填料高度為單因素的試驗,以及以攪拌葉片螺距,旋轉速度和填料高度為多因素的回歸正交試驗,研究結果表明: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,隨著攪拌葉片旋轉速度的增加,混合均勻度同樣得到提高,功耗呈大幅度提高的趨勢,隨著填料高度的增加,攪拌均勻度呈降低趨勢,功耗呈增加趨勢;混合均勻度與攪拌葉片螺距,填料高度和旋轉速度存在一次線性關系,影響的主次順序依次為螺距、轉速、填料高度。構建了混合均勻度與結構和工作參數(shù)的數(shù)學模型,通過MathCAD軟件的求解與優(yōu)化,得到當填料高度440mm、轉速30r/min、螺距400mm時,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理。
【關鍵詞】：秸稈基質(zhì)化 造肥處理 混合 螺旋攪拌 均勻度 功耗
【學位授予單位】：江蘇大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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)工程領域的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20
• 1.5 主要研究內(nèi)容20-23
• 第二章 立式螺旋帶式混合方法及動力學分析23-30
• 2.1 混合方式的選擇23-24
• 2.2 立式螺旋帶式混合設備結構模型及工作原理24-25
• 2.3 混合物料的動力學分析25-28
• 2.3.1 混合物料的力學分析25-27
• 2.3.2 混合物料的運動分析27-28
• 2.4 立式螺旋帶式混合設備主要性能及其影響因素分析28-29
• 2.5 本章小結29-30
• 第三章 混合物料特性與測定試驗30-40
• 3.1 番茄秸稈碎料的尺寸與測定試驗30-32
• 3.1.1 測量原理與方法31
• 3.1.2 測量結果與分析31-32
• 3.2 含水率與測定試驗32-33
• 3.2.1 測量原理與方法32
• 3.2.2 測量結果與分析32-33
• 3.3 真密度與測定試驗33-34
• 3.3.1 測量原理與方法33
• 3.3.2 測量結果與分析33-34
• 3.4 彈性模量與測定試驗34-36
• 3.4.1 測量原理與方法34-35
• 3.4.2 測量結果與分析35-36
• 3.5 摩擦系數(shù)與測定試驗36-37
• 3.5.1 測量原理與方法36-37
• 3.5.2 測量結果與分析37
• 3.6 恢復系數(shù)與測定試驗37-39
• 3.6.1 測量原理和方法38-39
• 3.6.2 測量結果和分析39
• 3.7 本章小結39-40
• 第四章 番茄秸稈碎料的離散元仿真建模與參數(shù)標定試驗40-47
• 4.1 離散元法簡介40-41
• 4.2 EDEM軟件簡介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 混合結構幾何模型43
• 4.3.4 時間步長43-45
• 4.3.5 混合顆粒工廠45
• 4.4 參數(shù)標定試驗45-46
• 4.4.1 試驗內(nèi)容與方案45
• 4.4.2 試驗結果與分析45-46
• 4.5 本章小結46-47
• 第五章 立式螺旋帶式混合運動與性能仿真研究47-61
• 5.1 仿真試驗內(nèi)容與方案47-49
• 5.1.1 仿真均勻度的統(tǒng)計方法47-48
• 5.1.2 仿真功耗的統(tǒng)計方法48
• 5.1.3 單因素試驗安排48-49
• 5.2 仿真試驗結果與分析49-59
• 5.2.1 立式螺旋帶式混合物料的運動仿真分析49-51
• 5.2.2 不同因素對物料顆粒流場的影響51-53
• 5.2.3 不同因素對物料接觸數(shù)目的影響53-54
• 5.2.4 不同因素對徑向中心區(qū)域物料運動的影響54-56
• 5.2.5 不同因素對徑向外部區(qū)域物料運動的影響56-58
• 5.2.6 不同因素對混合均勻度的影響58
• 5.2.7 不同因素對混合功耗的影響58-59
• 5.3 本章小結59-61
• 第六章 立式螺旋帶式混合性能試驗研究61-69
• 6.1 立式螺旋帶式混合試驗裝置搭建61-63
• 6.1.1 整體結構設計61
• 6.1.2 動力裝置61-62
• 6.1.3 升降裝置62
• 6.1.4 傳動方式62
• 6.1.5 測控系統(tǒng)62-63
• 6.2 試驗內(nèi)容與方案63-64
• 6.2.1 物料混合均勻度的統(tǒng)計方法63
• 6.2.2 單因素試驗安排63-64
• 6.2.3 回歸正交試驗安排64
• 6.3 試驗結果與分析64-68
• 6.3.1 不同因素對混合均勻度的影響65-66
• 6.3.2 不同因素對混合功耗的影響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68-69
• 第七章 工作總結及展望69-72
• 7.1 工作總結69-71
• 7.2 展望71-72
• 參考文獻72-76
• 致謝76-77
• 碩士期間參與科研工作及成果77

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本文編號：594600