本文關(guān)鍵詞：藤莖類(lèi)秸稈切割機(jī)理與性能試驗(yàn)研究

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【摘要】：中國(guó)地大物博,是歷史悠久的農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)作物種類(lèi)豐富、分布廣泛、產(chǎn)量巨大,因此也是農(nóng)作物秸稈資源最為充裕的國(guó)家之一。番茄藤等藤莖類(lèi)秸稈與殘茬,數(shù)量巨大,作為重要的生物資源開(kāi)發(fā)利用日益受到重視。這類(lèi)秸稈由于難于粉碎、分解吸收處理,隨意廢棄致使病蟲(chóng)害嚴(yán)重發(fā)生,而普遍焚燒處理又嚴(yán)重威脅交通安全、污染社會(huì)環(huán)境。針對(duì)量大面廣的藤莖類(lèi)秸稈焚燒處理普遍、切割粉碎困難等問(wèn)題,以及秸稈切割機(jī)理深入系統(tǒng)研究缺乏、切割功耗高、效率低等不足,選擇番茄藤和茄子藤秸稈為研究對(duì)象,結(jié)合秸稈切割小型化和便捷性的要求,從藤莖類(lèi)秸稈微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性入手,研究藤莖類(lèi)秸稈的切割機(jī)理,為設(shè)計(jì)、改進(jìn)加工設(shè)備和加工工藝提供理論依據(jù);從切割形式和刀片的結(jié)構(gòu)工作參數(shù)入手,研究切割形式、刀片結(jié)構(gòu)工作參數(shù)對(duì)秸稈切割性能影響規(guī)律,優(yōu)化秸稈切割工藝參數(shù),解決秸稈切割效率低、功耗高難題,降低秸稈切割成本,促進(jìn)秸稈資源化利用和推廣。具體工作如下:(1)首先通過(guò)藤莖類(lèi)秸稈微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定試驗(yàn),分析藤莖類(lèi)秸稈微觀組織結(jié)構(gòu)對(duì)秸稈切割性能的影響;對(duì)番茄藤和茄子藤秸稈進(jìn)行拉伸和剪切試驗(yàn),并以秸稈的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、剪切強(qiáng)度和剪切模量為指標(biāo),發(fā)現(xiàn)藤莖類(lèi)秸稈與一般農(nóng)作物秸稈在力學(xué)特性上存在差異,為開(kāi)發(fā)藤莖類(lèi)秸稈專(zhuān)用高效切割機(jī)械提供理論依據(jù)。(2)根據(jù)傳統(tǒng)切割理論和對(duì)秸稈力學(xué)特性的研究,設(shè)計(jì)了等滑切角鋸齒型刀片,并建立了秸稈切割的力學(xué)模型,分析了切割力與刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系;通過(guò)切割力單因素試驗(yàn)研究,分析了秸稈橫截面積、刀片型式、切割速度對(duì)切割力的影響,并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,二者的趨勢(shì)和數(shù)值大體一致;通過(guò)切割力正交試驗(yàn)研究,分析了三個(gè)因素對(duì)切割力影響的顯著程度依次是:刀片型式、切割方式、切割速度。在滿(mǎn)足切割要求的前提下,最后確定的最優(yōu)切割方案為:選擇滑切、鋸齒型刀片。(3)運(yùn)用有限元軟件分析了秸稈橫截面積和刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)等滑切角鋸齒型刀片應(yīng)力場(chǎng)和變形的影響:切割力隨著秸稈橫截面積的增加,刀片楔角的增加而逐漸增大,隨著刀片后角的增加呈下降的趨勢(shì)。通過(guò)有限元分析方法對(duì)普通刀片和專(zhuān)用切割刀片的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn):普通刀片在相同的切割力作用下受到的應(yīng)力和變形都比較集中,不利于切割,刀片在切割過(guò)程中很容易被破壞和磨損;專(zhuān)用切割刀片的受力比較均勻,分散了刀片的應(yīng)力集中,將刀片的變形位置轉(zhuǎn)移,從而不會(huì)影響切割的質(zhì)量。對(duì)專(zhuān)用切割刀片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行局部靈敏度和全局靈敏度分析,選擇刀片的厚度、螺栓孔上直徑、螺栓孔下直徑和兩個(gè)螺栓孔中心距四個(gè)參數(shù)對(duì)刀片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),得到最佳的一組設(shè)計(jì)參數(shù),使刀片在滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的條件下質(zhì)量有所減少,尺寸的確定更加合理,切實(shí)提高優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。(4)運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬軟件對(duì)切割過(guò)程中的切割應(yīng)力和秸稈的能量變化等進(jìn)行模擬分析。結(jié)果表明:隨著切割速度的增大,相應(yīng)的切割應(yīng)力有一定的加大。從計(jì)算結(jié)果可以看出,理論計(jì)算的切割應(yīng)力與模擬分析、切割試驗(yàn)得到的切割應(yīng)力在數(shù)值上比較接近,從而證明了前面所推導(dǎo)的刀片切割力計(jì)算方法的正確性。運(yùn)用離散元分析軟件EDEM對(duì)藤莖類(lèi)秸稈在秸稈粉碎機(jī)中的切割過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果表明:滑切角為40°的等滑切角鋸齒型刀片在切割過(guò)程中受到的合力較小,受力比較均勻,波動(dòng)較小,切割效果明顯好于其余三種刀片,因而是藤莖類(lèi)秸稈切割的最佳刀片選擇;隨著轉(zhuǎn)速的增加,秸稈切割消耗的能量和切割力都相應(yīng)增加,但切割效果更好。對(duì)于藤莖類(lèi)秸稈,經(jīng)過(guò)模擬分析和試驗(yàn)研究等綜合考慮,選擇刀片的轉(zhuǎn)速為4000r/min。(5)通過(guò)對(duì)成熟期番茄藤和茄子藤在不同水分下的切割試驗(yàn),結(jié)果表明:40°等滑切角鋸齒型刀片切割番茄藤和茄子藤消耗的切割功耗少、切割效率高、切割效果好。材料為Cr12Mo V的等滑切角鋸齒型刀片切割效果較好;通過(guò)對(duì)秸稈含水率、單次加料量和刀片類(lèi)型為主要影響因素進(jìn)行正交試驗(yàn),通過(guò)直觀分析法和方差分析法分析,均得到:三個(gè)因素對(duì)切割功耗和切割時(shí)間影響的顯著順序依次為:刀片類(lèi)型、含水率、單次加料量。最優(yōu)方案應(yīng)選擇秸稈含水率為20%左右,單次加料量為6kg,刀片類(lèi)型為40°等滑切角鋸齒型刀片。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：S226

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