行星轮式内外锥辊固体燃料平模成型机研制与试验

中国热带农业区作物剩余物多为香蕉秸秆、椰壳以及甘蔗叶,目前以其为混合原料的固体成型设备研究较少,因此该文设计了一种行星轮式内外锥辊固体燃料平模成型机,描述了该机进料装置、辊压装置以及成型装置等主要部件结构,并对辊压装置进行了运动和受力分析,确定了其关键参数。研制样机并进行性能试验,试验结果表明:该机在电动机功率为45 k W、锥辊公转转速为190 r/min、锥辊自转转速为543 r/min、配套喂料输送装置功率为3 k W时,生产率为850 kg/h、颗粒燃料成型率为96.5%、质量密度为1.25 g/cm3、成型后含水率为2.82%、机械耐久性为96.74%,符合生物质颗粒燃料成型要求。整机工作过程中噪音低,经济效益与生态效益明显,为中国热带地区固体燃料成型机的发展与推广提供了参考。     

滚扎甩碎组合式香蕉茎秆纤维提取机设计与试验

香蕉茎秆中含有丰富的植物纤维,其机械提取具有效率高、污染少等优点,是一项具有发展潜力的香蕉茎秆机械化处理技术。目前,由于香蕉茎秆粗大、含水率高等问题,机械提取香蕉茎秆纤维成熟技术较少。针对上述问题,该文研制了滚扎甩碎组合式香蕉茎秆纤维提取机,该机主要由传动系统、Ⅰ级滚扎装置、Ⅱ级滚扎装置、甩碎装置、电机等部分构成。样机性能试验表明：该机香蕉茎秆纤维提取率为89.2.%,含杂率为8.6%,生产率为206 kg/h,能耗为20.2 kW·h/100 kg,符合设计要求。与半喂入式香蕉茎秆纤维提取机相比,该机的提取率提高了8.1%,含杂率降低了6.5%,生产率提高了71.7%,能耗降低了10.6%。该研究可为香蕉茎秆纤维提机设计提供参考,对促进中国热带农业区香蕉产业发展具有重要的意义。     

玉米秸秆颗粒燃料致密成型电耗测试

本文对玉米秸秆颗粒燃料冷态致密成型系统的不同工艺设备,在不同条件下的吨料电耗进行测试,找出了玉米秸秆不同因素对成型电耗的影响,从而找出了生物质成型时所用粉碎机的筛网孔径、原料含水率、颗粒密度等。     

水稻秸秆热压成型工艺参数试验研究

水稻秸秆冷压成型试验得到的成型燃料能耗较高且质量不佳,为提高水稻秸秆成型燃料质量,本次试验利用水稻秸秆成型设备,在不同成型压力、原料粒径、温度以及含水率等工艺参数条件下对水稻秸秆进行热压成型试验。通过分析成型燃料的物理性能,确定各工艺参数最佳选取范围为：粒径0~2mm、温度70~100℃、成型压力8.89～40MPa、含水率12%～25%。为进一步提高水稻秸秆原料成型燃料的质量,提出通过添加木质素含量较高的木屑原料即形成混合原料,并通过对比试验进行研究。结果表明,混合原料可以有效提高水稻秸秆成型燃料的综合质量。     

移动式全喂入香蕉茎秆纤维提取机的研制与试验

为了解决中国香蕉茎秆废弃物带来的环境污染、疾病传播、资源浪费以及火灾事故等问题,该文结合香蕉茎秆粗大、含水量高等特点,通过研究香蕉茎秆喂入、挤水、机械击打刮取等关键机构,设计出一台可移动式全喂入香蕉茎秆纤维提取机,整机主要由茎秆输送装置、喂入装置、滚扎装置、纤维刮取装置、出料装置等部分构成。样机性能试验表明:该机生产率为206.6 kg/h,香蕉茎秆纤维提取率为90.4%,香蕉茎秆纤维含杂率为16.2%,提取100 kg香蕉茎秆纤维能耗为22.3 k W·h,符合生产需求。该研究可为香蕉茎秆纤维提取机的设计提供技术参考,对促进中国热带农业区香蕉产业发展具有重要意义。     

银杏叶药渣用于制备颗粒燃料的工艺能耗试验

为降低银杏叶药渣制备颗粒燃料的能耗,对干燥、粉碎和制粒成型等主要加工环节的单位能耗进行了试验研究。首先,将银杏叶药渣在60～120℃的热风温度下分别恒温干燥至含水率20%,研究干燥温度对干燥能耗的影响;通过正交试验,研究含水率、筛网孔径和主轴转速对粉碎能耗的影响,分析在不同含水率和颗粒度条件下制粒成型的能耗情况。然后根据所制颗粒燃料的发热量与总的加工能耗的比值,确定银杏叶药渣颗粒燃料的最优加工工艺参数。试验结果显示干燥时,在110℃的干燥温度下,单位干燥能耗最低;粉碎时,在原料含水率为13%,筛网孔径4 mm,粉碎机主轴转速4 550 r/min的条件下,单位粉碎能耗最低;制粒成型时,原料的含水率为16%,颗粒度为4mm时的单位能耗最低。从单位发热量与总的加工能耗的比值来考虑,银杏叶药渣颗粒燃料的最优加工工艺参数为:干燥温度110℃,原料含水率16%,筛网孔径3 mm,粉碎机主轴转速4 550 r/min。在此工艺条件下,银杏叶药渣颗粒燃料总的加工能耗为4 478.3 kJ/kg,单位发热量为17 352.4 kJ/kg,满足国家关于生物质颗粒燃料的行业技术标准。     

滚割喂入式卧轴甩刀香蕉假茎粉碎还田机设计与试验

由于香蕉假茎粗大、含水率高,且富含纤维素与半纤维素,现有的粉碎还田机大多存在秸秆粉碎不彻底、刀具易磨损、机器作业效率低等问题。针对上述问题,该文设计了一种滚割喂入式卧轴甩刀香蕉假茎粉碎还田机,描述了该机推倒装置、滚割喂入装置、粉碎装置以及整平装置等主要部件的结构,并对粉碎刀进行了运动和受力分析,确定了其关键参数。田间试验表明:该机器在拖拉机前行速度为2.16~3.60 km/h、后动力输出轴转速为720 r/min时,工作效率为0.42~0.46 hm2/h、油耗量为21.4 L/hm2、香蕉假茎粉碎合格率为96.6%、香蕉假茎平均切碎长度为57 mm,均满足秸秆粉碎还田农艺要求。该研究为中国南方香蕉种植区秸秆粉碎还田机的发展与推广提供了参考。     

水葫芦颗粒燃料成型工艺优化

为了提高水葫芦颗粒燃料的成型品质,该文对水葫芦颗粒燃料的致密成型工艺进行了试验研究,分析了加工压力、温度、原料含水率和粉碎粒度与水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力的关系。单因素和多因素正交试验研究结果表明:影响水葫芦颗粒燃料的颗粒密度的主次工艺参数排序为:压力粒度温度含水率;工艺参数温度、压力和粒度的对水葫芦颗粒燃料的径向抗压力的影响差别不大,而原料含水率的影响最小。水葫芦颗粒燃料的最佳工艺参数条件为:压力6 k N、温度100℃、含水率12%、粒度0.58 mm,在此最佳工艺参数条件下,水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力可分别达到1 362.21 kg/m3和1.44 k N。研究结果为工业化生产高质量的水葫芦颗粒燃料提供理论依据。     

生物质固体成型燃料燃烧颗粒物的数量和质量分布特性

针对中国生物质固体成型燃料燃烧过程中排放的颗粒物粒径分布不清、燃烧功率和空气量对颗粒物分布影响不明等问题,该文在生物质燃烧试验平台上,采用低压电子冲击仪（electrical low pressure impactor）设备,对玉米秸秆、棉杆、木质等3种固体生物质成型燃料分别开展了燃烧颗粒排放研究,重点研究了3种生物质成型燃料在不同功率下和不同空气量下的颗粒物的数量和质量分布。试验结果表明,3种燃料的颗粒物的数量峰值主要集中在4~7四级,占颗粒物总数量的70%以上;颗粒物质量峰值在7级和12级,占颗粒物总质量的50%以上。随着功率增加,颗粒物排放量先减小后增大,大粒径颗粒物增多,在14kW时颗粒物排放最少。随着空气量的增加,分布趋势不变,颗粒物总量减少。该研究为中国生物质固体成型燃料的颗粒物排放法规的制定提供参考。     

生物质颗粒燃料成型的黏弹性本构模型

为研究生物质颗粒成型燃料压缩成型机理,该文用玉米秸秆、花生壳、小麦秸秆、大豆秸秆、棉花秸秆、木屑等6种生物质原料,采用生物质颗粒燃料成型机进行压缩成型,研究生物质颗粒燃料压缩成型过程,采用黏弹性理论,建立生物质颗粒成型燃料的本构模型,从力学角度提出生物质颗粒成型燃料的压缩成型机理,并研究对比不同种类生物质原料压缩的最大应力与能耗.结果表明,6种生物质原料中棉杆和木屑的最大应力较高,其余4种原料略低;木屑的压缩能耗最高,其次为棉秆、花生壳和豆秸,小麦秸秆和玉米秸秆较小.该研究结论为解决生物质颗粒成型燃料成型加工能耗高,关键部件受力磨损导致寿命低等问题提供一定参考.     

生物质固体成型燃料加工生产线及配套设备

针对目前中国生物质原料复杂多样,以及生物质固体成型燃料加工过程中存在系统配合协调能力差、原料适应能力差、生产率低等问题。该文采用模辊式成型原理,研发设计了有强制喂料系统的成型机以及配套设备,采用二次粉碎工艺以及连续喂料与调制喂料相结合的混配工艺,提出了能够适应多种生物质原料特性的固体成型燃料生产工艺路线,建立了生物质固体成型燃料生产线。试验检测结果表明,采用生物质固体成型燃料生产线的每小时生产率比单机状态下提高了17.3%,经济效益提高13.3%,成型率达到98%,堆积密度和颗粒密度也明显高于单机,达到了设计要求。实现了规模化、连续稳定生产,有利于中国生物质固体成型燃料产业化的发展。     

基于蜂窝结构的仿生立式环模生物质颗粒机设计与试验

针对传统生物质颗粒环模成型机生产成型效率低、环模失效严重等问题，基于仿生蜂窝状有序多模孔结构，该研究提出了一种立式环模生物质颗粒成型机仿生设计方法。对蜂窝单体几何模孔结构进行图像处理，对蜂窝相邻模孔边缘轮廓拐点坐标进行提取，并获取模孔网格坐标，构建环模-压辊-物料耦合作用受力模型，以物料摄取量、挤压力为设计目标，对颗粒成型机仿生环模、模孔、压辊等参数进行设计。样机通过三压辊与仿生环模孔之间摩擦作用，实现对成型区域内物料的挤压成型，从而形成致密的生物质颗粒。温室条件下以颗粒度为2～4 mm的玉米秸秆为物料，物料含水率为12%、压辊主轴转速为100 r/min，结果表明：在相同转速下，优化后的仿生立式环模生物质颗粒成型机较传统环模成型机吨料能耗降低10.08%，生产的成型颗粒密度大于等于1.32 g/cm³，抗跌碎性指数为99.4%，样机能耗为40.46 kW·h/t，该研究各项指标均达到了相关标准的要求且高于传统生物质颗粒机。     

喂入式立轴甩刀香蕉秸秆粉碎还田机设计与试验

由于香蕉秸秆粗大、含水率高,现有的粉碎还田机大多操作繁琐、作业不稳定。针对上述问题,研制了一种喂入式立轴甩刀香蕉秸秆粉碎还田机,描述了该机的总体设计方案及主要部件的结构,分析了各部件之间的相互关系,确定了其关键参数的最优值。试验结果表明:该机在前进速度为2.16~3.60 km/h、压辊进料转速为127.39 r/min、立轴甩刀旋转速度为1 080 r/min时,秸秆粉碎质量合格率达94.9%、田间覆盖率达88.61%、茎杆留茬高度为30~35 mm,一次作业可将秸秆粉碎成丝状残渣,且残渣抛洒还田均匀。试验结果对解决因秸秆难处理而制约农村合作社小规模种植的难题具有重要意义。     

环模秸秆成型机压辊半径的优选与试验

生物质致密成型技术是生物质能转换的方式之一,秸秆成型机是生物质秸秆致密成型的主要机械。目前,环模秸秆成型机的机械效率较低,在研究环模秸秆成型机机械效率的过程中发现草料一次压进距离与压辊驱动力转矩比值与成型机的机械效率成正比关系。该文通过matlab软件计算出在不同压辊半径与环模半径比值时环模秸秆成型机的草料一次压进距离与压辊驱动力转矩比值,并绘制了其变化曲线,得出在压辊半径与环模半径的最优比为0.4时,成型机的机械效率达到最高,为85.82%。验证了在压辊半径与环模半径的最优比为0.4时,生产率达到最高值为2.28t/h。研究结果可为秸秆成型机压辊半径的优化选取提供理论依据。     

立式双层孔环模生物质压块机设计与试验

针对目前环模压块机存在生产率低、能耗高等问题,该文采用立式环模原理和双层孔环模结构,创新设计了双层孔模块及对应的压辊,双层环模模块两边线夹角8°,模孔偏心角4.3°,双模孔中心线夹角10°。样机完成后进行了生产性试验,结果表明:压块机生产率为2.39 t/h,吨料能耗55.86 k W·h/t,成型率为96%以上,成型密度为1.1 g/cm3以上,各项指标均达到设计及标准要求;对比于单层环模的立式环模生物质成型机生产参数,该创新设计的设备性能有所提高;设备自身下层环模与上层环模相比,成型率、生产率均有提高,差异不大。该立式双层环模压块机提高了生产率和产品质量,为中国生物质成型燃料产业化的发展提供装备保障。     

海南热区香蕉地预破土凿式深松机设计与试验

针对海南热带农业区香蕉地现有深松机具匮乏、松土质量差等问题，该研究研制了一款预破土凿式深松机，首先确定整机深松方式，并采用三维建模方法建立深松机整体模型；进一步确定了深松机的整体结构与工作原理，并设计阐述了深松机的关键结构参数。基于田间试验，对深松作业后的土壤坚实度及土壤容重进行测定，确定了前进速度、深松深度、破土刃入土深度为对土壤坚实度及土壤容重有显著影响效果的因素。进一步以土壤坚实度及土壤容重为响应值，基于Box-Behnken设计试验得到响应值与显著性参数的二阶回归模型，并针对显著性参数进行寻优，得到最佳组合：前进速度为1.15 m/s、深松深度为350 mm、破土刃入土深度为250 mm。在标定的最优参数下进行的田间验证试验结果表明，土壤坚实度为752 Pa，土壤容重为1.48 g/cm3，与预测值（734 Pa，1.42 g/cm3）之间的误差分别为2.4%、4.2%，验证了分析的可信性。最后通过与现有传统深松机具开展的对比试验得出：相较于传统深松机具，预破土凿式深松机作业后，土壤坚实度下降6.39%，土壤容重下降9.76%，进一步证明本次试验研制样机适用于海南热区香蕉地深松作业，该机器的设计可为海南热带地区香蕉地深松技术的推广与应用提供参考。