秸秆-薯渣混合物料应力松弛分数阶模型的建立及参数分析

为更加精确地解析农业松散物料压缩时表现出的应力松弛行为及松弛后的成型效果,简化应力松弛模型并获得更加直观的应力松弛特征参数,该研究将Riemann-Liouville分数阶微积分理论引入农业松散物料流变学特性研究中,以农业生产后残留的玉米秸秆与马铃薯废渣为研究对象,推导建立了用于描述秸秆-薯渣混合物料应力松弛特征的分数阶模型,并以松弛比与松弛时间比率为试验指标,完成了混合物料在不同压缩密度下的应力松弛试验,利用所建立分数阶模型对应力松弛试验曲线进行了拟合回归分析,并与广义Maxwell模型的拟合结果进行了对比与参数相关分析。结果表明:1)分数阶模型可准确描述秸秆与薯渣混合物料的应力松弛过程,其对松弛曲线的拟合精度高于五元件广义Maxwell模型,决定系数R~2介于0.996 4～0.999 5之间。2)分数阶模型仅有两个模型参数,分数阶阶数β与粘弹性系数K,其中β与应力松弛后残留弹性的占比、松弛比均极显著负相关,可直接用于表征物料松弛后的永久变形程度,预测其成型效果;K与弹性模量及粘性系数、松弛时间比率均极显著正相关,可用于表征混合物料的粘弹性特征及其应力松弛快慢程度。该研究成果推动了分数阶微积分理论在农业松散物料流变学特性研究领域的应用,通过分数阶模型建立了秸秆-薯渣混合物料的应力松弛特性与成型效果的联系,可为进一步改进农业松散物料成型方法、获取最佳成型条件提供依据。     

碎玉米秸秆卷压过程的流变行为试验

为青贮圆捆打捆机的设计和工艺提供基础的力学数据,需要探明碎玉米秸秆卷压过程的流变规律,在分析卷压成型原理的基础上,搭建了碎玉米秸秆卷压试验台,对碎玉米秸秆进行了卷压试验和应力松弛试验。研究了卷压过程中碎玉米秸秆的流变学特征,采用线性黏弹性理论,构建了伯格斯模型,用残数法对应力松弛曲线进行拟合,获得了应力松弛模型及其参数,计算其决定系数。利用相关公式求解,进一步得到伯格斯模型中的黏弹性参数E1=18.33kPa、k1=994.81kPa、E2=27.64kPa、k2=2342.49kPa。由于黏性系数远大于弹性模量,可以初步判断碎玉米秸秆卷压过程的流变行为偏向于流体,这对于深入研究碎玉米秸秆的卷压工艺,实现工艺和装备的优化设计,具有积极作用。     

饲料用秸秆丝化多频快速压缩成型工艺参数优化

为了进一步探明丝化后干玉米秸秆压缩成型的最佳工艺参数,利用WDW-200微机控制电子式万能试验机,以秸秆含水率、最大压缩力(能够压缩成型的最小压缩力)、压缩次数和压缩速度为影响因子,对饲料用玉米秸秆丝化后压缩成型块的松弛比进行了二次回归旋转组合试验研究。建立并分析了4个影响因子对玉米秸秆丝化压缩成型松弛比的回归模型,并进行了验证试验。结果表明:丝化后玉米秸秆压缩成型最佳工艺条件为:含水率为7.8%~18.3%,能够成型的最小压缩力为6.22 MPa,压缩次数为2~6次,压缩速度为128~337 mm/min。在此工艺条件下,干玉米秸秆丝化压缩成型的松弛比在1.2和1.5之间,均能满足实际生产中较低能耗与生产质量的要求。该试验对压缩工艺的优化、压缩设备的研制和了解压缩成型后产品的特性具有参考意义。     

基于响应面法的玉米秸秆成型工艺优化

为了研究玉米秸秆成型过程中各参数之间的交互作用,获得最佳的工艺参数,该文采用5因素的响应面试验设计研究了原料水分(8%~24%)、温度(50~150℃)、压缩速度(10~50 mm/min)、压力(51.0~127.4 MPa)、保压时间(10~50 s)5个成型参数对玉米秸秆成型颗粒的松弛密度、Meyer强度以及压缩比能耗3个成型技术指标的影响,建立了响应面模型,结合成型燃料标准,获得了最佳的工艺参数,并对优化后的试验参数进行了试验验证。试验结果表明:在选取试验参数范围内,温度、原料水分、压力均会对技术指标产生较大影响;而压缩速度和保压时间所产生的影响相对较小。最优化的工艺参数(压力、温度、水分)为:4 k N(51.0 MPa)、110.8℃、17%,在该参数组合下的验证试验结果为:松弛密度为1031 kg/m~3,Meyer强度为27.1 N/m~2,比能耗为10.03 k J/kg。该研究可为秸秆生物质成型燃料制备产业提供参考。     

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.     

紫花苜蓿圆捆机卷压过程的应力松弛特性与模型建立

牧草属于粘弹性物料,研究其应力松弛特性对降低圆捆机功耗、提高草捆质量具有重要意义。该文通过搭建圆捆机试验平台,结合各钢辊对草捆径向作用力分析,进行了紫花苜蓿应力松弛试验。采用无线电阻应变仪与ANSYS模拟相结合的方法,获取了卷压过程中捆室上半部分钢辊对草捆的径向作用力。在对应力松弛试验曲线和模型原理分析的基础上,确定了牧草应力松弛行为可采用2个Maxwell元件和1个弹簧元件并联组成的广义麦克斯韦尔模型模拟。利用残数法求得模型中应力松弛时间和平衡应力流变参数,分别为76.92、23.25 s和3.65 k Pa。该研究可为进一步探索喂入量、压缩频率、含水率与物料流变特性等参数间的关系,为节能圆捆机的设计提供理论依据及技术支持。     

基于松弛试验的光皮树果实冷态压榨流变模型

该文以研究光皮树果实冷榨制油过程中的流变特性为目标,利用自制直筒式压榨试验装置进行不同压榨应变水平的应力松弛试验,基于岩石流变基本模型分段模拟应力应变关系,建立其流变模型并进行验证。结果表明:光皮树果实加载过程中应力应变关系呈现线性和非线性两部分,屈服应变为0.4,应力松弛量随着压榨应变的增大而增大。采用分段模拟建模分析,并确定相应的模型参数。首先利用弹性元件和阻尼器模组合而成的广义Maxwell模型模拟线性段松弛过程,再利用线性与川北公夫模型叠加共同模拟非线性段松弛过程,构建了直筒式冷态压榨的流变模型,并进行了参数求解。误差分析表明:应变为0.5时,相对误差较大;而实际压榨过程中光皮树果实压榨应变均大于0.55,在此段应变范围内的模型平均相对误差均在7%之内,因此该模型为研究光皮树果实直筒式冷态压榨设备时应力应变参数的选取提供基础数据。     

秸秆类生物质成型热黏塑性本构模型构建

针对生物质颗粒生产能耗高、效率低的现状,该文从生物质组成角度,特别是木质素特性出发探讨其成型机理。秸秆成型过程由于内摩擦力的作用产生大量热量,温度的上升会造成木质素的软化,木质素的这一变化为纤维颗粒的团聚提供了黏结力。温度和木质素特性对生物质塑性成型性能产生巨大影响,是热黏塑变形过程。为研究生物质内部特性对塑性成型过程的影响,运用内时理论,以玉米秸秆、小麦秸秆和水稻秸秆为研究对象,构建了秸秆类生物质压缩成型内时本构方程。借助黏土流动理论,推导定义生物质黏塑性强化函数和核函数,运用数值分析和试验得出本构方程的系数。与试验数据相比较,基于内时理论的热黏塑性本构模型较好的模拟了生物质塑性流变过程。结果显示,向秸秆中添加20%的木质素,可有效提高其塑性流动性能,降低其在相同应变下的应力以及生产能耗;当成型温度在100~115℃之间,应变率在1×102~1×103 s-1之间,对于木质素质量分数分别为29%的玉米秸秆、33.5%的小麦秸秆和34.3%的水稻秸秆的固化成型性能最好。     

小麦和玉米秸秆热解反应与热解动力学分析

为了对生物质快速热解液化设备进行分析和计算，该文用热重、差热分析仪分别对小麦和玉米秸秆在不同升温速率下进行了热分析研究。结果表明：小麦和玉米秸秆的热解特性基本一致，热解过程可以用同一种模型描述；随升温速率的提高，热解最高速率时的温度和热解最高速率明显提高。分析了小麦和玉米秸秆热解反应过程，提出了平行一阶反应动力学模型并计算出模型中各参数，将该模型的计算结果、现有一阶反应模型的计算结果分别和试验数据进行了对比，结果表明，平行一阶反应模型的准确程度比现有一阶反应模型有很大的提高。     

农业有机废弃物压制绿化基质砖成型机理与试验

为了解决农业有机废弃物污染,促进其综合开发和高值化利用,以发酵腐熟后的水稻秸秆和牲畜粪便为主要原料,利用特制的压缩成型模具和试验机,以基质原料含水率、压缩应力、压缩时间、牛粪质量分数为试验因素,对绿化基质砖压缩成型机理和工艺参数进行了试验研究。通过有限元分析、孔隙通道模型构建等方法,分析了压缩成型过程中力的变化、位移变化和微观结构变化;在单因素试验基础上,利用响应面分析了不同成型条件对绿化基质砖成型质量的影响,获得绿化基质砖成型最优工艺参数：基质原料含水率75.7%,压缩应力0.29 MPa,压缩时间2.5 min,且牛粪质量分数为30%时能够充分获得营养,绿化基质砖成型效果好。该研究为绿化基质砖的生产和农业有机废弃物综合利用及城市绿化产品升级提供了依据。     

完整稻秆卷压过程应力松弛试验

为深入研究完整稻秆在卷捆压缩过程中的流变特性,该文利用自制的钢辊式圆捆机卷压试验台进行了完整稻秆卷压过程应力松弛试验研究。选择稻秆含水率、草捆干物质质量、卷捆钢辊转速、稻秆喂入速度为试验因素,并以应力松弛时间和平衡弹性模量作为应力松弛特性评价指标,进行4因素5水平正交旋转组合试验。结果表明:完整稻秆卷压过程应力松弛模型可用1个Maxwell单元和1个弹簧并联组成的三元件方程表示;各因素对应力松弛时间贡献率排序依次为稻秆含水率、草捆干物质质量、稻秆喂入速度、卷捆钢辊转速;对平衡弹性模量贡献率排序依次为草捆干物质质量、稻秆含水率、稻秆喂入速度、卷捆钢辊转速;当稻秆含水率为65%、草捆干物质质量为17 kg、卷捆钢辊转速为257 r/min、稻秆喂入速度为1.6 kg/s时,应力松弛时间和平衡弹性模量可分别达最佳值17.08 s和4.01 k Pa。试验结果可为圆型打捆机对完整稻秆的卷压工艺优化及其压缩机理分析提供必要的理论与技术支持。     

牧草在高密度压捆时的应力松弛研究

牧草的应力松弛特性对牧草的压缩工艺、压缩设备以及压缩后牧草产品的质量等均有很大影响。利用高密度捆草机对其进行试验研究，后根据积分理论并借助计算机对试验结果进行分析计算，获得了有关流变参数和本构方程，这对牧草压缩理论的发展及压缩设备的开发以及提高压缩后牧草产品的质量等均有重要的指导作用。     

籽棉压缩与应力松弛力学特性及模型构建

为深入研究籽棉压缩及应力松弛过程的力学特性并构建其本构模型,该研究以籽棉为研究对象开展试验,分别利用改进西原模型和五元件广义Maxwell模型对压缩和应力松弛的应力应变曲线进行描述。通过定义的本构模型对不同含水率及喂入量的籽棉力学特性试验数据结果进行参数辨识,得到相关模型参数,并探究不同因素对压缩及松弛过程应力的影响规律。研究结果表明:曲线拟合法求解籽棉压缩及应力松弛过程本构模型参数的决定系数均大于0.9,改进西原模型、五元件广义Maxwell模型可以较好地描述籽棉压缩力学特性和应力松弛特性。对籽棉压缩及应力松弛力学特性解析显示,模型参数表现出明显的应力规律:通过Duncan均值比较结果可知:籽棉压缩本构模型参数中不同含水率组间弹性模量差异均显著(P0.05),不同喂入量组间串联虎克体弹性模量差异显著(P0.05),压缩应力值与含水率、喂入量呈正相关关系;籽棉应力松弛模型参数中不同含水率及喂入量组间弹性模量及粘性模量差异均显著(P0.05),弹性模量、粘性模量与含水率及喂入量均呈正相关关系。籽棉压缩与应力松弛力学特性的研究可为籽棉压缩过程机理研究、模拟仿真提供理论依据,缩短机具研发过程。     

玉米秸秆粉料单模孔致密成型过程离散元模拟

为模拟粉碎后的玉米秸秆在单向受压状态下的力学行为,参照实际单模孔致密成型实验,建立了基于软球模型的秸秆粉料颗粒体系三维离散元模型,其约束边界条件与成型实验几何边界形态及尺寸一致。进行模拟分析时,颗粒接触模型的力学特性参数,如颗粒间法向刚度系数kn,切向刚度系数ks及摩擦系数μ,利用离散元模拟程序调试得出参数取值范围。将模拟得到的结果与实验测试数据进行比对与假设检验验证,结果显示数据一致性较好。得出离散元模拟时颗粒间力学特性参数最佳取值范围,分别为法向刚度系数(1.2~1.8)×104 N/m,切向刚度系数(0.8~1.3)×104 N/m,摩擦系数0.10~0.12。通过分析不同压缩位移、不同孔径以及不同锥角下的压缩与应力松弛曲线,建议成型模具孔径Φd=8 mm,锥角θ=45°,且应尽量增大压缩位移以防止秸秆成型块发生松散。离散单元法为研究玉米秸秆粉料致密过程力学行为提供了一种有效的分析手段。     

保压/保型抑制压后切碎玉米秸秆块回弹机理

为揭示保压和保型抑制压后秸秆块回弹机理,优化压缩工艺,提高压后秸秆块的尺寸稳定性,该研究以切碎玉米秸秆为材料,进行了不同压缩条件下保压和保型特性试验及不同压缩工艺下秸秆块尺寸稳定性试验。结果表明,保压和保型150 s可使秸秆块的尺寸稳定系数分别增大1.52～4.26和4.36～6.78个百分点,两者均能抑制压后秸秆块回弹,但机理不同,保压抑制回弹机理为:从增大压缩位移和减小回弹位移2个方面减小相对回弹位移,从而增大秸秆块的尺寸稳定系数,其本质为增大压后秸秆块中的黏性应变;保型抑制回弹机理为:减小秸秆块中的残余应力,保型150 s可使秸秆块的残余应力减小约40%,从而减小压后秸秆块回弹,增大秸秆块的尺寸稳定系数,其本质为减小秸秆块中残余黏弹力。不同压缩条件下保压和保型稳定效果对比分析的结果表明,在同一压缩条件下,保型的稳定效果总是优于保压。该研究结果可为切碎玉米秸秆压捆和冷压成型工艺及装置研发提供依据,也可为其他生物质及小粒径秸秆压制成型提供参考。     

加压氨解预处理玉米秸秆糖化工艺研究

以玉米秸秆糖化为目的,研究加压氨解预处理对玉米秸秆还原糖产量和脱除木质素的影响,以确定其最佳工艺条件。结果表明:影响加压氨解预处理的主要因素是氨水浓度和粒径,其最优条件为氨水浓度15%,时间6min,压力0.075MPa,基质浓度150g/L,粒径1mm,可以获得1.74%的还原糖得率和43.30%的木质素去除率。     

玉米秸秆揉丝破碎过程力学特性仿真与试验

由于玉米秸秆揉丝破碎过程缺乏有效数值模拟方法,在一定程度上降低了加工设备结构改进效率。该文基于离散元法(discrete element method,DEM)建立了玉米秸秆离散元模型,并通过物理试验和虚拟试验相结合对玉米秸秆粘结接触模型(bonded particle model,BPM)进行了参数校核。最后针对玉米秸秆离散元模型进行了破碎仿真以及试验验证。结果表明:以5 mm/min为加载速度进行秸秆压缩和剪切试验时,最大临界载荷分别为2 260和110 N;对BPM粘结模型进行参数校核后,得到法向刚度系数、切向刚度系数、临界法向应力、临界切向应力及粘结半径分别为9.60×10~6 N/m、6.80×10~6 N/m、8.72 MPa、7.5 MPa、2 mm,此时离散元模型力学特性与含水率为87.8%的收获期玉米秸秆相接近;仿真结束后,物料可分为短型、标准型、长型及未完全破碎型4种,与试验结果相一致,不同类型物料质量与试验结果数据偏差保持在10%以内。研究结果表明离散元法应用于玉米秸秆揉丝破碎过程仿真是可行的。     

压缩过程影响草捆形态稳定性的流变学试验研究

草捆的形态稳定性是衡量其质量的主要指标之一。目前常用的方捆机所生产的产品在不同程度上仍存在着草捆形状和尺寸不规范、外型和尺寸不稳定以及散捆率较高等问题。草物料属于粘弹性物料，在外力作用下所产生的变形由永久性变形和可恢复变形组成，而可恢复变形所产生的变形恢复力与草捆的密度和应力松弛有关。当草捆的密度不均匀时将引起草捆的不同部位所产生的变形恢复力出现差异，这是引起草捆形态不稳定的根源。该文在实际压捆生产条件下对不同物料进行试验，应用流变学的理论，研究压缩过程中由于喂入不均匀引起的草片上、下截面变形恢复力的变化规律和差异，以及应力松弛对变形恢复应力的影响，建立相应的数学模型，并为压捆机的设计和实际生产提供依据。