基于Hertz接触理论的黑水虻幼虫碰撞恢复系数测定

为建立黑水虻幼虫与收集、输送、分离等机械工作部件间发生碰撞时的碰撞模型，基于黑水虻幼虫生物特性，应用Hertz弹性碰撞理论推导了黑水虻幼虫碰撞过程动力学方程，结合运动学方程原理构建了黑水虻幼虫恢复系数的测定装置并进行了黑水虻幼虫恢复系数测定试验。试验针对第5龄期的黑水虻幼虫，采用L16(44×23)混合正交试验方案研究了碰撞材料、材料厚度、下落高度、碰撞角、跌落方向、含水率等因素对黑水虻幼虫恢复系数的影响，然后对碰撞材料、材料厚度、下落高度、碰撞角、跌落方向进行单因素试验，并获得了材料厚度、下落高度、碰撞角对恢复系数的影响规律与回归方程，且方程的决定系数均不小于0.9427。试验结果表明，影响黑水虻幼虫恢复系数的因素影响由大到小为：碰撞材料、下落高度、碰撞角、跌落方向、碰撞材料厚度、含水率，其中含水率对恢复系数影响不显著。单因素试验结果可得：黑水虻幼虫与Q235钢、铝合金、有机玻璃、橡胶等碰撞材料间的恢复系数依次降低，随下落高度的增大而逐渐减小，随材料厚度的增加而逐渐增大，恢复系数随碰撞角的增大而整体呈增大趋势，且横向跌落方向大于纵向跌落方向。该文研究结果可为黑水虻幼虫收集、输送、分离等机械相关工作部件优化设计提供参考依据。     

两级分段式黑水虻虫沙滚筒筛分装置设计与试验

针对黑水虻虫沙分选过程中黑水虻幼虫含杂率高、损失率高等问题,结合黑水虻虫沙的机械物理特性设计了一种黑水虻虫沙分离装置,该装置主要由两级滚筒筛、链轮、电机等组成。以滚筒转速、滚筒倾角、喂入量为试验因素,以含杂率和损失率为评价指标,设计三因素三水平正交试验,分析各因素对含水率为30.2%的黑水虻虫沙筛分性能的影响。结果表明：影响含杂率因素的主次顺序为喂入量、滚筒转速、滚筒倾角;影响损失率的主次顺序是滚筒转速、喂入量、滚筒倾角。利用Design-Expert软件分析得出最佳参数组合：滚筒转速为30 r·min^-1,滚筒倾角为7°,喂入量为1.6 t·h^-1,预测含杂率为1.109%,损失率为8.430%。经过验证试验得到该参数组合下的含杂率为1.165%、损失率为8.877%,优化结果与验证结果基本一致,该结果可为黑水虻虫沙筛分设备的设计与作业参数优化提供参考。     

黑水虻虫沙并排式双叶轮集料装置设计与试验

针对黑水虻虫沙收集过程劳动强度大、作业效率低等问题,设计了一种并排式黑水虻虫沙双叶轮集料装置。首先,依据黑水虻幼虫生物转化畜禽粪便工艺特点,确定并排式双叶轮的外形尺寸;通过对并排式双叶轮工作机理和动力学分析,确定弧形叶轮片曲线与数量,并获得叶轮集料运动轨迹和方程;在此基础上,确定了影响其集料性能的主要因素,选取前进速度、叶轮倾角、叶轮转速为试验因素,以集料效率和集料均匀度变异系数为响应值分别进行单因素及三因素三水平二次回归正交试验。建立了响应面数学模型,分析各因素对集料性能的影响,利用Design-Expert软件对影响因素进行综合优化。试验结果表明,各因素对集料效率的影响由大到小顺序为：叶轮倾角、前进速度、叶轮转速;对集料均匀度变异系数的影响由大到小顺序为：叶轮转速、前进速度、叶轮倾角。对优化结果进行试验验证得最优参数组合为：前进速度0.06m/s、叶轮倾角18°、叶轮转速16r/min,此时集料效率为4.67kg/s,集料均匀度变异系数为2.81%,评价指标的试验值与模型优化值的相对误差为3.78%与6.84%,满足黑水虻虫沙集料输送要求。     

斗式黑水虻处理猪粪有机肥取料机设计与试验

针对黑水虻处理的猪粪有机肥在取料输送过程中劳动强度大、作业效率低的问题,根据黑水虻养殖工艺流程与有机肥物理特性,设计了一种斗式取料机。采用离散元软件构建了有机肥斗轮机械部件耦合仿真模型,运用单因素试验方法获得了斗轮进给速度、料斗转速、料斗数量对单斗平均取料量、变异系数的影响规律,并确定了各因素取值范围。在单因素试验基础上,运用Box Behnken中心组合试验方法,以斗轮进给速度、料斗转速、料斗数量为试验因素,进行了三因素三水平二次回归正交试验。建立了响应面数学模型,分析了各因素对作业效果的影响,同时对影响因素进行了综合优化。结果表明:对单斗平均取料量与变异系数影响显著顺序由大到小均为料斗转速、料斗数量、斗轮进给速度;最优工作参数组合为斗轮进给速度65 mm/s、料斗转速8.25 r/min、料斗数量3个,在最优工作参数组合下,单斗平均取料量、变异系数的理论优化值与试验值分别为4.008、4.236 kg和3.19%、3.37%,二者相对误差为5.38%、5.34%,仿真试验和台架试验结果吻合度较好。     

黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥离散元模型参数标定

在采用离散元法对黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥收集、转运等关键环节进行仿真分析时，存在餐厨垃圾有机肥的本征参数及餐厨垃圾有机肥与装备之间接触参数缺乏的问题。以含水率为37.5%的黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥为研究对象，利用EDEM 2020软件对其离散元仿真模型参数进行标定。通过Plackett-Burman试验、最陡爬坡试验及Box-Behnken试验获得各参数的最优组合为：泊松比0.2、剪切模量7 MPa、密度2 000 kg·m^-3、有机肥-有机肥碰撞恢复系数0.46、有机肥-有机肥静摩擦系数0.8、有机肥-有机肥滚动摩擦系数0.15、有机肥-钢碰撞恢复系数0.51、有机肥-钢静摩擦系数0.65、有机肥-钢滚动摩擦系数0.09、JKR表面能为0.1 J·m^-2，在该参数组合下的仿真试验结果与物理试验结果的相对误差为3.63%（P>0.05），证明数据可靠。该研究结果表明，餐厨垃圾有机肥离散元模型和标定后得到的参数具有可靠性，可为黑水虻生物转化餐厨垃圾有机肥在机械收集、输送、分离等方面的离散元研究提供参考。