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。     

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。     

牛粪好氧和蚯蚓堆肥腐熟料成型基质块制备及育苗试验

为优化蔬菜育苗成型基质的配方,提高成型基质蔬菜育苗效果,分别以牛粪好氧堆肥腐熟料和牛粪蚯蚓堆肥腐熟料为主料,草炭为辅料,吸水树脂为膨胀剂,木醋液为调节剂,黄瓜为指示植物,研究不同配方对成型基质块成型及育苗效果的影响,并对各目标指标进行综合评价,以确定较佳的成型育苗基质配方。试验结果表明:牛粪好氧堆肥腐熟料制成的成型基质块在膨胀性能、抗跌碎性及育苗期间破损情况优于牛粪蚯蚓堆肥腐熟料制成的成型基质块,但其p H值、EC值较高,使其存活率和茎粗株高等育苗特性与牛粪蚯蚓堆肥腐熟料相比较差。2种腐熟料基质配方可采取不同的调节方法改善其特性,蚯蚓堆肥腐熟料中添加适量秸秆类纤维状物质可以减小其成型基质块的跌碎率和破损率,牛粪好氧堆肥腐熟料中添加硫磺粉可以调节p H值。从基质块质量综合指数来看,既适合成型又有利于育苗效果的配方为:腐熟料和辅料的体积比为3:2~4:3;成型基质块中膨胀剂的含量以该试验中最小添加量27 m L左右最为合适,与总物料(腐熟料和辅料混合后的物料)的比值为5.5 m L/L;木醋液在2种腐熟料中的添加量不同,在牛粪好氧腐熟料中,木醋液添加量约为8.5 m L/L,而牛粪蚯蚓腐熟料中则为18 m L/L,此时两种腐熟料成型基质块的跌碎率均小于5%,破损率均小于20%和小于40%,幼苗存活率分别大于40%和大于70%,全株干质量全部大于100 mg。该研究结果可为蔬菜有机栽培成型基质的开发及其品质改善提供理论依据,具有重要意义。     

玉米秸秆成型燃料单锅灶的设计与试验(简报)

为了解决农村日益紧张的能源问题和秸秆焚烧问题,根据目前农村的主要生活炊事习惯和玉米秸秆成型燃料的燃烧特性,研制了玉米秸秆成型燃料单锅灶。试验结果表明：该灶达到了国家的相关标准,燃烧比较稳定,利用清洁,有效的利用了玉米秸秆,对于解决玉米秸秆焚烧的问题和改善居民炊事条件具有重要的意义。     

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。     

秸秆制作成型燃料的试验研究

秸秆经热压成型,密度可达到1.2～1.4g/cm³;燃烧性能优于木材近似中质烟煤,其燃烧效率比散烧提高一倍左右,是一种便于运输、贮存的高品位能源,本文对秸秆成型的机理进行了初步探讨,提出了螺旋挤压成型过程中原料压力变化的力学模型。对成型块的燃烧特性参数进行了测试分析。     

压缩状态下玉米秸秆粉粒体大变形有限元分析

为玉米秸秆模压托盘成型模具和相关设备的设计和工艺提供基础的力学数据,需要探明玉米秸秆粉粒体模压过程的成型规律,在分析模压成型原理的基础上,对玉米秸秆粉粒体压块进行了单轴压缩试验,探讨了模压过程中玉米秸秆粉粒体的弹塑性特征。采用有限变形理论,研究并推导了欧拉描述的轴对称有限元模型,编制了大变形有限元分析程序,计算得到了玉米秸秆粉粒体圆柱形试件在压缩率30%时的变形图、等效应变图,以及载荷位移曲线,探讨分析了玉米秸秆粉粒体压缩成型过程的成型特征,并与试验值和小变形计算结果进行了配对 t检验和回归分析。结果表明：1）有限变形数值解与试验结果最接近。2）采用大变形有限元模型进行计算时,加载步长为0.01,而小变形为0.0001;有限变形解和小变形增量解与试验曲线的决定系数分别为 R2=0.9855和R2=0.9398,说明利用大变形进行计算,可以用较大的加载步长,而且得到的结果精度较高。该文研究结果对于深入研究玉米秸秆粉粒体的模压工艺,实现工艺和装备的优化设计提供了技术基础数据。     

玉米秸秆成型燃料生命周期评价

为了定量解释以秸秆为原料的成型燃料的节能和温室气体减排潜力,从能源消耗和环境排放出发,分析了玉米秸秆的生长、运输、压缩成型,成型燃料运输、燃烧利用等单元过程,建立了秸秆成型燃料的生命周期能源消耗、环境排放分析模型。以5 000 t/a的秸秆成型燃料生产厂为例,评价了其生命周期能耗和环境排放。结果表明：秸秆运输、压缩成型、成型燃料运输等环节都需要消耗能源,其中,压缩成型的能耗最大;秸秆固定的二氧化碳量为生命周期排放出二氧化碳的96.6%,在很大程度上减少了温室气体的排放。利用生命周期分析秸秆成型燃料,得出其相比化石燃料具有较大的减排优势,为秸秆成型燃料利用提供了基础性数据。     

秸秆厌氧发酵改性制备成型燃料试验

针对秸秆压缩成型存在设备磨损严重和厌氧发酵面临的抗生物降解屏障,提出了一种秸秆厌氧发酵改性制备成型燃料的思路并进行了试验研究。以玉米秸秆为原料,在总固体质量分数12%和中温38℃下对原料分别进行为期10和20 d的厌氧发酵,发酵后的沼渣经粉碎和干燥后于100℃、6 MPa条件下压缩成直径10 mm的颗粒燃料。试验结果表明：经过10和20 d的发酵,玉米秸秆所含能量仅有14.49%和32.01%转移到沼气中;沼渣弹筒发热量分别达到18.01和18.05 MJ/kg,高于原料的17.02 MJ/kg;沼渣挥发物质质量分数为74.08%和72.63%,比原料的81.02%分别下降了8.6%和10.4%;沼渣木质素质量分数为16.98%和17.92%,比原料的13.65%分别增加了24.4%和31.3%;沼渣苯醇抽提物质量分数为5.66%和4.86%,比原料的7.52%分别降低了24.7%和35.4%。成型试验结果表明：沼渣制成的成型燃料松弛密度分别为1.041 g/cm3和1.150 g/cm3,比未发酵秸秆的1.019 g/cm3分别提高了2.2%和12.86%。厌氧发酵改性有助于提高秸秆成型性能、制粒达到相同松弛密度所需的压力较小,有助于降低成型过程设备磨损,且基于上述思路形成的气固二元燃料生产工艺,使秸秆的转化利用不再受制于抗降解屏障,值得深入研究。     

含稻秸蔬菜育苗基质块成型工艺参数优化

为了确定黄瓜育苗块成型的最优工艺参数,以育苗基质和水稻秸秆的混合物为原料,育苗块的抗破坏强度和尺寸稳定性为成型质量检测指标,采用四元二次回归通用旋转组合试验设计结合响应面法,探讨了原料含水率、压力、秸秆长度和秸秆含量对育苗块成型的影响,建立了黄瓜育苗块成型特性参数与各因素之间的回归模型.综合分析表明,各因素对育苗块抗破坏强度的影响主次顺序为:压力＞秸秆长度＞含水率=秸秆含量,在交互作用中,含水率与秸秆含量、压力与秸秆长度、秸秆长度与秸秆含量对育苗块抗破坏强度的影响显著(P＜0.05);各因素对育苗块尺寸稳定性的影响主次顺序为:秸秆含量＞含水率＞压力＞秸秆长度,含水率与秸秆长度的交互作用对育苗块尺寸稳定性的影响较显著(P＜0.05).利用Design-Expert8.0.6软件得出理论最优工艺参数,并考虑试验的可操作性,对理论最优工艺参数进行调整及试验验证,得到最优工艺参数:含水率为21％,压力为4.5 kN,秸秆长度为10mm,秸秆质量分数为12％,该组合条件下的育苗块抗破坏强度为23.03 N,尺寸稳定性为82.83％.分析表明,优化后育苗块的理化特性符合黄瓜育苗的农艺要求.该研究可为黄瓜育苗块成型机工艺参数优化提供理论和实践依据.     

基于ANSYS的基质草籽毯成型机挤出口优化与试验

基质草籽毯成型机以农业废弃物秸秆和牲畜粪便为主要原料,制作绿化用草坪,可以实现连续不间断成型生产。针对现有成型机挤出口质量较大,造成材料消耗多和螺栓连接负担重的现象,以挤出口缩颈处长度、缩颈处宽度、料板厚度和螺栓孔直径为研究对象,运用ANSYS Workbench19.2有限元软件在静态特性分析和参数化建模基础上,基于多目标优化的响应面方法对挤出口模型进行优化,得到尺寸参数最优值：缩颈处长度180 mm、缩颈处宽度60 mm、料板厚度3.5 mm、螺栓孔直径11 mm,此时挤出口部件最大变形和最大等效应力较优化前分别减小了35.95%和13.8%;为了进一步优化挤出口尺寸,利用拓扑优化使零件总质量减轻了36.60%。采用EDEM软件对参数优化和拓扑优化进行验证,得到成型颗粒密度和挤出颗粒质量分别为1 383.2 kg/m3和2 709g。利用优化结果制作样机,与优化前成型装置进行对比试验结果表明：成型颗粒密度和挤出颗粒质量与优化前相比分别提升5.84%和2.88%,进一步发芽和烘干试验表明,优化效果达到预期目标,可为相关设备的研发和生产提供理论参考。     

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。     

玉米精准变量播种技术与装备研究进展

变量播种技术可依据农田环境空间异质性调整玉米播种量,实现生长环境与播种量的合理精准匹配,是突破玉米单产提升瓶颈、提高资源利用效率、实现玉米生产提质增效的重要手段。该研究按照玉米变量播种技术实施过程,从土壤肥力指标精确获取技术、最佳播量决策技术以及播量精准调控技术3个方面对玉米变量播种技术与装备进行综述。阐述了基于近地传感和遥感的土壤肥力指标快速获取的研究与应用现状,并对影响土壤肥力指标由点到面转化的土壤属性空间插值方法和影响土壤肥力分类结果的农田管理区划分方法进行了系统总结;重点分析了基于农田管理区和基于模型的变量播种决策方法的研究现状与优缺点,依据国外变量播种决策研究思路,同时结合中国国情提出了基于模糊推理、田间试验和机器学习的3种播量决策方法;综述了国外变量播种控制系统的结构组成与工作原理,归纳了国内电驱排种系统在作业速度测量、排种器驱动方式等方面取得的研究进展,并重点剖析了变量播种过程中存在的播种滞后问题及其补偿方法。针对中国玉米变量播种技术仍处于初级阶段,最佳播量决策技术与播量精准调控技术薄弱的问题,提出未来在玉米变量播种领域需开展的研究重点和发展建议：1）研发符合中国国情的变量播种装备,实现玉米单产的进一步提升,应加快对土壤肥力指标原位动态检测方法及装备的研究,实现土壤肥力指标的精准快速高密度获取;2）应着重对变量播种决策技术进行研究,开展广泛的基于土壤属性的玉米播量决策试验,建立试验数据查询平台;3）应加强对玉米精量排种器、电驱式排种控制系统的深入研究,特别是对作业速度高精度检测方法和无刷电机高精度控制算法的研究,研制具备高排种质量、高响应速度的玉米精量播种单体。     

玉米秸秆拉伸特性的试验研究

该文利用二次正交旋转组合试验设计方案,深入研究了含水率、叶鞘位置和取样位置3个因素对玉米秸秆拉伸特性的综合影响。结果表明,含水率和取样位置的单因素效应对玉米秸秆的拉伸特性有显著影响,而叶鞘位置基本上不影响拉伸特性。此外,含水率和取样位置的交互作用对拉伸特性也有显著的影响,且随着玉米秸秆样品的取样位置的不断升高,顶部和底部的秸秆样品的最大拉伸载荷和抗拉强度的变化与含水率的变化截然相反,可能是因为不同位置的秸秆有着不同特性的内部组织结构。该研究为玉米秸秆机械化收获装备的设计提供依据。     

基于文献计量学的玉米秸秆利用及关键共性技术分析

为促进玉米秸秆全价值利用,该研究以中国知网（CNKI：China National Knowledge Infrastructure）数据库和Web of Science(WOS)核心数据库作为数据来源,利用知识图谱可视化软件,绘制玉米秸秆利用领域的知识图谱,以便全面了解玉米秸秆利用领域的研究现状和发展趋势,总结其面临的主要问题,并在此基础上深入挖掘分析玉米秸秆利用关键共性技术。玉米秸秆利用研究大致可分为1990—2007年及2008—2022年两个阶段。在后一阶段,各研究团队逐渐构成以肥料化、饲料化为主,燃料化为辅的玉米秸秆利用研究体系。经文献梳理发现,玉米秸秆利用研究大致经历了3次阶段性热点迁移,每次变化时长约为10a;中国玉米秸秆利用研究已取得较多成果,主要集中在秸秆还田和生物质能源生产方面;通过对知识图谱综合分析发现,玉米秸秆利用的热点方向包括生物质能源生产、土地改良和保护、畜牧业发展和饲料生产。最后,知识工程和归纳法分析结果表明,玉米秸秆利用技术仍存在收运不及时、还田质量低、秸秆制饲料技术不成熟、能源化技术成本高和附加值低等瓶颈。故在农业废弃物资源化利用这一国家重大需求驱动下,该文主要关注并分析了未来研究应重点聚焦的13项玉米秸秆全价值利用关键共性技术。该研究可为促进我国玉米秸秆全价值利用提供参考。     

穴盘水稻秧苗茎秆蠕变与应力松弛特性的试验研究

为深入了解穴盘水稻秧苗茎秆拉伸过程中的力学特性,该文利用微控电子万能试验机对穴盘水稻秧苗茎秆常规拉伸、蠕变与应力松弛特性进行测试与分析。试验表明:常规拉伸一般有2次断裂,1次断裂前,应力-应变为线性关系,没有明显的屈服过程,且平均断裂应力大小随加载速率的增加而呈线性增加;拉伸蠕变和应力松弛过程分别利用伯格斯四元件模型和麦克斯韦五元件模型进行描述。通过对曲线进行拟合,得到相关的模型参数,基于选用的流变模型和本构方程,结合秧苗茎秆的生物体特点,分别对蠕变速率、蠕变柔量和应力松弛速率、应力松弛时间进行分析,结果表明:蠕变和应力松弛过程都是弹性动力与黏滞阻力之间彼此牵制的过程;蠕变过程产生与蠕变时间和初始应力呈正相关的塑性应变,应力松弛过程导致茎秆大分子链发生变化,均对秧苗茎秆造成一定损伤;秧苗茎秆内部含有柔嫩与粗壮2种组织结构。研究结果可为秧苗机械拔取的损伤评估和相关仿真分析提供参考。     

基于机器视觉的水稻秧盘育秧智能补种装置设计与试验

对于工厂化育秧作业的水稻、蔬菜、花卉等,尤其是超级杂交稻,其机械化秧盘育秧播种的理想目标为2~3粒/穴,且普遍存在空穴和单粒穴的情况,为了保证秧盘育秧成秧率,提高精密播种合格率就显得非常重要。该文基于机器视觉技术,提出了一种智能补种方法,设计并研制了智能补种装置,主要用于超级杂交稻钵体秧盘育秧播种质量检测与补种过程。首先利用CCD摄像头采集秧盘图像,对图像处理与分析后得到空穴和1粒穴位置坐标,再利用定位机构和补种机构实现从种槽取种和对秧盘指定位置动态补种等功能。应用LabVIEW图形化编程软件,针对空穴和单粒穴的补种方案,开发出秧盘播种质量在线检测与补种运动控制系统,实现了智能补种任务。由试验结果统计可知,当补种率小于2%时,双补种器能够满足450盘/h的生产需求。     

基于准静态压缩方法的玉米粒破碎试验

为减少粮食因破碎而导致的损耗浪费,探索玉米颗粒的抗破碎能力,该研究利用准静态压缩试验共获得了920组玉米粒的力学数据,并通过韦伯分布拟合对玉米粒破碎力进行了分析。试验对比压缩方位及压缩速率对玉米粒破碎力的影响,确定准静态压缩的试验条件,在此基础上探索玉米含水率、粒径、轴比对玉米粒破碎性质的影响。结果表明：沿玉米厚度方向压缩可获得玉米粒的最大破碎力;压缩速率小于0.10 s^-1时,压缩速率对玉米粒破碎力分布无影响。另外,玉米粒的含水率、粒径、轴比均影响其破碎力分布。含水率14.72%的玉米粒破碎力分布更为集中;小粒径玉米粒更容易破碎,粒径小于7 mm时玉米粒破碎率达100%;玉米粒破碎率和破碎力均与轴比呈反比,表明饱满圆润的玉米颗粒更容易发生破碎。该试验为玉米在储运、加工过程中的降碎降损提供了可靠的数据支撑。