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。     

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。     

不同工艺参数下苜蓿草粉环模制粒机流场的模拟与验证

环模制粒成型技术以其高效率、高成型率、强适应性等优点广泛应用于生物质能源和饲料产业等领域。该文以苜蓿草粉为原料,应用POLYFLOW软件对环模制粒机挤压区流场进行数值模拟,研究了喂料量、环模转速和物料含水率的变化对流场压力、速度、剪切速率和黏度分布特性的影响规律,并以试验验证,旨在为生产工艺的有效控制提供参考依据。结果表明:在结构参数等条件一定的情况下,增大喂料量,流场压力升高,挤压成型区域扩大,且物料以较快的速度作层流运动,流场剪切速率降低,黏度增大,出模压力和成型密度较大;减小环模转速,流场压力和挤压成型区增大,流动速度减小,剪切速率降低,黏度较大,但出模压力和成型密度降低;物料含水率降低使流场压力、黏度、出模压力和成型密度增加。通过比较得出:当喂料量为6 t/h、环模线速度为6.5 m/s和物料含水率为15%时所形成的流场有利于苜蓿草粉的制粒成型。     

添加适量菌棒废渣提高桑枝颗粒燃料成型率及改善燃烧性能

对桑枝(ramulus Mori,RM)和菌棒废渣(mushroom-planted residue,MPR)进行了工业分析、元素分析、生物质三组分以及空气干燥基低位发热量值分析。从RM和MPR中分别提取了木质素,通过DSC测定了其玻璃化转变温度。结果表明RM的挥发分含量、低位发热量值和玻璃化转变温度较高,分别为72.54%,17.57 MJ/kg和160.6℃;MPR的挥发分含量、低位发热量值和玻璃化转变温度分别为66.72%、15.23 MJ/kg和136.8℃,通过单因素方差分析表明其与RM存在极显著差异。该研究通过在RM中分别添加5%~20%质量分数的MPR作为黏结剂,采用4 mm孔径振动筛控制颗粒度,在含水率为20%±0.5%以及可变的环模孔长孔长径比条件下,通过压辊环模成型机制备了RM/MPR复合颗粒燃料。结果表明在环模孔长径比为4:1时,RM不能有效的致密化,颗粒成型率仅为50.24%。MPR具有更好的流动性和黏结性,可作为黏结剂将RM纤维粘结于一起,增加一定质量比例的MPR可以提高RM颗粒成型率。在环模孔长径比为4:1时,随着MPR的添加量增加至10%~15%,RM/MPR复合颗粒燃料的成型率大于91.54%。在MPR的添加量在5%~20%范围内,RM/MPR复合颗粒燃料的密度、耐久率以及燃烧值分别高于1.208,96.42%和17.26 MJ/kg,符合生物质燃料要求。     

生物质成型燃料燃烧设备结渣特性试验研究

本文采用生物质成型燃料双层炉排燃烧设备,分别进行了炉膛温度、燃料层厚度、燃料粒径和过量空气系数等对结渣率影响的试验,得出了生物质成型燃料燃烧设备的结渣特性。根据试验与观察,分析了生物质成型燃料燃烧设备的结渣过程及结渣影响因素,并总结了生物质成型燃料燃烧设备的结渣成因。     

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。     

香蕉秸秆颗粒燃料固体成型机的设计与试验

针对中国热带农业区香蕉秸秆粗大、含水率高、秸秆固体成型设备少等问题,该文研究设计了香蕉秸秆固体成型机,确定了螺杆挤压装置、搅拌装置、挤出成型装置和排水装置等部件的主要结构参数。样机性能试验结果表明:该机生产率为358kg/h,颗粒燃料的成型率为95.4%,机械耐久性为96.7%,颗粒质量密度为1.35g/cm3,颗粒含水率为2.76%,符合生物质颗粒燃料成型要求。整机工作平稳,成型可靠,经济效益与生态效益明显,在中国热带农业区具有广阔的推广应用前景。     

柱塞式平模生物质成型机设计与试验

针对传统生物质平模成型机能耗高、磨损严重的问题,该文提出了一种柱塞式平模生物质致密成型方法,并设计了成型机样机。该样机通过斜盘与弹簧配合,驱动柱塞往复运动,柱塞在运动过程中仅对模具内的原料进行挤压。成型模具部分采用组合式设计,主要由平模与成型套筒组成,可在成型套筒外部加热,同时可更换长径比不同的成型套筒以适应不同生物质原料。该文以不同颗粒度玉米秸秆和刺槐为原料,在原料含水率为15%,斜盘转速为50 r/min,原料温度为室温的条件下进行了试验,结果表明柱塞式平模生物质成型方法可行,颗粒成型率均高于98%,成型密度大于1.1 g/cm3,机械耐久性高于97%。该文提出的成型方法为生物质致密成型技术提供参考。     

立式环模秸秆压块成型机作业参数优化

针对秸秆压块成型燃料生产过程中,由于作业参数不当造成的生产率低、成型燃料质量低、能耗高等问题,以玉米秸秆为原料,通过正交试验,研究原料的粒度、含水率及压块机模辊间隙3种工艺参数的不同组合对生产率、压块燃料成型率、密度、机械耐久性及吨产品能耗的影响。结果表明：从提高成型燃料质量方面来考虑,最佳工艺参数组合为原料粒度为10～20 mm、含水率为15%、模辊间隙为2 mm,从提高生产率和降低吨产品能耗方面来考虑,最佳工艺参数组合为原料粒度为10～20 mm、含水率为20%、模辊间隙为2 mm。在实际使用中,根据压块燃料成型率、密度和机械耐久性的质量要求,在能达到使用要求的情况下,可在含水率10%～20%的范围内,适当提高含水率,有利于提高生产率和降低吨产品能耗。     

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。     

V-L型秸秆粉碎还田刀片设计与试验

针对秸秆粉碎还田刀片工作过程中存在的刀片易磨损、粉碎效果不理想和稳定性差等问题,通过分析现有刀片的优缺点,设计了一种V-L型秸秆粉碎还田刀片,具有延长刀片的使用寿命、提高秸秆粉碎效果和作业效率等优点。通过分析拖拉机前进速度、刀辊转速以及二者相互作用对秸秆粉碎率的影响,确定了刀片工作参数的最佳组合:拖拉机进速度为1 m/s,刀辊转速为1 400 r/min。通过2因素3水平正交试验,确定了刀片结构参数的最佳组合:刀片前倾角为10°,刃线与地面夹角为14°。对安装V-L型刀片的秸秆粉碎还田机整机作业效果进行了田间试验,结果表明各项指标均达到了国家相关标准的技术要求。该研究可为秸秆粉碎还田刀片设计提供参考。     

水稻秸秆压块热值模型构建及其影响因子相关性分析

为建立水稻秸秆压块热值预测模型和高品质燃料压块挤压成型提供理论依据,该文以9JYK-2000A型环模式成型机生产的水稻秸秆压块作为试验样本,并以密度、含水率、挥发分为影响因素,以压块的低位热值和高位热值为试验指标进行试验研究。试验采用三因素五水平二次回归正交旋转中心组合设计试验方法,利用Design-Expert8.0.6软件回归分析法和响应面分析法,建立了3个因素对热值影响的数学模型,对所建立的数学模型进行了试验性验证,其误差范围小于5%。试验分析表明：各因素对低位热值的影响顺序依次是：密度＞含水率＞挥发分,对高位热值的影响顺序依次是：密度＞挥发分＞含水率;密度是1.39 g/cm3,含水率为13.68%,挥发份为0.76,可达最佳低位热值2849.45 kcal;最佳高位热值的模型指标为：密度为0.92 g/cm3,含水率为23.21%,挥发分为0.75,可达最佳高位热值4313.54 kcal。最佳综合热值模型的指标为：密度为1.18 g/cm3,含水率为11.78%,挥发分为0.78,水稻秸秆压块的低位热值为2830.48 kcal,高位热值为4488.05 kcal;密度为1.43 g/cm3,含水率为14.84%,挥发分为0.80,水稻秸秆压块的低位热值为2851.08 kcal,高位热值为4480.91 kcal。     

农作物秸秆皮带输送量的影响因素分析

该文以农作物秸秆的皮带输运特性为研究对象,以玉米秸秆为例,分析了秸秆全水分、粒度分布,以及皮带输送倾角和皮带速度对质量输送量的影响规律。结果表明,玉米秸秆的质量输送量和堆积密度随全水分的增加近乎线性增加,干物质的质量输送量呈线性下降;全水分增加时,质量输送量随着堆积密度的增加,其变化率逐渐减小;粒度对质量输送量和动堆积角的影响较大;带速在临界速度1.6 m/s前后,质量输送量的趋势发生明显变化。同时,该文对小麦秸秆、甜高粱秸秆进行了试验规律验证,发现输送规律基本一致,仅小麦秸秆在输送倾角变化时的质量传输规律略有差异,充分显示生物结构特征相似的秸秆具有相同的传输规律。试验证实,流态化临界角与各粒度区间的动堆积角满足线性加权关系,为其他农作物秸秆的皮带输送提供了必要的研究方法。     

砍切式玉米秸秆还田机的设计与试验

针对中国北方一年两熟区玉米收获后地表秸秆量大,甩刀式秸秆还田机粉碎长度合格率低,影响后续小麦少免耕播种等问题,基于四连杆机构往复运动原理,利用地表作为支撑,提出了利用砍切对秸秆切段还田的思路,进而研发出一种砍切式玉米秸秆还田机。为避免后续小麦播种时出现拥堵现象,设计秸秆切断长度不超过小麦窄行行距的一半(6 cm);通过理论计算和动力学仿真分析,优化了切刀的运动轨迹并确定切秆装置各杆件尺寸并分析了机具切割功耗为28.39 kW;利用ANSYS软件对切刀进行有限元静力分析,切刀力学性能满足设计要求。田间对比试验结果表明,在玉米收获后秸秆全量保留的条件下,与甩刀式秸秆还田机相比,砍切式秸秆还田机粉碎后秸秆平均长度短0.73 cm,秸秆长度不合格率小5个百分点,秸秆长度变异系数小0.218;机具运行平稳性试验表明砍切式玉米秸秆还田机振动略大于甩刀式玉米秸秆还田机,但差异不显著,该机平稳性满足作业要求;切刀入土平均深度为7.71 cm,可明显降低0~10 cm土层土壤容重;后续播种试验试验表明在砍切式秸秆还田机作业后地表进行播种时,播种机无拥堵现象且播种深度合格率比甩刀式大2.3个百分点。该文研究成果能够为中国北方一年两熟区玉米秸秆还田提供一种新型装备,有利于促进秸秆还田技术的推广。     

秸秆开模压饼工艺的试验研究

研究秸秆开模压饼工艺，在自行研制的开模柱塞往复式压饼机上，围绕主要影响因素和草饼特性指标，进行了一系列的试验研究。结果表明，用含水率１５％的秸秆生产的草饼具有较高密度和耐久性；在草饼直径一定的情况下，增加喂入量可减小草饼出模后的松弛比；用较长的秸秆生产的草饼具有较好耐久性。通过对试验数据的回归分析，得到了压缩力与草饼密度、草饼耐久性与松弛密度之间、压缩比能和松弛密度的经验公式。开模压饼工艺的试验研究为秸秆开模压饼机的设计以及秸秆压饼生产提供了重要依据。     

双通道喂入式再生稻收获机研制

针对再生稻的头季稻机械化收获和低碾压率收获需要,该文设计了一种双通道喂入式再生稻收割机,主要由履带式底盘、割台、2套左右对称布置的脱粒清选装置和秸秆粉碎器、粮箱及动力与传动系统等组成。基于再生稻头季稻机械收获稻茬碾压模型确定其割幅为3000 mm,底盘轨距1500 mm,履带宽度400 mm,履带接地长度1800 mm。对双通道割台、秸秆粉碎器等关键部件进行设计分析,确定搅龙中部2个螺旋叶片起始位置的周向夹角为180°、秸秆粉碎器排草尾板外侧板倾角为8.2°、内侧板倾角为6°、上盖板与垂直方向夹角为63°。田间试验结果表明:该机作业速度可达0.8 m/s,喂入量4.6 kg/s,总损失率2.1%,含杂率0.4%,破碎率0.2%。直行碾压率26.7%,作业性能稳定,作业过程顺畅,尾部秸秆粉碎器可将碎秸导入履带碾压区。与现有常规收割机相比,该机可使再生稻头季稻的直行碾压率降低16.2%,可使再生季每公顷增产23.9%。该研究可为长江中下游地区再生稻机械化收获技术与装备研究及推广提供参考。     

非对称式大小圆盘开沟装置设计与试验

为解决东北一年一熟区玉米秸秆覆盖地免耕播种玉米存在的秸秆覆盖量大导致机具堵塞严重和双圆盘开沟器入土困难等问题,该文设计了一种非对称式大小圆盘开沟装置,该装置采用大、小圆盘一前一后非对称设置,大圆盘预先切割秸秆、残茬,小圆盘完成秸秆拨离并开出种沟,为玉米免耕播种提供清洁种床。无秸秆覆盖下的EDEM离散元仿真试验和田间试验,预先验证了开沟装置的作业性能。秸秆覆盖下的田间试验表明:该装置在秸秆覆盖条件下仍可实现较为稳定可靠的开沟效果,平均开沟深度为71.41 mm,平均开沟宽度为38.27 mm,满足玉米免耕播种作业要求;不同秸秆覆盖条件下,该装置作业流畅、种沟整洁,无明显堵塞和连续晾仔、断条现象,切茬、入土性能良好。该研究可为玉米少免耕播种开沟装置的改进及研发提供理论支持和技术基础。