螺旋不连续加料装置结构优化与性能仿真

为了解决目前螺旋加料装置不连续加料量不稳定、能耗高等问题,开展螺旋不连续加料装置的结构优化与性能仿真研究。首先分析螺旋加料性能指标以及螺旋加料装置不同结构参数对其不连续加料性能影响;其次,以外径100mm螺旋不连续加料作为研究对象,以单位加料量消耗的能量最小为优化目标,选取螺旋体的内径、螺距以及工作转速为优化设计变量,确定对应约束条件,采用随机方向优化算法,得到优化结果是:转速65r/min,内径40mm,螺距85mm。最后,利用离散单元法仿真分析不同内径和螺距对颗粒填充率、加料量变化和加料能耗等加料性能的影响,结果表明:内径50mm和螺距100mm时加料稳定性与能耗综合表现较好,而在内径40mm、螺距85mm时综合性能最好。该研究结果可为加料稳定、低能耗的螺旋加料装置的设计提供参考。     

Structure optimization and performance simulation of screw discontinuous feeding device

为了解决目前螺旋加料装置不连续加料量不稳定、能耗高等问题,开展螺旋不连续加料装置的结构优化与性能仿真研究。首先分析螺旋加料性能指标以及螺旋加料装置不同结构参数对其不连续加料性能影响;其次,以外径100 mm螺旋不连续加料作为研究对象,以单位加料量消耗的能量最小为优化目标,选取螺旋体的内径、螺距以及工作转速为优化设计变量,确定对应约束条件,采用随机方向优化算法,得到优化结果是：转速65 r/min,内径40 mm,螺距85 mm。最后,利用离散单元法仿真分析不同内径和螺距对颗粒填充率、加料量变化和加料能耗等加料性能的影响,结果表明：内径50 mm和螺距100 mm时加料稳定性与能耗综合表现较好,而在内径40 mm、螺距85 mm时综合性能最好。该研究结果可为加料稳定、低能耗的螺旋加料装置的设计提供参考。     

泵内大颗粒固液两相流流动试验

为了研究泵内大粒径球形颗粒运动规律,该研究以一台单级单吸悬臂式离心泵作为研究对象,采用高速摄影试验测试的方法对大粒径球形颗粒在固液两相流泵内的运动轨迹、通过性能以及颗粒与隔舌的碰撞规律进行了研究。测试结果表明:不同粒径的球形颗粒在泵内的轨迹变化规律相似,在叶轮进口处均有向叶片背面运动的趋势,而在运动过程中又逐渐脱离叶片背面,向下一叶片工作面靠近;泵内不同粒径颗粒运动趋势基本相同,但相对运动轨迹长度有所改变;粒径为8 mm和10 mm时颗粒平均过泵时间相对于粒径为6 mm时分别下降了15.15%和11.03%。颗粒体积分数对泵内对颗粒运动轨迹的影响较小,不同体积分数下泵内颗粒的运动轨迹基本重合;体积分数为3%和5%时颗粒平均过泵时间相比体积分数1%时分别上升了4.38%和3.21%。颗粒体积分数为1%、3%和5%时,颗粒与隔舌的碰撞的概率分别为0.5%,0.69%和0.9%;颗粒粒径为6 mm,8 mm和10 mm时颗粒与隔舌发生碰撞的概率分别为0.69%,0.63%和0.55%。研究结果可为运输大颗粒两相流泵的结构设计和防磨损研究提供参考。     

麻山药种植田沙壤土流动性离散元模型颗粒放尺效应

为简化麻山药-沙壤土复合体离散元模型,提高离散单元法在农业领域中的计算效率,以沙壤土为研究对象,在EDEM离散元软件中构建非球形颗粒,进行双目标参数标定试验,采用放大颗粒粒径方法,利用转鼓、坍塌与FT4流变仿真试验,从颗粒群动态堆积角、流动质量、流动速率以及能量等方面探究了颗粒放尺效应对颗粒群物理特性的影响。试验结果表明：干燥处理后的2 mm粒径沙壤土基质静态堆积角和动态堆积角平均值分别为32.16°和35.02°;与独立标定试验相比,双目标标定试验获得的仿真参数更具准确性与唯一性;在动态堆积角试验中,真实沙壤土颗粒在转鼓中所形成的动态堆积角随粒径和旋转速度的增大而减小,而在仿真试验中,转鼓转速相同情况下,非球形颗粒群在增大粒径的情况下所产生的动态休止角差异较小;坍塌试验中,不同粒径颗粒群在流动过程中的流动质量与平均流速变化趋势基本一致,但误差随粒径增大而增大;颗粒质量相同时,将粒径分别放大2倍及4倍,颗粒数量同比减少87.24%、98.92%,仿真时间明显缩短,计算效率显著提高;FT4流变试验表明,当放尺因子S为2时,阻力FV及其力矩T随时间变化的拟合曲线值约为原尺时的2倍,而当放尺因子S为4时,与原尺相比,拟合曲线斜率差异显著,相关性明显降低。研究结果可为构建沙壤土离散元放尺模型提供理论依据,同时也可为农业工程离散元放尺仿真计算提供一定参考。     

新型锤片式饲料粉碎机分离流道内物料运动规律

基于锤片式饲料粉碎机工作状况,研究物料颗粒在气固两相流中运动轨迹的数学模型,得到物料颗粒沿坐标轴方向上的运动微分方程和位移方程;并使用 MATLAB 对该数学模型进行了数值模拟,得到了物料颗粒理论运动轨迹,对模拟结果按入口固相颗粒速度大于、等于、小于气相速度3种情况进行研究;使用高速摄像机对分离流道内部分颗粒进行跟踪拍摄,并取粒径2 mm目标颗粒和粒径8 mm完整颗粒,对2种物料颗粒理论模型运动轨迹与真实运动轨迹进行了比较,验证了数学模型的合理性.对进一步研究宏观物料运动、颗粒分布及分离装置结构等提供了参考.     

基于非球形颗粒模型的胡麻脱粒物振动分选仿真与试验

为提高仿真中胡麻脱粒物形状真实程度,减小仿真建模误差,该研究基于开源离散元法框架,采用超二次曲面单元法建立了胡麻脱粒物不同组分的非球形颗粒,对多级振动筛分过程进行了仿真与试验研究。研究中分析了一级筛、二级筛的筛面物料分布情况、不同物料的透筛率及含杂率,并开展了试验验证。仿真结果表明：超二次曲面法建立的非球形颗粒能很好地模拟真实物料的物理特性;一级筛中籽粒、短茎秆透筛率分别为99.08%、66.49%,蒴果可被分选;二级筛中籽粒、短茎秆透筛率分别为96.38%、4.79%,短茎秆可被分选。被分选的物料在激振作用下可在对应的筛面发生利于筛分的迁移。不同物料的含杂率统计结果分别为籽粒4.87%,短茎秆21.95%,蒴果3.38%。验证试验结果表明,胡麻脱粒物不同组分的透筛率、含杂率仿真与试验值的相对偏差均小于10%。研究结果证明超二次曲面法建立的非球形颗粒模型适用于振动分选作业。     

基于颗粒缩放的小麦粉离散元参数标定

为获得小麦粉离散元仿真精确的接触参数,将不规则形状的小麦粉简化成软质球形颗粒,利用颗粒接触缩放原理和量纲分析进行颗粒缩放,将平均粒径0.212 mm的小麦粉放大至1.2 mm,选择"Hertz–Mindlin with JKR"接触模型,利用休止角对接触参数进行标定。首先通过Plackett-Burman试验筛选出对休止角影响显著的参数:表面能JKR(Johnson Kendall Roberts)、小麦粉-小麦粉滚动摩擦系数、小麦粉-不锈钢静摩擦系数;然后根据Box-Behnken试验建立并优化休止角与显著性参数的二阶回归模型,得到显著性参数的最佳组合为JKR为0.157、小麦粉-小麦粉滚动摩擦系数为0.25、小麦粉-不锈钢静摩擦系数为0.58;最后用标定参数仿真所得休止角大小与真实试验值进行对比,二者相对误差为0.61%。结果表明标定所得的接触参数可用于小麦粉放大颗粒的离散元仿真,为定量供送螺杆的设计提供参考。     

覆土厚度对裸岩石砾地土壤颗粒迁移过程的影响

为了明确裸岩石砾地土地整治工程中人为构建耕作层的合理覆土厚度,通过室内土柱模拟试验,研究了覆土厚度对裸岩石砾地土壤颗粒迁移过程的影响。根据裸岩石砾地土地整治工程特点,试验共设计4个覆土厚度,分别为5,10,15,20cm,土柱底部装填5cm厚直径为10mm的玻璃珠,试验从土柱下端出水开始记时,共接取渗漏液6h。结果表明:(1)较厚的土层具有较好的保水蓄水能力和较强的土体稳定性,4个土层厚度的水分渗漏量均随着土层厚度增加而减小,水分渗漏速率表现为先增大后减小,最终趋于稳定的趋势;(2)土壤颗粒迁出量与土层厚度呈负相关关系,土壤颗粒累积迁出量与土层厚度的拟合关系式为:y=3.19e-0.11x(R2=0.96);(3)水分渗漏前期往往伴随着大量土壤颗粒的迁出,且土层越薄,水分渗漏量和土壤颗粒迁出量越大,随着渗漏过程的进行土壤颗粒迁出量逐渐减小;(4)迁出颗粒中粉粒含量最高,黏粒次之,砂粒含量最低,且不同粒径土壤颗粒随时间的迁出特征也不同。研究结果为裸岩石砾地土地整治提供了科学依据。     

有机物料对稻田土壤团聚体及有机碳分布的影响

通过连续5年定位试验,以紫云英、秸秆和商品有机肥等有机物料还田的稻田土壤为对象,研究有机物料还田后不同物理分组下土壤组成特点和有机碳变化特征。结果表明,稻田土壤团聚体主要分布在2~0.25mm与0.25~0.053mm粒级,团聚体颗粒有机碳含量随着粒径的减小而减少。有机物料还田可提高0.25~0.053mm和0.053mm粒级团聚体有机碳的含量,紫云英、秸秆、商品有机肥等有机物料可通过提高土壤微团聚体有机碳含量而增加土壤碳库。有机物料施用增加土壤轻组组分颗粒含量,减少重组组分颗粒含量,有助于土壤轻组组分的形成。稻田土壤轻组颗粒有机碳含量与0.25mm和0.053mm团聚体颗粒有机碳含量呈显著相关,与2~0.25mm团聚体颗粒有机碳含量呈极显著相关。稻田土壤施用紫云英、秸秆和商品有机肥等有机物料,可有效提高土壤微团聚体和轻组成分颗粒含量,增加土壤微团聚体和轻组有机碳含量,改变稻田土壤有机碳库组成特征。     

火山喷出物发育土壤的比重及颗粒组成测定

利用比重瓶法对火山喷出物发育土壤的比重进行测定,结果表明:玄武岩质火山喷出物发育土壤的比重大于粗面岩质火山喷出物发育土壤的比重;基于粒径小于1 mm土粒测定的比重,玄武岩质火山喷出物和粗面岩质火山喷出物发育土壤的比重均小于一般土壤的平均比重2.65 g cm~(-3);基于粒径小于0.1 mm土粒测定的比重,除个别玄武岩质火山喷出物发育土壤外也小于2.65 g cm~(-3)。分别取比重值为2.65 g cm~(-3)、粒径小于1 mm土粒的实测比重和粒径小于0.1 mm土粒的实测比重,计算不同粒级土粒的沉降时间,并进行颗粒组成的实验研究表明:取不同比重值测定的土壤颗粒组成含量相差较大而且影响土壤质地定名。由于成土母质的矿物组成决定土壤的比重,且土壤颗粒组成的静水沉降实验是在粒径小于0.1 mm土粒的悬液中进行的,所以,准确测定土壤颗粒组成含量,需要区分成土母质的矿物组成,并测定其小于0.1 mm粒径的土粒比重,重新计算沉降时间。     

基于EDEM的双螺旋奶牛饲喂装置给料性能分析与试验

奶牛精确饲喂技术的实施不仅能够促进奶牛业健康发展,而且还能够提高牛场经济效益。基于牛场现状,该文在设计的等径双螺旋精确给料的奶牛饲喂装置基础上,理论分析了物料输送速度与给料时间,通过Solidworks对双螺旋给料装置进行了三维建模,并利用EDEM软件分别对40 mm搅龙和70 mm搅龙不同转速(80、100及120 r/min)的给料过程进行了离散元仿真,分析了装置给料稳定性,结果表明,40 mm搅龙在转速为120 r/min时变异系数为0.052 2,70 mm搅龙在转速为100 r/min时变异系数为0.105 2,给料稳定性最优。为进一步验证仿真结果,在搭建的双螺旋给料饲喂装置上,对40 mm搅龙和70 mm搅龙进行了给料试验,试验结果显示,40 mm螺距搅龙转速120 r/min和70 mm搅龙转速100 r/min时给料稳定性最优,试验结果与仿真结果吻合。在验证装置给料稳定性基础上,对给料精度进行了试验,结果显示:40 mm搅龙和70 mm搅龙在80、100、120 r/min等不同工作转速组合下,给料精度均大于95%,当40 mm搅龙转速为120 r/min,70 mm搅龙转速为100 r/min时,给料时间为14.1 s,给料量为6.009 kg,装置给料精度不低于99.835%,符合奶牛精确饲喂效率与精度要求。     

猪和奶牛粪便的粒径及养分分布对固液分离效率的影响

以猪、奶牛粪便为材料,按＜0.15、0.15-0.5、0.5-1.0、＞1.0 mm不同粒径,分析了猪、奶牛粪便粒径分布,同时分析了4种不同粒径颗粒中N、P、K养分含量,采用XY型螺旋式畜禽粪便固液分离机,在0.5、1.0 mm两种孔径筛网下,进行了固液分离,分析比较了机械固液分离对相应粒径粪便固形物及养分回收效率。结果表明,猪、奶牛粪便粒径分布以〈0.15 mm小颗粒为主,占其粪便重量的57.99%-68.34%,奶牛粪便颗粒粒径大于猪粪便,仔猪与育成牛粪便粒径小于育肥猪与泌乳牛粪便。猪、奶牛粪便中N、P、K养分近80％以上呈水溶性或存在于〈0.15 mm小颗粒之中。粪便机械固液分离获得的固形物与固形物中N、P养分回收比例高于相应筛网孔径粪便颗粒与养分所占比例,奶牛粪便固形物回收率为45.5％,远高于猪粪的27.8％,N、P养分回收率分别为7.14%-19.71%、7.38%-21.18％。     

揉碎玉米秸秆螺旋输送理论模型分析与试验

针对农业纤维物料螺旋输送机理不明确、输送功耗大、生产率低等问题,该文对揉碎玉米秸秆的螺旋输送过程进行理论分析,建立了同时考虑物料的压缩特性、螺距的变化及螺旋轴离心力作用的物料所受压力、螺旋输送装置的生产率和功耗的数学模型,并通过轴向推力、生产率和功耗试验数据修正了上述模型。结果表明,当喂入量30 kg/min、转速58 r/min、螺距在160~300 mm的范围内变化时,压力、生产率和功耗的理论值与实测值的相对误差分别在11.7%、8.6%和5.9%以内;当螺距250 mm、喂入量30 kg/min、螺旋轴转速在58~148 r/min的范围内变化时,压力、生产率和功耗的理论值与实测值的相对误差分别在5.1%、6.9%和5.4%以内;当螺距250 mm、转速58 r/min、喂入量在10~70 kg/min的范围内变化时,压力及生产率和功耗的理论值与实测值的相对误差分别在5.9%、5.8%和5.2%以内。该研究为适合输送农业纤维物料的螺旋输送装置的设计及生产提供较为精确的理论依据。     

基于三维激光扫描的水稻种子离散元建模及试验

在采用离散元法进行精量播种、收获、清选等关键部件的工作过程仿真分析时,需要建立与物料真实形态逼近的三维离散元颗粒模型。目前非规则形状物料常规建模方法是将其近似处理为规则体,导致仿真精度降低。该文以水稻为研究对象,提出一种基于三维激光扫描建立水稻等非规则颗粒材料的三维离散元建模方法,运用三维激光扫描技术获取其点云,利用自动化逆向工程软件Geomagic Studio和SolidWorks对种子进行点云处理和逆向建模,得到种子轮廓模型及其空间坐标信息,并基于颗粒聚合体理论建立水稻种子的三维离散元模型。通过离散元分析软件EDEM分别对三维激光扫描的水稻种子离散元建模和常规椭球体处理离散元建模条件下水稻种子的自然休止角进行仿真测定,并与实际水稻种子自然休止角测定试验结果进行对比分析,得出2种建模方法所得自然休止角与实际试验结果的误差分别为0.24%和8.83%,证明了基于三维激光扫描的水稻种子离散元建模方法的有效性和可行性。该建模方法为提高非规则物料离散元仿真精度提供了一种新手段。     

不同粒径石灰岩弃渣客土改良效果分析

生态环境的保护与治理是目前世界关注和研究的重点,以石灰岩弃渣为研究对象,重点解决目前工程弃渣改良利用客土施用量大的难题.为了获取不同粒径区间弃渣混合客土改良的最优比例,试验选取北京房山石灰岩采石场弃渣,筛分成4种粒径区间,并按比例混合客土,撒播高羊茅种子,进行盆栽试验.通过测定不同配比弃渣的密度、孔隙度、毛管持水量和最大持水量,以及高羊茅植株的保存率、生长高度、生物量和根茎比,获取添加不同比例客土的改良效果和高羊茅生长状况.结果显示:客土改良石灰岩弃渣的影响体现需要一定的灌溉沉降过程,不同粒径弃渣土壤水分性质受客土添加量影响,相关性顺序为20 ～40 mm＜ 10 ～20 mm ＜2 mm ＜2 ～ 10 mm,高羊茅在不同粒径弃渣生长受客土添加量的影响,其相关性影响顺序为2 mm ＜2 ～ 10 mm＜ 10～20 mm ＜20 ～40 mm,客土最适添加比例为＜2 mm和2～ 10 mm粒径弃渣添加40％,10 ～ 20和20 ～ 40 mm粒径弃渣添加60％.研究结果可为不同粒径石灰岩弃渣资源化利用及客土改良,提供理论和数据参考.     

等径变螺距奶牛精确饲喂给料装置设计与试验

要实现奶牛精细饲喂必须保证装备的给料精度,该文通过对传统给料装置进行研究,设计了基于等径变螺距的奶牛精确饲喂螺旋给料装置,并对不同螺旋主轴转速和投料时间对试验装置的投料稳定性影响进行了试验研究,确定了螺旋主轴转速并拟合出装置的投料模型。试验结果表明,给料装置在150 r/min转速下投料最稳定,投料精度高于95%,最大投料时间11 s,满足奶牛精细饲养给料精度的要求。     

颗粒化肥水平气送式螺旋组合可调定量供肥装置设计与试验

为适应不同施肥量要求和实现水平气送式集中排肥器定量变量排肥,该文设计了一种颗粒化肥螺旋组合式集中供肥装置。阐述了颗粒化肥螺旋组合式集中供肥装置的工作原理,基于颗粒化肥的机械物理特性和施肥量要求,提出了倾斜螺旋状型孔结构,确定了其主要结构参数,构建了颗粒化肥组合体在肥料充填区和投肥区的力学模型。应用台架试验研究了螺旋式排肥轮数量和转速对供肥速率及供肥稳定性变异系数的影响。结果表明:倾斜螺旋状型孔结构有利于充肥和排肥;螺旋式排肥轮数量和转速分别为1~4个和10~40 r/min条件下,供肥速率随螺旋式排肥轮数量与转速增加而增加,供肥速率范围为912.67~13 164.26 g/min。螺旋组合式集中供肥装置能适应不同机械物理特性参数的颗粒化肥,3种颗粒化肥的供肥速率之间的差值低于5%。构建了螺旋式排肥轮数量和转速与供肥速率的回归预测模型,在目标施肥量150~750 kg/hm2和拖拉机前进速度2.52~5.88 km/h条件下,供肥速率试验值与模型预测值的偏差在3%以内,供肥稳定性变异系数低于1.0%。田间试验结果表明,颗粒化肥实际施用量与模型预测值相对误差为3.54%。该研究提出的倾斜螺旋状型孔和组合排肥轮结构可满足农业生产的变量、定量集中供肥要求,可为颗粒化肥水平气送式集中排肥器结构设计提供参考。     

土石混合介质导气率变化特征试验

土壤中碎石的存在改变了土壤结构和孔隙分布,进而影响土壤通气性能。该文通过对碎石单粒径土石混合介质导气率变化特征研究,旨在探讨单粒径土石混合介质导气内在机理,为进一步研究复杂的野外土石混合介质的导气特性提供基础。为了研究土石混合介质中碎石对导气率的影响,该文通过试验研究,分析土壤颗粒小于2mm的样本(砂土、砂壤土、黏壤土)、碎石质量分数(10%、20%、30%、40%、50%)和碎石粒径(2～3、>3～5mm)对土石混合介质导气率的影响。结果表明:在土壤颗粒小于2mm的样本条件下,土壤导气率呈砂土>砂壤土>黏壤土;在相同碎石质量分数的土石混合介质中导气率呈砂壤土>砂土>黏壤土;碎石的存在改善黏壤土的导气性能,使黏壤土碎石混合介质的导气率大于黏壤土的导气率;降低了砂壤土和砂土的导气性能,且砂土的降低幅度远大于砂壤土;在砂壤土中碎石粒径2～3mm的导气率大于>3～5mm的导气率;在砂土中碎石质量分数30%之内,碎石粒径>3～5mm的导气率稍大于2～3mm的导气率,在40%则相反,但两种粒径下混合介质导气率差异不是很明显。     

坡面覆沙后侵蚀泥沙颗粒分选特性

侵蚀泥沙颗粒大小的分布在一定程度上影响着侵蚀泥沙的搬运和沉积,了解侵蚀泥沙的分选作用将有助于解释泥沙的侵蚀和沉积过程。该文以覆沙坡面为研究对象,采用室内模拟降雨的方法,选取坡度12°、雨强1.5 mm/min的黄土坡面上分别覆盖0.5、1.0、1.5 cm的沙层进行试验。结果表明:坡面覆沙后,坡面粗颗粒物质大部分在产流开始0~10 min内便被冲刷带走;侵蚀泥沙颗粒主要以粉粒为主;坡面覆沙后,在细沟间侵蚀阶段,径流优先搬运大于0.054 mm的颗粒,在细沟侵蚀阶段和细沟侵蚀及细沟间侵蚀的组合阶段,径流搬运的泥沙颗粒以小于0.054 mm的颗粒为主;同时,在产流前期(0~10 min)侵蚀泥沙颗粒主要以大于0.054 mm的颗粒为主;而在产流后期(10 min以后)侵蚀泥沙则主要以小于0.054 mm的颗粒为主。坡面覆沙后,黏粒以团聚体的形式存在,粉粒以单粒的形式存在,而沙粒以细颗粒聚集体的形式存在。该文为进一步研究泥沙沉积后风蚀对水蚀的影响提供数据支撑。     

溅蚀过程中红壤团聚体周转路径的定量表征

为研究土壤团聚体的形成和破碎过程对于降雨侵蚀的响应机制，对降雨打击作用下不同粒径红壤团聚体在溅蚀过程中的周转路径进行了探讨。该研究基于稀土元素示踪法，对各粒径团聚体分别进行了标记，电感耦合等离子体质谱测定，实现全土样团聚体的周转路径追踪；然后通过室内模拟降雨试验，在90和30 mm/h降雨溅蚀条件下，对不同粒径大小团聚体（2～5、0.25～<2、0.053～<0.25、<0.053 mm）随降雨历时的周转变化规律进行了定量化研究。结果表明：稀土元素标记得到的标记团聚体效果较好且在湿筛过程中回收率达到90%以上，吸附稳定；不同降雨强度下，土壤团聚体的周转过程呈现出向破碎方向转化的趋势；90 mm/h降雨下团聚体更快发生破碎并到达稳定状态，其累积破碎率在降雨40 min后基本不发生改变，而30 mm/h下土壤团聚体会随降雨动能的累积逐步发生破碎；结合相关性分析可以发现小团聚体的变化对于整个溅蚀过程的累积破碎率和累积团聚率均表现出显著相关（P<0.01），>0.25 mm团聚体与其他粒级团聚体间的周转不显著相关（P>0.05），但<0.25 mm团聚体可能通过逐级团聚影响到其他粒级团聚体。不同团聚体在溅蚀过程中的双向转化过程，研究结果为侵蚀过程中土壤结构的动态变化模型提供理论参考。