玉米秸秆皮穰分离机构的试验研究及机理分析

【摘要】：我国玉米秸秆年产量达到2.5亿吨之多,其中大量的玉米秸秆资源被就地焚烧,这不仅对环境造成极大的危害,也是对资源的巨大浪费。解决这一问题的关键是对玉米秸秆资源进行高效利用。玉米秸秆由外皮、穰和叶等基本部分组成,每一部分的化学成分相差较大,其中玉米秸秆外皮含有较高的木质素,可用于生产人造板等；穰和叶含有较丰富的糖和粗蛋白等养分,可用作饲料、生产纤维素乙醇等。由此可见,为了实现玉米秸秆的高效利用,进行玉米秸秆皮、穰、叶的有效分离非常必要。为此,本文在前期玉米秸秆茎叶分离研究的基础上,针对玉米秸秆皮穰叶分离中最难的皮与穰的分离进行了系统的试验研究和深入的理论分析,可为玉米秸秆皮穰分离机的设计与优化提供有效的技术支持,具有重要意义。本文主要研究内容及结论如下： (1)玉米秸秆外皮和穰的机械特性的试验研究。为了实现玉米秸秆皮和穰有效分离,秸秆外皮和穰的机械特性的研究对于分离机的设计、作业参数的选择有着至关重要的作用。本文对玉米秸秆外皮和穰的拉伸和剪切特性分别进行了试验研究,建立了玉米秸秆外皮的抗拉强度随取样高度、含水率之间变化规律的回归模型,试验结果表明,玉米秸秆根部外皮的抗拉强度较大,稍部外皮的抗拉强度较小；在含水率为30%、且取自玉米秸秆下部稍偏上的位置的外皮的抗拉强度最大,达到67.2MPa；建立了玉米秸秆穰的抗拉强度、剪切强度和剪切功随取样位置、含水率、剪切速度的回归模型,结果表明,随着含水率的增加,秸秆穰的剪切强度和剪切功均呈增加的趋势,剪切速度对秸秆穰剪切强度和剪切功影响不是很明显,玉米秸秆下部穰的剪切强度较高,且剪断自秸秆下部的穰需做更多的功。 (2)齿刀式皮穰分离机构的试验研究。选取影响剥穰效果的剥穰刀片齿刃角、齿-板间隙及剥穰辊转速为试验因素,以剥净率、损伤率作为评价指标,在自行设计的玉米秸秆皮穰分离试验台上进行试验研究。试验结果表明：在试验参数范围内,剥净率的变化范围为35-99%,损伤率的范围为0-13%,该皮穰分离机构可行。剥穰辊转速和齿-板间隙对两个评价指标均有显著影响,剥穰刀片的齿刃角对剥净率影响较为显著,对秸秆外皮损伤率影响不显著。本研究设计的齿刀式皮穰分离机构的最优参数组合为：在齿-板间隙为1.66mmm,转速为1680r/min,剥穰刀片齿刃角为40°时,剥净率的平均值为95%以上,损伤率在5%以下。 (3)玉米秸秆皮穰分离能耗的试验研究。利用皮穰分离试验台,采用电功率差值法对皮穰分离机构的能耗特性进行研究。选取剥穰辊转速、齿-板间隙、展压喂入辊转速和剥穰刀片齿刃角4个参数作为试验因素,选取有效比能、总比能、能量利用比等3个参数作为评价指标,在正交试验的基础上,采用响应面方法分析得到各试验因素对评价指标影响规律回归模型。试验结果为,有效比能变化范围：0.5～2.0Wh/kg,总比能变化范围：4～13.0Wh/kg,能量利用比的变化范围：11%-24%之间。在三个模型中,间隙和转速对评价指标的影响均较显著,其中剥穰刀片齿刃角对有效比能、总比能影响不够显著。综合考虑各评价指标、工作效率和剥穰效果,选取皮穰分离机构的工作参数为：剥穰辊转速840r/min,喂入速度413r/min,齿板间隙1.56mmm,剥穰刀片齿刃角25°,此时有效比能、总比能、能量利用分别为2.21Wh/kg、10.73Wh/kg和22.29%。 (4)基于高速摄像系统的穰颗粒的运动轨迹分析和机构改进研究。在展压喂入对辊转速一定的情况下,借助于高速摄像系统,分别对剥穰辊转速为650r/min、1100r/min和1550r/min等三个转速下的穰颗粒的运动情况进行分析。分析结果表明,穰颗粒的运动轨迹与抛物线高度相关。随着剥穰辊转速的不同,穰颗粒运动轨迹处于抛物线的不同阶段。当剥穰辊转速较低时,剥离下来的穰颗粒较大,且剥穰辊产生的风速也相应较低,穰颗粒运动轨迹在垂直方向的高度较低。当剥穰辊转速较高时,剥离下来的穰颗粒较小,且高转速产生相对较高的风速,穰颗粒运动轨迹在垂直方向的高度相对较高。 本文前期研制的第一代皮穰叶分离机工作时,由于高速旋转的剥穰辊的回带作用,穰颗粒易于在分离机中部产生聚集,长时间连续工作会造成堵塞机器。针对这一问题,本文提出了支持板上置的皮穰分离机构。高速摄像分析结果表明：支持板上置的皮穰分离机构不仅解决了穰颗粒在分离机中堆积现象,同时穰颗粒的运动轨迹更利于分离之后的皮和穰的收集。 本文对皮穰分离机构的剥穰过程的受力情况、运动情况进行分析。对剥穰深度、节距、剩余高度、剥穰条件等进行了理论推导,这些理论分析和高速摄像及试验结果是一致的。 【关键词】：玉米秸秆 皮穰分离 运动轨迹 试验研究 机理分析
【学位授予单位】：东北农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S226
【目录】：

• 摘要10-12
• Abstract12-15
• 1 前言15-23
• 1.1 课题研究的意义15-17
• 1.2 国内外研究现状17-20
• 1.2.1 国外研究现状17-18
• 1.2.2 国内研究现状18-20
• 1.3 本文主要的研究内容及方法20-21
• 1.3.1 课题来源20
• 1.3.2 研究内容20-21
• 1.3.3 技术路线21
• 1.4 预期成果21-22
• 1.5 本章小结22-23
• 2 玉米秸秆皮和穰特性研究23-57
• 2.1 秸秆外皮拉伸和剪切特性研究23-35
• 2.1.1 材料与方法23-25
• 2.1.2 试验设计25-27
• 2.1.3 试验结果与分析27-34
• 2.1.4 结论34-35
• 2.2 秸秆穰的拉伸和剪切特性研究35-48
• 2.2.1 材料与方法35-36
• 2.2.2 试验设计36-37
• 2.2.3 试验结果与分析37-47
• 2.2.4 结论47-48
• 2.3 秸秆穰剪切功试验48-56
• 2.3.1 剪切过程分析48-49
• 2.3.2 切断力分析49
• 2.3.3 挤压变形阶段作用力分析49-51
• 2.3.4 材料与方法51-52
• 2.3.5 试验结果与分析52-56
• 2.3.6 结论56
• 2.4 本章小结56-57
• 3 玉米秸秆皮穰分离试验57-89
• 3.1 玉米秸秆剥穰试验57-72
• 3.1.1 玉米秸秆皮穰叶分离机简介57-59
• 3.1.2 皮穰分离试验台设计59-63
• 3.1.3 材料和方法63-65
• 3.1.4 结果与讨论65-72
• 3.1.5 结论72
• 3.2 玉米秸秆剥穰功耗试验72-88
• 3.2.1 材料和方法72-76
• 3.2.2 秸秆皮穰分离能耗的计算76-80
• 3.2.3 结果与分析80-88
• 3.2.4 结论88
• 3.3 本章小结88-89
• 4 基于高速摄像的剥穰机理分析89-107
• 4.1 皮穰分离过程运动分析89-94
• 4.1.1 运动轨迹方程89-90
• 4.1.2 剥穰刀的剥穰速度90
• 4.1.3 穰颗粒的形状和尺寸90-92
• 4.1.4 剥穰深度92
• 4.1.5 剥穰节距92-93
• 4.1.6 剩余高度93-94
• 4.2 皮穰分离过程受力分析94-95
• 4.3 穰颗粒运动轨迹理论分析95-97
• 4.4 基于高速摄像的穰颗粒运动轨迹验证97-106
• 4.4.1 高速摄像系统简介97-100
• 4.4.2 不同转速下穰颗粒运动轨迹分析100-102
• 4.4.3 剥穰刀旋转对穰颗粒运动的影响及改进102-106
• 4.5 本章小结106-107
• 5 玉米秸秆皮穰叶分离机设计与试验107-115
• 5.1 玉米秸秆皮穰分离机总体设计107-108
• 5.2 除叶机构108-110
• 5.2.1 喂入对辊及其设计108-109
• 5.2.2 Ⅴ齿除叶对辊109-110
• 5.2.3 板齿除叶对辊110
• 5.3 切割辊与展开部件110-111
• 5.4 皮穰分离机构设计111-113
• 5.4.1 压平对辊设计111-112
• 5.4.2 剥穰部件设计112-113
• 5.4.3 输出对辊设计113
• 5.5 样机试验113-114
• 5.6 本章小结114-115
• 6 结论和展望115-117
• 6.1 结论115-116
• 6.2 创新点116
• 6.3 展望116-117
• 致谢117-118
• 参考文献118-126
• 攻读博士学位期间发表的学术论文126

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