番茄秸稈混料立式螺旋帶式混合方法及性能試驗研究.pdf

1、隨著我國設施園藝快速發(fā)展，產(chǎn)生大量園藝作物秸稈與殘茬，污染環(huán)境，加重病蟲害。研究發(fā)現(xiàn)，秸稈就近粉碎、混合、發(fā)酵基質(zhì)化造肥處理是園藝作物秸稈低成本資源化處理一種有效方法；其需要解決的關鍵問題之一，是如何實現(xiàn)秸稈碎料與發(fā)酵菌種的高效混合。本文以作為基質(zhì)原料的番茄秸稈碎料為主要研究對象，針對其資源化利用處理中與發(fā)酵菌種的混合工藝以及節(jié)能與高效要求，開展立式螺旋帶式混合方法及機理系統(tǒng)研究，為研發(fā)園藝作物秸稈碎料與發(fā)酵菌種的高效混合專用設備提供理

2、論依據(jù)。主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下：
　　(1)立式螺旋帶式混合方法及其理論研究
　　針對番茄秸稈碎料與發(fā)酵菌種的混合問題，依據(jù)現(xiàn)有的固體混合設備選擇決策邏輯，提出立式螺旋帶式混合方法，開展了相關理論分析與研究：首先設計了立式螺旋帶式混合設備結(jié)構(gòu)模型，其由物料桶與一個垂直的內(nèi)外雙螺旋帶攪拌葉片組成；其后對立式螺旋帶式混合設備的混合過程及機理定性分析發(fā)現(xiàn)，物料桶內(nèi)整體區(qū)域的混合物料是以對流混合為主，伴隨著剪切混合與擴散混合的復雜過

3、程，有大量湍流現(xiàn)象的產(chǎn)生；然后對混合物料進行動力學分析，研究其主要性能及影響因素發(fā)現(xiàn)，攪拌葉片的半徑、螺距和旋轉(zhuǎn)速度都對混合物料的軸向速度產(chǎn)生非線性影響；最后通過混合物料的攪拌功率計算，分析發(fā)現(xiàn)，填料高度、攪拌葉片的寬度和旋轉(zhuǎn)速度都對混合物料的功率有一次線性遞增影響，攪拌葉片的半徑則對其功率有二次線性遞增的影響。
　　(2)番茄秸稈碎料的特性測定與試驗分析
　　以成熟時期番茄秸稈為測定對象，通過3FC-500型秸稈切割粉碎機

4、切割獲得秸稈碎料，觀察其幾何形狀特征，可將其簡化為長度均值為6.93mm、直徑均值為2.09mm的圓柱形；分別采用TA.XTPLUS物性測試儀拉伸模塊，剪切模塊和摩擦力模塊套件，測得番茄秸稈碎料的彈性模量為235.2Mpa，剪切模量為5.38Mpa，番茄秸稈碎料之間靜摩擦系數(shù)為1.17，番茄秸稈碎料之間動摩擦系數(shù)為1.02，番茄秸稈碎料與鋼材之間的靜摩擦系數(shù)為0.97，番茄秸稈碎料與鋼材之間的動摩擦系數(shù)為0.84；采用MJ33水分測試儀

5、測得番茄秸稈碎料的含水率均值為22.61％；采用JA31002電子天平，利用填充法，測得堆積密度188.02kg.m-3和孔隙率58.56%，計算其真密度為453.72kg.m-3；采用高速攝像技術，測得番茄秸稈碎料之間，番茄秸稈與鋼材之間的恢復系數(shù)分別為0.2029,0.1935。以上這些秸稈碎料的特性為進一步開展立式螺旋帶式混合離散元仿真研究提供了基礎與依據(jù)。
　　(3)立式螺旋帶式混合離散元仿真與試驗研究
　　建立離散

6、元模型，通過對離散元參數(shù)標定，采用正交試驗的方法，對模擬仿真與實際試驗的堆積角進行對比，確定適合于番茄秸稈碎料仿真試驗組合：顆粒間靜摩擦因數(shù)1.1，顆粒密度450kg.m-3，顆粒間粘性系數(shù)2000，開展離散元仿真試驗研究：
　　①通過對單個物料顆粒的運動過程仿真研究發(fā)現(xiàn)：物料顆粒群上表面徑向中心區(qū)域位置的物料顆粒沿著內(nèi)螺旋帶攪拌葉片螺旋下降，速度穩(wěn)定，物料桶底部徑向外部區(qū)域的物料顆粒沿著外螺旋帶攪拌葉片振蕩上升，速度較慢；

7、>　?、谕ㄟ^對徑向中心區(qū)域多個物料顆粒在不同因素下的軸向平均位移仿真研究發(fā)現(xiàn)：受擴散混合影響，多個物料顆粒的軸向下降平均速度要比單個顆粒慢得多；不同旋轉(zhuǎn)速度情況下，軸向平均位移從大到小順序為30r/min、60r/min、90r/min，不同螺距情況下，軸向平均位移從大到小順序為275mm、150mm、400mm，不同填料高度情況下，軸向平均位移從大到小順序為400mm、360mm、440mm；
　?、弁ㄟ^對徑向外邊緣區(qū)域多個物料

8、顆粒在對不同因素下的軸向平均位移仿真研究發(fā)現(xiàn)：多個物料顆粒的軸向上升平均位移，受擴散混合影響較??；不同旋轉(zhuǎn)速度情況下，軸向平均位移從大到小順序為90r/min、60r/min、30r/min，不同螺距情況下，軸向平均位移從大到小順序為150mm、275mm、400mm，不同填料高度情況下，軸向平均位移的從大到小順序為400mm、360mm、440mm；
　　④采用單因素試驗法，對待發(fā)酵的番茄秸稈碎料與粘有發(fā)酵菌種番茄秸稈碎料混合運

9、動仿真，研究不同因素下立式螺旋帶式混合性能，分析發(fā)現(xiàn)：隨著攪拌葉片螺距的增加，混合均勻度得到提高，混合功耗呈先增大后減小的趨勢，隨著攪拌葉片旋轉(zhuǎn)速度的增加，混合均勻度同樣得到提高，功耗呈大幅度提高的趨勢，隨著填料高度的增加，攪拌均勻度呈降低趨勢，功耗呈增加趨勢。
　　(4)樣機試制與試驗研究
　　設計并搭建了一種立式螺旋帶式混合試驗裝置，具有根據(jù)試驗要求精確控制攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)速度，取料加料，攪拌葉片的快速更換，以及轉(zhuǎn)矩的實時

10、采集等功能。采用該試驗裝置分別開展了以攪拌葉片螺距，旋轉(zhuǎn)速度和填料高度為單因素的試驗，以及以攪拌葉片螺距，旋轉(zhuǎn)速度和填料高度為多因素的回歸正交試驗，研究結(jié)果表明：隨著攪拌葉片螺距的增加，混合均勻度得到提高，混合功耗呈先增大后減小的趨勢，隨著攪拌葉片旋轉(zhuǎn)速度的增加，混合均勻度同樣得到提高，功耗呈大幅度提高的趨勢，隨著填料高度的增加，攪拌均勻度呈降低趨勢，功耗呈增加趨勢；混合均勻度與攪拌葉片螺距，填料高度和旋轉(zhuǎn)速度存在一次線性關系，影響的主