论文部分内容阅读
我国是玉米生产大国,每年全国秸秆总产量达8.4×1011kg,其中玉米秸秆产量2.5×1011kg。由于秸秆加工处理技术不完善,大量秸秆得不到充分利用被遗弃焚烧造成环境污染。玉米秸秆皮中含有中性洗涤纤维素、酸性洗涤半纤维素和酸性洗涤木质素,抗拉压等力学性能良好,适合作为工业原料。玉米秸秆瓤含有粗蛋白、粗脂肪、蛋白有机物、钙和磷,是很好的牲畜饲料。因此研究秸秆皮、瓤分类高值化综合利用具有重要的意义。本文基于玉米秸秆皮瓤分离机喂入装置的研究,设计并试验了新型碾压喂入装置。基于秸秆物料属性的研究,采用SIMP（各项正交惩罚变密度法）优化设计、振动力学和有限元分析等理论,根据秸秆皮瓤物料特性差异性设计不同碾压喂入装置,并进行了高速摄影试验验证。最后以皮瓤分离率和分离均匀性为试验指标,优化设计皮瓤分离喂入装置,确定出最优参数组合。本文主要研究内容及结论如下:（1）玉米秸秆的含水率、压缩特性及剪切特性试验分析,为样机划切碾压和剪切动力输出设计提供理论依据。试验结果表明:（1）风干时间对秸秆含水率影响显著,随着风干时间增加含水率降低,风干时间与含水率呈非线性下降,下降曲线满足二次非线性函数;（2）秸秆含水率、取样部位及含水率与取样部位交互作用对临界压缩强度影响显著,随着含水率降低临界压缩强度降低,随着取样部位升高临界压缩强度降低;（3）秸秆含水率对秸秆压缩皮瓤脱离率影响显著,随着含水率下降秸秆皮瓤分离率上升,压缩载荷卸载秸秆皮瓤发生部分分离,分离率随含水率下降而上升;（4）含水率及含水率与取样部位交互作用对剪切强度影响显著,随着含水率降低,剪切强度也随之降低,随着取样部位升高临界剪切强度降低,含水率低秸秆在切割过程容易伴随皮瓤分离,含水率高秸秆皮瓤分离性差。（2）基于SIMP方法的碾压揭皮辊的设计。优化设计得到以下结论:（1）基于秸秆临界压缩试验结果确定玉米秸秆皮瓤分离揭皮辊拓扑材料密度分布,根据SIMP差值模型,带入连续变量及压辊修正惩罚因子,得到辊钉式碾压揭皮辊拓扑模型,将灰度区域0至1之间材料优化,得到碾压揭皮辊具体尺寸,定、动碾压揭皮辊结构相同,齿刃相反;（2）基于秸秆压缩皮瓤分离试验确定间隔式碾压揭皮辊拓扑材料密度分布,带入单一模态特征值,插入SIMP模型,得到结构灰度区域为1部分材料弹性模量,将密灰度区域0至1之间材料优化,得到辊齿式碾压辊具体尺寸;（3）基于皮瓤剪切试验设计辊齿刀式碾压揭皮辊;（4）根据秸秆压缩强度设计碾压辊间弹簧预紧力。（3）碾压揭皮辊高速摄影分析。利用Plextor软件,摄影机在机构左、右和上侧观察秸秆喂入前和碾压后的物料形态,得到以下结论:（1）碾压揭皮前和碾压揭皮后的对比看出秸秆皮瓤有部分分离。（2）对划切过程动辊与定辊间距离标记记录,绘制动辊运动特性时间-位移曲线,位移波动伴随秸秆直径增加而线性增大,碾压伴随振动在大直径节间有波动,波动趋势稳定,机构运行稳定性良好。分析结果表明机构运行稳定,满足结构设计要求。（4）碾压揭皮辊有限元仿真分析。利用计算数值仿真模拟验证设计结构刚度、强度及振动稳定性,分析结果表明:（1）对喂入装置做有限元固有共振频率分析,3种压辊模态频率由低到高依次为:辊齿式<辊齿刀式<辊钉式;（2）皮瓤分离机驱动电机与工作机构一体化设计,考虑机构在电机工作下受迫振动稳定性,对3种碾压揭皮辊做谐响应分析,一次共振峰值由低到高依次为:辊齿式<辊齿刀式<辊钉式;（3）验证设计碾压揭皮辊力学性能和疲劳性能,对3种碾压揭皮辊做静力分析,计算得到Von-Mises应力最大值,满足材料屈服强度,高周疲劳不会产生磨损破坏。（5）碾压揭皮辊单因素试验分析。为验证揭皮碾压辊设计合理性,以秸秆分离率为评价指标,对辊钉式、辊齿式和辊齿刀式碾压揭皮辊进行单因素试验,从3种碾压辊秸秆皮瓤分离率试验结果表明:辊钉式碾压揭皮辊不能满足工作需求,辊齿式和辊齿刀式碾压揭皮辊可以很好的分离秸秆皮瓤。（6）皮瓤分离试验分析。以秸秆分离率和物料均匀度为评价指标,以辊齿式和辊齿刀式碾压揭皮辊为研究对象进行三元二次正交旋转组合试验。试验结果表明:辊齿式揭皮辊试验中秸秆含水率和碾压揭皮辊转速对其影响显著,其次是辊齿间隙。辊齿刀式揭皮辊试验中秸秆含水率和碾压揭皮辊转速对其影响显著,其次是辊齿间隙。应用Design-Expert软件对目标函数优化得出结论:（1）辊齿式碾压揭皮辊在辊齿间隙5mm,秸秆含水率10%、碾压揭皮辊转速295r/min,分离率达到85.44%。（2）辊齿刀式碾压揭皮辊齿间隙5mm,秸秆含水率20%、碾压揭皮辊转速为374r/min,秸秆的分离率达到86.04%。