随着我国设施园艺快速发展,产生大量园艺作物秸秆与残茬,污染环境,加重病虫害。研究发现,秸秆就近粉碎、混合、发酵基质化造肥处理是园艺作物秸秆低成本资源化处理一种有效方法;其需要解决的关键问题之一,是如何实现秸秆碎料与发酵菌种的高效混合。本文以作为基质原料的番茄秸秆碎料为主要研究对象,针对其资源化利用处理中与发酵菌种的混合工艺以及节能与高效要求,开展立式螺旋带式混合方法及机理系统研究,为研发园艺作物秸秆碎料与发酵菌种的高效混合专用设备提供理论依据。主要研究内容与结论如下:(1)立式螺旋带式混合方法及其理论研究针对番茄秸秆碎料与发酵菌种的混合问题,依据现有的固体混合设备选择决策逻辑,提出立式螺旋带式混合方法,开展了相关理论分析与研究:首先设计了立式螺旋带式混合设备结构模型,其由物料桶与一个垂直的内外双螺旋带搅拌叶片组成;其后对立式螺旋带式混合设备的混合过程及机理定性分析发现,物料桶内整体区域的混合物料是以对流混合为主,伴随着剪切混合与扩散混合的复杂过程,有大量湍流现象的产生;然后对混合物料进行动力学分析,研究其主要性能及影响因素发现,搅拌叶片的半径、螺距和旋转速度都对混合物料的轴向速度产生非线性影响;最后通过混合物料的搅拌功率计算,分析发现,填料高度、搅拌叶片的宽度和旋转速度都对混合物料的功率有一次线性递增影响,搅拌叶片的半径则对其功率有二次线性递增的影响。(2)番茄秸秆碎料的特性测定与试验分析以成熟时期番茄秸秆为测定对象,通过3FC-500型秸秆切割粉碎机切割获得秸秆碎料,观察其几何形状特征,可将其简化为长度均值为6.93mm、直径均值为2.09mm的圆柱形;分别采用TA.XTPLUS物性测试仪拉伸模块,剪切模块和摩擦力模块套件,测得番茄秸秆碎料的弹性模量为235.2Mpa,剪切模量为5.38Mpa,番茄秸秆碎料之间静摩擦系数为1.17,番茄秸秆碎料之间动摩擦系数为1.02,番茄秸秆碎料与钢材之间的静摩擦系数为0.97,番茄秸秆碎料与钢材之间的动摩擦系数为0.84;采用MJ33水分测试仪测得番茄秸秆碎料的含水率均值为22.61%;采用JA31002电子天平,利用填充法,测得堆积密度188.02kg.m-3和孔隙率58.56%,计算其真密度为453.72kg.m-3;采用高速摄像技术,测得番茄秸秆碎料之间,番茄秸秆与钢材之间的恢复系数分别为0.2029,0.1935。以上这些秸秆碎料的特性为进一步开展立式螺旋带式混合离散元仿真研究提供了基础与依据。(3)立式螺旋带式混合离散元仿真与试验研究建立离散元模型,通过对离散元参数标定,采用正交试验的方法,对模拟仿真与实际试验的堆积角进行对比,确定适合于番茄秸秆碎料仿真试验组合:颗粒间静摩擦因数1.1,颗粒密度450kg.m-3,颗粒间粘性系数2000,开展离散元仿真试验研究:(1)通过对单个物料颗粒的运动过程仿真研究发现:物料颗粒群上表面径向中心区域位置的物料颗粒沿着内螺旋带搅拌叶片螺旋下降,速度稳定,物料桶底部径向外部区域的物料颗粒沿着外螺旋带搅拌叶片振荡上升,速度较慢;(2)通过对径向中心区域多个物料颗粒在不同因素下的轴向平均位移仿真研究发现:受扩散混合影响,多个物料颗粒的轴向下降平均速度要比单个颗粒慢得多;不同旋转速度情况下,轴向平均位移从大到小顺序为30r/min、60r/min、90r/min,不同螺距情况下,轴向平均位移从大到小顺序为275mm、150mm、400mm,不同填料高度情况下,轴向平均位移从大到小顺序为400mm、360mm、440mm;(3)通过对径向外边缘区域多个物料颗粒在对不同因素下的轴向平均位移仿真研究发现:多个物料颗粒的轴向上升平均位移,受扩散混合影响较小;不同旋转速度情况下,轴向平均位移从大到小顺序为90r/min、60r/min、30r/min,不同螺距情况下,轴向平均位移从大到小顺序为150mm、275mm、400mm,不同填料高度情况下,轴向平均位移的从大到小顺序为400mm、360mm、440mm;(4)采用单因素试验法,对待发酵的番茄秸秆碎料与粘有发酵菌种番茄秸秆碎料混合运动仿真,研究不同因素下立式螺旋带式混合性能,分析发现:随着搅拌叶片螺距的增加,混合均匀度得到提高,混合功耗呈先增大后减小的趋势,随着搅拌叶片旋转速度的增加,混合均匀度同样得到提高,功耗呈大幅度提高的趋势,随着填料高度的增加,搅拌均匀度呈降低趋势,功耗呈增加趋势。(4)样机试制与试验研究设计并搭建了一种立式螺旋带式混合试验装置,具有根据试验要求精确控制搅拌叶片的旋转速度,取料加料,搅拌叶片的快速更换,以及转矩的实时采集等功能。采用该试验装置分别开展了以搅拌叶片螺距,旋转速度和填料高度为单因素的试验,以及以搅拌叶片螺距,旋转速度和填料高度为多因素的回归正交试验,研究结果表明:随着搅拌叶片螺距的增加,混合均匀度得到提高,混合功耗呈先增大后减小的趋势,随着搅拌叶片旋转速度的增加,混合均匀度同样得到提高,功耗呈大幅度提高的趋势,随着填料高度的增加,搅拌均匀度呈降低趋势,功耗呈增加趋势;混合均匀度与搅拌叶片螺距,填料高度和旋转速度存在一次线性关系,影响的主次顺序依次为螺距、转速、填料高度。构建了混合均匀度与结构和工作参数的数学模型,通过MathCAD软件的求解与优化,得到当填料高度440mm、转速30r/min、螺距400mm时,物料混合变异系数为4.3,揭示了立式螺旋带式混合的高效机理。