【摘 要】
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紫花苜蓿是营养价值高的饲草料。由于苜蓿本身松散,堆积密度较小,形状不规则,不便于运输和储存从而阻碍了苜蓿的推广。将松散的苜蓿压缩成规则的草块则可以降低运输和储存成本。但目前生物质压缩成型机存在成型产品品质差、关键部件磨损严重的问题。为了解决这些问题,课题组将振动引入压缩成型过程中,试验验证了振动压缩有利于提高产品质量。为进一步研究振动对成型产品的作用特性,本研究对压缩物料内热量、应力分布及传递规律
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（项目批准号:32060771,项目名称:振动力场作用下牧草压缩多尺度应力传递及热特性研究）；
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紫花苜蓿是营养价值高的饲草料。由于苜蓿本身松散,堆积密度较小,形状不规则,不便于运输和储存从而阻碍了苜蓿的推广。将松散的苜蓿压缩成规则的草块则可以降低运输和储存成本。但目前生物质压缩成型机存在成型产品品质差、关键部件磨损严重的问题。为了解决这些问题,课题组将振动引入压缩成型过程中,试验验证了振动压缩有利于提高产品质量。为进一步研究振动对成型产品的作用特性,本研究对压缩物料内热量、应力分布及传递规律进行宏观和细观尺度研究。通过对苜蓿秸秆物理特性参数测定与离散元仿真参数标定,建立了适用于振动压缩过程计算机仿真的苜蓿秸秆颗粒离散元模型;搭建了可测量模具内温度及压力的振动压缩试验系统,测定压缩过程中应力及热量的传递规律。以热及应力传递效果和成型产品质量为主要评价指标分析获得试验台工作较优参数;利用离散元法多尺度进行振动压缩过程中被压缩物料内应力场、温度场分布的仿真。得到了苜蓿秸秆颗粒振动压缩过程热及应力传递特性机理和仿真结果较优取值范围。研究内容与结果如下:1.测试了苜蓿不同含水率和颗粒粒度情况下的导热系数、比热容和剪切模量等本征参数;测试了苜蓿秸秆之间与苜蓿秸秆和45#钢相互接触的恢复系数、静摩擦因数和滚动摩擦因数。2.建立了能够应用于振动压缩仿真的苜蓿秸秆离散元模型。根据苜蓿秸秆物理特性试验测定结果,标定了苜蓿秸秆颗粒振动压缩过程离散元仿真需要输入的力学特性参数。3.以含水率、振动频率和颗粒粒度为试验因素,以成型模具内颗粒热和压力传递效果为评价指标,应用生物质振动压缩试验台进行了不同工况参数的响应面试验。试验发现振动不仅能使压缩过程热及应力传递效果更优,还能促使颗粒之间摩擦产生热量。试验得到苜蓿秸秆颗粒振动压缩最优工况参数组合为:振动频率在15Hz-20Hz,苜蓿颗粒含水率为16%-18%,颗粒粒度小。4.结合仿真试验结果和生物质振动压缩试验结果,得到产生较优仿真结果的机理为:苜蓿秸秆颗粒成型后,颗粒孔隙率大的位置颗粒流动性强,传热效果更优;颗粒配位数高的位置颗粒间接触充分,应力传递效果更优。仿真试验得到苜蓿秸秆颗粒振动压缩最优工况参数组合为:振动频率在17Hz左右,苜蓿颗粒含水率为16%-20%,颗粒粒度小。仿真试验结果与实际试验结果接近,证明仿真试验结果可靠。5.以含水率、振动频率、颗粒粒度、保型时间、外源加热温度为试验因素,以苜蓿压缩成型块出模密度、松弛比、抗跌碎性为评价指标,应用生物质振动试验台进行了不同工况参数的响应面试验。试验发现改善苜蓿秸秆颗粒压缩过程热及应力传递能提高成型产品质量。为提高生产效率,试验得到苜蓿秸秆颗粒振动压缩最优工况参数组合:含水率为16-18%,振动频率约20Hz,保型时间为150秒,外源温度为70℃。该参数组合得出的试验结果:物料出模密度为649.73kg/m~3,松弛比为1.152;将成型块由1m的高度自由落体跌落,没有超过0.1g的质量损失。成型产品质量优良,易于运输和储存。本研究的结论对设计生物质压缩成型机结构及工况参数的选取提供了一定的参考依据。
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