玉米秸秆饲料成型机理及新型成型机成型原理研究

Corn stalk can be available for livestock's coarse fodder, it is inconvenient to transport or storage for its low bulk density in general or milled state, and it limits the large scale use of corn stalk. The forming instability usually exists in corn stalks fodder production, meanwhile, high energy consumption and low efficiency are found in current briquetting technologies, it demands the breakthrough of solidification mechanism of corn stalk powder and new type of briquetting with appropriate parameters. In this project, based on the microscopic analysis method with the addition of physical properties experiments and others, the mechanical properties, including flow characteristic, filling features, frictional properties as well as rheologica behavior are being analyzed in different conditions, and then find the principal factors which affect the physical properties of corn stalk material. Furthermore, distinct element method is employed to simulate the gathering and adhesive course under the coupling condition of thermal and mechanics, then explore the pattern of adhesive strength, deform and residual stress distribution, reveal the micro-structure dynamic variation and rearrangement mechanism. optimized processing parameters and performance parameters be acquired in combined with experiments. Based on the research achievement we will design a new type of compacting device of optimized parameters. The research is expected to obtain solidification mechanism and invent new compacting prototype, and it will provide theoretical and technological foundation for corn stalk feedstuff treatment and related work.

玉米秸秆是牛羊等牲畜的重要粗饲料资源。但因常态与粉碎处理后的密度小，不便于运输和储藏，制约了秸秆饲料规模化利用。我国目前玉米秸秆压缩成型机存在成型不稳定、能耗大和效率低等问题，亟待从玉米秸秆成型理论和成型机原理研究获得突破。本项目首先应用显微分析和物料特性试验等手段，研究秸秆粉粒体系在不同条件下的流动特性、填充特性、摩擦特性、流变特性等力学特性，探索影响秸秆物料特性变化的主要因素及其规律；采用离散元算法，对秸秆成型过程粉粒体在热、力耦合作用下的聚集、黏结过程进行模拟分析，发现粉粒间黏结强度、形变规律及残余应力分布与变化规律，揭示压缩成型过程中的秸秆微观结构动态变化与重组机理；结合物理试验，获得玉米秸秆饲料成型的最佳工艺参数，进行成型机关键参数的优化并研制出新型秸秆饲料成型机。项目研究可望揭示玉米秸秆饲料成型机理并发明新样机，对深入研究玉米秸秆饲料化及其相关技术研究奠定理论与技术基础。

本项目以粉碎玉米秸秆为研究对象，通过实验与计算机模拟技术，对应用机械力压缩秸秆粉料使其致密成型过程中的力学行为、颗粒品质等进行研究。.首先，对玉米秸秆粉粒微观形态进行观测，在此基础上，结合单模孔轴向压缩试验，进行秸秆粉粒成型过程的离散元模拟分析，建立了玉米秸秆粉料压缩成型微观颗粒力学参数对宏观力学响应的仿真模型。发现秸秆原料经过高温挤压后有新的官能团产生，木质素由此受热形成天然粘合剂将粉料中的穰状物和秸秆外壁黏合在了一起。基于离散单元法进行致密过程模拟时，利用人工神经网络算法，将离散元模拟的压缩力等参数作为网络输入，能够反求出离散元模拟颗粒的接触法向刚度、切向刚度与颗粒间摩擦系数。优化后的参数范围为法向刚度系数（1.2~1.8)×10e4N/m，切向刚度系数（0.8~1.3)×10e4N/m，摩擦系数0.1~0.12，颗粒粒径范围为0.4～1.0 mm。.第二，成型工艺参数中，对颗粒燃料密度有显著影响的顺序为温度、喂入量、孔径、压缩速度、含水率、预载荷；而对于单位质量能耗的影响顺序为：温度、孔径、预载荷、压缩速度、保压时间、位移限、粒度、喂入量。.第三，玉米秸秆粉料压缩流变本构模型中总应变由三部分叠加组成，即非线性黏性流动应变、非线性黏弹性应变和非线性黏塑性应变，此本构模型用于模拟压缩成型过程的方法具有一定通用性，可为生物质压缩成型提供比较客观的量化分析方法。.第四，本项目组设计了双回转支承的简支梁结构的新型生物质致密成型机。该机整体结构紧凑，生物质颗粒成型机的环模与压辊间形成楔形压缩区，二者的相对运动将松散物料带入该区域内进行压缩，环模与压辊径向间隙大小可在一定范围内调整变化。压辊轴采用同心直轴式，其中间轴段作为与环模作用的工作面，两端轴径分别与轴承配合，压辊工作时可绕其轴心线自由回转，两端与压辊配合的轴承又分别安装在偏心轴座内，对压辊轴构成双侧支承。.本项目所获研究成果有助于农业物料学与工程力学的交叉融合，为研制出高效低能耗成型机奠定理论与技术基础。