关键词:
基质块压缩成型
混料进料参数优化
离散元压缩参数标定
成型机结构设计
摘要:
屋顶绿化已成为提高自然生态环境质量、改善人民居住环境条件、增加城市绿化覆盖面积、降低城市内涝及热岛效应的重要途径。目前屋顶绿化存在取土难,以及散体基质栽培由于质轻粒散存在施工难度较大、成本较高等问题。秸秆等农林废弃物资源丰富,对其进行基质化利用是实现农林废弃物综合利用的有效手段之一。将这些农林废弃经过预处理后压缩成型制备栽培基质块,能够有效固定植物,给植物提供足够的营养成分,同时还可以减少环境污染、降低屋顶绿化施工过程劳动强度,具有广阔的应用前景,但目前市场上缺乏能实现连续性生产的基质块成型机。针对此状况,本文以烟草秸秆腐熟料和城市污泥堆肥料作为基质原料,进行基质块成型前进料、混料关键参数研究以及压缩成型过程模拟,并完成基质块压缩成型机总体结构设计与主轴部件静力学分析和模态分析,以期为秸秆基质的成型利用和成型机的设计提供理论依据。主要研究内容和结论如下:(1)探究基质块成型工艺中混料工艺参数对混料过程物料混合均匀性的影响。以物料混合均匀度为评价指标,通过单因素试验确定最佳混料时间,结果表明混合时间为180 s时混合均匀度最高。以混料参数(物料比例、物料含水率、混料机转速)为试验因素进行三因素三水平正交试验,以变异系数和混料比与设定值偏差的加权平均进行混合均匀度的综合评价,结果表明:在试验水平设置范围内,对混合均匀度影响最显著的因素是物料比例,次影响因素是含水率,最后才是混料机转速。当物料比例为6:4、混料机转速40 r/min、物料含水率30%时混料过程混合均匀性最好,其中物料配比和物料初始含水率的调节更有利于改善混合效果;而混料机转速可依据成型机整机性能进行协调控制。(2)探究基质块成型工艺中进料工艺参数对进料过程物料离散程度的影响。以混合均匀度为评价指标,以进料参数(进料速度、料仓倾角、料仓高度)为试验因素进行三因素四水平正交试验,以变异系数和混料比与设定值偏差的加权平均进行混合均匀度的综合评价,结果表明:在试验水平设置范围内,对混合均匀度影响最显著的因素是料仓倾角,次影响因素是料仓高度,最后才是进料速度。当料仓倾角为75°、料仓高度为110 cm、进料速度为0.1 m/s时物料离散程度最低,进料过程中能保持最佳均匀性,其中控制料仓倾角和料仓高度,可有效避免进料过程的物料离散;进料速度可以根据生产能力的要求进行控制,而无需过于考虑其对物料均匀性的影响。(3)利用台架实验和EDEM仿真相结合,对秸秆的本征参数、秸秆与秸秆以及秸秆与模具间的接触参数进行了标定。通过对物料堆积体进行图像处理,提取物料堆积角,以仿真试验结果与台架试验结果相对误差值作为评价指标,以秸秆与秸秆间,秸秆与模具间的恢复系数、静摩擦系数、动摩擦系数为试验因素,进行六因素五水平正交试验。结果表明:在试验水平设置范围内,各因素对物料堆积角准确性的影响显著性程度大小依次为秸秆与秸秆之间的静摩擦系数、动摩擦系数、秸秆与模具之间的动摩擦系数、恢复系数、秸秆与秸秆之间的恢复系数、秸秆与模具之间的静摩擦系数。当烟草秸秆与模具恢复系数为0.28、静摩擦系数为0.572,动摩擦系数为0.128。烟草秸秆与烟草秸秆恢复系数为0.21、静摩擦系数为0.413,动摩擦系数为0.133时试验结果相对误差值最小。此时仿真试验堆积角为27.15°,台架试验堆积角为26.56°,两者相对误差值为2.22%,表明离散元仿真结果可信。(4)建立烟草秸秆压缩的仿真模型,通过EDEM仿真压缩试验与实物压缩试验对离散元模型的有效性进行了试验分析。结果表明:仿真试验中加载力随压缩位移的变化与实物试验的变化趋势相一致,相同位移处加载力相近;仿真试验基质块密度为1.08 g/cm,实物试验基质块密度为1.04 g/cm,其相对误差为3.85%,表明离散元模拟有效可靠。在此基础上研究了压缩成型工艺参数(加载力、加载速度)对基质块密度和成型过程比能耗的影响,结果表明:随着加载力的增大基质块密度和压缩过程比能耗逐渐增大,而加载速度对基质块密度和成型过程比能耗几乎不产生影响,并且成型后基质块在周向方向上存在轻微分层现象。(5)根据预期基质块尺寸大小和成型机产能要求,完成基质块压缩成型机总体结构设计并对成型机主轴部位进行校核,通过静力学分析和模态分析结果表明:各轴强度、刚度均满足要求,结构设计合理。