秸秆压块成型因素与压模腔体的优化研究

【摘要】：为了获得大麦、燕麦、油菜及小麦秸秆原料的压缩特性,本文通过搭建秸秆压缩试验台、“半开式”压缩试验台、中试生产试验台,以及建立有限元分析模型,进行所选秸秆原料在不同含水率、粒径及载荷下的压缩与应力松弛特性研究,探讨了压模腔体结构参数对压缩过程的影响。原料压缩特性试验表明,含水率越高(15%)和粒径越小(筛孔直径19.05 mm)在较高压缩载荷(14.06 MPa)下,压缩密度越大。含水率的增加,使得草粉更易压缩,成型所需能量较少；粒径增加,压缩能耗越多。对比Walker与Cooper-Eaton模型后发现,后者对于压缩数据的拟合度更好,更好的表达四种秸秆的压缩特性。应力松弛现象发生在压缩过程结束的瞬间,对原料施加越大的载荷,松弛后的残余应力越大;压缩后的残余应力在短时间内迅速衰减,超过85%的松弛值发生在松弛开始后的1 min内；施加载荷和粒径越大,含水率越低,短时间内的残余应力松弛速度越快。优化改进了物料在成型腔体中的力学模型；得到了压模角度对压块密度及比能耗的影响,并进行了压缩与应力松弛情况分析。结果表明,压模角度对压块密度有着显著性的影响；压块密度随着压模角度的增加而增大,比能耗反而减小；压缩过程的最大成型力也随角度的增加而增大,压缩后的残余应力较大,但是衰减量也较大。利用ABAQUS有限元分析软件,建立了秸秆材料在三种锥角(2°、4°、6°)的压模腔体中的仿真模型。分析结果表明,随着锥角的增加,压缩径向力和轴向力增加；同时径向与轴向力的比值也增加,从而有利于物料在径向的成型。在“壁效应”的作用下,压块与压模接触面的应变大于中心部分的应变,锥角越大,该效应越强,促进了物料的成型,但是角度过大(6°),也易使得压块的剪切变形量过大,压块外形较差,品质下降。中试试验结果表明,较高的含水率可以引起较大的压缩力,而不同秸秆类型的粒径对压缩载荷的影响关系互不相同。较高的含水率可以有效的提高大麦、燕麦和小麦压块的出料效率以及降低生产能耗,然而对于油菜秆原料,含水率的提高反而降低了出料效率。含水率对存放一定时间后的草块密度有着不利的影响,当存放两周后,随着残余应力的衰减和水分的挥发,在较小含水率下压缩得到的草块可以稳定在更高的密度。 【关键词】：秸秆 压缩 压模腔体 压块机 半开式压缩
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 问题提出与研究意义12-13
• 1.2 国内外研究情况13-24
• 1.3 研究目标与研究内容24-25
• 1.4 研究方法与技术路线25-28
• 第二章 秸秆压块的压缩特性研究28-48
• 2.1 试验因素28-29
• 2.2 试验材料29-32
• 2.3 压缩试验台设计与搭建32-33
• 2.4 秸秆压缩特性33-39
• 2.5 压缩模型39-44
• 2.6 比能耗44-47
• 2.7 小结47-48
• 第三章 秸秆压块的应力松弛特性研究48-60
• 3.1 试验材料与方法48-49
• 3.2 压块松弛特性49-53
• 3.3 松弛模型53-58
• 3.4 小结58-60
• 第四章 秸秆压块的压模腔体影响试验研究60-72
• 4.1 成型原理与材料60-62
• 4.2 试验台设计62-65
• 4.3 压模力学分析65-67
• 4.4 模孔影响试验分析67-70
• 4.5 小结70-72
• 第五章 秸秆压块压缩成型有限元数值模拟72-84
• 5.1 有限元理论72-73
• 5.2 压缩成型过程的有限元分析73-75
• 5.3 压缩过程模具有限元分析结果75-81
• 5.4 小结81-84
• 第六章 秸秆压块中试试验研究84-96
• 6.1 试验原料84
• 6.2 试验台搭建84-87
• 6.3 试验结果及分析87-94
• 6.4 小结94-96
• 第七章 结论与建议96-98
• 7.1 结论96
• 7.2 主要创新点96-97
• 7.3 进一步研究的建议97-98
• 参考文献98-106
• 致谢106-108
• 作者简历108-109

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