玉米秸秆粉料致密成型工艺参数优化与模拟分析

【摘要】：我国玉米秸秆年产量约2.65亿吨,但在秸秆直接利用过程中,其松散的自然形态使得运输与贮藏成本过高,不利于资源的流通与商品化利用。将秸秆资源进行致密成型加工是解决这一瓶颈的有效手段,与之相关的致密成型技术优化研究对于推进秸秆资源的开发利用具有重要意义。本文以玉米秸秆粉料为研究对象,探索成型工艺与物料特性参数对致密成型颗粒品质特性的影响,并对成型过程中物料的力学行为进行试验与模拟研究,取得的主要成果有：(1)采用中心复合设计试验方案,以喂料电机转速、环模与压辊间隙调整角度和物料含水率为试验因素,以成型颗粒燃料的颗粒密度、堆积密度、颗粒含水率、单位质量能耗及压缩力为试验指标,应用典型致密成型设备对粉碎玉米秸秆粉料进行压缩成型试验。对试验数据进行回归分析后显示,3个试验因素对堆积密度及单位质量能耗影响均显著,而对颗粒含水率和压缩力模型的影响均不显著,环模与压辊间隙调整角度和物料含水率对颗粒密度回归模型影响显著。对各试验指标进行多目标优化后显示,在颗粒密度、堆积密度与单位质量能耗指标权重系数分别为2、2、1,喂料电机转速为450r/min、模辊间隙角度为11.25。、秸秆粉料含水率为22.5%时,基于各回归模型的多目标优化值分别为：颗粒密度为0.8110g/cm3,堆积密度为425.505kg/m3,单位质量能耗为78.32(kW·h)/t,验证试验结果与优化值相对误差小于3%。(2)通过单模孔成型试验,研究了成型工艺参数对玉米秸秆颗粒密度、颗粒含水率及单位质量能耗试验指标的影响。首先基于Plackett-Burman析因试验设计筛选出对试验指标有重要影响的6个试验因素：温度、喂入量、孔径、压缩速度、含水率、预载荷；在此基础上,结合单因素试验,应用均匀设计试验方法对所选6个试验因素进行了多因素、多水平试验。通过对试验数据进行回归分析,发现除预载荷试验因素外,其余因素对颗粒密度回归模型有显著影响；而全部试验因素均对颗粒含水率回归模型有显著影响；对于单位质量能耗回归模型,孔径与温度两个试验因素有显著影响。当设置颗粒密度、含水率和单位质量能耗模型试验指标权重相同时,模孔直径为8mm,型腔成型温度为93.81℃,压杆压缩速度为100mm/min,每行程喂入量为0.4g,预载荷为1kPa,含水率为20%时,得到多目标优化后的颗粒密度为1.719g/cm3,颗粒含水率为11.09%,单位质量能耗为1.3797J/g(38.33(kW·h)/t),验证试验结果与优化值相对误差分别为10.5%,1.26%和17.4%。(3)基于单模孔成型试验,对玉米秸秆粉料致密成型过程中的力学行为进行了研究,发现广义麦克斯韦尔模型适于描述物料的流变本构特性。在闭式压缩模式下,每行程最大压缩力与压缩时间呈指数形式增长。(4)基于软球模型接触理论,建立了物料成型过程离散元仿真模型,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。结合两种计算技术,对实际应力松弛试验进行了模拟,模拟结果与实测结果一致性较好。本研究可为生物质类物料压缩成型机具设计与成型工艺优化提供理论依据和实际指导,离散元模拟方法与人工神经网络相结合,为生物质物料成型提供了新的技术手段与分析方法。 【关键词】：玉米秸秆粉料 离散元 压缩成型 工艺优化
【学位授予单位】：沈阳农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：S216.2
【目录】：

• 摘要11-13
• Abstract13-15
• 第一章 绪论15-31
• 1.1 研究目的和意义15-16
• 1.2 生物质原料挤压成型方式及机具16-19
• 1.2.1 主要压缩成型方式16-18
• 1.2.2 其他成型方式18-19
• 1.3 生物质压缩成型理论研究现状19-29
• 1.3.1 压缩密度(体积变化)与压缩力关系19-21
• 1.3.2 生物质物料压缩流变特性研究现状21-24
• 1.3.3 生物质颗粒燃料微观成型机理研究24-26
• 1.3.4 物料特性参数与成型工艺参数对颗粒燃料品质的影响26-29
• 1.4 研究内容和方法29-31
• 1.4.1 主要研究内容29
• 1.4.2 研究方法29-31
• 第二章 典型致密成型设备的成型试验与分析31-53
• 2.1 试验材料31
• 2.2 试验因素与试验指标31-32
• 2.2.1 试验因素31-32
• 2.2.2 试验指标32
• 2.3 试验设备与试验过程32-36
• 2.3.1 试验用颗粒成型设备32-34
• 2.3.2 压缩力数据采集系统34-35
• 2.3.3 其他主要测试仪器35
• 2.3.4 试验过程35-36
• 2.4 中心复合设计试验方案36-37
• 2.5 试验结果与分析37-50
• 2.5.1 试验因素对颗粒密度的影响分析37-40
• 2.5.2 试验因素对成型颗粒堆积密度的影响分析40-44
• 2.5.3 试验因素对颗粒含水率的影响分析44-45
• 2.5.4 对成型单位质量能耗的影响分析45-48
• 2.5.5 试验因素对平均压缩力的影响分析48-49
• 2.5.6 多目标优化49-50
• 2.6 本章小结50-53
• 第三章 玉米秸秆粉料单模孔成型试验研究53-89
• 3.1 试验目的53
• 3.2 试验材料53-54
• 3.3 模压成型试验装置54-55
• 3.4 压缩模式55-57
• 3.4.1 闭式压缩55-56
• 3.4.2 开式压缩56
• 3.4.3 压缩流程及每行程阶段划分56-57
• 3.5 试验指标及测定方法57-58
• 3.5.1 颗粒燃料密度57
• 3.5.2 颗粒燃料含水率57-58
• 3.5.3 颗粒燃料单位质量成型能耗58
• 3.6 试验因素及其取值范围58-59
• 3.7 Plackett-Burman析因试验设计与分析59-63
• 3.7.1 Plackett-Burman试验设计方案60
• 3.7.2 试验结果分析60-63
• 3.8 单因素试验63-71
• 3.8.1 温度单因素试验与结果分析63-65
• 3.8.2 含水率单因素试验65-66
• 3.8.3 喂入量单因素试验66-68
• 3.8.4 预载荷单因素试验68-69
• 3.8.5 模孔直径单因素试验69-71
• 3.9 均匀试验设计及结果分析71-86
• 3.9.1 均匀设计试验方案与结果71-72
• 3.9.2 颗粒密度模型回归分析72-77
• 3.9.3 颗粒燃料含水率回归模型分析77-84
• 3.9.4 单位质量能耗回归模型84-86
• 3.9.5 多目标优化86
• 3.10 本章小结86-89
• 第四章 单模孔成型过程物料力学特性试验与分析89-111
• 4.1 应力松弛试验及流变本构模型辨析89-93
• 4.1.1 应力松弛试验方案89
• 4.1.2 试验结果及流变本构模型辨识89-93
• 4.2 压缩力时间历程分析93-95
• 4.2.1 闭式压缩每行程最大压缩力随时间变化关系93-95
• 4.2.2 开式压缩模式下每行程最大压缩力随时间变化关系95
• 4.2.3 成型腔预热温度对每行程最大压缩力的影响95
• 4.3 几个压缩力经验公式应用与评价95-101
• 4.3.1 每行程加载过程压缩力经验公式应用及讨论96
• 4.3.2 压缩率公式及其应用96-98
• 4.3.3 Cooper-Eaton模型98-99
• 4.3.4 Walker模型99-101
• 4.4 不同成型腔孔径压制颗粒出模压力变化规律101-102
• 4.5 玉米秸秆粉料摩擦特性试验分析102-109
• 4.5.1 玉米秸秆粉料外摩擦特性102-104
• 4.5.2 玉米秸秆粉料内摩擦特性试验分析104-109
• 4.6 本章小结109-111
• 第五章 物料压缩成型过程计算机模拟与分析111-125
• 5.1 球形颗粒接触模型及离散单元法111-114
• 5.1.1 球形颗粒接触理论111-114
• 5.1.2 离散元法及软球接触理论114
• 5.2 基于软球模型的离散元模拟114-116
• 5.2.1 瑞利阻尼114-115
• 5.2.2 欧拉差分算法115
• 5.2.3 颗粒运动方程115-116
• 5.3 物料在单模孔内成型的离散元模拟116-117
• 5.3.1 离散元模拟几何模型创建116-117
• 5.3.2 成型过程离散元模拟的参数设置117
• 5.4 颗粒力学特性等效参数反求117-123
• 5.4.1 参数反求人工神经网络结构118
• 5.4.2 参数反求人工神经网络的训练118-121
• 5.4.3 应力松弛试验的离散元模拟与分析121-123
• 5.5 本章小结123-125
• 第六章 结论与展望125-127
• 6.1 结论125-126
• 6.2 展望126-127
• 参考文献127-133
• 致谢133-135
• 攻读博士学位期间发表的学术论文135

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