碎玉米秸秆卷压特性的研究

近年来,由于我国各地草原不同程度的退化及畜牧业的快速发展,饲草短缺的问题日益严重,牲畜冬季缺草现象尤为突出。玉米秸秆含有丰富的营养物质,是优质的粗饲料资源。在我国农村,玉米秸秆作为牲畜饲料已有悠久的历史,在开发利用玉米秸秆做牲畜饲料时,首先遇到的问题是其自身密度低,不便于收集、运输、贮存,导致利用率低。通过压缩提高密度是解决这一问题的有效途径,玉米秸秆压缩后可以为下一步的开发利用及流通创造有利的条件,提高其经济价值。 首先,完成了碎玉米秸秆卷压试验台的设计与组建。碎玉米秸秆卷压试验台主要由动力装置、电控装置、青贮圆捆机、测试系统四部分组成。电动机为青贮圆捆机提供动力;电控装置主要包括变频器和开关电路,控制开机和关机以及电动机转速;青贮圆捆机作为卷压试验装置;测试系统包括扭矩测试系统和卷压力测试系统,包括硬件和软件两部分,硬件主要有扭矩传感器、放大器、应变片、静态应变测试系统、数据采集卡、计算机等,软件主要有自行设计的LabVIEW虚拟仪器试验测试软件和XL3403G高速静态应变测试数据采集分析软件,以完成试验数据采集、处理和保存。为了安装扭矩传感器、测力拉环等,还对传动轴、仓门连接件、圆捆机底座等进行了设计和改装,使试验台运转可靠,满足了试验要求。 其次,设计了碎玉米秸秆在不同含水率、不同喂入量、不同挤草辊转速下的卷压成捆正交试验。通过分析秸秆含水率、饲草喂入量、挤草辊转速对草捆成捆卷压力和卷压功率消耗的影响,确定了诸因素影响的显著性及其主次关系。采用对试验数据进行非线性拟合的方法,建立了碎玉米秸秆卷压过程卷压力与成型密度的回归模型,同时找到了卷压力随秸秆含水率的增大呈非线性减小的规律。依据试验结果,在分析碎玉米秸秆卷压成型原理的基础上,初步揭示了卷压方式下碎玉米秸秆的压缩与成型机理,并在试验中验证了卷压方式下挤草辊转速对功率消耗几乎没有影响,可以通过增加挤草辊转速来提高作业效率的分析结论。为碎玉米秸秆卷压工艺的优化提供了依据。 第三,通过对卷压力与卷压密度的回归分析,以及卷压力与秸秆含水率关系的研究,建立了全含水率下的二元卷压压缩方程。根据碎玉米秸秆卷压过程中应力、应变变化的基本特征,采用流变学基本模型元件相组合的方法,建立表征碎玉米秸秆卷压流变特性的广义麦克斯威尔模型,推导得出了本构方程,并从理论和试验两个方面进行了分析验证。依据本构方程,通过对试验数据回归拟合,得到了草捆应力松弛模型及其参数,分析了含水率、喂入量以及挤草辊转速对模型参数和应力松弛效果的影响,提出了改善应力松弛状态的途径,对提高卷压效率和成捆质量具有理论指导作用。 论文的主要研究成果,为碎玉米秸秆卷压设备的设计开发和成捆工艺的优化提供了理论依据,将对相关物料的加工特性、方法以及技术手段开展深入的研究,进一步加快农业纤维物料的生态高效利用起到积极的推动作用。