面向秸秆高能效揉碎的新型揉碎原理及关键部件优化研究

Tearing chopper is a typical equipment that turning cornstalk into feed, to improve the ecological environment and increasing the income of farmers, promote the sustainable development of agriculture in the western region, it is extremely important practical significance. This project can resolve the needs of cornstalk machining equipment for China's western region, aim at the characteristics of cornstalk tearing chopper that is equipped with large energy consumption and low efficiency, Through studying the characteristics of straw crushing and tearing mechanism, tearing process is analyzed, the mechanism of high energy efficiency is revealed, a new tearing mothod is put forward, the parameters of key components are optimized, improve the tearing energy efficiency. The following studies will be thoroughly conducted in this project: 1) Studying on the mechanical property of cornstalk and tearing mechanism, revealing tearing mechanism with coupling of discrete element and multi-body dynamics numerical simulation; 2) Analyzing the effect laws of tearing performance for key components structure, arrangement of the parameters of key components and working parameters, establish the relationship between tearing energy efficiency and distribution of flow field; 3) Based on the genetic algorithm for topology optimization of key components for tearing chopper, the parameters is obtained about high energy efficiency, finally to guide the development of high energy-efficient tearing chopper and provide theoretical basis.

秸秆揉碎机是将秸秆转化为饲料进行利用的典型装备，对改善西部生态坏境和增加农牧民收入，促进西部地区农牧业的可持续发展，具有极其重要的现实意义。本项目从我国西部地区对高能效玉米秸秆揉碎装备开发的需求出发，针对目前秸秆揉碎装备能耗大、效率低的问题，通过研究秸秆的冲击力学特性与揉碎方式，分析揉碎过程的内在联系，揭示高能效揉碎机理，进而得出一种新型的揉碎原理，并优化关键部件结构参数，实现秸秆的高能效揉碎。本项目拟开展研究的具体内容包括：1）研究玉米秸秆冲击力学特性表征方法及揉碎原理，结合离散元与多体动力学耦合数值模拟揭示高能效揉碎机理；2）研究关键部件结构对秸秆揉碎性能的影响，分析其布置形式与工作参数对揉碎能效的影响规律，建立揉碎机内腔气流场分布形态与揉碎能效之间的关系；3）基于遗传算法对揉碎机关键部件结构进行拓扑优化，得到高能效锤齿结构参数，最终为指导高能效揉碎机的研制与推广提供理论依据。

作物秸秆是农作物果实收货后获得的一种可再生生物资源，具有广泛的应用价值，但目前对秸秆的开发利用率还很低，大量玉米秸秆被废弃，甚至焚烧，不但浪费了资源，还造成了严重的环境污染。提高秸秆利用率，可以达到保护环境，节约资源，促进农业良性循环的目的。秸秆揉碎机是将秸秆转化为饲料进行利用的典型装备，其加工后的秸秆丝具有较高破节率，且成品形似天然草料，相比传统的粉碎机和铡草机，作为粗饲料直接饲喂牛、羊等牲畜，更符合牲畜采食习惯，且易于消化，有效提高了干玉米秸秆适口性、转化率和利用率。但目前秸秆揉碎机还存在功耗大、效率低的问题，还无法实现大范围推广。本项目通过物料特性测试、计算机数值模拟、搭建试验台与揉碎性能试验，揭示秸秆揉碎机理，提高秸秆揉碎机作业性能。具体研究结果如下：. （1）通过玉米秸秆物理特性测试与离散元仿真参数标定，建立适用于揉碎过程计算机仿真的玉米秸秆离散元模型，并应用离散元软件模拟了玉米秸秆揉碎过程；从空气动力学角度出发，研究了揉碎机内部结构与气流场分布之间的联系，分析了气流动压力对物料的带动输送作用，并利用FLUENT软件对揉碎机气流场进行了数值模拟，得到了揉碎室内流场结构信息较优的转子结构。. （2）在理论分析与数值模拟的基础上，搭建能够改变主轴转速、喂入链速度的9RS-60型秸秆揉碎性能试验台；应用该试验台进行了玉米秸秆揉碎性能试验，以吨料电耗、丝化率、标定单位功率生产率为主要评价指标，分析了试验台工作较优参数，得到了较高能效揉碎玉米秸秆的揉碎机作业参数为：主轴转速1 600 r/min，喂入链速度0.65 m/s；此时揉碎性能指标为：生产率105.21 kg/（kW•h），吨料电耗10.5 kW•h/t，丝化率99.2 %；分别优于农业行业标准规定最低性能指标的50.3 %、30 %、10.2 %。. 本研究的结论对设计新型高能效秸秆揉碎机结构及揉碎作业参数的选取提供了一定的参考依据。