玉米秸秆叶制粒性能及其制粒机械的试验研究与分析

摘要

我国玉米秸秆的产量逐年增加，并已逐步成为第一大农作物秸秆。合理利用玉米秸秆资源，既关系到我国广人农村居民的生活质量，也牵涉到农业生态系统中土壤肥效、防止环境污染以及节约资源等问题，是保障农业可持续发展的重要影响因素之一。随着对秸秆资源有效利用的关注，对秸秆使用价值的研究也越来越多，玉米秸秆主要由皮、穰、叶组成，其各部分主要化学及营养成分各不相同，其中玉米秸秆叶粗蛋白、粗脂肪含量相对较高且粗纤维较少，适宜做动物饲料。但玉米秸秆叶堆积密度小，为便于存储、运输及饲喂，可将玉米秸秆叶加工成颗粒饲料，为反刍家畜提供营养丰富、质优价廉的粗饲料。
　　本文通过对玉米秸秆叶进行压缩试验，以及平模制粒机的设计及建模，重点对玉米秸秆叶进行制粒性能的试验研究，得到的主要研究结论如下:
　　(1)利用万能试验机及自制压缩装置进行粉碎后的玉米秸秆叶压缩试验，分析含水率(％)、压缩密度(g/cm3)、加载速度(mm/min)三因素与最大压缩力之间的关系，分析结果表明:含水率、压缩密度和加载速度三因素对最大压缩力的影响均极显著;三因素对最大压缩力的影响规律为:含水率越大，最大压缩力越小;随着压缩密度的增加，最大压缩力先缓慢上升后大幅度上升;随加载速度的增加，最大压缩力缓慢增加。压缩试验范围内，压缩成型块仍处于制粒过程的预压缩阶段，粒子间结合松散、孔隙率大。
　　(2)基于玉米秸秆叶特性及其压缩试验，设计平模制粒机试验台。通过压缩试验、制粒预试验及理论分析，确定影响玉米秸秆叶制粒性能的主要因素有含水率(％)、模孔直径(mm，代表模孔长径比)、主轴转速(r/min)、添加剂配比(％)四因素。本文对以上因素进行试验研究，优化出玉米秸秆叶制粒适宜的工艺组合参数为:含水率19.95％、模孔直径范围为10～12mm、主轴转速211 r/min、添加剂配比10.5％。此时，平模制粒机的生产率高于98％，抗破碎性高于99％，成型率大于88％，成型密度大于1.28g/cm3。
　　(3)利用电子扫描显微镜对玉米秸秆叶及各影响因素不同水平的条件下压缩成型的颗粒饲料观察得出:玉米秸秆叶经过压缩后失去原有细胞结构的微观形貌，散粒体变形嵌合形成新的微观形貌，含水率、模孔直径、主轴转速和添加剂配比均对制粒性能有影响，选择适宜的含水率、模孔直径、主轴转速和添加剂配比的制粒条件有利于提高颗粒成型质量及密度。
　　(4)利用高速摄像技术对制粒过程观察，以及对制粒过程压辊作用分析，结合的玉米秸秆叶的特性，本文提出斜槽压辊结构，通过改进压辊辊槽结构使物料随压辊转动时具有向平模圆心处运动趋势，通过理论计算确定斜槽螺旋角β范围;并利用EDEM软件对压辊工作状态进行模拟仿真，验证压辊斜槽对物料具有向平模转动轴心的推动作用。
　　本文确定的优化参数能有效的提高玉米秸秆叶颗粒饲料成型质量和饲料品质，提出的斜槽压辊结构，有利于提升制粒机的工作效率并减少模辊的磨损。

目录

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声明

摘要

1 前言

1．1 国内外玉米秸秆的资源与利用

1．1．1 国内外玉米秸秆的资源情况

1．1．2 国内外对玉米秸秆的利用现状

1．2 国内外制粒机械的发展现状

1．3 研究目的和意义

1．4 研究内容和技术路线

2 玉米秸秆叶的压缩试验研究

2．1 压缩理论的研究现状

2．2 压缩试验材料与设计

2．2．1 压缩设备与仪器

2．2．2 试验材料

2．2．3 压缩试验设计

2．3 压缩试验结果与分析

2．3．1 玉米秸秆叶压缩力模型建立

2．3．2 单因素效应分析

2．3．3 因子交互效应响应曲面分析

2．4 小结

3 平模制粒机设计与建模

3．1 平模制粒机关键部件的设计与建模

3．1．1 平模的设计

3．1．2 压辊的设计

3．2 平模制粒机设计与建模

3．2．1 平模制粒机整体参数的确定

3．2．2 平模制粒机三维实体建模及装配

3．3 小结

4 玉米秸秆叶制粒试验研究及其颗粒显微结构分析

4．1 颗粒成型的主要影响因素

4．2 试验设计

4．2．1 试验材料及试验装置

4．2．2 试验方法

4．3 试验结果与分析

4．3．1 成型率

4．3．2 成型密度

4．3．3 抗破碎性

4．3．4 生产率

4．4 玉米秸秆叶及其颗粒饲料的显微结构观察与分析

4．4．1 实验仪器及试验材料

4．4．2 显微结构观察与分析

4．5 参数优化

4．6 小结

5 玉米秸秆叶制粒过程分析及制粒机压辊结构优化

5．1 制粒过程分析

5．1．1 基于高速摄影技术的制粒过程分析

5．1．2 压辊作用分析

5．2 平模制粒机压辊结构优化

5．2．1 斜槽压辊作用分析

5．2．2 EDEM仿真与分析

5．3 小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文