蝇蛆处理畜禽粪便中蛆料分离多维振动筛的设计

摘要

我国是全球最大的养猪国，全球一半的存栏猪在中国饲养，随着养猪及其他畜禽饲养产业的兴起，规模化饲养场越来越多也越来越大，随之而来的是大量畜禽粪便，尤其是固体粪便造成了我国环境的巨大污染。我国大部分畜禽饲养的粪便都是没有经过任何处置而直接排放，不但会引起环境严重的污染，而且也是对资源极大的浪费。利用处理后的畜禽粪便饲养蝇蛆已经成为当代饲养行业的热点，它一方面可以消耗掉大量畜禽粪便，缓解畜禽粪便肆意排放对环境的巨大破坏，另一方面可以作为我国各种集约型饲养行业的蛋白质饲料。但是，利用处理后的畜禽固体粪便来进行蝇蛆饲养的技术刚刚起步，与发达国家差距较大，目前蝇蛆饲养规模小、技术简单、加工深度低、蛆料分离技术落后。其中蝇蛆饲养尚未形成规模化产业链的一个非常重要的原因是蛆料自动分离装备机械化、自动化程度低，分离系统可控性差，无法实现规模化、工厂化分离生产，大大限制了我国蝇蛆饲养工业的发展水平。
　　基于上述原因本课题的提出了一种基于并联机构的应用于蝇蛆处理畜禽粪便行业中蛆料分离多维振动筛的思想，该振动筛能够大大提高筛分效率，实现蛆料分离的机械化、自动化、可控化，本文拟对培养料颗粒DEM的分析、样机结构分析及优选、运动学分析及仿真、透筛率影响因素分析、试验等问题展开系列研究。本文的研究内容主要包括：
　　首先，基于DEM对培养料颗粒的运动理论进行研究。创建传统往复振动筛的模型，对单颗培养料颗粒进行受力分析；对单颗培养料颗粒透筛概率进行分析；创建培养料颗粒和筛网的几何模型；基于DEM确定培养料颗粒碰撞模型，计算接触力、弹性系数、阻尼系数等参数；分析培养料颗粒DEM的求解流程。
　　其次，对蛆料分离多维振动筛主体并联机构进行结构分析及优选。提出了3T、2T1R、1T2R和3R四种运动形式的并联机构，应用杨廷力老师的机器人拓扑结构理论对四种并联机构进行详细的结构分析，并在其基础上优选出一种适用于蛆料分离多维振动筛的机型。
　　然后，对蛆料分离多维振动筛主体并联机构进行运动学分析及仿真。在所优选出的蛆料分离多维振动筛主体并联机构的基础上，建立数学模型，运用数学方法结合高等机构学的理论知识进行位置计算，得出其位置的正反解，根据位置正解方程在MATLAB中编程，得到动平台的理论运动曲线，然后在Pro/E三维建模软件中创建该机构的三维模型，通过Mech/Pro添加完运动副后，导入ADAMS软件中，给定驱动副运动规律，得到动平台的仿真运动曲线，比较动平台的理论运动曲线和仿真运动曲线，验证位置正解的正确性；对该机构进行速度分析和加速度分析，在ADAMS中给定每个驱动副相同的运动规律后，得到动平台的速度和加速度曲线；根据正反雅克比矩阵，分析该机构的解耦性；应用雅克比代数法分析该机构的奇异位形。
　　接下来，对蛆料分离多维振动筛透筛率影响因素进行分析。在所优选出的蛆料分离多维振动筛主体并联机构的基础上，在Pro/E三维建模软件中创建蛆料颗粒和几何体的三维模型，导入EDEM颗粒仿真软件中，给定筛框不同的运动形式，探究振幅、频率对培养料颗粒透筛率高低的影响，以及探究自由度数对培养料颗粒透筛率高低的影响。
　　最后，对蛆料分离多维振动原理样机进行试验探究。设计加工蛆料分离多维振动筛的原理样机，选取适合的试验仪器，设计好相应的试验原理及步骤，对原理样机进行位姿试验和自由度数对筛分性能影响试验，得出相关数据，并与理论分析相比较。

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第一章 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 蝇蛆分离技术发展现状

1.3 DEM国内外的发展及应用现状

1.4 多维振动筛的研究现状

1.5 存在的主要问题

1.6 本课题主要研究内容

第二章 基于DEM的培养料颗粒运动理论研究

2.1 传统往复式振动筛上单颗培养料颗粒运动分析

2.2 单颗培养料颗粒透筛概率分析

2.3 基于DEM培养料与筛网模型的建立

2.4 基于DEM的颗粒动力学模型

2.5 颗粒DEM求解过程分析

2.6 本章小结

第三章 蛆料分离多维振动筛主体并联机构的结构分析及优选

3.1 并联机构拓扑结构理论

3.2 3T并联机构结构特性分析

3.3 2T1R并联机构结构特性分析

3.4 1T2R并联机构结构特性分析

3.5 3R并联机构结构特性分析

3.6 蛆料分离多维运动振动筛机型优选

3.7 本章小结

第四章 蛆料分离多维振动筛主体并联机构运动学分析及仿真

4.1 机构位形分析

4.2 位置正解仿真验证

4.3 速度分析

4.4 加速度分析

4.5 速度、加速度的模拟仿真

4.4 解耦性分析

4.5 奇异位形分析

4.6 本章小结

第五章 蛆料分离多维振动筛透筛率影响因素分析

5.1 EDEM软件概述

5.2 蛆料颗粒和筛网仿真模型的建立

5.3 振幅对筛分性能的影响

5.4 振动频率对筛分性能的影响

5.5 培养料颗粒透筛率高低原因分析

5.6 自由度数对筛分性能的影响

5.7 本章小结

第六章 蛆料分离多维振动筛原理样机及试验探究

6.1 蛆料分离多维振动筛原理样机

6.2 位姿试验

6.3 自由度数对筛分性能影响试验

6.4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所取得的成果

附录