文丨科普知识局LD

编辑丨科普知识局LD

前言

2021年，我国农作物秸秆资源达到了惊人的11亿吨，并且预计产量将继续增加。然而，秸秆的利用却面临着一系列问题，包括体积庞大、分布零散、成本高等困扰。这种情况导致了综合利用效率低下和经济性差，进而造成了资源的浪费和环境问题。

为了解决这一难题，我国提出了“五化”技术工程，其中秸秆燃料化被认为是潜力巨大的利用方式。而在众多秸秆燃料化技术中，固化成型被证明是一种有效的清洁能源转化方式。固化成型技术通过加工秸秆，使其经过压缩、烘干等过程，形成紧凑的燃料块。这种方式的优势在于可以大大提高秸秆的密度和强度，从而减小其体积。

固化成型的燃料块在燃烧过程中排放较少的污染物，对环境的影响也相对较小。通过将秸秆固化成型，不仅可以有效减少其占用的储存和运输空间，还能够降低物流成本，提高利用效率。这种清洁能源的利用方式将有助于实现秸秆资源的高效利用，促进农村可持续发展，减轻环境负担。

近年来，国内已经研制出多种秸秆固化成型设备，包括螺旋挤压式、活塞冲压式和模辊挤压式。与传统的固定式设备相比，这些新型设备具有诸多优势。传统设备需要进行一系列准备工作，如秸秆的运输和储存，这不仅增加了成本，而且流程繁琐，劳动强度也很大。然而，近年来研制的移动式设备打破了传统的限制。

这些移动式设备不需要秸秆的运输和储存，可以一次性完成多个作业过程。这不仅降低了成本，减少了流程，而且大大降低了劳动强度，尤其适用于田间的移动作业。移动式设备的优势主要体现在以下几个方面。

它们可以直接在农田中进行作业，无需将秸秆运输至设备所在地，从而节省了运输成本和时间。这些设备一次性完成多个作业过程，如挤压和成型，提高了作业效率，节约了人力资源。

移动式设备的结构紧凑，操作简单，农民可以轻松掌握使用技巧，减少了培训成本和周期。除了以上的优势，移动式设备还具有环保的特点。传统的秸秆处理方法往往导致空气和土壤的污染，而移动式设备可以将秸秆固化成型，减少了有害气体的排放，有利于环境保护。

玉米秸秆捡拾制粒机总体结构

玉米秸秆捡拾制粒机是一种具有复杂结构的设备，主要包括驾驶室、捡拾装置、输送除土装置、行走装置、压缩制粒装置和料仓等组成部分。

这些部件紧密配合，共同完成秸秆的处理和制粒过程。在操作过程中，玉米秸秆首先通过捡拾装置进行粉碎和初步除土。捡拾装置能够有效地捡拾玉米秸秆，并将其送入机器内部进行粉碎，同时也对秸秆进行初步的除土处理。

接下来，秸秆进入输送除土装置，该装置可以去除秸秆上的尘土，并将秸秆输送至压缩制粒装置。在压缩制粒装置中，秸秆经过压制成颗粒的过程，最终形成均匀的颗粒状物料。

设备通常采用117kW柴油机作为动力源，为其提供所需的动力。其工作幅宽为2m，每小时能够捡拾1.5至2吨的秸秆。在制粒方面，每小时可生产1.5吨的秸秆颗粒，成型率高达95%。而颗粒的密度范围则在0.8g/cm³至1.2g/cm³之间，保证了颗粒的稳定性和质量。

1.1输送除土装置总体结构

自走式560XG型环模制粒机的输送除土装置采用了螺旋输送和筛网的结合设计，以实现高效的秸秆处理过程。该装置由拨料板、螺旋输送轴、筛网和壳体四部分组成，其中螺旋输送轴和筛网是主要组成部分。

在自走式560XG型环模制粒机工作时，混合物料被捡拾轴抛入输送除土装置。螺旋输送轴和筛网的作用将秸秆顺利地输送至拨料板，并通过筛网的筛选作用将尘土从秸秆中分离出来。这样，秸秆经过除尘处理后，被拨料板送入制粒装置进行下一步的加工。

螺旋输送轴和筛网在输送除土装置中起着关键作用。螺旋输送轴通过旋转和螺旋形状的设计，能够将秸秆顺利地输送到拨料板位置，并保持较高的输送效率。筛网则具有过滤作用，能够将尘土和杂质从秸秆中筛分出来，确保秸秆的质量和纯净度。

通过采用这种自走式560XG型环模制粒机的输送除土装置，秸秆的处理过程变得更加高效和自动化。它能够有效地将秸秆从捡拾轴处输送至制粒装置，同时将尘土和杂质分离，保证制粒过程的质量和纯净度。

这种自走式560XG型环模制粒机的输送除土装置不仅提高了工作效率，还减少了人工操作和劳动强度。它为秸秆的利用提供了可靠的技术支持，为农业废弃物的处理和资源化利用做出了积极贡献。

输送除土装置离散元仿真设计

RockyDEM是一种基于离散元法的通用CAE软件，专门用于模拟和分析颗粒物料在不同设备中的力学行为以及对设备性能的影响。它被广泛应用于散料、颗粒物运动、磨损、破碎等领域，并适用于矿山设备、制药、食品、农业、化工、冶金等行业。

相对于其他商业离散元法（DEM）软件，RockyDEM具有许多独特的优势。首先，它具备快速建模的能力，可以高效地创建复杂的颗粒模型，包括多种颗粒形状和大小分布。其次，RockyDEM拥有成熟的求解器，能够准确地模拟和预测颗粒物料的运动行为，包括颗粒之间的碰撞、滚动和滑移等复杂相互作用；RockyDEM还具备真实颗粒形状的建模能力，能够更准确地描述颗粒的特征和行为。

它可以计算颗粒之间的剪切力，提供了对颗粒流动和堆积的深入理解。而且，该软件还提供了破碎模型，能够模拟颗粒在碰撞和压力下的破碎行为，从而帮助分析颗粒物料的破碎过程和产品质量。

另一个值得注意的优势是RockyDEM与ANSYS软件的集成。通过与ANSYS的连接，用户可以在RockyDEM的模拟结果基础上进行进一步的结构和流体力学分析，实现多物理场耦合仿真，从而更全面地研究颗粒物料对设备和系统的影响。

3.1输送除土装置模型建立与运动设置

为了深入分析装置参数对输送除土的影响，对该装置进行了合理的修改和简化，将其分为壳体和螺旋输送轴两个部分。这样的划分可以更好地研究每个部分对输送除土过程的影响。

利用SolidWorks软件建立了该装置的三维模型，并将其导入到RockyDEM中进行仿真分析。在建立模型的过程中，对壳体和螺旋输送轴进行了材料属性的设定。壳体部分固定不动，而螺旋输送轴被设定为可以旋转的。

接下来，根据自走式560XG型环模制粒机的工作转速，将螺旋输送轴的转速设定为1600转/分钟。这样的设定能够模拟实际工作条件下的螺旋输送轴运动情况，从而更准确地分析其对输送除土效果的影响。

通过这些设定和模拟，可以详细研究装置参数对输送除土过程的影响。例如，可以观察螺旋输送轴转速的变化如何影响颗粒物料的输送速度和除土效果。此外，还可以分析不同材料属性对除土过程的影响，从而优化装置设计和操作参数。

3.2混合物料模型建立

为了准确模拟输送除土装置的工作过程，需要建立尘土颗粒和秸秆颗粒两种物料的模型。对于尘土颗粒，可以使用软件自带的多面体颗粒模型进行建模。在建模过程中，需要设置一些关键参数，如垂直纵横比、水平纵横比、面数和大小范围等。这些参数将决定尘土颗粒的形状和大小，从而影响其运动行为和输送除土效果。

对于秸秆颗粒，可以将其简化为不同尺寸的圆柱体，并使用圆柱体颗粒模型进行建模。同样地，在建模过程中需要设置关键参数，如垂直纵横比、水平纵横比和长度范围等。

为了更加真实地模拟实际情况，可以按照正态分布设置不同尺寸的秸秆颗粒的数量，以便更好地反映秸秆颗粒的实际分布情况。通过建立尘土颗粒和秸秆颗粒的模型，并设置合适的参数，可以在仿真中模拟输送除土装置的工作过程。

通过观察尘土颗粒和秸秆颗粒的运动和相互作用，可以评估装置的除土效果和性能表现。这样的模拟分析可以帮助工程师们更好地了解装置的工作原理和改进方向，以优化装置设计和参数设置，提高工作效率和产品质量。

3.3单因素仿真试验

单因素方针试验主要是在探究装置结构参数对其工作性能的影响，并以秸秆损失率和除土率作为评估指标进行分析。研究考虑了筛孔孔径、螺旋轴螺距和叶片与壳体间隙这三个因素的影响。

针对秸秆损失率的分析，采用了一种仿真方法。通过统计仿真中秸秆颗粒的质量，并创建相应的区域和属性来计算落入区域的秸秆颗粒质量。借助Time Plot工具对秸秆损失率进行分析。这样可以定量评估装置在工作过程中的秸秆损失情况，从而了解结构参数对秸秆损失率的影响。

除土率的分析方法与秸秆损失率类似，同样采用了仿真统计尘土颗粒的质量。通过创建区域和属性来计算剩余尘土颗粒的质量，并利用Time Plot工具进行除土率的分析。这样可以量化装置对尘土的除去效果，并探究结构参数对除土率的影响。

为了研究筛孔孔径对输送除土的影响，进行了单因素试验。在固定螺距和叶片与壳体间隙的条件下，测定了不同筛孔孔径下的除土率和秸秆损失率，并获得了筛孔孔径对装置工作性能的影响规律。通过对比不同筛孔孔径的数据，可以确定最优的筛孔孔径范围，以提高除土效果和减少秸秆损失。

通过固定筛孔孔径和叶片与壳体间隙，测定了不同螺距下的除土率和秸秆损失率，以研究螺距对输送除土的影响。

通过单因素试验固定筛孔孔径和螺距，测定了不同叶片与壳体间隙下的除土率和秸秆损失率，以研究叶片与壳体间隙对输送除土。通过对试验结果的比较和分析，可以得出螺距和叶片与壳体间隙的**取值范围，以优化装置的工作性能。

3.4多因素仿真试验

输送除土装置的工作性能受到筛孔孔径、螺距和叶片与壳体间隙等关键结构参数的影响。这些参数的变化会直接影响装置的除土效果和秸秆损失率。为了更全面地研究这些参数对工作性能指标的影响，需要进行多因素的仿真实验。

在单因素试验中，研究人员通过改变单个参数的值，并保持其他参数恒定，来观察其对工作性能的影响。试验结果表明，筛孔孔径的变化、螺距的变化以及叶片与壳体间隙的变化，都会对工作性能产生显著影响。

为了更深入地研究这些参数及其相互作用对工作性能的综合影响，可以进行三元二次回归正交旋转组合试验。这种试验方法充分考虑了参数之间的相互作用关系，并通过合理的试验设计来获取更多的数据。通过收集试验数据，并借助专业的仿真软件进行数据分析和建模，可以得出最优的结构参数组合，以实现**的工作性能。

1. 输送除土装置试验台试验研究

为了确定输送除土装置的最优结构参数进行设计，依照第三章进行了一系列试验，并设计了相应的试验台模型。对输送除土装置试验台试验进行研究；这些试验的目标是通过对成捆玉米秸秆进行实验，研究输送除土装置的工作性能，并建立相关的回归模型。

试验设备包括输送除土装置试验台、光学式转速仪、含水率测量仪、电子天平、游标卡尺和计时器等。输送除土装置试验台由壳体、筛网和螺旋轴组成，并由柴油机提供动力。壳体由支撑板和进料挡板组成，用于支撑和引导物料的流动。

进行单因素试验，以测试转速和喂入量对除土率的影响。通过调整这两个参数，观察除土率的变化，并记录实验数据。接下来，他们进行了多因素试验，建立了除土率的回归模型。通过同时改变多个因素，如转速、喂入量等，他们探索了这些参数对工作性能的综合影响。

为了优化工作参数并提高除土率，可以采用Design-Expert 8.0.6软件的优化求解功能。将多因素试验的参数输入软件中，并使用优化算法找到了提高除土率和优化工作参数的最优解。这个最优解提供了一组**的参数组合，可以用于设计和改进输送除土装置，以实现更高的除土效率和更好的工作性能。

结论

为了推动秸秆资源的综合利用，相关地区出台了政策以规范秸秆固化成型技术的发展。然而，现有的输送除土装置无法满足移动式秸秆固化成型设备的要求，需要解决除土率、秸秆损失率和功耗等问题。

通过调研和实地调研确定了采用离散元仿真试验方法进行输送除土装置的研究。 通过分析物料在输送除土装置内的受力和运动情况，特别关注螺旋升角、倾斜角和起抛角等参数对流动效果的影响。

为了进行模拟仿真，选择了RockyDEM软件，该软件能够模拟物料颗粒的运动行为。通过试验和仿真，可以确定了筛孔孔径、螺距和叶片与壳体间隙对工作性能的影响，建立相应的回归模型运用。