生物炭还田机关键部件设计与仿真分析

当前生物炭还田过程烦琐,费时费力,为实现生物炭还田开沟—排炭—覆土一体化技术,设计适用于生物炭还田机上的排炭系统关键部件——开沟还田铲和排炭器。通过离散元软件洛基(Rocky)建立关键部件的仿真模型,模拟生物炭还田的工作过程。以炭量均匀性变异系数作为试验指标,出口距离、导管直径和挡板夹角为试验因素,运用Design-Expert软件设计单因素试验和三因素三水平响应面试验,通过分析响应面图和参数优化模块得到最优工作参数组合:出口距离65.20 mm、导管直径25.30 mm和挡板夹角30°。试验结果表明,在最优工作参数下,生物炭还田关键部件的炭量均匀性变异系数为28.622%,能一次性完成开沟、排炭还田、覆土工作,可为生物炭还田技术提供参考。

生物炭基肥离散元模型参数标定与试验

生物炭基肥料是近年来新兴的一种农业投入品,然而生物炭基肥料还田施用的机械化程度尚属较低水平。为促进生物炭基肥料机械化还田的理论和实践发展,寻求最优生物炭基肥离散元模型接触参数组合,指导生物炭及炭基肥料还田机械的设计和试制,提出了一种真实试验与仿真试验结合的方法,对生物炭基肥颗粒数学模型开展研究,验证数值方法的适用性和准确性。以生物炭颗粒堆积角的实际测量值为目标值,通过物料特性研究了创建法向力、切向力和附着力接触模型,利用离散元仿真软件ESSS Rocky DEM对生物炭基肥颗粒离散元参数进行标定,设计Placket-Burman试验获取对堆积角有显著影响的参数,通过最陡爬坡试验得到显著因素参数区间,最后通过Box-Behnken试验优化参数组合。结果表明:生物炭基肥料颗粒粒径占比2mm为35%,3 mm颗粒占比为42%,4 mm颗粒占比为23%,颗粒平均含水率为5%,测得炭颗粒堆积角实际值为23.65°;对炭基肥颗粒接触参数有显著影响的因素为炭—炭滚动摩擦系数、炭颗粒表面能JKR以及炭—钢滚动摩擦系数,最优化参数组合为炭—炭滚动摩擦系数0.36、炭颗粒表面能0.30、炭-钢滚动摩擦系数0.20,仿真堆积角试验值与真实试验值的平均相对误差仅为0.72%,验证了仿真参数及试验的可行性和适用性。研究结果为生物炭基肥料离散元模型参数选取提供了新的参考。

气吸式榛子捡拾分选机设计与试验

针对榛子收获过程中人工捡拾慢、分选效率低的问题,设计了一种气吸式榛子捡拾分选装置,阐述了其主要结构及工作原理,该机由捡拾装置、分选装置、收集箱、行走装置、风机等部分组成。通过统计分析榛子、落叶和碎石的拓扑形状、物料密度及质量,构建物理仿真模型,进行气—固两相流体力学计算,分析榛子在混杂物中的分选程度,确定分选装置筛板角度、筛板间距离和气体流动速度等参数。进而设计并试制出气吸式榛子捡拾分选机,并进行田间试验。以气吸式榛子捡拾分选机的筛板角度,筛板间位置和气体流动速度为试验因素,净果率为指标进行三因素二次旋转正交组合试验,确定最佳参数组合并进行田间试验验证。结果表明:气体流动速度和筛板角度对榛子净果率影响较为显著,筛板间距为显著,影响指标的因素主次顺序为气体流动速度>筛板角度>筛板间距离。当榛子捡拾分选装置筛板角度为17.13°、两个筛板间距离为251.2mm、气体流动速度为18.4m·s;时,分选榛子净果率为91.49%。田间试验表明所设计的榛子捡拾分选机能够满足作业技术要求。

基于离散元法的秸秆生物炭接触参数标定

为获取秸秆生物炭的离散元仿真参数,采用仿真分析与物理试验相结合的方法对生物炭接触参数进行标定。通过Placket-Burman试验筛选出生物炭离散元显著性影响参数,最陡爬坡试验确定显著性影响参数的最佳范围,Box-Behnken试验确定3个显著性影响参数分别为炭-炭滚动摩擦系数0.097、JKR表面能0.018 J/m^(2)、炭-钢滚动摩擦系数0.256。进行堆积角试验与其Rocky离散元仿真结果对比表明,所确定的参数误差为2.33%,满足仿真分析参数设定要求。