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稻秆结构疏松,导致其运输及贮存成本高,回收利用难,要充分利用稻秆的价值,首先要解决回收难的问题,而稻秆的卷捆压缩成型是解决这一问题的关键。但是利用国产的中小型钢辊式圆捆机对完整稻秆进行打捆时,时常出现堵塞现象。为此,针对完整稻秆设计了钢辊式圆捆机,并综合利用力学分析、染色示踪技术、高速摄像研究及力学测试等技术对其进行了深入的试验研究与分析,为钢辊式圆捆机的创新设计及其研发提供理论与技术支持。研究取得主要成果和结论主要体现以下几点:(1)完整稻秆压缩特性研究。试验研究结果表明:将稻秆压缩至220kg/m3时,完整稻秆杂乱铺放比横向铺放所需压缩力明显大;完整稻秆杂乱、横向两种铺放状态下,各因素对最大压缩力的影响规律相似:稻秆含水率越大,最大压缩力越小;取样部位越靠近稻秆根部,最大压缩力越小;同一初始密度下随加料量的增加,最大压缩力先缓慢上升后缓慢下降;随加载速度的增加,最大压缩力缓慢上升后呈下降趋势,其中含水率对稻秆压缩特性的影响最显著,其次是取样部位。(2)不同含水率对完整稻秆滑动摩擦特性的影响。试验研究结果表明:随稻秆含水率的增加,完整稻秆与钢板间的滑动摩擦因数总体呈增大的趋势;含水率为12%~68%的完整稻秆与钢板间的滑动摩擦因数变动范围为0.47~0.66。(3)旋转草芯形成过程分析。结合完整稻秆受力分析、旋转草芯形成过程高速摄像研究及力学测试可知:旋转草芯形成过程实质上是稻秆在卷捆室内连续卷绕累积的过程,形成的旋转草芯可对后续喂入的稻秆产生较大的牵带作用;旋转草芯形成过程主要依靠钢辊对稻秆的摩擦牵引及后续喂入稻秆的持续推动完成的;旋转草芯形成过程所需扭矩呈线性增加,但所需扭矩总体较小,此时钢辊对草捆无挤压力。(4)草捆卷压过程分析。结合草捆受力分析、草捆卷压过程高速摄像研究及力学测试可知:草捆卷压过程实际上是后续喂入的稻秆在卷捆室内层层卷绕压缩的过程;在草捆充实阶段,钢辊对草捆无挤压力,卷捆所需扭矩缓慢增加,在草捆卷压阶段,草捆开始受到钢辊挤压,并呈先缓慢增加后快速上升的趋势,当草捆密度达一定值时后室侧拉力开始出现并随草捆质量增加而快速增大,卷捆所需扭矩呈先较快增加后快速上升的趋势,成型草捆的径向密度由外向内逐渐减小。(5)旋转草芯形成试验研究。试验结果表明:各因素对旋转草芯形成时的干物质质量贡献率大小顺序为:钢辊对稻秆的摩擦作用、捡拾器弹齿端点线速度、稻秆喂入量,当因素参数组合为钢辊与稻秆间的滑动摩擦因数约0.65、捡拾器弹齿端点线速度2.23m/s、稻秆喂入量1.5kg/s时,旋转草芯形成时的干物质质量为1.58kg。(6)完整稻秆卷压过程应力松弛试验研究。以稻秆含水率、草捆干物质质量、卷捆钢辊转速、稻秆喂入量为试验因素,并以应力松弛时间和平衡弹性模量作为应力松弛特性评价指标进行了试验研究。试验结果表明:完整稻秆卷压过程应力松弛模型可用1个Maxwell单元和1个弹簧并联组成的3元件方程表示;各因素对应力松弛时间贡献率依次为稻秆含水率、草捆干物质质量、稻秆喂入量、卷捆钢辊转速;对平衡弹性模量贡献率依次为草捆干物质质量、稻秆含水率、稻秆喂入量、卷捆钢辊转速;当稻秆含水率为65%、草捆干物质质量为17kg、卷捆钢辊转速为257r/min、稻秆喂入量为1.6kg/s时,应力松弛时间和平衡弹性模量可分别达最佳值17.08s和4.01KPa。(7)完整稻秆卷压功耗试验研究。以稻秆含水率、草捆干物质质量、卷捆钢辊转速、稻秆喂入量为试验因素,以比扭矩为评价指标进行了试验研究。试验结果表明:本试验范围内比扭矩的变化范围为0.29~0.64N·m4·kg-1;各因素对比扭矩贡献率为:草捆干物质质量>卷捆钢辊转速>稻秆含水率>稻秆喂入量,在试验范围内较优参数组合(稻秆含水率为65%、草捆干物质质量为17kg、卷捆钢辊转速为254r/min、稻秆喂入量为0.55kg/s)下,比扭矩为0.282N·m4·kg-1。(8)钢辊式圆捆机工作参数的确定。结合旋转草芯形成、完整稻秆卷压过程应力松弛特性及功耗试验的优化结果,确定了两组钢辊式圆捆机较优工作参数:①稻秆青贮打捆时的较优工作参数为:稻秆含水率68%、草捆干物质质量17kg、卷捆钢辊转速260r/min、稻秆喂入量1.5kg/s,此时的比扭矩、应力松弛时间和平衡弹性模量分别为0.36N·m4·kg-1、21.36s和4.17KPa。②稻秆正常情况下打捆时的较优工作参数为:稻秆含水率14%、草捆干物质质量16kg、卷捆钢辊转速250r/min、稻秆喂入量1.6kg/s,此时的比扭矩、应力松弛时间和平衡弹性模量分别为0.41N·m4·kg-1、55.86s和3.97KPa。