玉米秸秆收获关键技术与装备研究及数字化仿真分析
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摘要
玉米秸秆是重要的生物质能资源,与矿物燃料相比,生物质能具有可再生、低污染和二氧化碳零排放等特点；与其它可再生能源相比,具有资源丰富、分布面广和用途广泛等特点。因此,许多国家都在大力发展生物质能技术,世界粮农组织(FAO)预测,到2050年,以生物质能为主的可再生能源将提供全世界60%的电力和40%的燃料。
目前我国玉米秸秆的资源化收集利用尚未形成规模,主要有两方面原因：一是玉米摘穗收获期的秸秆含水率高达70%-80%,采用自然状态下晾晒,失水速度慢、干燥时间长,影响即时收获和打捆；二是玉米秸秆坚硬挺实,难于打捆,且打捆后因弹性变形应力作用易产生涨捆现象。本文在国家863计划和国家科技支撑项目的支持下,以实现秸秆规模化收集利用的技术突破为研究目标,针对上述问题展开研究。
研究内容分为玉米秸秆收获关键技术研究和秸秆调质玉米收获机整机研制两个方面。主要研究结论及创新点如下：
玉米秸秆收获关键技术主要研究秸秆切割技术和秸秆调质(指对玉米秸秆进行挤压、揉搓使其破节、裂皮的处理过程)技术,具体研究了秸秆切割和调质的技术原理和典型机构,开展了秸秆特性、秸秆切割部件以及秸秆调质部件等相关试验研究。首次开发出了玉米秸秆切割调质技术和部件,实现了玉米秸秆破节、裂皮的调质目标。
玉米秸秆切割调质部件研究采用了三维实体造型技术、多体动力学计算机仿真技术和柔性体建模技术。首次建立了玉米秸秆柔性体仿真模型,开展了秸秆弯曲和调质的仿真台架试验,建立了切割调质台数字样机的秸秆柔性体模型仿真研究平台,对秸秆和样机模型进行了刚柔耦合仿真分析,实现了切割、输送、调质工作过程的虚拟再现,得出了秸秆的运动学和动力学参数,验证了仿真研究平台的有效性,为进一步深入研究提供基础和参考。
秸秆调质玉米收获机整机研制过程集成了不分行摘穗台、秸秆切割调质台、高效清杂装置、果穗输送和收集装置、自走式全液压动力底盘等多项技术。样机通过田间性能试验测试,在收获果穗的同时,对玉米秸秆进行切割调质处理,使其破节、裂皮,加速秸秆的水分蒸发和减小变形应力,改变了其力学及物理状态,满足了玉米秸秆高密度成捆作业要求,促进了玉米秸秆规模化综合利用。首次实现了玉米摘穗收获技术与秸秆调质铺条技术的联合匹配应用,补充和完善了我国玉米收获技术体系。
论文采用数字化设计新技术,探索了农机产品研发的新模式,为缩短农业装备开发周期和降低研制成本提供了技术支持。通过自主创新开发,获得具有完全自主知识产权、适合国情的核心技术和装备,为构建玉米秸秆收集固化成型装备技术体系做出了贡献。
Corn stalks are important biomass resources. Compared with fossil fuels, biomass has characteristics of being renewable, low pollution and zero emissions of carbon dioxide. Compared with other renewable energy resources, it has characteristics of being abundant, widely distributed, and multi-purpose. With the continuous development of modern biomass technologies, biomass will play an important role in the sustainable energy systems in future. Many countries of the world are seeking to develop biomass for fuel. The UN Food and Agriculture Organization (FAO) predicted that by2050, biomass-based renewable energy will provide60percent of the world's electricity and40percent of the fuel.
There are two issues that constrain corn stalk collection and utilization in China. Firstly, the water content of corn stalks is70%～80%during the harvest season. If left to dry naturally, the water loss rate will be very slow. This will have an adverse effect on the harvesting and baling. Secondly, corn stalks are hard and strong and difficult to bale due to the elastic recovery. The bale is easy to produce but tends to expand after compaction. Supported by National863Project and National Science and Technology Support Plan, this research was carried out by focusing on the above issues. The research aim was to develop a corn stalk adjusting(squeezing and kneading stalks,let it to be broken and split the epidermis) technology,and manufacture corn harvester with stalks adjusting device.
Key technologies of corn stalks harvesting include cutting technology and adjusting technology. The theory and typical mechanism of these two technologies was researched, and experiments for cutting and adjusting corn stalk were carried out. A corn stalks cutting and adjusting parts were developed for the first time in China, they can quickly break the nodes and split the epidermis.
3D solid modeling technology, the multi-body dynamics simulation technology and flexible body modeling technology were adopted during research on corn stalk cutting and adjusting parts. A corn stalk flexible body model was developed for the first time. A simulation experiment for stalk bending and adjusting was carried out. Digital prototyping for corn stalk cutting and adjusting device was built based on the flexible body model. Virtual simulation for cutting, conveying, adjusting corn stalk was realized. Kinematics and dynamics analysis was carried out and parameters of corn stalk and related working parts was achieved. The effectiveness of the simulation platform was tested.
A prototype of corn harvester with stalk adjusting device was manufactured,which was integrated a row independent corn snapping head,a corn stalk cutting and adjusting device, a removing stems and leaves device, a ear transport and storage device, full hydraulic power self-propelled chassis. The matching application of corn harvesting technology and stalk adjusting technology was realized for the first time. Simultaneously with the harvesting of ears, the corn stalks can be cut, conveyed, squeezed and broken, and the epidermis split, stalks mechanics and physical state thus can be changed, the water loss rate would be accelerated, the elastic recovery can be decreased, the stalk can be baled with high density. This will promote the large scale utilization of corn stalks as a biomass fuel.
The new R&D model of agricultural machine was explored, and technical support to accelerate the development cycle and reduce development cost was provided. Through independent innovation development, core technologies and equipment suited to China's national conditions were acquired, The establishment of corn stalk collecting, curing, molding technology system was promoted.
目前我国玉米秸秆的资源化收集利用尚未形成规模,主要有两方面原因：一是玉米摘穗收获期的秸秆含水率高达70%-80%,采用自然状态下晾晒,失水速度慢、干燥时间长,影响即时收获和打捆；二是玉米秸秆坚硬挺实,难于打捆,且打捆后因弹性变形应力作用易产生涨捆现象。本文在国家863计划和国家科技支撑项目的支持下,以实现秸秆规模化收集利用的技术突破为研究目标,针对上述问题展开研究。
研究内容分为玉米秸秆收获关键技术研究和秸秆调质玉米收获机整机研制两个方面。主要研究结论及创新点如下：
玉米秸秆收获关键技术主要研究秸秆切割技术和秸秆调质(指对玉米秸秆进行挤压、揉搓使其破节、裂皮的处理过程)技术,具体研究了秸秆切割和调质的技术原理和典型机构,开展了秸秆特性、秸秆切割部件以及秸秆调质部件等相关试验研究。首次开发出了玉米秸秆切割调质技术和部件,实现了玉米秸秆破节、裂皮的调质目标。
玉米秸秆切割调质部件研究采用了三维实体造型技术、多体动力学计算机仿真技术和柔性体建模技术。首次建立了玉米秸秆柔性体仿真模型,开展了秸秆弯曲和调质的仿真台架试验,建立了切割调质台数字样机的秸秆柔性体模型仿真研究平台,对秸秆和样机模型进行了刚柔耦合仿真分析,实现了切割、输送、调质工作过程的虚拟再现,得出了秸秆的运动学和动力学参数,验证了仿真研究平台的有效性,为进一步深入研究提供基础和参考。
秸秆调质玉米收获机整机研制过程集成了不分行摘穗台、秸秆切割调质台、高效清杂装置、果穗输送和收集装置、自走式全液压动力底盘等多项技术。样机通过田间性能试验测试,在收获果穗的同时,对玉米秸秆进行切割调质处理,使其破节、裂皮,加速秸秆的水分蒸发和减小变形应力,改变了其力学及物理状态,满足了玉米秸秆高密度成捆作业要求,促进了玉米秸秆规模化综合利用。首次实现了玉米摘穗收获技术与秸秆调质铺条技术的联合匹配应用,补充和完善了我国玉米收获技术体系。
论文采用数字化设计新技术,探索了农机产品研发的新模式,为缩短农业装备开发周期和降低研制成本提供了技术支持。通过自主创新开发,获得具有完全自主知识产权、适合国情的核心技术和装备,为构建玉米秸秆收集固化成型装备技术体系做出了贡献。
Corn stalks are important biomass resources. Compared with fossil fuels, biomass has characteristics of being renewable, low pollution and zero emissions of carbon dioxide. Compared with other renewable energy resources, it has characteristics of being abundant, widely distributed, and multi-purpose. With the continuous development of modern biomass technologies, biomass will play an important role in the sustainable energy systems in future. Many countries of the world are seeking to develop biomass for fuel. The UN Food and Agriculture Organization (FAO) predicted that by2050, biomass-based renewable energy will provide60percent of the world's electricity and40percent of the fuel.
There are two issues that constrain corn stalk collection and utilization in China. Firstly, the water content of corn stalks is70%～80%during the harvest season. If left to dry naturally, the water loss rate will be very slow. This will have an adverse effect on the harvesting and baling. Secondly, corn stalks are hard and strong and difficult to bale due to the elastic recovery. The bale is easy to produce but tends to expand after compaction. Supported by National863Project and National Science and Technology Support Plan, this research was carried out by focusing on the above issues. The research aim was to develop a corn stalk adjusting(squeezing and kneading stalks,let it to be broken and split the epidermis) technology,and manufacture corn harvester with stalks adjusting device.
Key technologies of corn stalks harvesting include cutting technology and adjusting technology. The theory and typical mechanism of these two technologies was researched, and experiments for cutting and adjusting corn stalk were carried out. A corn stalks cutting and adjusting parts were developed for the first time in China, they can quickly break the nodes and split the epidermis.
3D solid modeling technology, the multi-body dynamics simulation technology and flexible body modeling technology were adopted during research on corn stalk cutting and adjusting parts. A corn stalk flexible body model was developed for the first time. A simulation experiment for stalk bending and adjusting was carried out. Digital prototyping for corn stalk cutting and adjusting device was built based on the flexible body model. Virtual simulation for cutting, conveying, adjusting corn stalk was realized. Kinematics and dynamics analysis was carried out and parameters of corn stalk and related working parts was achieved. The effectiveness of the simulation platform was tested.
A prototype of corn harvester with stalk adjusting device was manufactured,which was integrated a row independent corn snapping head,a corn stalk cutting and adjusting device, a removing stems and leaves device, a ear transport and storage device, full hydraulic power self-propelled chassis. The matching application of corn harvesting technology and stalk adjusting technology was realized for the first time. Simultaneously with the harvesting of ears, the corn stalks can be cut, conveyed, squeezed and broken, and the epidermis split, stalks mechanics and physical state thus can be changed, the water loss rate would be accelerated, the elastic recovery can be decreased, the stalk can be baled with high density. This will promote the large scale utilization of corn stalks as a biomass fuel.
The new R&D model of agricultural machine was explored, and technical support to accelerate the development cycle and reduce development cost was provided. Through independent innovation development, core technologies and equipment suited to China's national conditions were acquired, The establishment of corn stalk collecting, curing, molding technology system was promoted.
引文
[1]吴鸿欣,曹洪国,等.中国玉米秸秆综合利用技术介绍与探讨[J].农业工程,2011,1(3)：9-12
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[3]农业部.农业生物质能产业发展规划(2007-2015年)[M],2007,5
[4]工业和信息化部.农机工业发展规划(2011-2015年)[M],2011,3
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