《Biomass and Bioenergy》：Mechanistic analysis of straw fragmentation in a double-roller chopping system: DEM-based study of size reduction and parameter optimization
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•建立了一种基于离散元方法的双辊秸秆断裂仿真模型。•对以剪切为主导条件下的秸秆破碎过程进行了定量分析。•通过正交设计识别并优化了关键操作参数。•辊体几何形状和刀具配置控制着产量和粒径变异性。•在低速条件下，双辊系统改善了秸秆粒径分布的控制能力。引言全球农业生产每年产生大量农作
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建立了一种基于离散元方法的双辊秸秆断裂仿真模型。
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对以剪切为主导条件下的秸秆破碎过程进行了定量分析。
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通过正交设计识别并优化了关键操作参数。
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辊体几何形状和刀具配置控制着产量和粒径变异性。
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在低速条件下，双辊系统改善了秸秆粒径分布的控制能力。
引言
全球农业生产每年产生大量农作物秸秆，其中中国的秸秆产量位居世界首位[[1], [2], [3]]。作为木质纤维类生物质残留物，秸秆既构成一种环境负担——当其遗留在田间或焚烧时——同时也是一种尚未充分利用的农业资源，具有显著的高附加值材料生产潜力。近年来，中国农作物秸秆的综合利用途径日益多样化[4]，反映了将农业残留物视为可再生资源而非废弃物处理这一更广泛的转变趋势。通过适当的预处理策略使秸秆作为可再生原料实现下游能源和材料应用的高效利用，已受到越来越多的关注[5]。
在众多新兴高附加值利用途径中，将秸秆转化为墙体建筑材料引起了日益增长的兴趣，因为它将农业残留物增值与建筑行业对低碳和可再生原材料的需求相结合。秸秆基墙体材料具有优异的隔热性能，符合绿色建筑要求[6,7]。然而，秸秆在建筑应用中的成功利用严重依赖于预处理环节，其中颗粒长度和均匀性直接决定着成型行为及最终材料性能。对于非承重构件（如秸秆砖和夹芯板），秸秆长度须控制在20–50毫米[8]；对于基于水泥的承重墙体系统，则须控制在5–15毫米[9]。这种强依赖性表明，粒径减小并非次要操作，而是决定材料功能的关键因素。
现有的秸秆粒径减小技术包括旋盘式切碎机[10]、锤式切碎机[11]、揉切机组[12]和组合破碎机构[13]，这些技术已从理论和实践角度得到广泛研究。Liu等人[14]对不同切碎阶段的力学特性和能耗特征进行了建模，而Mou等人[15]分析了转速、锤片配置和进料速率对破碎性能的影响。Hu等人[16]进一步提出了仿生刀齿结构以降低切削阻力和能耗。秸秆的机械粒径减小被公认为是一个强烈依赖于系统配置和操作条件的过程，该条件对粒径分布和加工效率有显著影响。
基于锤式粉碎机的秸秆和秸秆饲料研究表明，粒径分布和比能耗随粉碎速度和筛网配置的变化而显著改变[17,18]。相比之下，基于辊子的粒径减小系统主要依赖挤压和剪切而非高速冲击，从机械原理上预期可降低冲击载荷并改善对颗粒破碎的控制，从而在相似操作条件下实现更均匀的粒径分布。然而，大多数关于辊式机制的现有研究集中在塑料和金属等非生物材料上，其适用于木质纤维类生物质在秸秆特异性破碎行为和过程控制方面的适用性仍缺乏充分探索。因此，目前对辊式剪切主导系统中秸秆破碎行为的定量理解仍然有限。
另一种结构独特的预处理路线是双辊切碎系统，该系统采用低速对转的齿辊实现以挤压和剪切为主导的破碎。迄今为止，双辊系统的研究主要集中在结构和刀具层面的优化，包括切削件的应力与疲劳分析[19]、刀齿厚度和切削角的几何优化[20]，以及刀齿朝向和配置效果的评估[21]。然而，辊式系统的应用大多报告于塑料和金属等非生物材料的加工领域[22,23]，其对农业木质纤维类残留物的性能和适应性仍有待深入了解。
这一研究空白具有重要意义，因为秸秆具有纤维状、各向异性力学行为和异质性进料特征，与工业废弃物材料存在显著差异，从而导致不同的破碎机制和性能要求。现有切碎系统往往无法满足建筑应用所需的粒径均匀性要求。虽然双辊系统在改善粒径控制方面展现出潜力，但对其操作参数和秸秆加工中底层断裂机制的系统研究仍然有限。解决这一问题需要对辊压下秸秆断裂的机理理解以及基于应用相关性能指标的定量优化。
近年来，离散元方法已被越来越多的应用作为一种有效的工具，用于研究复杂工程系统中的颗粒尺度行为[24,25]。除了传统的颗粒流动分析外，由于离散元方法能够描述动态接触、力传递和颗粒运动，因此在农业工程、粉末加工和设备-材料相互作用研究中得到广泛应用[26,27]。近期研究表明了离散元方法在农业机械性能分析、颗粒输运过程和结构优化问题中的潜力，为设备参数与颗粒尺度响应之间的关系提供了机理洞察。这些进展表明，离散元方法为理解纤维状生物质在耦合机械载荷条件下的复杂破碎行为提供了合适的框架。
因此，本研究建立了双辊切碎系统中秸秆粒径减小的理论框架，构建了离散元方法模型以模拟秸秆与刀具之间的相互作用，并开展正交仿真实验以评估关键操作参数的影响。研究目标是在最大化标准长度得率的同时最小化长度变异性和材料损失。本工作为受控秸秆粒径减小提供了机理洞察和参数优化框架，使未充分利用的农业残留物能够转化为下游材料和工程应用的高质量原料。
章节摘要
整体结构和工作原理
双辊式秸秆切碎机的核心部件包括进料斗、切碎装置、机架、电机和齿轮箱，其整体结构如图1(a)所示。其中，双辊切碎组件构成整台机器的核心工作部件，由两个对转的切碎辊组成，每个辊上安装有多片刀片，如图1(b)所示。在双辊式秸秆切碎机运行过程中，秸秆从进料
秸秆应力分析
图9展示了秸秆切碎过程中的应力分布。颜色越接近红色的区域表示应力越大，越接近蓝色的区域表示应力越小。在0.5秒时，秸秆开始被刀片夹持并送入切碎区域，力集中在秸秆与刀片接触的区域；在2秒至5秒的时间段内，刀片继续旋转，将大量秸秆引入切碎区域。进入切碎的秸秆
讨论
双辊系统中秸秆的破碎行为受齿尖啮合与齿缘剪切的耦合效应控制。理论分析表明，齿尖相互作用主要决定有效切削间隔，该间隔由辊节距和齿离散度控制。这与仿真结果一致，结果显示每辊齿数对标准长度得率有显著影响，证实了几何离散化是
结论
本研究通过理论分析和离散元仿真对双辊切碎系统中的秸秆粒径减小进行了研究。主要发现总结如下。
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秸秆破碎受齿尖与齿缘相互作用的耦合控制，其中齿尖啮合在决定有效颗粒长度方面起主导作用。
- (2)
切碎参数对各评价指标的影响存在差异。刀片齿数主要通过
CRediT作者贡献声明
吴贝：监督、资源、项目管理、方法论、经费获取、概念设计。李利波：初稿撰写、可视化、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据管理。唐煌初文：可视化、软件、形式分析、数据管理。高峰崇：可视化、调查研究、形式分析。刘宝华：验证、监督、资源、数据管理。
致谢
本研究得到了湖南省教育厅科学研究基金(23A0181)、湖南省自然科学基金(中国)（2024JJ5194）以及湖南省研究生科技创新项目（CX20251069）的资助。
吴贝|李利波|唐煌初文|高峰崇|刘宝华
