稻草秸稈壓縮特性研究

劉新柱，王玉花，韓　平，劉向東，姚　嘉，欒積毅

(佳木斯大學 a.機械工程學院；b.理學院，黑龍江 佳木斯　154007)

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稻草秸稈壓縮特性研究

劉新柱a，王玉花b，韓平a，劉向東a，姚嘉a，欒積毅a

(佳木斯大學 a.機械工程學院；b.理學院，黑龍江 佳木斯154007)

摘要：將農(nóng)作物秸稈收獲及打成高密度草捆是其合理應用重要的第1步。為了合理開發(fā)利用稻草秸稈這一類型生物質資源，結合自制密閉壓力容器，在電子萬能試驗機上對同一類型、不同長度的稻草秸稈以不同的壓縮速度進行了閉式壓縮試驗；分析了秸稈捆在壓縮后密度相同情況下秸稈長度和壓縮速度對壓縮力的影響，建立了其數(shù)學模型。結果表明：當壓縮密度相同時，秸稈越長、壓縮速度越快，所需壓縮力也越大。由此為設計、制造高性能的稻草秸稈打捆機提供了必要的理論依據(jù)。

關鍵詞：稻草秸稈；壓縮；力學性能

0引言

隨著人們環(huán)境保護意識的增強，農(nóng)作物秸稈合理開發(fā)及應用得到了高度重視[1-3]，專家、學者在諸多領域已經(jīng)進行了廣泛研究并取得了較好的成果，部分成果已經(jīng)應用于生產(chǎn)實踐中。例如，文獻[4]研究了我國秸稈發(fā)電的發(fā)展形勢；文獻[5]對利用玉米秸稈制取沼氣進行了研究；文獻[6]介紹了利用生物質制取燃油的技術及其應用前景；黑龍江省海林市已經(jīng)開始建設年產(chǎn)量可以達到9.9×105t的秸稈造紙項目[7]。

經(jīng)調查發(fā)現(xiàn)：目前農(nóng)作物秸稈資源的利用率還不是很高[8-13]，大多還是以荒燒為主，既浪費了資源，又破壞了環(huán)境[14]，主要原因是秸稈收獲及儲運困難制約著秸稈的合理應用[15-17]。因此，研發(fā)高性能、低能耗的秸稈打捆機是農(nóng)作物秸稈合理應用的迫切需要，而農(nóng)作物秸稈的力學性能測試、分析又是設計秸稈打捆機必要的理論基礎。

我國稻草種植面積大、分布區(qū)域廣，每年稻草秸稈產(chǎn)量可以達到1.826×108t，占農(nóng)作物秸稈資源總量的23.9%[18-19]，開發(fā)及綜合利用稻草秸稈在農(nóng)作物秸稈合理應用領域及生物質能合理應用領域中有著重要意義[20-21]。為此，項目組對稻草秸稈進行了閉式壓縮試驗，分析了秸稈長度、壓縮速度等因素對壓縮力和秸稈捆密度的影響，獲得了詳實、可靠的試驗數(shù)據(jù)，并對試驗數(shù)據(jù)進行擬合，建立了其數(shù)學模型，為設計、制造高性能的稻草秸稈打捆機提供了必要的理論依據(jù)。

1試驗材料和試驗方法

1.1試驗材料

三江平原是我國主要的商品糧基地之一，種植的水稻品種較多，其中“龍粳39”種植面積較為廣闊。項目組選用當年產(chǎn)的該品種稻草秸稈作為試驗材料，去除根部和穗部，自然晾置1個月，經(jīng)恒溫常壓烘干法測得其平均含水率為10.6%；將稻草裁剪成200、300、500mm的秸稈段備用。

1.2試驗設備

項目組自制了密閉的壓力容器，結合長春試驗機研究所有限公司生產(chǎn)的DDL300型電子萬能試驗機進行稻草秸稈壓縮試驗，如圖1所示。

圖1　試驗設備

該試驗機主要技術參數(shù)如下：

最大壓力/kN：300

力值測量范圍：復合傳感器容量0.4%～100%

力測量精度：示值的±0.5%

活動橫梁行程/mm：1 200

橫梁位移測量/μm：分辨率高于0.03

位移測量精度：示值的±0.5%

活動橫梁移動速度/mm·min-1：0.005～500

該試驗機各項技術指標完全能夠滿足稻草秸稈壓縮試驗所需的精度要求。

1.3試驗內容

試驗內容主要為：測試稻草秸稈捆在最終壓縮后密度γ均為180kg/m3的情況下，壓縮過程中秸稈長度l和壓縮速度v對壓縮力p的影響。為此，首先對長度為500、300、200mm的秸稈段分別以20mm/min的速度進行了壓縮，然后對200mm的秸稈段又分別以50、40、30、20、10mm/min的速度進行了壓縮，獲得了詳實、可靠的試驗數(shù)據(jù)。

2試驗結果與分析

2.1秸稈長度對壓縮力的影響

秸稈長度對壓縮力的影響試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　秸稈長度對壓縮力p影響的試驗數(shù)據(jù)

續(xù)表1

由表1可得秸稈長度分別為500、300、200mm時壓縮密度和壓縮力的關系曲線圖，如圖2～圖4所示。

圖2　500mm長秸稈壓縮密度和壓縮力關系圖

圖3　300mm長秸稈壓縮密度和壓縮力關系圖

圖4　200mm長秸稈壓縮密度和壓縮力關系圖

由圖2～圖4可知：當秸稈捆密度較小時，秸稈長度對壓縮力的影響并不大；當秸稈捆密度γ達到110kg/m3后，秸稈長度對壓縮力的影響開始顯現(xiàn)；秸稈越長，達到相同密度所需的壓力就越大，當秸稈捆密度超過140kg/m3后，這種趨勢愈加明顯。因此，在設計稻草秸稈打捆機時，應適當考慮添加結構簡單、成本低廉的粉碎機構，從而可以在不增加機器功耗的情況下提高秸稈捆的密度。

對表1中的試驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，可得3種不同秸稈長度下壓縮密度與壓力二次曲線數(shù)學模型，如表2所示。曲線與數(shù)據(jù)基本吻合，計算結果也具有足夠的精度，說明該算法是完全可行、有效的。

表2　不同長度秸稈壓縮密度與壓力曲線擬合模型

2.2壓縮速度對壓縮力的影響

壓縮速度對壓縮力的影響試驗數(shù)據(jù)如表3所示。由表3中的試驗數(shù)據(jù)可以得到壓縮速度分別為50、40、30、20、10mm/min時壓縮密度和壓縮力關系曲線圖，如圖5～圖9所示。

表3　壓縮速度對壓縮力P影響的試驗數(shù)據(jù)

圖5　壓縮速度為50mm/min時壓縮密度和壓縮力關系圖

圖6　壓縮速度為40mm/min時壓縮密度和壓縮力關系圖

圖7　壓縮速度為30mm/min時壓縮密度和壓縮力關系圖

圖8　壓縮速度為20mm/min時壓縮密度和壓縮力關系圖

由圖5～圖8可知：當秸稈捆密度較小，即秸稈捆處于松散階段時，壓縮速度對壓縮力的影響并不大；當秸稈捆密度達到100kg/m3，即秸稈捆被初步壓緊后，壓縮速度對壓縮力的影響開始顯現(xiàn)；壓縮速度越大，秸稈捆達到同一密度所需的壓力也就越大。需注意的是：在現(xiàn)有大多方捆機中都是采用曲柄滑塊壓縮機構，提高壓縮速度可以產(chǎn)生相對較大的動載荷，也有利于提高秸稈捆的壓縮密度。

圖9　壓縮速度為10mm/min時壓縮密度和壓縮力關系圖

采用最小二乘算法對表3中的試驗數(shù)據(jù)進行處理，可以得到不同壓縮速度時壓縮密度與壓力關系的數(shù)學模型，如表4所示。由圖5～圖9可以看出：擬合曲線與數(shù)據(jù)基本完全吻合，該算法是有效可行的。

表4　不同壓縮速度時壓縮密度與壓力曲線擬合模型

3結論

1)采用“龍粳39”稻草秸稈為試驗材料，以20mm/min的壓縮速度分別對長度為500、300、200mm的稻草秸稈進行了閉式壓縮試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進行了擬合，得其壓縮密度與壓力關系的數(shù)學模型分別為

p=0.5740×10-4γ2-0.4258×10-2γ-0.0023

p=0.4536×10-4γ2-0.2655×10-2γ-0.0450

p=0.3668×10-4γ2-0.1561×10-2γ-0.0692

由此可知：在壓縮密度相同的情況下，秸稈越長，所需的壓力也越大。

2)對長度為200mm的“龍粳39”稻草秸稈分別以50、40、30、20、10mm/min的壓縮速度進行了閉式壓縮試驗，對試驗數(shù)據(jù)進行了擬合，得到壓縮密度與壓力關系的數(shù)學模型分別為

p=0.4017×10-4γ2+0.1118×10-2γ-0.3205

p=0.4534×10-4γ2-0.1180×10-2γ-0.1623

p=0.4811×10-4γ2-0.2789×10-2γ-0.0498

p=0.3668×10-4γ2-0.1561×10-2γ-0.0692

p=0.3349×10-4γ2-0.1646×10-2γ-0.0424

由此可知：在壓縮密度相同的情況下，壓縮速度越大，所需壓力也越大。

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Compression Property Research of Rice Straw

Liu Xinzhua, Wang Yuhuab, Han Pinga, Liu Xiangdonga, Yiao Jiaa, Luan Jiyia

(a.College of Mechanical Engineering；b.College of Science，Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)

Abstract：Harvesting crop straw and bundling straw balers with high density is the first step in the rational use of rice straw. For the rational development and utilization of straw biomass resources, combining with the self closed pressure vessel, the closed cycle compression experiments of different length of rice straw have been carried under the different compression rates by using the electronic universal testing machine. The compression rates and the straw length both have effects on the compression force, the mathematical model in the same compression density has been established based on the test results. When the compression density is the same, the longer the straw length and the higher compression rates, the higher the compression force is required. The results can lay the necessary theoretical basis for the design and manufacture of high-performance rice straw bundling machine.

Key words：rice straw; compression; mechanical properties

文章編號：1003-188X(2016)06-0225-05

中圖分類號：S183；O39

文獻標識碼：A

作者簡介：劉新柱(1975-)，男，安徽濉溪人，副教授，工程碩士，(E-mail)liuxinzhu_138@126.com。

基金項目：佳木斯大學科學技術研究項目(Lz2014-004)；國家自然科學基金青年科學基金項目(51203061)

收稿日期：2015-05-04