南方林下飼用植物壓縮蠕變研究

馮 燕 ，王天佐 ，袁 寧 ，羅迎社

（1.中南林業(yè)科技大學 工程流變學湖南省重點實驗室；湖南 長沙 410004；2.湖南電子科技職業(yè)學院 建筑工程與設計藝術系，湖南 長沙 410217）

南方林下飼用植物壓縮蠕變研究

馮 燕1，王天佐2，袁 寧1，羅迎社1

（1.中南林業(yè)科技大學 工程流變學湖南省重點實驗室；湖南 長沙 410004；2.湖南電子科技職業(yè)學院 建筑工程與設計藝術系，湖南 長沙 410217）

近年來，我國南方林下經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)取得了蓬勃的發(fā)展，提供了大量綠色林產(chǎn)品、農(nóng)副產(chǎn)品。通過研究南方林下飼用植物在加載階段和保壓階段的蠕變特性，可以揭示林下飼草在受壓時的變化規(guī)律。分析壓縮力對保壓階段草物料蠕變特性的影響，可以得出產(chǎn)品密度的變化趨勢。本文對不同壓塊壓強及不同壓塊溫度下的南方林下紅薯藤與百喜草壓縮蠕變過程進行了研究，發(fā)現(xiàn) [M]|[N] 流變模型能較好的擬合蠕變過程，利用Origin7.5進行擬合，擬合曲線與實驗曲線的決定系數(shù)(R2)均在0.95以上，得到了不同壓塊壓強和不同壓塊溫度下紅薯藤與百喜草的壓縮蠕變本構方程。并進一步推導出了紅薯藤與百喜草在一定應變條件下的松弛曲線。

南方；林下飼用植物；蠕變；擬合

農(nóng)業(yè)物料是典型的粘彈性物料，既有彈性又有粘性或塑性，所以農(nóng)業(yè)物料在變形時是符合一般流變學規(guī)律的[1-2]。國外對草物料壓縮的理論研究開始較早，二十世紀三十年代起前蘇聯(lián)、前德國以及美國、英國等國家先后有學者進行研究并取得了有影響力的成果。我國草物料壓縮試驗研究起步相對較晚，但發(fā)展較快，得出了一系列的研究成果。從二十世界八十年代起，內蒙古農(nóng)業(yè)大學的楊明韶等開始對我國北方農(nóng)業(yè)物料壓縮過程進行研究，并得出了系列結論；山東農(nóng)業(yè)大學李汝莘[3]采用線性粘彈性理論，用殘數(shù)法對應力松弛曲線進行擬合，獲得了碎玉米秸稈卷壓過程中的應力松弛模型及參數(shù)，并進一步得到伯格斯模型中的粘彈性參數(shù)。西北農(nóng)業(yè)大學郭康權[4]、湖南林業(yè)科學院肖志紅[5]等也都對不同農(nóng)作物壓縮過程影響因素、流變模型及飼草成份檢測等進行了試驗研究，并取得了一定成果。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本論文分別選用湖南寧鄉(xiāng)基地2015年6月刈割的樟樹下套種的紅薯藤和湖南常德基地2015年8月刈割的蘋果樹下套種的百喜草為實驗材料。新鮮飼草刈割后，干燥，切段并壓塊貯藏。

圖1 蠕變試驗方案Fig.1 Creep test plans

圖2 實驗裝置Fig. 2 Experimental device

1.2 實驗方法

參照蠕變試驗要求及相關文獻[6-7]，本試驗選取不同飼草、壓縮力和壓塊溫度為試驗因素，進行紅薯藤和百喜草的壓縮蠕變試驗研究。考慮生產(chǎn)率，設定壓縮時間為30 s，喂入量為1 kg，實驗時百喜草含水率為16.32%，紅薯藤含水率為16.55%。根據(jù)試驗設備及飼草壓塊參數(shù)設置實驗，選擇壓塊壓強分別為5、10、15、20 MPa，溫度分別為30、40、50、60 ℃，同時設定保壓時間為10 s進行實驗。

1.3 蠕變試驗方案

本試驗采用萍鄉(xiāng)九州精密壓塊有限公司生產(chǎn)的Y33-50型四柱油壓機進行壓塊，壓塊前在壓塊機上安裝由秦皇島協(xié)力科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的YBD-300型位移傳感器和300kN輪輻傳感器，同時連接該公司生產(chǎn)的XL2101DS8型動態(tài)應變儀和動靜態(tài)應變采集與分析系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)收集，對各個因素水平的試驗重復至少3次。試驗數(shù)據(jù)另存為txt文件格式，然后用origin軟件進行繪圖及數(shù)據(jù)處理[8]，圖1為實驗裝置圖，圖2為試驗系統(tǒng)框圖。

2 結果與分析

2.1 實驗結果

2.1.1 不同壓強下飼草壓縮蠕變測試曲線

在常溫下進行實驗，得出不同壓強下百喜草和紅薯藤壓縮蠕變曲線分別如圖3及圖4所示，由圖可以看出:百喜草和紅薯藤在不同荷載作用下蠕變規(guī)律相似，加載曲線中可以觀測到減速蠕變階段和穩(wěn)態(tài)蠕變階段；紅薯藤和百喜草的總蠕變量均隨荷載的增大而增大。

圖3 不同壓強下百喜草壓塊蠕變測試曲線Fig.3 Bahia grass creep curves under different different Pressure

圖4 不同壓強下紅薯藤壓塊蠕變測試曲線Fig.4 Sweet potato vine creep curves under pressure

2.1.2 不同溫度下飼草壓縮蠕變測試曲線

在壓塊壓強為15 MPa下進行這兩組實驗，得出不同壓強下百喜草和紅薯藤壓縮蠕變曲線分別如圖5及圖6所示，由圖可以看出：百喜草和紅薯藤在不同溫度下蠕變規(guī)律基本相似，實驗曲線中可以觀測到減速蠕變階段及穩(wěn)態(tài)蠕變階段；紅薯藤和百喜草的總蠕變量均隨溫度的升高而增大。

圖5 不同溫度下百喜草壓塊蠕變測試曲線Fig. 5 Bahia grass creep curves under different different temperatures

圖6 不同溫度下紅薯藤壓塊蠕變測試曲線Fig. 6 Sweet potato vine creep curves under temperatures

2.2 實驗結果分析

由兩種飼草的蠕變試驗曲線可以看出，百喜草與紅薯藤的蠕變曲線有相似的規(guī)律。其蠕變過程主要為兩個階段。蠕變曲線在第4～7 s的拐點處出現(xiàn)分界點，其應變呈線性增加，為壓力加載階段。蠕變曲線從5～10 s起逐漸趨于水平直線，此時加載的壓力達到了試驗預設的壓力值，變形速率減緩，為保壓階段。

對于不同壓強壓塊實驗中，不同的壓塊壓強所需克服的物料與壓縮箱體間的摩擦力、草物料間的摩擦力以及草物料細胞壁組織破壞的程度不同，其蠕變曲線也不相同，變形主要取決于草物料本身的變化。而在不同溫度下進行壓塊，由于每次溫度不同，草物料的變形主要包括物料本身的物理和化學性質的變化，荷載不變時，同種飼草的物理變形基本相同，但化學性質變化不同。紅薯藤與百喜草在壓縮蠕變時表現(xiàn)也有差異，由于草料種類不同，物壓縮時各截面密度也不同，由于草物料是非剛體，當它受到壓縮力的時候，物料同一截面上的變形就不一致。壓縮力是變形的主要來源，從本論文試驗數(shù)據(jù)及相關參考文獻可以得出，不同的草物料蠕變特性不同[9]。

在壓縮草料的過程中，由于紅薯藤和百喜草在達到最大壓縮密度之前，有一段保壓過程，不同的保壓力值得到的產(chǎn)品最終密度也不相同。由于飼草產(chǎn)品的密度已經(jīng)成為優(yōu)化壓捆機的重要指標[10-11]，在保壓階段初期，草物料已有一密度值，保壓階段表現(xiàn)的是該密度下草塊的蠕變性能，而加載階段觀測的則是草物料本身的蠕變特性[12-13]。

2.3 蠕變數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)國內外對農(nóng)業(yè)物料或農(nóng)業(yè)纖維物料壓縮過程中蠕變的研究[14-15]及實驗數(shù)據(jù)，本論文選用[M]|[N]模型對百喜草和紅薯藤蠕變過程進行擬合，其應力為σ=σM+σN。初始變形ε0=0，εt=f(t)，其模型結構圖如圖7所示。

圖7 [M]|[N] 模型結構Fig.7 [M]|[N] structure diagram

通過計算，得出[M]|[N]模型的本構方程式為：

進一步求解微分方程，得出其蠕變方程為：

為方便擬合輸入，將公式(3.22)簡化如下：

利用Origin7.5軟件中的自定義函數(shù)擬合功能對上述壓縮蠕變實驗曲線進行擬合，得出擬合圖形如圖8～圖23所示，同時可得出擬合公式中(3)的四個參數(shù)A，B，C，D的具體值。坐標中x軸為時間t，單位為s，y軸y(t)為草物料在壓縮中的形變量，單位為mm。

由圖8～23可以看出，[M]|[N]模型能夠較好的擬合不同壓強、不同溫度下百喜草與紅薯藤壓縮蠕變過程，其擬合決定系數(shù)R2均可達到0.95以上。通過擬合曲線中各參數(shù)的具體數(shù)值可以得到百喜草與紅薯藤壓縮蠕變方程式如下表1所示：

圖8 百喜草5 MPa擬合曲線Fig.8 Bahia grass fi tting curve of 5 MPa

圖9 百喜草10 MPa擬合曲線Fig.9 Bahia grass fi tting curve of 10 MPa

圖10 百喜草15 MPa擬合曲線Fig.10 Bahia grass fi tting curve diagram of 20 MPa

2.4 蠕變實驗與松弛實驗等價性研究

從物理流變學理論分析，蠕變與松弛實質上是受同一物理力學機制所控制，只是材料長期力學性質的兩種理想化的力學概念。所以，松弛與蠕變曲線是可以相互轉化的。對與不同壓強條件下的百喜草和紅薯藤，可以得出其在一定應變時的松弛曲線如圖24及圖25所示。

圖11 百喜草20 MPa擬合曲線Fig.11 Bahia grass fi tting curve diagram of 15 MPa

圖12 紅薯藤5 MPa擬合曲線Fig.12 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 5 MPa

圖13 紅薯藤10MPa擬合曲線Fig.13 Sweet potato vine fi tting curve of 10MPa

圖14 紅薯藤15MPa擬合曲線Fig.14 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 15 MPa

圖15 紅薯藤20MPa擬合曲線Fig.15 Sweet potato vine fi tting curve of 20MPa

圖16 百喜草30℃ 擬合曲線Fig.16 Bahia grass fi tting curve diagram of 30℃

圖17 百喜草40℃ 擬合曲線Fig.17 Bahia grass fi tting curve diagram of 40℃

圖18 百喜草50℃擬合曲線Fig.18 Bahia grass fi tting curve diagram of 50 ℃

圖19 百喜草60℃擬合曲線Fig.19 Bahia grass fi tting curve diagram of 60 ℃

圖20 紅薯藤30 ℃擬合曲線Fig.20 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 30 ℃

圖21 紅薯藤40 ℃擬合曲線Fig.21 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 40 ℃

圖22 紅薯藤50℃擬合曲線Fig.22 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 50℃

圖23 紅薯藤60℃擬合曲線Fig.23 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 60℃

圖24 百喜草蠕變曲線向松弛曲線的轉化Fig.24 The relaxation curve for the bahia grass by the creep curves

表1 不同壓強、不同溫度下百喜草與紅薯藤壓縮蠕變方程式Table 1

圖25 紅薯藤蠕變曲線向松弛曲線的轉化Fig.25 The relaxation curve for the sweet potato vine by the creep curves

由圖24～25可知，盡管試驗所設置的壓強值相對偏少，也可大概得出兩種飼草的松弛曲線。但是，由于上圖百喜草與紅薯藤蠕變速度快，數(shù)據(jù)集中，人為操作不能找到較為差異顯著的點，所得到的松弛曲線不夠精確，如果有足夠的蠕變數(shù)據(jù)或者相應的軟件操作，就可以得到更為精確的松弛曲線。

同理，也可以由草物料松弛曲線得到其蠕變曲線。

3 結論與討論

本文對不同壓塊壓強及不同壓塊溫度下紅薯藤與百喜草壓縮蠕變過程進行了研究，通過蠕變曲線分析，發(fā)現(xiàn)采用[M]|[N] 蠕變模型可以較好的對蠕變過程進行擬合，擬合曲線與實驗曲線的決定系數(shù)(R2)均在0.95以上，并得到了其蠕變本構方程及松弛曲線，為南方林下壓塊機的優(yōu)化設計提供了依據(jù)。

但南方林下飼用植物壓縮試驗的研究涉及多個學科，從基地建設、飼草選育與種植，到刈割、烘干、壓縮蠕變加工處理，直到營養(yǎng)成份分析研究等，工作量較大，有關南方林下飼用植物壓塊過程的蠕變及松弛等價性研究仍有待進一步的檢驗和完善；研制的喂飼配方有待于較長時間的實踐檢驗。

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Creep processing reaearch for understory forage plants in the south

FENG Yan1, WANG Tian-zuo2, YUAN Ning1, LUO Ying-she1
(1. Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

With the rapid development of China’s national economy and social progress, the industry of understory economics in the south of China has been fl ourishing. By studying the creep characteristics of the materials in the loading stage and the holding stage,we can reveal the changing laws of the materials inside. If the effect of compressive stress on creep characteristics of grass materials will be analyzed, the trend of the product density can be obtained. This paper studied the creep process of understory sweet potato vine and bahia grass in the south under different briquetting pressure and different briquetting temperatures, their creep curves showed that the rheological model named [M]|[N] could fi t the creep process suitably, using Origin7.5 software to fi t the creep processes, all of the coef fi cient of determination were bigger then 0.95, we also got the compressive creep constitutive equations for sweet potato vine and bahia grass under different briquetting pressure and different briquetting temperatures. And then got the relaxation curves in a certain strain conditions for the sweet potato vine and Bahia grass from their creep curves on different briquetting pressures.

in the south; understory forage plants; creep; relaxation; fi tting

S759.6

A

1673-923X(2016)11-0129-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.023

2016-03-09

湖南省科學技術廳重點項目（2014NK2005）

馮 燕，碩士研究生 通訊作者：羅迎社，教授，博導；E-mail：lys0258@vip.sina.com

馮 燕，王天佐，袁 寧，等.南方林下飼用植物壓縮蠕變研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2016, 36(11): 129-136.

[本文編校：吳 毅]