不同因素下蘆葦應(yīng)力松弛特性試驗(yàn)及分析

陳換美 ，郭振華 ，，張立新 ，張 翔 ，李繼霞

不同因素下蘆葦應(yīng)力松弛特性試驗(yàn)及分析

陳換美1，郭振華1，2，張立新2，張 翔2，李繼霞2

（1巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 庫爾勒 841000；2石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000）

蘆葦?shù)膲嚎s特性對(duì)其壓縮后生成的成品質(zhì)量、生產(chǎn)工藝過程以及生產(chǎn)設(shè)備性能都有比較重要的影響。本文通過對(duì)蘆葦進(jìn)行壓縮特性試驗(yàn)，分析在不同含水率、喂入量等因素的影響下，蘆葦?shù)膲嚎s松弛應(yīng)力與各因素之間的關(guān)系，得出應(yīng)力與各因素之間的關(guān)系曲線，并用最小二乘法得出蘆葦壓縮特性擬合方程。研究結(jié)果表明，蘆葦松弛應(yīng)力隨含水率降低而增加，隨喂入量增大而增加，蘆葦壓縮模型表達(dá)式符合粘彈性材料的應(yīng)力松弛特性的數(shù)學(xué)模型。

蘆葦；壓縮；試驗(yàn)研究；含水量；喂入量；應(yīng)力松弛

0 引言

蘆葦是一種常年水生的禾本科植物，繁殖能力強(qiáng)，主要依靠根莖繁殖，屬典型的無性系植物，可在湖泊、河道沿岸、河口等淺水濕地形成密集的單優(yōu)群落，甚至能分布在荒漠、鹽堿等地區(qū)[1]。中國有豐富的蘆葦資源，其中產(chǎn)量較為豐富的地區(qū)有：（1）黑龍江葦區(qū)，總面積約13.33萬hm2，總量達(dá)到20萬t以上；（2）內(nèi)蒙古葦區(qū)，總面積約7.33萬hm2，總量達(dá)到11萬 t以上；（3）新疆葦區(qū)，總面積約 6.67萬 hm2，總量達(dá)到30萬t以上；（4）遼寧葦區(qū)，總面積約8.67萬hm2，總量達(dá)到 52 萬 t以上[2]。

蘆葦能夠成為木材的替代性資源，可用于造紙、建材、飼料、醫(yī)藥等行業(yè)。在調(diào)節(jié)生態(tài)環(huán)境，凈化水源等方面，也起到至關(guān)重要的作用。在造紙行業(yè)，對(duì)蘆葦?shù)男枨罅坎粩嘣黾?，但由于蘆葦包密度小，致使運(yùn)輸效益較低，愿意承運(yùn)葦包的運(yùn)輸車輛很少。蘆葦打捆裝備在解決紙、紙板等原材料運(yùn)輸過程中出現(xiàn)虧噸現(xiàn)象，因此，研究蘆葦粉碎清雜高密度打捆裝備具有重要的意義。

目前，國內(nèi)關(guān)于蘆葦壓縮性能方面的研究還比較少。本文通過對(duì)蘆葦?shù)膲嚎s試驗(yàn)，分析在不同含水量、喂入量等因素的影響下，蘆葦?shù)膲嚎s松弛應(yīng)力與各因素之間的關(guān)系，并給出它們之間的關(guān)系曲線和擬合方程，為蘆葦壓縮裝備的設(shè)計(jì)研發(fā)提供依據(jù)。

1 材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)采用的蘆葦產(chǎn)自新疆博斯騰湖葦區(qū)，由天宏葦業(yè)提供，實(shí)驗(yàn)前對(duì)所用蘆葦進(jìn)行切段處理（20—40 cm/段），并將蘆葦中雜物去除（圖 1）。

圖1 實(shí)驗(yàn)材料Figure 1 The material for test

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用CSS-44000萬能實(shí)驗(yàn)機(jī) （圖2）和烘干機(jī)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)蘆葦?shù)膲嚎s和含水量的測(cè)量。由于蘆葦是莖稈狀纖維植物，為便于實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)力測(cè)試，自行制造壓縮箱（圖2），其尺寸為38 cm×56 cm×55cm。

圖2 萬能材料實(shí)驗(yàn)機(jī)和壓縮箱Figure 2 The universalmaterialtesterand The compression box

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 壓縮特性實(shí)驗(yàn)方法

蘆葦壓縮特性實(shí)驗(yàn)的目的是分析蘆葦受壓縮時(shí)壓力的變化規(guī)律和壓力最大值與蘆葦各因素（含水量、喂入量、壓縮速度）之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)過程中，蘆葦各因素分別取3個(gè)水平進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)分析。其中，含水量測(cè)定方法采用JB/T5166-1991中方草捆打包機(jī)實(shí)驗(yàn)中所規(guī)定的含水率確定方法；喂入量根據(jù)打包機(jī)的工作效率計(jì)算出單次喂入量；蘆葦?shù)膲嚎s密度主要取決于壓縮行程，而壓縮速度很小，因此，用壓縮行程反映壓縮速度。實(shí)驗(yàn)因素水平表如表1所示。

水平 含水率（%） 喂入量（g）Level Moisture content Feeding amount 1 13 450 2 15 500 3 17 550

本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖谴_定蘆葦各因素（含水量、喂入量、壓縮速度）對(duì)其壓縮應(yīng)力的影響規(guī)律和大小，因此采用單因素輪換法。實(shí)驗(yàn)安排如表2所示。

表2 蘆葦壓縮特性實(shí)驗(yàn)Table 2 Test of Reed compression characteristics

實(shí)驗(yàn)過程中，壓縮箱隨喂入量的增加逐漸被填滿，在填滿過程中不采集數(shù)據(jù)。當(dāng)壓縮箱內(nèi)壓滿蘆葦物料時(shí)，建立應(yīng)力測(cè)實(shí)環(huán)境，通過實(shí)驗(yàn)儀采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。壓縮過程中，要根據(jù)參數(shù)計(jì)算出壓縮位移，保證壓縮密度與打捆壓縮設(shè)備的設(shè)計(jì)密度一致。具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。

1.3.2 應(yīng)力松弛特性實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)是在對(duì)蘆葦壓縮性的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究蘆葦?shù)膽?yīng)力松弛特性，分析蘆葦在含水量、喂入量等因素的影響下，其應(yīng)力松弛特性的表現(xiàn)規(guī)律。應(yīng)力松弛即材料在某一瞬間達(dá)到恒定應(yīng)變并在保持恒定應(yīng)變時(shí)應(yīng)力隨時(shí)間的延續(xù)而逐漸減少的現(xiàn)象或過程[3]。根據(jù)定義，在實(shí)驗(yàn)過程中，利用實(shí)驗(yàn)機(jī)的最大加載速度，以獲得“某一瞬間”應(yīng)力參數(shù)。實(shí)驗(yàn)因素水平如表4。

表3 不同喂入量的壓縮位移對(duì)照Table 3 Compression displacement in different feeding amount

表4 應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)因素水平Table 4 Experimentalfactors and levels ofstress relaxation

應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)方案如表5。

表5 應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)Table 5 Test of stress relaxation

2 實(shí)驗(yàn)及分析

通過上述實(shí)驗(yàn)，可以得到蘆葦在不同因素條件下的壓縮應(yīng)力—位移關(guān)系曲線（圖5）和松弛應(yīng)力—位移關(guān)系曲線（圖6）。對(duì)曲線進(jìn)行分析，可以得到蘆葦在壓縮過程中的應(yīng)力變化趨勢(shì)。

由圖3可知，在蘆葦?shù)膲嚎s過程中總體變化趨勢(shì)分為兩個(gè)階段：（1）0—300 mm區(qū)間為蘆葦松散階段，主要特征是隨壓縮位移增加，蘆葦?shù)膲嚎s應(yīng)力變化較小。分析原因：這一階段的壓縮主要是克服蘆葦之間的間隙，因此體積變化較快，應(yīng)力值變化較小。（2）300—500 mm區(qū)間為蘆葦壓緊階段，主要特征是隨壓縮位移增加，蘆葦?shù)膲嚎s應(yīng)力迅速增大。分析原因：該階段的壓縮過程中主要需要克服蘆葦與蘆葦之間的摩擦力以及蘆葦與壓縮箱之間的摩擦力，因此，壓縮位移變化較小而應(yīng)力值大幅增加。

由圖4中曲線變化趨勢(shì)可知，應(yīng)力松弛階段的變化同樣分為兩個(gè)階段：快速松弛階段和緩慢松弛階段。在快速松弛階段（0—200 mm區(qū)間）應(yīng)力值呈快速下降趨勢(shì)；進(jìn)入緩慢松弛階段（300—500 mm區(qū)間）后，應(yīng)力下降趨勢(shì)明顯平緩。松弛應(yīng)力的變化趨勢(shì)對(duì)蘆葦打捆裝備的設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義，打捆操作應(yīng)設(shè)計(jì)在快速松弛后100—200 mm區(qū)間，此階段應(yīng)力值由前期最大15 KN瞬降至1 KN，松弛應(yīng)力已明顯變小，但蘆葦壓縮包還保持較高密度，此時(shí)打捆可以保證高密度的同時(shí)防止散捆現(xiàn)象發(fā)生。

蘆葦是一種具有彈性和粘性特征的粘彈性農(nóng)業(yè)纖維物料[4]，因此，在蘆葦?shù)膲嚎s過程中同時(shí)有彈性變形和粘性變形產(chǎn)生。壓縮結(jié)束時(shí)，彈性變形部分可以逐漸恢復(fù)，但由于蘆葦?shù)慕M織破壞等原因發(fā)生的粘性變形成為永久變形，不可恢復(fù)。由牛頓力學(xué)定律可知，當(dāng)蘆葦被壓縮時(shí)，壓縮塞上所受力等于蘆葦所受壓力，當(dāng)壓縮量達(dá)到最大時(shí)，壓縮塞所受力主要為蘆葦彈性力。壓縮力越大，同等初始狀態(tài)的蘆葦?shù)捏w積就越小，對(duì)應(yīng)的蘆葦密度越大，產(chǎn)生的彈性變形越大，彈性力也越大。所以當(dāng)壓縮塞停止壓縮，開始回程瞬間，作用在壓縮塞上的反作用力會(huì)瞬間下降（圖5）。

圖5 應(yīng)力瞬降圖Figure 5 Stress instantaneous drop

表6 不同含水率下蘆葦?shù)膽?yīng)力值Table6 Stressvaluesof Reed underdifferentwatercontents

綜上，打捆操作應(yīng)設(shè)計(jì)在快速松弛后100—200 mm區(qū)間，此區(qū)間松弛應(yīng)力已明顯變小，蘆葦壓縮包還保持較高密度，此時(shí)打捆可以保證高密度的同時(shí)防止散捆現(xiàn)象。

2.1 含水率對(duì)應(yīng)力松弛的影響

采用單因素輪換試驗(yàn)法測(cè)試含水率對(duì)蘆葦應(yīng)力松弛特性的影響。測(cè)試方法：保持喂入量不變（500 g/次），以最大加載對(duì)蘆葦進(jìn)行壓縮，測(cè)得不同含水率的蘆葦在多個(gè)采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值。

根據(jù)表6測(cè)得數(shù)據(jù)，繪制在不同含水率下蘆葦壓縮應(yīng)力變化趨勢(shì)圖（圖6）。由圖6可知，在壓縮過程中，同等壓縮量、不同含水率的蘆葦對(duì)應(yīng)的壓縮應(yīng)力值不同。含水率越高，同等條件下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值越小，并且隨壓縮量增大，應(yīng)力差明顯增大。

圖6 不同含水率下應(yīng)力值與位移的關(guān)系Figure 6 Relationship between Stress value and displacementunderdifferentwater contents

2.2 喂入量對(duì)松弛應(yīng)力的影響

表7 不同喂入量對(duì)應(yīng)應(yīng)力值Table 7 Stress values of different feeding amount

采用單因素輪換試驗(yàn)法測(cè)試喂入量對(duì)蘆葦松弛特性的影響。測(cè)試方法：在含水率不變的情況下，改變喂入量，喂入量每次取值分別為450 g、500 g和550 g，以最大加載對(duì)蘆葦進(jìn)行壓縮，測(cè)得不同喂入量在多個(gè)采集點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力值。

根據(jù)表7所測(cè)數(shù)據(jù)，繪制在不同喂入量對(duì)應(yīng)的蘆葦壓縮應(yīng)力變化趨勢(shì)圖（圖7）。由圖7可知，在壓縮過程中，含水率相同情況下，不同喂入量對(duì)應(yīng)蘆葦?shù)膲嚎s應(yīng)力值不同。喂入量越大，同等條件下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值越大，并且隨壓縮量增大，應(yīng)力差明顯增大。

圖7 不同喂入量下應(yīng)力值與位移的關(guān)系Figure 7 Rrelationship between stress value and displacementunderdifferentfeedingamount

2.3 建立蘆葦松弛應(yīng)力數(shù)學(xué)模型

表8 含水率13%，喂入量550 g條件下壓縮蘆葦?shù)膽?yīng)力值Table 8 Stress values with 13%moisture contentand 550 g feeding amount

由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，在單因素不變?cè)囼?yàn)條件下，含水率增加對(duì)應(yīng)蘆葦松弛應(yīng)力值減小，喂入量增大對(duì)應(yīng)蘆葦松弛應(yīng)力值增大。為進(jìn)一步得到蘆葦應(yīng)力松弛特性的數(shù)學(xué)模型，對(duì)含水率13%的蘆葦進(jìn)行試驗(yàn)，喂入量取值為550g，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8。根據(jù)表8繪制圖8。

擬合方程得到圖9。

運(yùn)用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到蘆葦壓縮特性的數(shù)學(xué)模型：在含水率13%，喂入量為550 g時(shí)，對(duì)應(yīng)的蘆葦壓縮模型表達(dá)式為y=22 558 e-0.38x，相關(guān)系數(shù)R=0.998，擬合曲線見圖9。表達(dá)式符合粘彈性材料的應(yīng)力松弛特性的數(shù)學(xué)模型：y=Aebx。

3 結(jié)論

（1）在壓縮蘆葦經(jīng)歷應(yīng)力瞬降后的100—200mm區(qū)間，蘆葦松弛應(yīng)力迅速變小，壓縮包還保持較高密度，此時(shí)打捆可以保證高密度的同時(shí)防止散捆現(xiàn)象。（2）在同等壓縮條件下，蘆葦松弛應(yīng)力隨含水率降低而增加，即蘆葦松弛應(yīng)力值與蘆葦含水率成反比；蘆葦松弛應(yīng)力隨喂入量增加而增加，蘆葦松弛應(yīng)力值與蘆葦喂入量成正比。（3）蘆葦在含水率13%，喂入量為550 g條件下壓縮模型表達(dá)式：y=22 558 e-0.38x，該表達(dá)式符合粘彈性材料的應(yīng)力松弛特性的數(shù)學(xué)模型：y=Aebx。

[1]Randolph MC，Laura AM，Kristin S.Expansion of Phragmites australis into tidal wetlands of North America.Aquatic Botany，1999：643.

[2]王振慶，王麗娜，吳大千，等.中國蘆葦研究現(xiàn)狀與趨勢(shì).山東林業(yè)科技，2006（6）：85-87，74.

Wang Z Q，Wang L N，Wu D Q，et al.The actuality and trend in the study of Phragmites australis （Cav.） Trin.exS-teud.in China.Shandong province forestry science and technology， 2006（6）： 85-87， 74.（in Chinese）

[3]王洪波.羊草可壓縮性及其應(yīng)力松弛特性的虛擬樣機(jī)分析研究.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

Wang H B.Study on the compressibility of Leymus Chinensis and its stress relaxation characteristics analyzed by virtual prototyping.Inner Mongolia Agricultural University，2007.（in Chinese）

[4]劉興元.NH565型方草捆撿拾打捆機(jī)引進(jìn)使用效果分析.草業(yè)科學(xué)，1995（6）：57-60.

Liu XY.An analysisof application effect of type NH565 rectangular pickup baler.Pratacultural science， 1995 （6）： 57-60.（in Chinese）

[5]張翔，張立新，成斌，等.粗纖維壓縮打捆機(jī)構(gòu)模態(tài)與諧響應(yīng)分析.農(nóng)機(jī)化研究，2015（4）：23-26，39.

Zhang X，Zhang LX，Cheng B，et al.Themodal and harmonic response analysis of the baling compression mechanism for crude agricultural fibers.Agricultural mechanization research， 2015（4）： 23-26， 39.（in Chinese）

[6]王春光.高密度壓捆時(shí)牧草在壓縮室內(nèi)的受力與變形研究.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15（4）：55-59.

Wang CG.Study on compressing process of hay in the compressing chamber of high density bales.Journal of agricultural engineering， 1999， 15（4）： 55-59.（in Chinese）

[7]杜健民.新鮮草物料壓縮過程的流變學(xué)研究.呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005：59-84.

Du JM.The experimental study on rheology of fresh Herbage Materials in the Process of the Compression.Huhhot：Inner MongoliaAgricultural University，2005：59-84.（in Chinese）

[8]李旭英.草物料壓縮流變動(dòng)力學(xué)特性研究及壓縮過程優(yōu)化.呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006：1-16，92-93.

Li X Y.Rheodynamic characteristics of herbage materials in compression and optimization of compression process.Huhhot：Inner Mongolia Agricultural University， 2006： 1-16， 92-93.（in Chinese）

[9]Chen P，Chen S.Stress-relaxation function of apples under high loading rates tram.ASAE，1986，29（6）：1754-1759.

[10]Peleg K.A rheologieal model of nonlinear viseoplastic solids.The Junrnal of Rheology， 1983， 27（5）： 411-431.

Test and Analysisof Reed Stress Relaxation Characteristicsunder Different Factors

CHEN Huan-mei2， GUO Zhen-hua1，2，ZHANG Li-xin1，ZHANG Xiang1， LIJi-xia1
（1Shihezi University， College of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi832000， Xinjiang；2Technical Collegeof Bayinguoleng， Korla 841000， Xinjiang）

The compression features of reeds have significant influence on the product quality,production process and equipment performance of the reed compressing process.By testing reed'scompression features,this article analysed the relationship between reed's compressive stress relaxation level and different factors,such as the level of water content or the feeding amount.While the article demonstrated the curve of the relationship,and composed a fitting equation for the reed's compressive character.As the results suggested,the stress level increased along with the drop of the moisture level and the raise of the feeding amount,thus confirmed the availability of the mathematical model of the stressrelaxation characteristicsof viscoelastic materials to thistopic.

Reed； Compression； Experimental study； Water content； Feeding amount； Stress relaxation

2017-05-20

國家自然基金資助項(xiàng)目（51565049）

聯(lián)系方式：陳換美(1981-),女,新疆庫爾勒人,研究生,講師,E-mai l:gzh056200@163.com.通訊作者：張立新(1967-),男,新疆石河子人,教授,博士生導(dǎo)師,E-mai l:zhl x2001730@126.com