玉米苞葉和葉鞘力學(xué)性能及對揉碎性能的影響

樊 琦，張 濤，劉 飛，趙滿全，楊 錚，閆 鵬

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018 )

0 引言

近幾年，我國的畜牧業(yè)發(fā)展迅猛，畜牧業(yè)產(chǎn)值占農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值的30%[1]。畜牧業(yè)發(fā)展迅猛的同時(shí)，問題也浮現(xiàn)出來，我國的畜牧業(yè)無法擺脫對糧食的過分依賴，所以牲畜飼草問題的解決迫在眉睫[2]。

玉米是我國的第二大糧食作物[3]，種植廣泛。我國玉米秸稈資源豐富，但大多的玉米秸稈被廢棄或者被焚燒，不僅沒有被利用，還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的空氣污染[4]。玉米秸稈是一種非常好的飼草，由于秸稈類粗飼料質(zhì)地粗硬、咀嚼費(fèi)力、適口性差、粗蛋白含量低、消化效率低、食入量不高，其代謝能的利用率也較差，需要機(jī)械將玉米秸稈加工成適合牲畜食用的飼草[5]。高夢祥[6]等測試了玉米秸稈的莖葉連接力、葉鞘的抗拉特性和沖擊特性，發(fā)現(xiàn)莖葉連接力為0.7～16N，莖稈抗沖擊能量為2.3～42.8J。王宏立等[7]通過對剪切速度、切刀刃型及剪切方式的三因素隨機(jī)區(qū)組剪切性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)影響剪切力的主要因素是剪切方式。吳子岳等[8]對兩端自由支撐條件下玉米秸稈切斷速度和切斷功耗進(jìn)行正交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)切割方式對切斷速度的影響最大，受切的根數(shù)影響切斷功耗最顯著。李汝莘等[9]對碎玉米秸稈卷壓過程的流變規(guī)律進(jìn)行了研究，采用線性黏彈性理論，構(gòu)建了伯格斯模型，初步判定碎玉米秸稈卷壓過程的流變行為偏向于流體。田宜水等[10]通過試驗(yàn)研究華北、東北地區(qū)7種農(nóng)作物秸稈切物料的理化特性，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的玉米秸稈含水率、溫度等對秸稈力學(xué)特性具有不同程度的影響。東北平原地區(qū)玉米秸稈與其他地區(qū)差異較大，且同一地區(qū)的不同農(nóng)作物秸稈的理化特性也存在顯著差異。霍麗麗等[11]為分析秸稈類生物質(zhì)原料的物理特性，選取自然晾曬后的6種玉米秸稈進(jìn)行物理特性研究，結(jié)果表明：秸稈與金屬、橡膠材料的最大靜摩擦因數(shù)分別在0.45～0.55和0.51～0.62之間，內(nèi)摩擦因數(shù)在0.53～0.73之間。廖娜等[12]應(yīng)用ANSYS建立了玉米秸稈芯橫截面圓柱有限元結(jié)構(gòu)模型，并對其壓縮過程和應(yīng)力松弛過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明：五參量廣義麥克斯韋模型能較好描述玉米秸稈芯應(yīng)力松弛特性。O Dogherty等[13-14]學(xué)者對小麥秸稈的力學(xué)特性試驗(yàn)研究結(jié)果表明：麥秸的拉伸強(qiáng)度為21.2～31.2MPa，剪切強(qiáng)度為4.91～7.62MPa，楊氏模量為4.76～6.58GPa，剛性模量為267～547MPa，并指出小麥秸稈的成熟度、含水率、溫度等對其力學(xué)特性具有不同程度的影響。在玉米秸稈加工中發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈中摻雜的玉米苞葉和玉米葉鞘的物理特性與玉米秸稈物理特性有著極大的不同，在揉碎過程中會(huì)對揉碎質(zhì)量有所影響。為了找到玉米葉鞘和玉米苞葉對揉碎過程的影響規(guī)律，本文對玉米苞葉和玉米葉鞘的力學(xué)特性展開研究。

1 玉米葉鞘苞葉的拉伸力學(xué)特性

1.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

測試玉米苞葉和葉鞘取自內(nèi)蒙古呼和浩特市賽罕區(qū)什蘭岱村2016年秋收后的玉米秸稈，品種為呼和浩特市周邊地區(qū)常種植的欣晟18。

玉米苞葉和玉米葉鞘形狀不規(guī)則，沒有玉米苞葉和葉鞘的拉伸力學(xué)國家標(biāo)準(zhǔn)。本研究參考了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1040.1-2096《塑料 拉伸性能測定 第一部分：總則》、GB/1040.3-2006《塑料 拉伸性能的測定 第三部分：薄膜和薄片的實(shí)驗(yàn)條件》、GB/1040.4-2006 《塑料 拉伸性能的測定 第四部分：各向同性和正交各向異性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的試驗(yàn)條件》。

試驗(yàn)前，將玉米苞葉和玉米葉鞘用鉗工工具加工為啞鈴狀[15]。試件斷裂處寬度5mm，斷裂處長度30mm，試件最寬處44mm，試件總長150mm，含水率8.822%。玉米苞葉拉伸試件圖如圖1所示。

圖1 玉米苞葉拉伸試件圖

為了防止拉伸試驗(yàn)中試件與夾具產(chǎn)生相對滑動(dòng)，將試樣的加持部分用膠布裹住，夾具內(nèi)側(cè)粘結(jié)材料為牛皮[16]。

用螺旋測微儀測量試件斷裂處的厚度，并將試件參數(shù)輸入到ZD/WDW-20A微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)中，分別將拉伸加載速度速度和a值設(shè)為變量。試驗(yàn)方案為非金屬材料拉伸試驗(yàn)。加載速度分別為5、100、200、300、400、500mm/min，a值分別為5、10、15、20mm。

1.2 拉伸試驗(yàn)分析

以拉伸加載速度為變量時(shí)，在低速拉伸過程中由于玉米苞葉玉米葉鞘試件的各向異性，試件會(huì)從抗拉強(qiáng)度最低處斷裂。試驗(yàn)過程中會(huì)發(fā)出斷裂聲，且試驗(yàn)力與時(shí)間圖像曲線會(huì)產(chǎn)生1次波峰，如圖2所示。當(dāng)拉伸速度較大時(shí)，試驗(yàn)力時(shí)間圖像僅會(huì)存在1個(gè)波峰(見圖3)，試件會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)直接斷裂。

隨著拉伸加載速度的的變化，使得玉米苞葉和玉米葉鞘斷裂所需要的力并沒有像剛體那樣保持一個(gè)恒定值，而是在某些位置出現(xiàn)峰值。玉米葉鞘會(huì)在加載速度為100mm/min時(shí)出現(xiàn)一個(gè)拉伸斷裂力的最大值，最小值則在加載速度為300mm/min時(shí)出現(xiàn)，如圖4所示。玉米苞葉在加載速度為400mm/min時(shí)出現(xiàn)拉伸斷裂力的最大值，在加載速度為200mm/min時(shí)出現(xiàn)拉伸斷裂力的最小值，如圖5所示。

圖2 低速拉伸玉米苞葉試驗(yàn)力與時(shí)間曲線

圖3 高速拉伸玉米苞葉試驗(yàn)力與時(shí)間曲線

圖4 玉米葉鞘拉伸斷裂力與加載速度曲線

圖5 玉米苞葉拉伸斷裂力與加載速度曲線

以a值為變量時(shí)，試驗(yàn)得到玉米苞葉的最大拉伸力為82.57N/cm2、玉米葉鞘的最大拉伸力為1 277.2N/cm2。對葉鞘和苞葉的最大拉伸力與相應(yīng)橫截面積做了線性回歸，得到數(shù)學(xué)模型玉米苞葉的數(shù)學(xué)模型為

y=0.0009x+0.0046

玉米葉鞘的數(shù)學(xué)模型為

y=0.0126x-0.0018

由數(shù)學(xué)模型可以看出：玉米苞葉和玉米葉鞘單位面積的拉伸斷裂極限基本相同，拉伸斷裂力和a值的大小成線性相關(guān)。

2 玉米葉鞘苞葉對揉碎機(jī)的影響

2.1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)選用測試玉米苞葉和葉鞘取自內(nèi)蒙古呼和浩特市賽罕區(qū)什蘭岱村2016年秋收后的玉米秸稈，品種為呼和浩特市周邊地區(qū)常種植的欣晟18。該秸稈處于長期風(fēng)干狀態(tài)，含水率為8.822%。

試驗(yàn)用揉碎機(jī)為內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)自行研制的9RS-60型揉碎機(jī)。9RS-60型揉碎機(jī)已自行設(shè)計(jì)了秸稈揉碎性能試驗(yàn)臺(tái)，用于測量試驗(yàn)過程中的主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率。本試驗(yàn)加裝的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器型號為JN338型數(shù)字總線式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器。試驗(yàn)選用精度為0.01g的電子秤來稱量各實(shí)驗(yàn)組秸稈的質(zhì)量。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)康氖菣z驗(yàn)玉米葉鞘和玉米苞葉在玉米秸稈揉碎過程中對于實(shí)驗(yàn)的影響。由于玉米苞葉葉鞘性質(zhì)相似，所以按照玉米秸稈和玉米苞葉葉鞘的比例將試驗(yàn)劃分為6組，即苞葉葉鞘的含量為0、25%、50%、75%、100%和不經(jīng)處理的對比組。試驗(yàn)前稱量每組試驗(yàn)的秸稈總質(zhì)量為1 000g，秸稈長度為(1 700±50)mm。調(diào)整變頻器參數(shù)使得揉碎機(jī)主軸轉(zhuǎn)速1 600r/min，喂入速度0.65m/s[17-18]。

在出料口處對揉碎物取樣，取樣方法參考國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T509-2015《秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T0788-2006《飼草揉碎機(jī)》。在出料口橫截面接取樣品3次，3次樣品均勻混合后即為該次實(shí)驗(yàn)樣品。3次樣品總質(zhì)量為100g左右，取樣后放入密封袋并標(biāo)記編號，用于試驗(yàn)完成后的篩分和分析揉碎程度。同時(shí)，記錄秸稈揉碎試驗(yàn)所消耗的電能。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算依據(jù)國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T509-2015《秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》[19]。

2.3.1 揉碎物分級

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，秸稈絲的定義為：秸稈加工后的成品為幾何長度10～180mm、幾何寬度不大于5mm的絲狀物?！掇r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中，秸稈揉碎機(jī)加工產(chǎn)品的形態(tài)為長度50～180mm，秸稈揉切機(jī)加工產(chǎn)品的形態(tài)為長度30～100mm。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》得出，本揉碎性能試驗(yàn)臺(tái)符合秸稈揉切機(jī)的主要工作部件和加工特點(diǎn)，所以定義加工后不合格的產(chǎn)品形態(tài)為長度大于100mm或?qū)挾却笥?mm，加工后合格秸稈絲為長度小于100mm且寬度小于5mm。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20788-2006《飼草揉碎機(jī)》[20]破節(jié)率計(jì)算公式中加工后秸稈破節(jié)的定義，未破節(jié)的定義為帶節(jié)的草。本揉碎性能試驗(yàn)中，未破節(jié)秸稈定義為長度或?qū)挾炔粷M足要求且?guī)в星o節(jié)。

對于飼喂反芻牲畜的秸稈來說并不是越短、越碎、越軟越好，需要適宜的長度。對于羊來說，秸稈細(xì)碎適宜長度為7mm以上[21]，牛的適宜長度大于羊的適宜長度。所以，本研究定義長度為7mm以下的細(xì)碎秸稈為過揉碎。

篩分方法為：將秸稈揉碎物樣品從最頂端的篩子倒入，手動(dòng)晃動(dòng)篩子，秸稈通過篩孔下落到下一層篩面，測量每層篩面秸稈長度分布范圍。分級統(tǒng)計(jì)得到：篩孔直徑10mm篩面上大于50mm的秸稈絲長度占該篩面秸稈總質(zhì)量的90%；篩孔直徑5mm篩面上大于20mm的秸稈絲長度占該篩面秸稈總質(zhì)量的90%；篩孔直徑3mm下95%的秸稈絲長度小于7mm。所以，選擇篩孔直徑分別為10、5、3mm的標(biāo)準(zhǔn)篩篩分秸稈揉碎物樣品。

長度或?qū)挾炔缓细竦慕斩捊z無法利用標(biāo)準(zhǔn)篩分級，通過人工比對的方法進(jìn)行篩選。將篩孔直徑10mm上的秸稈與標(biāo)準(zhǔn)卡(長度100mm、寬度5mm)進(jìn)行對比，找出未破節(jié)的秸稈和不合格的秸稈絲。篩孔直徑10mm篩面上秸稈長度基本范圍利用精度為0.1g電子天平測量各級秸稈質(zhì)量，分析揉碎程度試驗(yàn)結(jié)果。

圖6 篩分分級取樣的秸稈絲

試驗(yàn)重復(fù)3次，分別稱量6種揉碎等級的篩分物，計(jì)算3次重復(fù)試驗(yàn)平均值，結(jié)果如表1所示。

表1 玉米苞葉和葉鞘含量為變化因素的揉碎程度結(jié)果

A為3mm圓孔篩下邊秸稈質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比；B、C、D分別為3、5、10mm圓孔篩上邊秸稈質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比；E為秸稈絲長度超過100mm或?qū)挾瘸^5mm秸稈質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比；F為未破節(jié)秸稈質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。

國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T509-2015《秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定秸稈絲化率計(jì)算公式為

式中S—秸稈絲化率(%)；

m1—樣品中秸稈絲的質(zhì)量(g)；

m2—樣品質(zhì)量(g)。

秸稈絲化率、破節(jié)率、過揉碎率如圖7～圖9所示。國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T509-2015《秸稈揉絲機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》對揉碎機(jī)性能指標(biāo)規(guī)定,玉米秸稈絲化率大于或等于90%。由綜合分析可知：當(dāng)玉米苞葉和玉米葉鞘含量占總質(zhì)量的50%時(shí)，在保證絲化率的同時(shí)可以讓破節(jié)率較大，過揉碎率較小。

圖7 絲化率隨玉米苞葉和葉鞘含量增加的變化

圖8 破節(jié)率隨玉米苞葉和葉鞘含量增加的變化

圖9 過揉碎率隨玉米苞葉和葉鞘含量增加的變化

2.3.2 電能消耗分析

主軸電能消耗通過三相四線有功電能表測得，揉碎機(jī)性能指標(biāo)為噸料電耗。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，加工干秸稈時(shí)揉碎機(jī)的噸料電耗小于或等于15kW·h/t。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定噸料電耗的計(jì)算公式為

式中Q—噸料電耗(kW·h/t)；

G—試驗(yàn)用秸稈質(zhì)量(g)；

N—耗電量(kW·h)；

Sb—秸稈含水率(%)。

所用秸稈為自然風(fēng)干的玉米秸稈，含水率經(jīng)測算為8.822%。分析計(jì)算計(jì)算后，得到揉碎干玉米秸稈試驗(yàn)過程中噸料電耗性能指標(biāo)如表2所示，噸料電耗變化情況如圖10所示。

表2 噸料電耗試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

圖10 噸料電耗變化情況

由圖10可以看出：當(dāng)玉米苞葉和葉鞘的含量為25%時(shí)，噸料電耗為最低值；噸料電耗隨著玉米苞葉和葉鞘的含量增加而增加。

3 結(jié)論

1)試驗(yàn)結(jié)果表明：玉米苞葉和玉米葉鞘在拉伸力學(xué)性能上體現(xiàn)出了相似性，玉米苞葉的最大拉伸力為82.57N/cm2，玉米葉鞘的最大拉伸力為1 277.2N/cm2。

2)玉米苞葉和玉米葉鞘會(huì)在揉碎過程中影響揉碎機(jī)的揉碎質(zhì)量和揉碎機(jī)的度電產(chǎn)量。玉米秸稈的絲化率隨玉米苞葉和玉米葉鞘含量的增多而減少；玉米秸稈破節(jié)率隨著玉米苞葉和玉米葉鞘含量的增加而增加；玉米苞葉和玉米葉鞘含量為100%時(shí)，破節(jié)率也為100%；過揉碎率呈拋物線形式，在玉米苞葉和玉米葉鞘含量為75%時(shí)過揉碎率最低。

3)噸料電耗在玉米苞葉和玉米葉鞘含量為25%時(shí)取得最小值。

4)綜合揉碎質(zhì)量和玉米秸稈噸料電耗來看：在玉米苞葉和玉米葉鞘含量為50%時(shí)，整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果為最優(yōu)解。