飼用甜高粱秸稈壓縮松弛試驗研究

杜曉雪，郭文斌，王春光，王洪波，靳 敏，趙方超 劉曉東

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

0 引言

飼用甜高粱是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)的青貯飼料作物，也是典型的北方旱作農(nóng)業(yè)高產(chǎn)作物，具有莖稈糖分含量高、植株高大、生物產(chǎn)量高、抗旱性強、耐澇、耐鹽堿、耐貧瘠、營養(yǎng)價值高及適口性好等優(yōu)良特性[1-4]。但是，由于甜高粱秸稈同其他秸稈物料一樣存在松散、質(zhì)量輕、體積大、季節(jié)性強及收集運輸困難等特點，大部分秸稈在田間被焚燒，不僅污染環(huán)境，而且大大降低了其利用價值，造成資源的浪費[5-11]。因此，研究如何合理有效利用甜高粱秸稈，盡量減少含糖量和含水率等自身營養(yǎng)價值的流失，減小體積及降低其儲運成本，具有重大的現(xiàn)實意義。

秸稈壓縮致密是實現(xiàn)秸稈資源規(guī)?；玫挠行緩街?，將松散的秸稈物料壓縮成高密度捆或者塊，既解決了運輸困難，又能作為飼料進(jìn)行儲藏，方便且可行性大。由于秸稈物料自身的特點，在壓縮過程中需要克服的阻力主要表現(xiàn)為：①物料間的相互移動及變形阻力；②容器壁與物料間的摩擦阻力，進(jìn)而使得設(shè)備存在能耗高、關(guān)鍵部件磨損嚴(yán)重、生產(chǎn)效率低等問題，導(dǎo)致壓縮產(chǎn)品成本高，成為阻礙國內(nèi)外壓縮設(shè)備發(fā)展的瓶頸[12]。為解決以上問題，本文在不同喂入量下研究了甜高粱秸稈壓縮密度、壓縮力及松弛時間之間的影響規(guī)律變化，為相關(guān)壓捆、壓塊設(shè)備的研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗選用烏蘭察布市涼城縣生產(chǎn)的整株甜高粱為試驗原料，用9R-40型揉碎機進(jìn)行揉碎，其物料加工后的長度小于100mm，寬度2～6mm，平均含水率為53.8%。

1.2 試樣制備

甜高粱秸稈的含水率測定按照GB/T5262—2008中《農(nóng)業(yè)機械試驗條件測定方法的一般規(guī)定》和相關(guān)文獻(xiàn)的處理方法[13-15]。試驗前，將處理后的秸稈置于上海一恒科學(xué)儀器有限公司的電熱鼓風(fēng)干燥烘箱內(nèi)，以(103±2)℃的溫度烘干4h至恒重，并用賽多利斯BS/BT系列電子天平(精度：0.001g)測定烘干前后的質(zhì)量變化。

1.3 試驗設(shè)備

壓縮松弛試驗主要采用多功能電子蠕變松弛試驗機及自制壓縮裝置完成，壓縮松弛過程的系統(tǒng)示意圖如圖1所示。多功能電子蠕變松弛試驗機采用電子裝置對載荷和試樣的變形及橫梁的位移進(jìn)行精確的控制、測量、自動顯示和自動記錄，其工作原理為：接通電源后，計算機系統(tǒng)通過控制器，經(jīng)調(diào)速系統(tǒng)控制伺服電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)減速系統(tǒng)減速后通過精密絲杠副帶動橫梁上下移動，進(jìn)而完成試樣的拉伸、壓縮、彎曲等多種力學(xué)性能試驗。自制壓縮裝置由內(nèi)徑為98mm、長度為300mm的圓柱形套筒及圓形壓頭構(gòu)成，通過多功能電子蠕變松弛試驗機的橫梁實現(xiàn)上下移動，進(jìn)而完成壓縮過程。

圖1 壓縮設(shè)備示意圖Fig.1 Compression equipment schematic

1.4 試驗方法

秸稈類物料的壓縮及應(yīng)力松弛特性受喂入量影響較大[16]，為了探討喂入量對壓縮和松弛過程的影響，根據(jù)計算及自制壓縮裝置的大小，以400、600、800kg/m3為壓縮目標(biāo)密度[4]，選取150、200、250g等3種喂入量進(jìn)行壓縮和松弛試驗，相同條件下每組試驗重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。

試驗過程中，將物料按選取的喂入量以隨機雜亂的方式均勻地喂入自制壓縮裝置內(nèi)，壓頭以10mm/min的速度勻速壓縮，采樣頻率為5Hz，松弛過程中保型時間為900s。根據(jù)電子萬能試驗機的計算機軟件測試系統(tǒng)，測得力-時間-位移的變化曲線，以Excel的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲做進(jìn)一步分析。利用MatLab軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行無效點刪減，繪制其各變量之間的關(guān)系曲線；同時，利用MatLab軟件編程進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合，得到力—時間的數(shù)學(xué)模型，建立力-時間關(guān)系曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

根據(jù)試驗測得的數(shù)據(jù)，通過MatLab軟件處理后，利用Origin8.5軟件繪制了壓縮松弛過程中的力—時間曲線。200g喂入量下的壓縮松弛曲線如圖2所示。整個過程可以分為兩個階段：一是壓縮階段，物料在壓縮活塞的作用下運動到指定行程下的壓力變化曲線；二是松弛階段，被壓縮物料在應(yīng)變不變的條件下內(nèi)部變形恢復(fù)力的變化過程。

圖2 甜高粱壓縮松弛過程力—時間曲線

2.2 壓縮和松弛過程回歸模型的建立

2.2.1 壓縮過程回歸模型的建立與分析

根據(jù)試驗結(jié)果，得到揉碎甜高粱秸稈壓縮成型過程的力—時間曲線，通過MatLab軟件以指數(shù)函數(shù)、多項式及冪函數(shù)等數(shù)學(xué)模型對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。甜高粱秸稈壓縮過程力隨時間變化的試驗數(shù)據(jù)及多項式擬合曲線如圖3所示，力—時間關(guān)系數(shù)學(xué)模型如表1所示。研究發(fā)現(xiàn)：多項式方程的擬合效果最好，其擬合決定系數(shù)較高，誤差小。其中，誤差平方和為0.011 9，決定系數(shù)R2=0.999 5，均方根誤差為0.023 3。相比之下，其他模型的決定系數(shù)相對較??；但是，多項式方程較指數(shù)方程等要繁瑣得多，且對實際生產(chǎn)的指導(dǎo)意義較小。因此，在誤差允許范圍內(nèi)，建議根據(jù)實際生產(chǎn)需要進(jìn)行合理的選擇。

圖3 甜高粱秸稈壓縮擬合曲線

表1 壓縮擬合曲線方程及相關(guān)系數(shù)

續(xù)表1

2.2.2 應(yīng)力松弛過程回歸模型的建立與分析

甜高粱秸稈松弛過程力隨時間變化的試驗數(shù)據(jù)及擬合曲線如圖4所示，MatLab軟件得到的甜高粱秸稈松弛過程中的力—時間關(guān)系數(shù)學(xué)模型如表2所示。由圖4及表2可以發(fā)現(xiàn)：高斯函數(shù)和指數(shù)函數(shù)的擬合決定系數(shù)高于其它函數(shù)，其擬合決定系數(shù)均大于0.999。這說明，實測值與預(yù)測值之間具有高度的相關(guān)性，上述模型合理可用。但是，高斯函數(shù)的均方根誤差遠(yuǎn)小于指數(shù)函數(shù)的均方根誤差。從理論方面講，高斯函數(shù)的理論性強于指數(shù)函數(shù)，而從方程的復(fù)雜程度不難發(fā)現(xiàn)，指數(shù)函數(shù)更適用于喂入量、功耗等的計算，方便且高效，同時該數(shù)學(xué)模型與Maxwell模型本構(gòu)方程具有相同的表達(dá)形式，即廣義Maxwell模型。

圖4 甜高粱秸稈松弛擬合曲線

表2 應(yīng)力松弛過程擬合曲線方程及相關(guān)系數(shù)

2.3 影響壓縮、松弛過程的主要因素

2.3.1 應(yīng)力衰減拐點的確定

應(yīng)力松弛過程中，以應(yīng)力松弛初始值為始點α1(x1,y1)，以后依次類推，記為a2、a3、a4、a5等。每兩個點之間依次求斜率，記為k1、k2、k3、k4等，對k值依次相減，發(fā)現(xiàn)△k值先增大后減小，產(chǎn)生的拐點定義為應(yīng)力衰減拐點。計算過程如圖5所示。

2.3.2 喂入量對壓縮、松弛過程的影響

喂入量是評價機器生產(chǎn)率的指標(biāo)之一，在壓縮不同喂入量的甜高粱秸稈的整個壓縮和松弛過程中，力—時間的變化趨勢如圖6所示。為方便研究，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[17-18]引入變形恢復(fù)量—即物料在一次壓縮前后，被壓縮物料沿壓縮活塞運動方向各參數(shù)的變化量。本文主要分析變形恢復(fù)時間T、變形恢復(fù)力△F、位移變化量△L等3個參數(shù)。計算表達(dá)式為

T=T總-T0

(1)

式中T總—物料成型過程總時間(s)；

T0—應(yīng)力不變時對應(yīng)的時間(s)。

ΔF=F-F0

(2)

式中F—物料壓縮到指定壓縮目標(biāo)時的力(kN)；

F0—應(yīng)力不變時對應(yīng)的力(kN)。

ΔL=L-L0

(3)

式中L—物料壓縮到指定壓縮目標(biāo)時的位移(mm)；

L0—初始位移，即L0=0。

圖6(a)、(b)所示為不同喂入量下壓縮到600 kg/m3時的壓縮和松弛曲線。分析發(fā)現(xiàn)：喂入量的大小并不影響壓縮后物料變形恢復(fù)的規(guī)律，但影響壓縮后物料變形恢復(fù)量的大小。在同一壓縮密度下，喂入量越大，其松弛過程力恢復(fù)變形階段需要的時間越長，但應(yīng)力衰減主要在開始松弛的74～78 s，也就是上文提到的“應(yīng)力衰減拐點”。這部分變形是壓縮過程中物料自身產(chǎn)生的彈性變形及粘性變形所導(dǎo)致的，而在應(yīng)力衰減拐點后的變形恢復(fù)速度非常小，應(yīng)力基本保持不變，其原因是：壓縮過程中甜高粱秸稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，在不施加載荷后仍不能恢復(fù)，物料內(nèi)部發(fā)生了永久變形。不同喂入量下揉碎甜高粱成型過程各參量變化值如表3所示。由表3可以看出：隨著喂入量的增加，變形恢復(fù)時間T逐漸增加，而變形恢復(fù)力和位移變化量在喂入量為200g的情況下各參量產(chǎn)生了拐點。這說明，隨著喂入量的增加，位移變化量△L增大，而物料變形恢復(fù)力△F先增大后減小。

2.3.3 壓縮密度對壓縮、松弛過程的影響

壓縮密度是衡量物料成型性能的一個重要指標(biāo)。圖6(c)、(d)為同一喂入量壓縮到不同密度下的壓縮和松弛曲線。分析發(fā)現(xiàn)：壓縮和松弛的曲線變化趨勢同喂入量對壓縮松弛過程曲線的變化趨勢一致。當(dāng)壓縮密度在400kg/m3時，物料的變形恢復(fù)力△F低至0.154kN，各參數(shù)變化量具體如表4所示。伴隨著壓縮密度的增大，所需要的力就越大，變形恢復(fù)過程中所產(chǎn)生的變形恢復(fù)力△F及位移變化量△L的變化量就越大；相反，物料在壓縮和松弛過程中的松弛時間呈現(xiàn)遞減的趨勢，說明壓縮密度與松弛時間成反比，且壓縮密度越高，成型效果越好。但是，太高的壓縮密度會造成壓縮設(shè)備的功耗大及加快設(shè)備的磨損等問題。

圖5 求解應(yīng)力衰減點流程圖

圖6 壓縮松弛過程的力—時間曲線

表3 不同喂入量下揉碎甜高粱成型過程各參量變化值

Table 3 Under different feeding amount of sweet sorghum kneading

process of changing the value of various parameters

喂入量m/g變形恢復(fù)時間T/s變形恢復(fù)力△F/kN位移變化量△L/mm150740.4940.905137.300200812.7801.014125.550250895.5790.559113.790

表4 同一喂入量下揉碎甜高粱成型過程各參量變化值

Table 4 Kneading the same amount of feed sweet sorghum forming process parameters change

壓縮密度ρ/kg·m-3變形恢復(fù)時間T/s變形恢復(fù)力△F/kN位移變化量△L/mm400897.5750.154119.670600765.0380.911137.300800722.3071.811146.100

3 結(jié)論與討論

1)依據(jù)試驗數(shù)據(jù)建立了壓縮松弛過程的力—時間曲線，通過數(shù)據(jù)的擬合確定了幾種適宜的模型。對比發(fā)現(xiàn)：在壓縮松弛階段，各擬合方程決定系數(shù)均大于0.99，說明預(yù)測值與實測值之間具有高度的相關(guān)性；但是，在實際生產(chǎn)中，需根據(jù)具體情況進(jìn)行合理的選擇。

2)研究發(fā)現(xiàn)：喂入量對壓縮及松弛過程具有一定的影響，即喂入量的大小不影響壓縮松弛過程中物料變形恢復(fù)的規(guī)律，但影響壓縮后物料變形恢復(fù)量的大小，為今后減少變形恢復(fù)量的措施提供了理論基礎(chǔ)。松弛過程甜高粱秸稈恢復(fù)變形主要發(fā)生在應(yīng)力衰減拐點處，之后的時間里應(yīng)力基本保持不變。