飼用甜高粱秸稈應力松弛特性及參數優(yōu)化的試驗研究

杜曉雪 郭文斌 王春光 王洪波 靳 敏 劉曉東 李建

(內蒙古農業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

甜高粱是一種經濟價值很高的作物，廣泛用作飼料、釀酒、產糖業(yè)等[1-7]。甜高粱青貯后，酸甜適宜，飼料轉化率高，適口性好，牲畜喜食，是一種優(yōu)質的生化飼料[8-11]，但是甜高粱秸稈青貯后存在松散，收儲運困難，營養(yǎng)成分流失嚴重等問題，因此，對甜高粱秸稈進行壓縮處理是秸稈致密化成型技術的重要組成部分，對其進行捆包膜處理也是其得到有效利用的前提條件。

甜高粱秸稈屬于粘彈性生物質物料，其流變特性對壓塊、打捆過程的生產率、成型穩(wěn)定性、捆包膜、纏網層數等具有重要影響[12-14]。目前，國內外對秸稈的壓縮流變特性進行了不同層面研究[15-21]，如馬彥華等[22]利用活塞式壓縮裝置對玉米秸稈進行軸向振動壓縮，發(fā)現壓縮中加入振動能夠縮短成型過程，降低能耗，提高生產率；王瑞麗等[23]利用多頻快速壓縮建立了成型塊松弛比與含水率、最大壓縮力、壓縮次數及壓縮速度之間的回歸模型；雷軍樂等[24]利用自制的鋼輥式圓捆機試驗臺，研究了完整稻稈在卷捆壓縮過程中的流變特性，得到了最佳的應力松弛時間和平衡彈性模量；李葉龍等[25]分析了影響草捆成型率因素的主次順序，并降低了卷捆功耗。綜上，研究對象多以玉米秸稈、稻稈、苜蓿等物料為主，對青貯甜高粱壓縮流變特性的研究較少。

本研究擬采用理論研究與試驗相結合的方法，利用課題組自制壓縮裝置對甜高粱秸稈進行壓縮松弛試驗研究，旨在得到甜高粱秸稈在壓縮松弛過程的應力松弛模型，獲取并分析甜高粱秸稈在青貯收獲時不同的含水率、壓縮密度、切碎段長度等條件下的應力松弛規(guī)律，以期為實際生產中青貯甜高粱打捆收獲機的開發(fā)提供必要的理論基礎與技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與制備

本試驗選用呼和浩特市郊區(qū)生產的整株甜高粱為試驗原料，用9Z-6A型青貯鍘草機進行鍘切處理，通過調節(jié)齒輪及動刀片數控制切碎段長度，再利用標準篩分級，保證物料的切碎段長度分布在0～40 mm。甜高粱秸稈含水率按照NYT 1881.2—2010《生物質固體成型燃料試驗方法第2部分：全水分》的規(guī)定進行測定[26]。經測定甜高粱秸稈原始含水率為22.6%，根據試驗要求的含水率進行配比，放入密封袋中24 h，待水分均勻后進行壓縮試驗。

1.2 試驗設備

試驗用設備為DDL-200型電子蠕變松弛試驗機及自制壓縮裝置(圖1)，該試驗機由主機、手控盒、EDC數字控制器及計算機等組成，主要為壓縮時提供壓縮力，通過測量控制系統(tǒng)進行通訊來實現試驗過程力、位移和時間等數據的采集和控制。自制壓縮卸料裝置由壓縮和卸料2部分組成，主要包括內徑為98 mm、長度為300 mm的圓柱形套筒、圓形壓頭和卸料抽板，通過多功能電子蠕變松弛試驗機的橫梁實現上下移動，進而完成壓縮過程。物料含水率測定利用河南電子科技有限公司生產的DYSF-8000W型全自動水分測定儀，水分測定精度標準為，全水時水分測定精度為≤0.4%，分析水時水分測定精度≤0.2%。物料的稱量利用德國賽多利斯集團生產的賽多利斯BS/BT系列電子天平，精度為0.001 g。

1.卸料口；2.壓縮裝置；3.可移動橫梁；4.力傳感器；5.手控盒；6.EDC控制器；7.計算機1. Discharge port; 2. Compression device; 3. Movable beam; 4. Force sensor; 5. Hand control box; 6. EDC controller; 7. Computer圖1 電子蠕變松弛試驗機及自制壓縮裝置Fig.1 Electronic creep relaxation tester and self-made compression device

1.3 試驗因素及評價指標

甜高粱秸稈的壓縮過程受多種因素影響，經查閱相關文獻及單因素試驗分析發(fā)現，甜高粱秸稈應力松弛特性主要與壓縮密度、含水率及切碎段長度等因素有關，根據甜高粱秸稈青貯、打捆以及牲畜對飼料適口性等的要求[2,12,27-28]，選取壓縮密度、切碎段長度和含水率為試驗因素，選取的試驗因素水平見表1。采用Box-Behnken試驗方案進行三因素三水平響應面分析試驗。由預試驗結果可知，試驗結果可重復性較好，所以每組試驗重復3次，試驗結果取均值。選取應力迅速衰減時間和平衡彈性模量作為甜高粱秸稈應力松弛特性的評價指標。

表1 甜高粱秸稈應力松弛試驗因素及水平Table 1 Experimental factors and levels

2 結果分析

2.1 甜高粱秸稈壓縮過程應力松弛模型

農業(yè)纖維物料的流變特性一般采用廣義Maxwell模型來描述物料的應力松弛特性，本試驗利用origin軟件對試驗測得的應力松弛數據進行擬合，通過Maxwell模型、廣義Maxwell模型及Peleg模型等的對比，研究發(fā)現，甜高粱秸稈的壓縮松弛特性表達式可用2個Maxwell模型與1個等效彈簧并聯(lián)的五元件模型實現(圖2)，且擬合系數均大于0.99，模型表達方程式為：

E(t)=E1e-t/T1+E2e-t/T2+Ee

(1)

式中：E(t)為任意t時刻的瞬時彈性模量，kPa；E1為第一個Maxwell模型的松弛彈性模量，kPa；E2為第二個Maxwell模型的松弛彈性模量，kPa；Ee為平衡彈性模量，kPa；T1為應力迅速衰減時間，s；T2為應力緩慢衰減時間，s。

E1、E2分別為第一和第二階Maxwell模型中的松弛彈性模量，kPa；Ee為平衡彈性模量，kPa；η1、η2分別為第一和第二階Maxwell模型的中的阻尼系數。E1 and E2are respectively for elastic modulus of the first and second-order Maxwell model; Ee is the balance elastic modulus; η1 and η2 are respectively for damping coefficients of the first and second-order Maxwell model.圖2 應力松弛模型Fig.2 Stress relaxation model

以序號4的試驗為例，繪制甜高粱秸稈壓縮過程的應力松弛曲線(圖3)，根據壓縮松弛特性，將甜高粱秸稈成型過程分為3個階段，第1階段為壓縮期，隨著時間的推移，物料逐漸成型的過程；第2階段為迅速衰減期，主要發(fā)生在開始松弛后的20 s內；第3階段為緩慢衰減期，該階段隨著時間的推移，殘余應力發(fā)生輕微的衰減。本研究主要針對后2個階段進行分析。

利用Origin軟件對圖3的應力松弛階段試驗數據進行擬合，其擬合圖見圖4，擬合方程式為：

E(t)=72 165.18e-t/6.253+
60.413e-t/198.423+135.013

(2)

由式(2)得，應力迅速衰減時間為6.253 s，應力緩慢衰減時間為198.423 s，平衡彈性模量為135.013 kPa，且擬合決定系數R2為0.998 76，說明該方程能較好的反映出甜高粱秸稈在松弛階段中的應力松弛現象。

圖3 壓縮過程應力-時間曲線Fig.3 Stress-time curve of compression process

圖4 應力松弛擬合曲線Fig.4 Stress relaxation fitting curve

2.2 應力松弛試驗結果

甜高粱秸稈應力松弛試驗設計方案及結果可知(表2)，甜高粱秸稈壓縮松弛過程的應力迅速衰減時間取值范圍為4.667～18.41 s，平衡彈性模量 取值范圍為69.125～358.708 kPa,平均為78.883 kPa。

表2 甜高粱應力松弛試驗設計方案及結果Table 2 Scheme and results of response surface experiments design

2.3 應力松弛試驗分析

2.3.1回歸模型與方差分析

利用Design Expert數據分析軟件對表2中的試驗數據進行分析，得到了應力迅速衰減時間T1、平衡彈性模量Ee與各試驗因素間的回歸模型為：

T1=7.49+0.24A-0.35B+0.25C-
0.17AB+4.77AC-0.78BC+2.76A2-
3.45B2+2.06C2

(3)

Ee=184.14+43.14A-49.72B+31.45C-
60.24AB-21.51AC+7.87BC+
8.38A2+10.83B2-30.31C2

(4)

式中：A為壓縮密度，kg/m3；B為切碎段長度，mm；C為含水率，%。

2.3.2各因素對評價指標的主次順序

通過方差分析可知，各因素對評價指標影響的顯著性由F檢驗判定，F值越大，表示試驗因素對試驗指標的影響越明顯。由表3的一次項F值可以判斷出各因素對評價指標的主次順序為B>C>A，但F檢驗不顯著，所以只對交互作用項AC項進行分析。由表4的一次項F值可以判斷出各因素對評價指標的主次順序為B>A>C，同時，各項的F檢驗均很顯著，且3個因素間存在明顯的交互作用。

表3 應力迅速衰減時間回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of stress decay time regression model

表4 平衡彈性模量回歸模型的方差分析Table 4 Analysis of variance of balanced elastic modulus regression model

2.3.3各因素對應力迅速衰減時間的影響

應力迅速衰減時間反映了松弛過程中物料的松弛速率，應力迅速衰減時間越短，說明物料松弛速率越快，物料的松弛彈性模量也就越大。在實際生產過程中，可以根據應力迅速衰減時間確定最佳捆繩、纏膜時間，即應力迅速衰減時間過后再進行捆繩和纏膜，進而減少松弛過程物料成型后對捆繩、膜等的沖擊。

將切碎段長度固定在0水平，含水率和壓縮密度交互作用對應力迅速衰減時間的影響見圖5(a)。含水率為57%～64%時，應力迅速衰減時間隨著壓縮密度的增加而緩慢增加，含水率為64%～71%時，應力迅速衰減時間隨壓縮密度的增加而明顯增大，這是因為隨壓縮密度的增加，物料內部間的水分被擠出，減少了物料與物料間及其與壓縮筒壁間的摩擦，加快了物料間的流動性，促使松弛彈性模量減小，進而延長衰減時間。壓縮密度較小時，應力迅速衰減時間隨含水率的增大而減小，壓縮密度較大時，應力迅速衰減時間隨含水率的增加而明顯增加，這主要是因為物料的含水率越大，壓縮過程的出水現象越明顯，使物料間的空隙減少，減少了空氣阻力，說明高密度下的壓縮松弛試驗，適當的含水率有利于提高秸稈壓縮過程的成型穩(wěn)定性。

2.3.4各因素對平衡彈性模量的影響

平衡彈性模量反映了物料在松弛過程中的恢復變形能力，平衡彈性模量越小，物料在實際生產中越不容易出現斷網、散捆等現象，同時，能夠相應減少草捆的纏膜層數，節(jié)省成本。

將含水率固定在0水平，切碎段長度和壓縮密度交互作用對平衡彈性模量的影響見圖5(b)。隨甜高粱秸稈切碎段長度的增加，平衡彈性模量隨壓縮密度的增加而先增大后減小，這主要是因為秸稈物料切碎段長度過小，物料間的孔隙率過小甚至出現擠壓，隨著切碎段長度的增加，孔隙率增大，因此平衡彈性模量減小。隨壓縮密度的增加，平衡彈性模量隨切碎段長度的增加而減小，主要是因為壓縮密度的增加，使物料間的填充效果更加明顯，擠壓程度加大，而切碎段長度大的物料間由于自身的孔隙率大，所以在壓縮的過程中由于物料孔隙率的原因使平衡彈性模量減小，同時說明物料的切碎段長度對平衡彈性模量有一定的影響。

圖5 壓縮密度(A)、切碎段長度(B)、含水率(C)3因素交互作用對評價指標的影響Fig.5 Influence of three factors of compression density (A), length of chopped section (B) and moisture content (C) on evaluation index

將切碎段長度固定在0水平，壓縮密度和含水率交互作用對平衡彈性模量的影響見圖5(c)。隨含水率的增加，平衡彈性模量隨壓縮密度的增加而緩慢增加。隨壓縮密度的增加，平衡彈性模量隨含水率的增加而增加，但總體變化不明顯。這主要是因為過低的含水率不足以填充甜高粱秸稈間的空隙，自由水在物料間接觸與非接觸的凸體上形成凹形彎月面液膜[29-30]，導致阻力增大，而使平衡彈性模量增大。相反，含水率過高時，物料間的水被擠出，填充了物料間空隙，水起到了潤滑的作用，摩擦阻力減小，即使壓縮密度增加也不會使平衡彈性模量發(fā)生太大的波動。

將壓縮密度固定在0水平，含水率和切碎段長度交互作用對平衡彈性模量的影響見圖5(d)。隨含水率的增加，平衡彈性模量隨切碎段長度的增加而緩慢減小，這是因為切碎段長度的增加，使物料間的孔隙率增加，減少了物料間的摩擦，平衡彈性模量下降。隨切碎段長度增加，平衡彈性模量隨含水率的增加而下降，說明適當的含水率可以減少物料間的擠壓變形，減少物料對外的抵抗力，使甜高粱秸稈的強度降低、黏性下降，加快甜高粱秸稈應力松弛速率，使平衡彈性模量下降。

3 試驗參數優(yōu)化及驗證

為獲得甜高粱秸稈壓縮松弛過程的流變特性，利用Design Expert軟件的優(yōu)化模塊，對回歸方程進行進一步優(yōu)化求解，取應力迅速衰減時間和平衡彈性模量的優(yōu)化目標都為最小，約束條件為壓縮密度500～700 kg/m3，切碎段長度0～30 mm，含水率57%～71%，經分析，獲得甜高粱秸稈壓縮松弛過程的最佳工藝參數為：壓縮密度為647.38 kg/m3，切碎段長度為20～30 mm，含水率為57%，其應力迅速衰減時間為4.667 s，平衡彈性模量為79.471 kPa。

為驗證優(yōu)化結果的可靠性，本試驗在上述最優(yōu)試驗因素組合下進行驗證試驗，結果如下：應力迅速衰減時間為4.693 s，平衡彈性模量89.957 kPa，各評價指標誤差均在12%以內，說明優(yōu)化結果具有較高的可信度，同時，證明本試驗得到的研究模型是可靠的，可用于實際生產過程中各參數的選取。

4 結 論

1)本研究建立了甜高粱應力松弛模型，甜高粱壓縮過程應力松弛曲線可用2個Maxwell單元與1個等效彈簧并聯(lián)組合的五元件模型表示，且其擬合相關系數均大于0.99。同時，試驗確定了應力迅速衰減時間和平衡彈性模量的取值范圍分別為4.667～18.41 s，69.125～358.708 kPa。

2)采用三因素三水平的Box-Behnken響應面分析法進行試驗研究，得到了各因素對影響應力迅速衰減時間的主次順序為，切碎段長度>含水率>壓縮密度；影響平衡彈性模量的主次順序為，切碎段長度>壓縮密度>含水率。

3)確定了應力迅速衰減時間和平衡彈性模量的最佳參數組合：當壓縮密度為647.38 kg/m3，切碎段長度20～30 mm，含水率57%時，應力迅速衰減時間和平衡彈性模量的最佳取值分別為4.693 s，89.957 kPa。驗證試驗表明，得到的研究模型是可靠的，可用于實際生產過程中各參數的選取。