機(jī)采籽棉壓縮特性及可壓縮性研究

王 軍，張宏文*，王 磊，魏喜梅，谷艷清，張龍唱，蔡云霄

（1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003）

【研究意義】棉花是我國新疆地區(qū)重要的經(jīng)濟(jì)作物與紡織材料，種植面積和產(chǎn)量連續(xù)多年位居全國首位，隨新疆棉花機(jī)采率不斷提升，棉花機(jī)械化采收已成大趨勢[1-2]。機(jī)采籽棉是采棉機(jī)采收后籽棉的統(tǒng)稱，其自然堆積密度小，屬高孔隙率松散型農(nóng)業(yè)纖維物料[3]。我國采棉機(jī)整體集成化率較低，使機(jī)采籽棉需二次處理，造成儲運(yùn)成本大、工序繁瑣。為解決上述問題，機(jī)采籽棉在儲運(yùn)前通常被壓縮成一定形狀、尺寸、密度的模塊，便于運(yùn)儲。國外先進(jìn)采棉機(jī)已將壓縮成型裝置同采棉機(jī)集成一體，可同時完成棉花采摘與壓縮成型[4-5]，但目前針對機(jī)采籽棉壓縮成型機(jī)理的研究鮮有報(bào)道。因此，研究機(jī)采籽棉壓縮特性可為揭示機(jī)采籽棉壓縮成型機(jī)理，設(shè)計(jì)、優(yōu)化采棉機(jī)機(jī)載打包裝置及二次打包裝置提供基礎(chǔ)理論數(shù)據(jù)。【前人研究進(jìn)展】壓縮成型的基礎(chǔ)是物料的壓縮特性[6]，國內(nèi)外學(xué)者主要集中于牧草等農(nóng)業(yè)纖維物料壓縮特性研究，通過試驗(yàn)研究揭示其內(nèi)在特性，部分學(xué)者通過仿真分析研究棉纖維壓縮特性，但對籽棉特別是機(jī)采籽棉壓縮特性的研究鮮少。其中Robert[7]得出初始質(zhì)量對籽棉壓縮過程中壓縮力影響大，由于孔隙使籽棉壓縮呈非彈性，同時得到含水率越高，最終的壓縮密度越大；景慧[8]將散裝棉纖維壓縮特性曲線分為線性（近似線性）、轉(zhuǎn)變和強(qiáng)化3 個區(qū)域，其中線性區(qū)壓縮力緩慢增加，轉(zhuǎn)變區(qū)壓縮力增加較快，強(qiáng)化區(qū)壓縮力急劇上升；孔凡婷等[9]對籽棉壓縮與應(yīng)力松弛進(jìn)行了力學(xué)模型的構(gòu)建，為籽棉打包的研究與仿真提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；李勇[10-11]對新疆南疆地區(qū)手采棉棉纖維進(jìn)行小應(yīng)力壓縮，得出喂入量、壓縮速度越大，所需壓縮力越大；陳曉川[12]構(gòu)建了一種十四面體棉纖維模型，利用有限元模擬棉纖維壓縮過程中應(yīng)力變化規(guī)律，確定了壓縮模量與棉纖維相對密度呈冪函數(shù)關(guān)系；王則楚[13]對比了蘇聯(lián)與美國棉纖維壓縮特性公式，得出棉纖維壓縮壓力與含水率、壓縮密度密切相關(guān)。目前針對籽棉壓縮特性研究較少，但對一般農(nóng)業(yè)纖維物料壓縮特性研究廣泛、較成熟，其中內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)楊明韶、王春光等[14-17]對牧草、苜蓿等物料壓縮特性及可壓縮性開展深入研究。其中王洪波得出含水率、壓縮速度及初始密度對玉米秸稈可壓縮性有影響，并得到玉米秸稈的較優(yōu)壓縮參數(shù)組合；張旭得出溫度、含水率、初始密度與檸條體積模量的關(guān)系，隨壓縮密度的增大，溫度對體積模量的影響顯著；范林得出隨壓縮密度的增大，揉碎玉米秸稈可壓縮性降低，同時壓縮速度、含水率及初始密度對揉碎玉米秸稈的可壓縮性均有影響。呂江南[18]將紅麻料片壓縮過程分為松散、過渡與壓緊3 個階段，其中松散階段呈線性關(guān)系，過渡與壓緊階段呈冪函數(shù)關(guān)系。【本研究切入點(diǎn)】針對機(jī)采籽棉壓縮方面研究較少，特別是對籽棉壓縮特性及可壓縮性的相關(guān)研究，現(xiàn)有研究忽略籽棉本身是混合物、收獲期內(nèi)籽棉物理特性及壓縮參數(shù)等重要條件對壓縮特性和可壓縮性的影響問題，基于前人對一般農(nóng)業(yè)纖維物料的研究成果，開展對機(jī)采籽棉壓縮特性及可壓縮性的研究，以探明影響機(jī)采籽棉壓縮特性及可壓縮性的因素與規(guī)律?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過機(jī)采籽棉單軸壓縮試驗(yàn)，建立機(jī)采籽棉壓縮過程中壓力、體積模量與壓縮密度的數(shù)學(xué)模型，分析各因素水平對壓力、體積模量的影響規(guī)律，擬為機(jī)采棉收獲、儲運(yùn)、加工處理設(shè)備的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)因素

物料含水率、壓縮速度及初始密度對物料壓縮特性及可壓縮性均有一定影響[19]。機(jī)采籽棉收獲時含水率、含雜率受采棉機(jī)工作參數(shù)、收獲時間段的影響，隨機(jī)性、變化性大[20-22]；而壓縮速度、初始密度等壓縮參數(shù)對壓縮效率、功耗有一定影響[23]。壓縮過程中物料壓縮特性通常用壓縮過程中的壓力來描述，可壓縮性用壓縮過程中的體積模量來衡量。因此選取壓縮過程中的壓力、體積模量為試驗(yàn)指標(biāo)，壓縮速度、初始密度、機(jī)采籽棉含水率、含雜率為試驗(yàn)因素，開展機(jī)采籽棉壓縮特性及可壓縮性研究。查閱機(jī)采籽棉收獲期相關(guān)文獻(xiàn)[24-26]，選取機(jī)采籽棉含水率為6%～22%；含雜率為8%～16%；查閱纖維物料壓縮特性研究相關(guān)文獻(xiàn)及現(xiàn)有設(shè)備參數(shù)[14,27]，選取壓縮速度為10～50 mm/min；初始密度為20～60 kg/m3。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備有長春試驗(yàn)機(jī)研究所CSS-44300 電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，量程為300 kN、德國Sartorius MA100 快速水分測定儀（量程0～100 g，精度0.1 mg）、101-1BS 電熱鼓風(fēng)干燥箱、SPS402F 精密電子天平（量程0～400 g，精度0.01 g）、鋼板尺及自制內(nèi)徑為110 mm，高度為320 mm的壓縮腔室及配套壓頭、底板、脫模裝置（圖1）。

圖1 機(jī)采籽棉壓縮裝置Fig.1 Machine-harvested seed cotton compression device

1.3 試驗(yàn)材料

以石河子地區(qū)主栽機(jī)采棉品種惠遠(yuǎn)720 為試驗(yàn)原料，取自石河子大學(xué)試驗(yàn)田，采用機(jī)采棉寬窄行種植模式（66 cm+10 cm），于2020 年4 月10 日播種，10 月10 日由John Deere 7660 箱式采棉機(jī)采收，帶回實(shí)驗(yàn)室晾曬自然干燥1個月，試驗(yàn)前抽樣測得其含水率為4.7%，含雜率為11.2%[28-29]。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 試樣的制備 按式（1）采用復(fù)水法（復(fù)雜質(zhì)法）對試樣含水率與含雜率進(jìn)行調(diào)節(jié)[30]。為保證試樣含雜率的均勻性，按每100 g 進(jìn)行等分，加入或去除相應(yīng)質(zhì)量的雜質(zhì)；含水率按所需加入清水，裝入自封袋，常溫貯藏（20～25 ℃、相對濕度15%～20%）48 h以上，使試樣含水率均勻一致。試驗(yàn)前將試樣取出，并放置于試驗(yàn)環(huán)境（15～20 ℃、相對濕度15%～20%）3 h以上，進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)工作。

式中：md為所添加（去除）雜質(zhì)（水）的質(zhì)量，g；m0為所需調(diào)制試樣的質(zhì)量，g；d0為試樣初始含雜率（含水率），%；d1為試樣目標(biāo)含雜率（含水率），%。

1.4.2 機(jī)采籽棉壓縮數(shù)據(jù)的獲取 為保證試驗(yàn)時初始密度的準(zhǔn)確性，根據(jù)壓縮腔室體積與初始密度的水平，轉(zhuǎn)換為喂入質(zhì)量并稱量。為保證初始密度的均勻性：喂入時隨機(jī)裝入，裝載過程不刻意對試樣進(jìn)行按壓；裝載時裝載高度須稍高于壓縮腔室上端面，并將活塞壓頭緩慢壓入，直至活塞壓頭下端面與壓縮腔室上端面平齊。為獲取準(zhǔn)確地試驗(yàn)數(shù)據(jù)還需保證壓縮活塞與壓縮腔室同軸，避免與壓縮腔室內(nèi)壁接觸。最后設(shè)定壓縮速度，進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，通過計(jì)算機(jī)終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.4.3 機(jī)采籽棉壓力與體積模量的求解 為便于分析，按公式（2）、（3）將壓縮過程中所測機(jī)采籽棉壓縮力與壓縮量轉(zhuǎn)換為壓力與壓縮密度，為后續(xù)表征機(jī)采籽棉壓縮特性及可壓縮性。

式中：P為壓縮過程中壓力，kPa；F為壓縮過程中所測壓縮力，N；S為壓頭表面積，mm2；ρ為壓縮過程中的壓縮密度，kg/m3；ρ0為機(jī)采籽棉的初始密度，kg/m3；l0為機(jī)采籽棉初始高度，mm；l為機(jī)采籽棉壓縮量，mm。

為表征機(jī)采籽棉的可壓縮性，引入體積模量，根據(jù)體積模量定義式（4）、（5）推導(dǎo)出機(jī)采籽棉壓縮過程中壓縮密度、壓力與體積模量表達(dá)式，如式（6）所示：

式中：K為壓縮過程中的體積模量，kPa；P為壓縮過程中的壓力，kPa；V為體積，m3；ρ為壓縮過程中壓縮密度，kg/m3。

1.4.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用單因素試驗(yàn)，以壓縮速度、初始密度、含水率、含雜率為試驗(yàn)因素，以機(jī)采籽棉壓縮過程中的壓力、體積模量為評價指標(biāo)。根據(jù)電子萬能試驗(yàn)機(jī)所提供的速度范圍選取10，20，30，40，50 mm/min 共5 種壓縮速度；根據(jù)機(jī)采籽棉自然堆積密度及農(nóng)業(yè)纖維物料壓縮常用喂入密度，選取喂入密度為20，30，40，50，60 kg/m3，換算為喂入質(zhì)量分別為60.8，91.2，121.6，151.9，182.5 g/次共5種喂入質(zhì)量；根據(jù)收獲期內(nèi)機(jī)采籽棉含水率及含雜率范圍，含水率選取6%、10%、14%、18%、22%共5個水平；含雜率選取8%、10%、12%、14%、16%共5個水平，進(jìn)行不同壓縮條件的機(jī)采籽棉單因素試驗(yàn)。由預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得：當(dāng)壓縮密度為400 kg/m3時，棉籽發(fā)生劇烈破碎，因此選取機(jī)采籽棉壓縮終止條件：壓縮密度為400 kg/m3。因此采集壓縮密度為40～400 kg/m3內(nèi)數(shù)據(jù)，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次。為便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理，在所選密度范圍內(nèi)間隔20 kg/m3對應(yīng)的壓力作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行后續(xù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 壓力與壓縮密度的數(shù)學(xué)模型

選取初始密度為40 kg/m3，以25 mm/min 速度對未經(jīng)含水率、含雜率調(diào)節(jié)的機(jī)采籽棉進(jìn)行壓縮，獲取機(jī)采籽棉壓縮量、壓縮力數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為壓縮密度與壓力，并求解其體積模量，繪制并擬合壓力與壓縮密度、體積模量與壓縮密度的變化關(guān)系曲線（圖2）。當(dāng)壓縮密度小于150 kg/m3時，隨壓縮密度增大，壓力值接近0 kPa；當(dāng)壓縮密度大于150 kg/m3時，壓力上升速度逐漸加快，且壓縮密度越高越明顯。由于機(jī)采籽棉屬高孔隙纖維物料，壓縮密度較低時，壓縮主要克服機(jī)采籽棉內(nèi)部孔隙，因此壓力平穩(wěn)變化；當(dāng)壓縮密度較高時，機(jī)采籽棉孔隙已被消除，機(jī)采籽棉逐漸變成固體，微小壓縮量可使機(jī)采棉壓縮密度劇烈變化，并產(chǎn)生劇烈地壓力變化。對圖2（a）數(shù)據(jù)分別用指數(shù)函數(shù)與冪函數(shù)進(jìn)行回歸擬合，得到冪函數(shù)有較高擬合度，擬合方程為P=2.485 66+8.503 44×10-11ρ5.0909。對所得機(jī)采籽棉壓縮密度與壓力曲線均采用冪函數(shù)擬合，得到R2＞0.988，P＜0.01，表明冪函數(shù)可較準(zhǔn)確地描述機(jī)采籽棉壓縮過程中壓力隨壓縮密度變化規(guī)律，其回歸方程可表示為：（ρ為實(shí)時的壓縮密度；a1、b1、c1為回歸方程系數(shù)）。

2.2 體積模量與壓縮密度的數(shù)學(xué)模型

引入體積模量表征機(jī)采籽棉的可壓縮性。對圖2（a）所得數(shù)據(jù)，利用Matlab 軟件求解體積模量隨壓縮密度變化規(guī)律，繪制并擬合機(jī)采籽棉壓縮過程中體積模量隨壓縮密度變化曲線，如圖2（b）所示，當(dāng)壓縮密度小于200 kg/m3時，體積模量接近0 kPa，表明機(jī)采籽棉可壓縮性較好；當(dāng)壓縮密度大于200 kg/m3時，體積模量隨壓縮密度增大逐漸加速增大，說明可壓縮性不斷降低；高壓縮密度下，體積模量變化愈加明顯，可壓縮性急劇變差。對圖2（b）數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到指數(shù)函數(shù)能更好的擬合該曲線，擬合方程為K=1.378 78×1.020 05ρ。對所得機(jī)采籽棉體積模量隨壓縮密度變化曲線均采用指數(shù)函數(shù)回歸擬合，得到R2＞0.958，P＜0.01，表明指數(shù)函數(shù)可較準(zhǔn)確地描述壓縮過程中體積模量隨壓縮密度變化規(guī)律，其回歸方程為：K=（ρ為實(shí)時壓縮密度；a2、b2為回歸方程系數(shù)）。

圖2 壓力、體積模量回歸擬合曲線Fig.2 Pressure and bulk modulus regression fitting curve

2.3 試驗(yàn)因素對機(jī)采籽棉壓縮特性及可壓縮性的影響

為探究試驗(yàn)因素對機(jī)采籽棉壓縮過程中壓縮特性、可壓縮性的影響規(guī)律。選取200，300，400 kg/m3共3個壓縮密度下，壓力、體積模量與壓縮速度、初始密度、含水率、含雜率的相關(guān)性分析及回歸分析結(jié)果如表1 所示。當(dāng)壓縮密度為200 kg/m3時，壓縮速度與體積模量的相關(guān)性不顯著外，其他各壓縮密度下，各因素與壓力、體積模量均顯著相關(guān)（P＜0.05）。其中壓縮速度、含雜率與壓縮過程中壓力、體積模量呈正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；初始密度、含水率與壓縮過程中壓力、體積模量呈正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。

表1 相同壓縮密度下各因素相關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Correlation test results of various factors under the same compression density

2.3.1 壓縮速度的影響 為探求壓縮速度對機(jī)采籽棉壓力、體積模量的影響規(guī)律，繪制并擬合相同壓縮密度下機(jī)采籽棉壓力、體積模量隨壓縮速度變化曲線（圖3）。分析試驗(yàn)結(jié)果可知：在相同壓縮密度下，當(dāng)壓縮密度為200 kg/m3時，各壓縮速度對應(yīng)壓力、體積模量均較小，低密度下用于消除機(jī)采籽棉間孔隙，機(jī)采籽棉壓力、體積模量隨壓縮速度線性增大；壓縮密度大于200 kg/m3時，壓力、體積模量隨壓縮速度呈較強(qiáng)的線性增長，可壓縮性逐漸變差。由于壓縮過程中壓縮與應(yīng)力松弛并存[31]，壓縮使應(yīng)力突變，應(yīng)力松弛使應(yīng)力均勻化，當(dāng)壓縮速度較小時，兩者速率相近，可達(dá)到應(yīng)力均勻的目的；而壓縮速度較高時，壓縮應(yīng)力變化速率大于應(yīng)力松弛均勻化速率時，應(yīng)力不能及時傳遞，導(dǎo)致壓力迅速增大。

圖3 壓縮速度對壓力、體積模量的影響Fig.3 Influence of compression speed on pressure and bulk modulus

2.3.2 初始密度的影響 為探求初始密度對機(jī)采籽棉壓力、體積模量的影響規(guī)律，繪制并擬合相同壓縮密度，壓力、體積模量隨初始密度的變化曲線（圖4）。分析試驗(yàn)結(jié)果可知：相同壓縮密度下，壓縮密度為200 kg/m3時，各初始密度對應(yīng)壓力、體積模量基本一致；當(dāng)壓縮密度高于200 kg/m3時，壓力、體積模量隨初始密度呈指數(shù)遞減，表明相同壓縮密度下，初始密度越大可壓縮性越好。由于較高初始密度下機(jī)采籽棉完成預(yù)壓縮，內(nèi)部應(yīng)力是平衡、穩(wěn)定的，而機(jī)采籽棉由低初始密度壓縮至高壓縮密度，內(nèi)部應(yīng)力不均衡；當(dāng)達(dá)到相同壓縮密度時，較低初始密度的機(jī)采籽棉的成型高度低于較高初始密度的，同時由于應(yīng)力傳遞距離有限，較低初始密度的機(jī)采籽棉應(yīng)力劇烈上升，壓力急劇增大。

圖4 初始密度對壓力、體積模量的影響Fig.4 Influence of initial density on pressure and bulk modulus

2.3.3 含水率的影響 為探求含水率對機(jī)采籽棉壓力、體積模量的影響規(guī)律，繪制并擬合相同壓縮密度下，壓力、體積模量隨含水率變化曲線(圖5)。由試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)壓縮密度為200 kg/m3時，各含水率對應(yīng)壓力、體積模量基本一致，表明此階段有良好的可壓縮性；當(dāng)壓縮密度大于200 kg/m3時，壓力、體積模量隨含水率增大而減小，呈指數(shù)遞減，表明壓縮至相同壓縮密度時，含水率高的機(jī)采籽棉有良好的可壓縮性。由于含水率升高使機(jī)采籽棉堆積密度增大，使其完成“預(yù)壓縮”，機(jī)采籽棉內(nèi)部孔隙減小；同時機(jī)采籽棉為混合物，各組成成分對水分吸收率不相同，含水率較高時，棉桿、棉鈴殼等木質(zhì)素強(qiáng)度降低[32]，使其在大應(yīng)力下更易變形，因此高含水率的機(jī)采籽棉更易被壓縮，其可壓縮性良好。

圖5 含水率對壓力、體積模量的影響Fig.5 Influence of moisture content on pressure and bulk modulus

2.3.4 含雜率的影響 為探求含雜率對機(jī)采籽棉壓力、體積模量的影響規(guī)律，繪制并擬合相同壓縮密度下，壓力、體積模量隨含雜率變化曲線（圖6)。由試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)壓縮密度小于200 kg/m3時，各含雜率對應(yīng)壓力、體積模量值較小，說明此階段有良好的壓縮性；當(dāng)壓縮密度超過200 kg/m3時，機(jī)采籽棉壓縮過程中壓力、體積模量與含雜率呈線性遞增關(guān)系，相同壓縮密度下，含雜率低有較好可壓縮性，所需壓力小。由于機(jī)采籽棉為混合物，不同含雜率的差異在于機(jī)采籽棉雜質(zhì)中棉鈴殼、棉桿及棉葉等含量占比不同，由于雜質(zhì)的木質(zhì)化程度較高，特別是棉桿組織結(jié)構(gòu)與木材類似[32]，使棉桿有較高的抗壓強(qiáng)度。在小應(yīng)力下籽棉壓縮占主導(dǎo)，壓力變化小，達(dá)到一定壓縮密度，孔隙被消除，雜質(zhì)壓縮模量占主導(dǎo)，因此高含雜率的壓力比低含雜率的壓力變化劇烈。

圖6 含雜率對壓力、體積模量的影響Fig.6 Influence of trash content on pressure and bulk modulus

3 結(jié)論

（2）機(jī)采籽棉壓縮過程中，隨壓縮密度的增大，機(jī)采籽棉所需壓力、體積模量均逐漸增大，機(jī)采籽棉的可壓縮性隨壓縮密度的增大而逐漸變差；當(dāng)壓縮密度低于150～200 kg/m3時，機(jī)采籽棉的壓力與體積模量接近0 kPa，此時機(jī)采籽棉有良好的可壓縮性；而壓縮密度大于200 kg/m3時，壓力與體積模量隨壓縮密度的增大加速增大，此階段機(jī)采籽棉可壓縮性逐漸變差；同時在高壓縮密度下更加顯著。

（3）機(jī)采籽棉壓縮至相同壓縮密度，其對應(yīng)壓力、體積模量與壓縮速度、含雜率呈正相關(guān)關(guān)系，與初始密度、含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)壓縮密度低于200 kg/m3時，相同壓縮密度對應(yīng)壓力、體積模量相近；當(dāng)壓縮密度為200 kg/m3時，壓縮速度對機(jī)采籽棉壓力、體積模量影響顯著，壓力、體積模量隨含雜率線性增加，隨含水率線性遞減，隨初始密度指數(shù)遞減；當(dāng)壓縮密度高于200 kg/m3時，壓力、體積模量與壓縮速度、含雜率呈線性遞增；與初始密度、含水率呈指數(shù)遞減，且壓縮密度越大，關(guān)系愈加顯著。

研究成果對采棉機(jī)工作參數(shù)的選取、新型棉花收獲裝備的設(shè)計(jì)及機(jī)采棉采后運(yùn)輸、儲存及加工設(shè)備的設(shè)計(jì)具有理論研究價值和實(shí)際指導(dǎo)意義。