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(jī)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(qiáng)、耐澇、耐鹽堿、耐貧瘠、營(yíng)養(yǎng)價(jià)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(qiáng)及收集運(yùn)輸困難等特點(diǎn)，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(jià)值，造成資源的浪費(fèi)[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(yíng)養(yǎng)價(jià)值的流失，減小體積及降低其儲(chǔ)運(yùn)成本，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

秸稈壓縮致密是實(shí)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(yùn)輸困難，又能作為飼料進(jìn)行儲(chǔ)藏，方便且可行性大。由于秸稈物料自身的特點(diǎn)，在壓縮過(guò)程中需要克服的阻力主要表現(xiàn)為：①物料間的相互移動(dòng)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(wèn)題，導(dǎo)致壓縮產(chǎn)品成本高，成為阻礙國(guó)內(nèi)外壓縮設(shè)備發(fā)展的瓶頸[12]。為解決以上問(wèn)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(shí)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(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用烏蘭察布市涼城縣生產(chǎn)的整株甜高粱為試驗(yàn)原料，用9R-40型揉碎機(jī)進(jìn)行揉碎，其物料加工后的長(zhǎng)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(cè)定按照GB/T5262—2008中《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件測(cè)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(yàn)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(cè)定烘干前后的質(zhì)量變化。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

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

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

1.4 試驗(yàn)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(duì)壓縮和松弛過(guò)程的影響，根據(jù)計(jì)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(yàn)，相同條件下每組試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。

試驗(yàn)過(guò)程中，將物料按選取的喂入量以隨機(jī)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(guò)程中保型時(shí)間為900s。根據(jù)電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)得力-時(shí)間-位移的變化曲線，以Excel的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)做進(jìn)一步分析。利用MatLab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)效點(diǎn)刪減，繪制其各變量之間的關(guān)系曲線；同時(shí)，利用MatLab軟件編程進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合，得到力—時(shí)間的數(shù)學(xué)模型，建立力-時(shí)間關(guān)系曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過(guò)MatLab軟件處理后，利用Origin8.5軟件繪制了壓縮松弛過(guò)程中的力—時(shí)間曲線。200g喂入量下的壓縮松弛曲線如圖2所示。整個(gè)過(guò)程可以分為兩個(gè)階段：一是壓縮階段，物料在壓縮活塞的作用下運(yùn)動(dòng)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(guò)程。

圖2 甜高粱壓縮松弛過(guò)程力—時(shí)間曲線

2.2 壓縮和松弛過(guò)程回歸模型的建立

2.2.1 壓縮過(guò)程回歸模型的建立與分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，得到揉碎甜高粱秸稈壓縮成型過(guò)程的力—時(shí)間曲線，通過(guò)MatLab軟件以指數(shù)函數(shù)、多項(xiàng)式及冪函數(shù)等數(shù)學(xué)模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。甜高粱秸稈壓縮過(guò)程力隨時(shí)間變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及多項(xiàng)式擬合曲線如圖3所示，力—時(shí)間關(guān)系數(shù)學(xué)模型如表1所示。研究發(fā)現(xiàn)：多項(xiàng)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(duì)較小；但是，多項(xiàng)式方程較指數(shù)方程等要繁瑣得多，且對(duì)實(shí)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(shí)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(guò)程回歸模型的建立與分析

甜高粱秸稈松弛過(guò)程力隨時(shí)間變化的試驗(yàn)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(guò)程中的力—時(shí)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(shuō)明，實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)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(qiáng)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(jì)算，方便且高效，同時(shí)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(guò)程擬合曲線方程及相關(guān)系數(shù)

2.3 影響壓縮、松弛過(guò)程的主要因素

2.3.1 應(yīng)力衰減拐點(diǎn)的確定

應(yīng)力松弛過(guò)程中，以應(yīng)力松弛初始值為始點(diǎn)α1(x1,y1)，以后依次類推，記為a2、a3、a4、a5等。每?jī)蓚€(gè)點(diǎn)之間依次求斜率，記為k1、k2、k3、k4等，對(duì)k值依次相減，發(fā)現(xiàn)△k值先增大后減小，產(chǎn)生的拐點(diǎn)定義為應(yīng)力衰減拐點(diǎn)。計(jì)算過(guò)程如圖5所示。

2.3.2 喂入量對(duì)壓縮、松弛過(guò)程的影響

喂入量是評(píng)價(jià)機(jī)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(gè)壓縮和松弛過(guò)程中，力—時(shí)間的變化趨勢(shì)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(yùn)動(dòng)方向各參數(shù)的變化量。本文主要分析變形恢復(fù)時(shí)間T、變形恢復(fù)力△F、位移變化量△L等3個(gè)參數(shù)。計(jì)算表達(dá)式為

T=T總-T0

(1)

式中T總—物料成型過(guò)程總時(shí)間(s)；

T0—應(yīng)力不變時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間(s)。

ΔF=F-F0

(2)

式中F—物料壓縮到指定壓縮目標(biāo)時(shí)的力(kN)；

F0—應(yīng)力不變時(shí)對(duì)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(shí)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(shí)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(guò)程力恢復(fù)變形階段需要的時(shí)間越長(zhǎng)，但應(yīng)力衰減主要在開(kāi)始松弛的74～78 s，也就是上文提到的“應(yīng)力衰減拐點(diǎn)”。這部分變形是壓縮過(guò)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(diǎn)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(guò)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(guò)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(shí)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(diǎn)。這說(shuō)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(duì)壓縮、松弛過(guò)程的影響

壓縮密度是衡量物料成型性能的一個(gè)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(shì)同喂入量對(duì)壓縮松弛過(guò)程曲線的變化趨勢(shì)一致。當(dāng)壓縮密度在400kg/m3時(shí)，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(guò)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(guò)程中的松弛時(shí)間呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，說(shuō)明壓縮密度與松弛時(shí)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(huì)造成壓縮設(shè)備的功耗大及加快設(shè)備的磨損等問(wèn)題。

圖5 求解應(yīng)力衰減點(diǎn)流程圖

圖6 壓縮松弛過(guò)程的力—時(shí)間曲線

表3 不同喂入量下揉碎甜高粱成型過(guò)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(shí)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(guò)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(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)建立了壓縮松弛過(guò)程的力—時(shí)間曲線，通過(guò)數(shù)據(jù)的擬合確定了幾種適宜的模型。對(duì)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(shuō)明預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間具有高度的相關(guān)性；但是，在實(shí)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(duì)壓縮及松弛過(guò)程具有一定的影響，即喂入量的大小不影響壓縮松弛過(guò)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(guò)程甜高粱秸稈恢復(fù)變形主要發(fā)生在應(yīng)力衰減拐點(diǎn)處，之后的時(shí)間里應(yīng)力基本保持不變。