稻草秸秆压缩特性研究

刘新柱，王玉花，韩　平，刘向东，姚　嘉，栾积毅

(佳木斯大学 a.机械工程学院；b.理学院，黑龙江 佳木斯　154007)



稻草秸秆压缩特性研究

刘新柱a，王玉花b，韩平a，刘向东a，姚嘉a，栾积毅a

(佳木斯大学 a.机械工程学院；b.理学院，黑龙江 佳木斯154007)

摘要：将农作物秸秆收获及打成高密度草捆是其合理应用重要的第1步。为了合理开发利用稻草秸秆这一类型生物质资源，结合自制密闭压力容器，在电子万能试验机上对同一类型、不同长度的稻草秸秆以不同的压缩速度进行了闭式压缩试验；分析了秸秆捆在压缩后密度相同情况下秸秆长度和压缩速度对压缩力的影响，建立了其数学模型。结果表明：当压缩密度相同时，秸秆越长、压缩速度越快，所需压缩力也越大。由此为设计、制造高性能的稻草秸秆打捆机提供了必要的理论依据。

关键词：稻草秸秆；压缩；力学性能

0引言

随着人们环境保护意识的增强，农作物秸秆合理开发及应用得到了高度重视[1-3]，专家、学者在诸多领域已经进行了广泛研究并取得了较好的成果，部分成果已经应用于生产实践中。例如，文献[4]研究了我国秸秆发电的发展形势；文献[5]对利用玉米秸秆制取沼气进行了研究；文献[6]介绍了利用生物质制取燃油的技术及其应用前景；黑龙江省海林市已经开始建设年产量可以达到9.9×105t的秸秆造纸项目[7]。

经调查发现：目前农作物秸秆资源的利用率还不是很高[8-13]，大多还是以荒烧为主，既浪费了资源，又破坏了环境[14]，主要原因是秸秆收获及储运困难制约着秸秆的合理应用[15-17]。因此，研发高性能、低能耗的秸秆打捆机是农作物秸秆合理应用的迫切需要，而农作物秸秆的力学性能测试、分析又是设计秸秆打捆机必要的理论基础。

我国稻草种植面积大、分布区域广，每年稻草秸秆产量可以达到1.826×108t，占农作物秸秆资源总量的23.9%[18-19]，开发及综合利用稻草秸秆在农作物秸秆合理应用领域及生物质能合理应用领域中有着重要意义[20-21]。为此，项目组对稻草秸秆进行了闭式压缩试验，分析了秸秆长度、压缩速度等因素对压缩力和秸秆捆密度的影响，获得了详实、可靠的试验数据，并对试验数据进行拟合，建立了其数学模型，为设计、制造高性能的稻草秸秆打捆机提供了必要的理论依据。

1试验材料和试验方法

1.1试验材料

三江平原是我国主要的商品粮基地之一，种植的水稻品种较多，其中“龙粳39”种植面积较为广阔。项目组选用当年产的该品种稻草秸秆作为试验材料，去除根部和穗部，自然晾置1个月，经恒温常压烘干法测得其平均含水率为10.6%；将稻草裁剪成200、300、500mm的秸秆段备用。

1.2试验设备

项目组自制了密闭的压力容器，结合长春试验机研究所有限公司生产的DDL300型电子万能试验机进行稻草秸秆压缩试验，如图1所示。

图1　试验设备

该试验机主要技术参数如下：

最大压力/kN：300

力值测量范围：复合传感器容量0.4%～100%

力测量精度：示值的±0.5%

活动横梁行程/mm：1 200

横梁位移测量/μm：分辨率高于0.03

位移测量精度：示值的±0.5%

活动横梁移动速度/mm·min-1：0.005～500

该试验机各项技术指标完全能够满足稻草秸秆压缩试验所需的精度要求。

1.3试验内容

试验内容主要为：测试稻草秸秆捆在最终压缩后密度γ均为180kg/m3的情况下，压缩过程中秸秆长度l和压缩速度v对压缩力p的影响。为此，首先对长度为500、300、200mm的秸秆段分别以20mm/min的速度进行了压缩，然后对200mm的秸秆段又分别以50、40、30、20、10mm/min的速度进行了压缩，获得了详实、可靠的试验数据。

2试验结果与分析

2.1秸秆长度对压缩力的影响

秸秆长度对压缩力的影响试验数据如表1所示。

表1　秸秆长度对压缩力p影响的试验数据

续表1

由表1可得秸秆长度分别为500、300、200mm时压缩密度和压缩力的关系曲线图，如图2～图4所示。

图2　500mm长秸秆压缩密度和压缩力关系图

图3　300mm长秸秆压缩密度和压缩力关系图

图4　200mm长秸秆压缩密度和压缩力关系图

由图2～图4可知：当秸秆捆密度较小时，秸秆长度对压缩力的影响并不大；当秸秆捆密度γ达到110kg/m3后，秸秆长度对压缩力的影响开始显现；秸秆越长，达到相同密度所需的压力就越大，当秸秆捆密度超过140kg/m3后，这种趋势愈加明显。因此，在设计稻草秸秆打捆机时，应适当考虑添加结构简单、成本低廉的粉碎机构，从而可以在不增加机器功耗的情况下提高秸秆捆的密度。

对表1中的试验数据进行曲线拟合，可得3种不同秸秆长度下压缩密度与压力二次曲线数学模型，如表2所示。曲线与数据基本吻合，计算结果也具有足够的精度，说明该算法是完全可行、有效的。

表2　不同长度秸秆压缩密度与压力曲线拟合模型

2.2压缩速度对压缩力的影响

压缩速度对压缩力的影响试验数据如表3所示。由表3中的试验数据可以得到压缩速度分别为50、40、30、20、10mm/min时压缩密度和压缩力关系曲线图，如图5～图9所示。

表3　压缩速度对压缩力P影响的试验数据

图5　压缩速度为50mm/min时压缩密度和压缩力关系图

图6　压缩速度为40mm/min时压缩密度和压缩力关系图

图7　压缩速度为30mm/min时压缩密度和压缩力关系图

图8　压缩速度为20mm/min时压缩密度和压缩力关系图

由图5～图8可知：当秸秆捆密度较小，即秸秆捆处于松散阶段时，压缩速度对压缩力的影响并不大；当秸秆捆密度达到100kg/m3，即秸秆捆被初步压紧后，压缩速度对压缩力的影响开始显现；压缩速度越大，秸秆捆达到同一密度所需的压力也就越大。需注意的是：在现有大多方捆机中都是采用曲柄滑块压缩机构，提高压缩速度可以产生相对较大的动载荷，也有利于提高秸秆捆的压缩密度。

图9　压缩速度为10mm/min时压缩密度和压缩力关系图

采用最小二乘算法对表3中的试验数据进行处理，可以得到不同压缩速度时压缩密度与压力关系的数学模型，如表4所示。由图5～图9可以看出：拟合曲线与数据基本完全吻合，该算法是有效可行的。

表4　不同压缩速度时压缩密度与压力曲线拟合模型

3结论

1)采用“龙粳39”稻草秸秆为试验材料，以20mm/min的压缩速度分别对长度为500、300、200mm的稻草秸秆进行了闭式压缩试验，并对试验数据进行了拟合，得其压缩密度与压力关系的数学模型分别为

p=0.5740×10-4γ2-0.4258×10-2γ-0.0023

p=0.4536×10-4γ2-0.2655×10-2γ-0.0450

p=0.3668×10-4γ2-0.1561×10-2γ-0.0692

由此可知：在压缩密度相同的情况下，秸秆越长，所需的压力也越大。

2)对长度为200mm的“龙粳39”稻草秸秆分别以50、40、30、20、10mm/min的压缩速度进行了闭式压缩试验，对试验数据进行了拟合，得到压缩密度与压力关系的数学模型分别为

p=0.4017×10-4γ2+0.1118×10-2γ-0.3205

p=0.4534×10-4γ2-0.1180×10-2γ-0.1623

p=0.4811×10-4γ2-0.2789×10-2γ-0.0498

p=0.3668×10-4γ2-0.1561×10-2γ-0.0692

p=0.3349×10-4γ2-0.1646×10-2γ-0.0424

由此可知：在压缩密度相同的情况下，压缩速度越大，所需压力也越大。

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Compression Property Research of Rice Straw

Liu Xinzhua, Wang Yuhuab, Han Pinga, Liu Xiangdonga, Yiao Jiaa, Luan Jiyia

(a.College of Mechanical Engineering；b.College of Science，Jiamusi University, Jiamusi 154007, China)

Abstract：Harvesting crop straw and bundling straw balers with high density is the first step in the rational use of rice straw. For the rational development and utilization of straw biomass resources, combining with the self closed pressure vessel, the closed cycle compression experiments of different length of rice straw have been carried under the different compression rates by using the electronic universal testing machine. The compression rates and the straw length both have effects on the compression force, the mathematical model in the same compression density has been established based on the test results. When the compression density is the same, the longer the straw length and the higher compression rates, the higher the compression force is required. The results can lay the necessary theoretical basis for the design and manufacture of high-performance rice straw bundling machine.

Key words：rice straw; compression; mechanical properties

文章编号：1003-188X(2016)06-0225-05

中图分类号：S183；O39

文献标识码：A

作者简介：刘新柱(1975-)，男，安徽濉溪人，副教授，工程硕士，(E-mail)liuxinzhu_138@126.com。

基金项目：佳木斯大学科学技术研究项目(Lz2014-004)；国家自然科学基金青年科学基金项目(51203061)

收稿日期：2015-05-04