压捆机不同截面尺寸下物料三维应力变化的试验研究

赵登宇， 杜健民， 佘文龙， 周国栋

(内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

压捆机不同截面尺寸下物料三维应力变化的试验研究

赵登宇， 杜健民， 佘文龙， 周国栋

(内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018)

以9KG-350高密度压捆机为试验装置，以羊草为试验材料，通过改变压缩室截面尺寸，获得羊草压缩时三维应力的相互关系，以及压缩室截面尺寸变化对三维应力的影响。结果表明,羊草物料压缩过程中，随着压缩活塞的压缩移动3个方向的应力均呈指数形式变化；压缩室截面尺寸变化对三维应力均产生很大的影响，随着截面尺寸的减小，三维应力上升速率越来越快，达到应力的最大值也在不断地增大，达到应力最大值的时间在不断减小。同时，y方向应力和z方向应力对x方向应力的响应速率在增加，且y与x和z与x的关系均以三次多项式的形式在变化。

压捆机；压缩室截面；牧草；三维应力

中国草地资源面积大、分布广和类型众多，是世界草地资源最丰富的国家之一[1]。而草物料是一类再生资源，资源贮量丰富，如何合理开发利用草资源，将这宝贵的资源充分利用起来，已受到社会的广泛关注。目前，中国草资源有效开发利用需要将草资源转化为商品，高效率地流通。因为草物料本身存在体积松散、占用空间大，使得收集、加工、运输困难，商品转化和流通难度大[2]。一种有效的开发方式就是将草物料进行压缩使其发生位移、变形、达到一定的形态，得到成型的产品，从而容易贮存、处理方便、进行流通。当然，在实现这一过程中需要相应的物质保障和技术支撑。杨明韶等[3-4]通过以苜蓿、玉米秸秆进行大量试验，发现喂入量和物料的种类对压缩过程有很大影响;王春光等[5-6]也进行大量的物料压缩时的流变学研究；杜建民等[7]通过对苜蓿、玉米秸秆等进行了的流变学试验研究，发现了草片在压缩过程中应力松弛规律；李旭英等[8-10]通过以苜蓿为研究对象进行研究，发现草片在压缩过程中的密度变化和应力-应变规律。虽然前人进行了大量研究，但对于不同截面应力变化的研究甚少。而目前市场上的草捆机由于没有完善的理论设计依据，因此大多数草捆机本身存在比较笨重、动力不匹配和效率低等缺点。本次试验是以“开式”压缩为基础的流变学研究，“开式”压缩是在无堵头的容器内进行压缩，即喂入一次，压缩一次，若干次压缩后可得压缩成品。通过本次变截面试验，可以得到不同截面下的三维应力关系，从而为草捆机的工作效率和设计提供有效的依据。

1 试验方案的设计

1.1试验设备

本试验以9KG-350型液压高密度压捆机为试验装备(内蒙古农业大学机械厂生产)，为了能够实现变截面试验，作者对其进行了适当的改造，以达到试验的要求。其最大压缩功率为22 kW,最大压缩行程为670 mm(指的是活塞水平压缩的长度)，压缩室截面积为360 mm×460 mm。

1.2传感器的选择

由于试验要求在不影响草块形状的情况下能够精准的采集到数据，故选择了薄膜压力传感器(其型号为IM-S-1-C20)，这种传感器有以下几个优点：1)比较轻薄，便于安装在压捆室内壁；2)轻便简洁，便于携带；3)精度高、抗干扰性强；4)成本低等等，其性能特点与本试验要求较高的稳定性相符合。

1.3传感器的安装

根据试验要求，需要测试压缩过程中一个草片在压缩全过程中各个位置上的压缩力特性。如图1所示。

在压缩活塞和模拟草片上、下截面各安装一个传感器x1、x2、x3、x4，在成型室内壁y方向安装压力传感器y1、y2和z方向上、下截面各安装一个压力传感器z1、z2。其中，x、y、z分别代表草块受到的正压力、侧壁受到的正压力和上、下面受到的正压力。

1.出料口；2、3.y方向压力传感器y1、y2；4、5.z方向压力传感器z1、z2；6.模拟草片；7、8.模拟草片上x方向压力传感器x3、x4；9.喂料口；10、11.活塞上x方向压力传感器x1、x2；12.压缩活塞。

1.Discharge port, 2、3.ydirection pressure sensory1,y2, 4、5.zdirection pressure sensorz1,z2, 6.simulation of grass, 7、8.simulation of grassxdirection on the pressure sensorx3,x4, 9.Feed port, 10、11.piston on thexdirection pressure sensorx1,x2, 12.compression piston.

图1传感器安装示意图
Fig.1Schematicdiagramofsensorinstallation

1.4试验方法和数据处理

以羊草喂入量2 kg·次-1，压缩室截面尺寸360 mm×460 mm的条件下进行试验，并以一次喂入量形成的草片为对象进行研究。试验开始时，将以称好的2 kg的羊草均匀的放到喂入口中依次进行压缩，使得充满整个压缩室，并建立稳定的压力，然后从喂入口中放入装有传感器的模拟草片，继续以2 kg·次-1依次喂入，进行采集数据。为了能够更好地采集到更多的精确数据，在每次压缩过程中，当活塞行程达到最大值670 mm时，进行5 s的停歇时间，然后将活塞退回。同样用相同的程序依次在360 mm×450 mm,360 mm×440 mm的条件下进行试验并采集数据，从而获得不同截面下的三维应力。将采集到的数据通过MATLAB软件进行数据分析处理，从而获得在不同截面下的三维应力关系。

2 结果与分析

2.1截面尺寸为360mm×460mm下的物料三维应力的变化

从图2、图3和表1可看出：3个方向的应力均随时间按指数形势变化，但变化程度有所差异。x方向的应力上升快，而y和z方向的应力相对于x方向的应力上升比较平缓。同时，3个方向的应力达到最大值的时间是一样的。当压缩活塞后退时，x方向的应力急速下降，y和z方向的应力下降相对平缓。

图2 360 mm×460 mm截面尺寸下x、y、z方向的应力变化特性曲线Fig.2 Stress variation characteristic curve of x, yand z in 360 mm×460 mm cross section size

图3 360 mm×460 mm截面尺寸下x、y、z方向的应力变化拟合曲线Fig.3 Stress change curve fitting of x, y and zin 360 mm×460 mm cross section size

应力Stress拟合关系式Fittingrelation相关系数Correlationcoefficientx方向应力xdirectionstressσ(t)x=0.001004e1.531t0.9942y方向应力ydirectionstressσ(t)y=-0.00002737e2.099t+0.001985e0.9879t0.9972z方向应力zdirectionstressσ(t)z=0.002205e0.7004t+0.00001031e2.852t0.9975

从流变学角度来看，x方向应力是压缩活塞的施力方向，而z和y方向的应力则是间接通过草片作用的缘故。在靠近喂入口的几个草片，由于压缩时承受了较大的压缩力，因而上升较快。而当压缩活塞后退时，由于草片变形恢复力的缘故，故而急速下降。因此，x方向应力表现为大起大落之势。而y和z方向应力由于草片在这2个方向无法产生膨胀，因此应力下降比较缓慢。

以x方向的应力为横坐标，y和z的应力分别为纵坐标进行拟合，得出拟合曲线如图4。

从而得出x、y和z3个方向的应力关系：

x和y方向应力关系式：

x和z方向应力关系式：

通过对比，可以发现y与x和z与x在应力的相互关系上无明显的差异，但在应力数值上存在着差异。

2.2截面尺寸为360mm×450mm下的物料三维应力的变化

从图5、图6和表2可看出，3个方向的应力曲线趋势与截面1(360 mm×460 mm)的大致相同。随着截面尺寸的减小，3个方向应力的最大值在增大，但达到最大值的时间相对于截面1来说在减小。

图4 360 mm×460 mm截面尺寸下y与x和z与x的应力拟合曲线Fig.4 Stress fitting curves of y and x and z and xunder 360 mm×460 mm cross section size

以x方向的应力为横坐标，y和z的应力分别为纵坐标进行拟合，得出拟合曲线如图7。

图5 360 mm×450 mm截面尺寸下x、y、z方向的应力变化特性曲线Fig.5 Stress variation characteristic curve of x, yand z in 360 mm×450 mm cross section size

图6 360 mm×450 mm截面尺寸下x、y、z方向的应力变化拟合曲线Fig.6 Stress change curve fitting of x, y and z

应力Stress拟合关系式Fittingrelation相关系数Correlationcoefficientx方向应力xdirectionstressσ(t)x=0.000306e2.164t0.9923y方向应力ydirectionstressσ(t)y=0.002085e-0.2524t+0.00026e1.781t0.9977z方向应力zdirectionstressσ(t)z=0.002210e-.0.1222t+0.0001651e2.203t0.9967

图7 360 mm×450 mm截面尺寸下y与x和z与x的应力拟合曲线Fig.7 Stress fitting curves of y and x and z andx under 360 mm×450 mm cross section size

从而得出x、y和z3个方向的应力关系：

x和y方向应力关系式：

x和z方向应力关系式:

2.3截面尺寸为360mm×440mm下的物料三维应力的变化

从图8、图9和表3可看出，3个方向的应力曲线趋势与前2个截面的曲线趋势大致相同。随着截面尺寸的不断减小，x方向的应力增大幅度相对y、z方向的应力增大幅度大，而且x与y和x与z方向的应力差值在不断增大，达到应力最大值的时间在不断地缩短。

以x方向的应力为横坐标，y和z的应力分别为纵坐标进行拟合，得出拟合曲线如图10。

从而得出x、y和z3个方向的应力关系：

x和y方向应力关系式：

x和z方向应力关系式：

相关系数R=0.987 2

2.4不同截面下3个方向的应力变化对比

从图11可看出，随着截面尺寸的减小，草片的受力发生了变化，草片除了自身的变形恢复力和与压缩室壁的摩擦力外，还受到了来自楔形压缩室斜面的阻力，这使得压缩力明显的增加，所以x方向的应力增大幅度比较大，而y和z方向的应力由于受到压缩室壁的限制无法发生膨胀，所以相对于x方向应力变化幅度小。同时，我们还可以发现随着截面尺寸的减小，达到草片静摩擦力最大值的时间在提前，也就是说3个方向上的应力达到最大值的时间在不断地提前，这更有利于草片成型。

图8 360 mm×440 mm截面尺寸下x、y、z方向的应力变化特性曲线Fig.8 Stress variation characteristic curve of x、yand z in 360 mm×440 mm cross section size

图9 360 mm×440 mm截面尺寸下x、y、z方

应力Stress拟合关系式Fittingrelation相关系数Correlationcoefficientx方向应力xdirectionstressσ(t)x=0.0002277e2.437t0.9686y方向应力ydirectionstressσ(t)y=0.002096e-1.138t+0.0004671e1.611t0.9944z方向应力zdirectionstressσ(t)z=0.003019e-0.2599t+0.00009349e2.268t0.9949

图10 360 mm×440 mm截面尺寸下y与x和z与x的应力拟合曲线Fig.10 Stress fitting curves of y and x and z andx under 360 mm×440 mm cross section size

3 结论

1)在喂入量不变的条件下，改变其截面尺寸的大小来进行试验，从而得出：不同截面尺寸下的三维应力的应力值均呈指数形式变化，x方向的应力值变化快，y、z方向应力值相对于x方向应力值平缓，总体趋势没多大明显变化。

2)随着截面尺寸的减小，y方向应力和z方向应力对x方向应力的响应速率在增加，且y与x和z与x的关系均以三次多项式的规律在变化。

图11 3个方向的应力变化特性曲线Fig.11 Stress change characteristic curve of three directions

3)随着截面尺寸的减小，3个方向的应力值在不断增大，x方向应力值增加的较快，y和z方向应力值相对x方向比较小，压缩室内壁所承受的压力在不断地增加，达到应力最大值和达到草片稳定状态的时间在不断缩小。

[1] 张建国. 中国饲料业发展前景探悉[J].农业机械,2002,7(11):9-11.

[2] 刘自学. 中国草业的现状与展望[J]. 草业科学,2002,19(1):6-8.

[3] 杨明韶,李旭英,杨红蕾. 牧草压缩过程的研究[J]. 农业工程学报,1996,12(1):60-64.

[4] 杨明韶,毕玉革. 草类物料压缩试验研究中的突破性进展[J]. 农机化研究,2005(1):1-5.

[5] 王春光,杨明韶,童淑敏,等. 高密度压捆时牧草在压缩室内的受力和变形研究[J]. 农业工程学报,1999,15(4):55-59.

[6] 王春光. 牧草在高密度压捆过程中的流变学研究[D].北京:中国农业大学，1998.

[7] 杜健民,姚贵昌. 压捆机压缩过程三维应力的流变学试验研究[J]. 内蒙古农业大学学报(自然科学版),2010,31(3):206-209.

[8] 李旭英,张小志,杜建民,等. 苜蓿在压捆过程中草片密度变化规律的研究[J]. 农机化研究,2015(1):192-195.

[9] 李旭英,杨明韶,鲁国成,等. 苜蓿压捆过程中压缩与恢复应力传递规律[J]. 农业工程学报,2014,30(16):61-67.

[10] 李旭英,鲁国成,杨明韶,等. 苜蓿在压捆过程中应力-应变关系的研究[J]. 内蒙古农业大学学报(自然科学版),2014,35(3):101-104.

(责任编辑：蒋国良)

Experimentalstudyonthree-dimensionalstressvariationofthematerialindifferentcompressionsectionsizeofthebaler

ZHAO Dengyu, DU Jianmin, SHE Wenlong, ZHOU Guodong

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

The research uses the 9KG-350 high density baler as testing equipment and Leymus chinenses as testing materials to explore the relationship among the stresses in three mutually perpendicular directions during its working process. Also, we analyze their variation trend in different compression section size. The results show that the three-dimensional stress values are exponentially with the time variation. The variation of compression section size has great influence on the three-dimensional stress. The rising rate of the three-dimensional stress becomes rapid and the value of the maximum stress also increases constantly after decreasing the compression section size. At the same time, the response rate ofydirection stress andzdirection stress toxdirection stress is increased, and the relationship betweenyandxandzandxis changed in the form of three polynomials.

compression machine； section of compression chamber； grass； three dimensional stress

2014-06-20

内蒙古自治区自然科学基金项目(2014MS0536)

赵登宇(1992-)男，山西吕梁人，硕士研究生，从事机械制造及其自动化方面的研究。

杜健民(1960-)男，内蒙古呼和浩特人，教授，博士生导师。

1000-2340(2016)06-0753-06

S226

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