南方林下饲用植物压缩蠕变研究

冯 燕 ，王天佐 ，袁 宁 ，罗迎社

（1.中南林业科技大学 工程流变学湖南省重点实验室；湖南 长沙 410004；2.湖南电子科技职业学院 建筑工程与设计艺术系，湖南 长沙 410217）

南方林下饲用植物压缩蠕变研究

冯 燕1，王天佐2，袁 宁1，罗迎社1

（1.中南林业科技大学 工程流变学湖南省重点实验室；湖南 长沙 410004；2.湖南电子科技职业学院 建筑工程与设计艺术系，湖南 长沙 410217）

近年来，我国南方林下经济产业取得了蓬勃的发展，提供了大量绿色林产品、农副产品。通过研究南方林下饲用植物在加载阶段和保压阶段的蠕变特性，可以揭示林下饲草在受压时的变化规律。分析压缩力对保压阶段草物料蠕变特性的影响，可以得出产品密度的变化趋势。本文对不同压块压强及不同压块温度下的南方林下红薯藤与百喜草压缩蠕变过程进行了研究，发现 [M]|[N] 流变模型能较好的拟合蠕变过程，利用Origin7.5进行拟合，拟合曲线与实验曲线的决定系数(R2)均在0.95以上，得到了不同压块压强和不同压块温度下红薯藤与百喜草的压缩蠕变本构方程。并进一步推导出了红薯藤与百喜草在一定应变条件下的松弛曲线。

南方；林下饲用植物；蠕变；拟合

农业物料是典型的粘弹性物料，既有弹性又有粘性或塑性，所以农业物料在变形时是符合一般流变学规律的[1-2]。国外对草物料压缩的理论研究开始较早，二十世纪三十年代起前苏联、前德国以及美国、英国等国家先后有学者进行研究并取得了有影响力的成果。我国草物料压缩试验研究起步相对较晚，但发展较快，得出了一系列的研究成果。从二十世界八十年代起，内蒙古农业大学的杨明韶等开始对我国北方农业物料压缩过程进行研究，并得出了系列结论；山东农业大学李汝莘[3]采用线性粘弹性理论，用残数法对应力松弛曲线进行拟合，获得了碎玉米秸秆卷压过程中的应力松弛模型及参数，并进一步得到伯格斯模型中的粘弹性参数。西北农业大学郭康权[4]、湖南林业科学院肖志红[5]等也都对不同农作物压缩过程影响因素、流变模型及饲草成份检测等进行了试验研究，并取得了一定成果。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本论文分别选用湖南宁乡基地2015年6月刈割的樟树下套种的红薯藤和湖南常德基地2015年8月刈割的苹果树下套种的百喜草为实验材料。新鲜饲草刈割后，干燥，切段并压块贮藏。

图1 蠕变试验方案Fig.1 Creep test plans

图2 实验装置Fig. 2 Experimental device

1.2 实验方法

参照蠕变试验要求及相关文献[6-7]，本试验选取不同饲草、压缩力和压块温度为试验因素，进行红薯藤和百喜草的压缩蠕变试验研究。考虑生产率，设定压缩时间为30 s，喂入量为1 kg，实验时百喜草含水率为16.32%，红薯藤含水率为16.55%。根据试验设备及饲草压块参数设置实验，选择压块压强分别为5、10、15、20 MPa，温度分别为30、40、50、60 ℃，同时设定保压时间为10 s进行实验。

1.3 蠕变试验方案

本试验采用萍乡九州精密压块有限公司生产的Y33-50型四柱油压机进行压块，压块前在压块机上安装由秦皇岛协力科技开发有限公司生产的YBD-300型位移传感器和300kN轮辐传感器，同时连接该公司生产的XL2101DS8型动态应变仪和动静态应变采集与分析系统进行数据收集，对各个因素水平的试验重复至少3次。试验数据另存为txt文件格式，然后用origin软件进行绘图及数据处理[8]，图1为实验装置图，图2为试验系统框图。

2 结果与分析

2.1 实验结果

2.1.1 不同压强下饲草压缩蠕变测试曲线

在常温下进行实验，得出不同压强下百喜草和红薯藤压缩蠕变曲线分别如图3及图4所示，由图可以看出:百喜草和红薯藤在不同荷载作用下蠕变规律相似，加载曲线中可以观测到减速蠕变阶段和稳态蠕变阶段；红薯藤和百喜草的总蠕变量均随荷载的增大而增大。

图3 不同压强下百喜草压块蠕变测试曲线Fig.3 Bahia grass creep curves under different different Pressure

图4 不同压强下红薯藤压块蠕变测试曲线Fig.4 Sweet potato vine creep curves under pressure

2.1.2 不同温度下饲草压缩蠕变测试曲线

在压块压强为15 MPa下进行这两组实验，得出不同压强下百喜草和红薯藤压缩蠕变曲线分别如图5及图6所示，由图可以看出：百喜草和红薯藤在不同温度下蠕变规律基本相似，实验曲线中可以观测到减速蠕变阶段及稳态蠕变阶段；红薯藤和百喜草的总蠕变量均随温度的升高而增大。

图5 不同温度下百喜草压块蠕变测试曲线Fig. 5 Bahia grass creep curves under different different temperatures

图6 不同温度下红薯藤压块蠕变测试曲线Fig. 6 Sweet potato vine creep curves under temperatures

2.2 实验结果分析

由两种饲草的蠕变试验曲线可以看出，百喜草与红薯藤的蠕变曲线有相似的规律。其蠕变过程主要为两个阶段。蠕变曲线在第4～7 s的拐点处出现分界点，其应变呈线性增加，为压力加载阶段。蠕变曲线从5～10 s起逐渐趋于水平直线，此时加载的压力达到了试验预设的压力值，变形速率减缓，为保压阶段。

对于不同压强压块实验中，不同的压块压强所需克服的物料与压缩箱体间的摩擦力、草物料间的摩擦力以及草物料细胞壁组织破坏的程度不同，其蠕变曲线也不相同，变形主要取决于草物料本身的变化。而在不同温度下进行压块，由于每次温度不同，草物料的变形主要包括物料本身的物理和化学性质的变化，荷载不变时，同种饲草的物理变形基本相同，但化学性质变化不同。红薯藤与百喜草在压缩蠕变时表现也有差异，由于草料种类不同，物压缩时各截面密度也不同，由于草物料是非刚体，当它受到压缩力的时候，物料同一截面上的变形就不一致。压缩力是变形的主要来源，从本论文试验数据及相关参考文献可以得出，不同的草物料蠕变特性不同[9]。

在压缩草料的过程中，由于红薯藤和百喜草在达到最大压缩密度之前，有一段保压过程，不同的保压力值得到的产品最终密度也不相同。由于饲草产品的密度已经成为优化压捆机的重要指标[10-11]，在保压阶段初期，草物料已有一密度值，保压阶段表现的是该密度下草块的蠕变性能，而加载阶段观测的则是草物料本身的蠕变特性[12-13]。

2.3 蠕变数据拟合

根据国内外对农业物料或农业纤维物料压缩过程中蠕变的研究[14-15]及实验数据，本论文选用[M]|[N]模型对百喜草和红薯藤蠕变过程进行拟合，其应力为σ=σM+σN。初始变形ε0=0，εt=f(t)，其模型结构图如图7所示。

图7 [M]|[N] 模型结构Fig.7 [M]|[N] structure diagram

通过计算，得出[M]|[N]模型的本构方程式为：

进一步求解微分方程，得出其蠕变方程为：

为方便拟合输入，将公式(3.22)简化如下：

利用Origin7.5软件中的自定义函数拟合功能对上述压缩蠕变实验曲线进行拟合，得出拟合图形如图8～图23所示，同时可得出拟合公式中(3)的四个参数A，B，C，D的具体值。坐标中x轴为时间t，单位为s，y轴y(t)为草物料在压缩中的形变量，单位为mm。

由图8～23可以看出，[M]|[N]模型能够较好的拟合不同压强、不同温度下百喜草与红薯藤压缩蠕变过程，其拟合决定系数R2均可达到0.95以上。通过拟合曲线中各参数的具体数值可以得到百喜草与红薯藤压缩蠕变方程式如下表1所示：

图8 百喜草5 MPa拟合曲线Fig.8 Bahia grass fi tting curve of 5 MPa

图9 百喜草10 MPa拟合曲线Fig.9 Bahia grass fi tting curve of 10 MPa

图10 百喜草15 MPa拟合曲线Fig.10 Bahia grass fi tting curve diagram of 20 MPa

2.4 蠕变实验与松弛实验等价性研究

从物理流变学理论分析，蠕变与松弛实质上是受同一物理力学机制所控制，只是材料长期力学性质的两种理想化的力学概念。所以，松弛与蠕变曲线是可以相互转化的。对与不同压强条件下的百喜草和红薯藤，可以得出其在一定应变时的松弛曲线如图24及图25所示。

图11 百喜草20 MPa拟合曲线Fig.11 Bahia grass fi tting curve diagram of 15 MPa

图12 红薯藤5 MPa拟合曲线Fig.12 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 5 MPa

图13 红薯藤10MPa拟合曲线Fig.13 Sweet potato vine fi tting curve of 10MPa

图14 红薯藤15MPa拟合曲线Fig.14 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 15 MPa

图15 红薯藤20MPa拟合曲线Fig.15 Sweet potato vine fi tting curve of 20MPa

图16 百喜草30℃ 拟合曲线Fig.16 Bahia grass fi tting curve diagram of 30℃

图17 百喜草40℃ 拟合曲线Fig.17 Bahia grass fi tting curve diagram of 40℃

图18 百喜草50℃拟合曲线Fig.18 Bahia grass fi tting curve diagram of 50 ℃

图19 百喜草60℃拟合曲线Fig.19 Bahia grass fi tting curve diagram of 60 ℃

图20 红薯藤30 ℃拟合曲线Fig.20 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 30 ℃

图21 红薯藤40 ℃拟合曲线Fig.21 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 40 ℃

图22 红薯藤50℃拟合曲线Fig.22 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 50℃

图23 红薯藤60℃拟合曲线Fig.23 Sweet potato vine fi tting curve diagram of 60℃

图24 百喜草蠕变曲线向松弛曲线的转化Fig.24 The relaxation curve for the bahia grass by the creep curves

表1 不同压强、不同温度下百喜草与红薯藤压缩蠕变方程式Table 1

图25 红薯藤蠕变曲线向松弛曲线的转化Fig.25 The relaxation curve for the sweet potato vine by the creep curves

由图24～25可知，尽管试验所设置的压强值相对偏少，也可大概得出两种饲草的松弛曲线。但是，由于上图百喜草与红薯藤蠕变速度快，数据集中，人为操作不能找到较为差异显著的点，所得到的松弛曲线不够精确，如果有足够的蠕变数据或者相应的软件操作，就可以得到更为精确的松弛曲线。

同理，也可以由草物料松弛曲线得到其蠕变曲线。

3 结论与讨论

本文对不同压块压强及不同压块温度下红薯藤与百喜草压缩蠕变过程进行了研究，通过蠕变曲线分析，发现采用[M]|[N] 蠕变模型可以较好的对蠕变过程进行拟合，拟合曲线与实验曲线的决定系数(R2)均在0.95以上，并得到了其蠕变本构方程及松弛曲线，为南方林下压块机的优化设计提供了依据。

但南方林下饲用植物压缩试验的研究涉及多个学科，从基地建设、饲草选育与种植，到刈割、烘干、压缩蠕变加工处理，直到营养成份分析研究等，工作量较大，有关南方林下饲用植物压块过程的蠕变及松弛等价性研究仍有待进一步的检验和完善；研制的喂饲配方有待于较长时间的实践检验。

[1] 杨明韶.农业物料流变学[M].北京:中国农业出版社,2010,107.

[2] 罗迎社.金属流变成形的理论、实验与应用研究[D].长沙:国防科学技术大学,2000.

[3] 李汝莘,耿爱军.碎玉米秸秆卷压过程的流变行为试验[J].农业工程学报,2012,28(18)30-35.

[4] 高梦祥,郭康权.玉米秸秆的力学特性测试研究[J].农业机械学报,2003,34(4):47-52.

[5] 戈晓康,高连兴.影响切碎棉杆压缩成型过程的探讨[J].农机化研究,2008(1):226-228.

[6] 卢宝贤.粘弹性模型在木材蠕变中的应用[J].力学与实践,1989, 11(2):41-44.

[7] 李小昱,王 为,孙 骊.农业物料流变特性试验机的研制[J].西北农业大学学报,1996,24(6):105-107.

[8] 邓 彪.荷载、含水率及温度作用下桉树木材蠕变特性研究[D].长沙:中南林业科技大学,2013.

[9] 肖志红,李昌珠,刘汝宽,等.蓖麻籽单轴压榨油过程中压缩比与残油率曲线拟合及其数学模型[J].中南林业科技大学学报,2016,36(2):106-109.

[10] 刘 俊.9YWD-18型移动卧式压捆机[J].产品市场,2004(6): 30.

[11] 49 YK-10型卧式液机.http://www.bdwd.heagri.gov.cn/default3.aspxid=6871.

[12] Reece F N. Temperature pressure and time relationships in forming dense hay wafers[J]. Transactions of the ASAE.,1966,(9):749-751.

[13] Dariusz A, Grochowicz J. Effect of the moisture content on compression energy andstrength characteristic of lupine briquettes[J]. Journal of Food. Engineering ,2007,83:116-120.

[14] Smith I E, Probert S D, Stokes R E, et al. The briquetting of wheat straw[J].Journal of agricultural Engineering Research,1977, 22(2):105-111.

[15] O’Dougherty M J, Wheeler J A. Compression of Straw to High Densities in Closed Cylindrical Dies[J]. Agric.Engng.Res., 1984,29(1):61-72.

Creep processing reaearch for understory forage plants in the south

FENG Yan1, WANG Tian-zuo2, YUAN Ning1, LUO Ying-she1
(1. Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

With the rapid development of China’s national economy and social progress, the industry of understory economics in the south of China has been fl ourishing. By studying the creep characteristics of the materials in the loading stage and the holding stage,we can reveal the changing laws of the materials inside. If the effect of compressive stress on creep characteristics of grass materials will be analyzed, the trend of the product density can be obtained. This paper studied the creep process of understory sweet potato vine and bahia grass in the south under different briquetting pressure and different briquetting temperatures, their creep curves showed that the rheological model named [M]|[N] could fi t the creep process suitably, using Origin7.5 software to fi t the creep processes, all of the coef fi cient of determination were bigger then 0.95, we also got the compressive creep constitutive equations for sweet potato vine and bahia grass under different briquetting pressure and different briquetting temperatures. And then got the relaxation curves in a certain strain conditions for the sweet potato vine and Bahia grass from their creep curves on different briquetting pressures.

in the south; understory forage plants; creep; relaxation; fi tting

S759.6

A

1673-923X(2016)11-0129-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.11.023

2016-03-09

湖南省科学技术厅重点项目（2014NK2005）

冯 燕，硕士研究生 通讯作者：罗迎社，教授，博导；E-mail：lys0258@vip.sina.com

冯 燕，王天佐，袁 宁，等.南方林下饲用植物压缩蠕变研究[J].中南林业科技大学学报，2016, 36(11): 129-136.

[本文编校：吴 毅]