不同因素下芦苇应力松弛特性试验及分析

陈换美 ，郭振华 ，，张立新 ，张 翔 ，李继霞

不同因素下芦苇应力松弛特性试验及分析

陈换美1，郭振华1，2，张立新2，张 翔2，李继霞2

（1巴音郭楞职业技术学院，新疆 库尔勒 841000；2石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000）

芦苇的压缩特性对其压缩后生成的成品质量、生产工艺过程以及生产设备性能都有比较重要的影响。本文通过对芦苇进行压缩特性试验，分析在不同含水率、喂入量等因素的影响下，芦苇的压缩松弛应力与各因素之间的关系，得出应力与各因素之间的关系曲线，并用最小二乘法得出芦苇压缩特性拟合方程。研究结果表明，芦苇松弛应力随含水率降低而增加，随喂入量增大而增加，芦苇压缩模型表达式符合粘弹性材料的应力松弛特性的数学模型。

芦苇；压缩；试验研究；含水量；喂入量；应力松弛

0 引言

芦苇是一种常年水生的禾本科植物，繁殖能力强，主要依靠根茎繁殖，属典型的无性系植物，可在湖泊、河道沿岸、河口等浅水湿地形成密集的单优群落，甚至能分布在荒漠、盐碱等地区[1]。中国有丰富的芦苇资源，其中产量较为丰富的地区有：（1）黑龙江苇区，总面积约13.33万hm2，总量达到20万t以上；（2）内蒙古苇区，总面积约7.33万hm2，总量达到11万 t以上；（3）新疆苇区，总面积约 6.67万 hm2，总量达到30万t以上；（4）辽宁苇区，总面积约8.67万hm2，总量达到 52 万 t以上[2]。

芦苇能够成为木材的替代性资源，可用于造纸、建材、饲料、医药等行业。在调节生态环境，净化水源等方面，也起到至关重要的作用。在造纸行业，对芦苇的需求量不断增加，但由于芦苇包密度小，致使运输效益较低，愿意承运苇包的运输车辆很少。芦苇打捆装备在解决纸、纸板等原材料运输过程中出现亏吨现象，因此，研究芦苇粉碎清杂高密度打捆装备具有重要的意义。

目前，国内关于芦苇压缩性能方面的研究还比较少。本文通过对芦苇的压缩试验，分析在不同含水量、喂入量等因素的影响下，芦苇的压缩松弛应力与各因素之间的关系，并给出它们之间的关系曲线和拟合方程，为芦苇压缩装备的设计研发提供依据。

1 材料及方法

1.1 实验材料

本次实验采用的芦苇产自新疆博斯腾湖苇区，由天宏苇业提供，实验前对所用芦苇进行切段处理（20—40 cm/段），并将芦苇中杂物去除（图 1）。

图1 实验材料Figure 1 The material for test

1.2 实验设备

实验设备采用CSS-44000万能实验机 （图2）和烘干机，用于实现对芦苇的压缩和含水量的测量。由于芦苇是茎秆状纤维植物，为便于实验过程中应力测试，自行制造压缩箱（图2），其尺寸为38 cm×56 cm×55cm。

图2 万能材料实验机和压缩箱Figure 2 The universalmaterialtesterand The compression box

1.3 实验方法

1.3.1 压缩特性实验方法

芦苇压缩特性实验的目的是分析芦苇受压缩时压力的变化规律和压力最大值与芦苇各因素（含水量、喂入量、压缩速度）之间的关系。实验过程中，芦苇各因素分别取3个水平进行单因素实验分析。其中，含水量测定方法采用JB/T5166-1991中方草捆打包机实验中所规定的含水率确定方法；喂入量根据打包机的工作效率计算出单次喂入量；芦苇的压缩密度主要取决于压缩行程，而压缩速度很小，因此，用压缩行程反映压缩速度。实验因素水平表如表1所示。

水平 含水率（%） 喂入量（g）Level Moisture content Feeding amount 1 13 450 2 15 500 3 17 550

本实验目的是确定芦苇各因素（含水量、喂入量、压缩速度）对其压缩应力的影响规律和大小，因此采用单因素轮换法。实验安排如表2所示。

表2 芦苇压缩特性实验Table 2 Test of Reed compression characteristics

实验过程中，压缩箱随喂入量的增加逐渐被填满，在填满过程中不采集数据。当压缩箱内压满芦苇物料时，建立应力测实环境，通过实验仪采集实验数据。压缩过程中，要根据参数计算出压缩位移，保证压缩密度与打捆压缩设备的设计密度一致。具体实验数据如表3。

1.3.2 应力松弛特性实验方法

本实验是在对芦苇压缩性的研究基础上进一步研究芦苇的应力松弛特性，分析芦苇在含水量、喂入量等因素的影响下，其应力松弛特性的表现规律。应力松弛即材料在某一瞬间达到恒定应变并在保持恒定应变时应力随时间的延续而逐渐减少的现象或过程[3]。根据定义，在实验过程中，利用实验机的最大加载速度，以获得“某一瞬间”应力参数。实验因素水平如表4。

表3 不同喂入量的压缩位移对照Table 3 Compression displacement in different feeding amount

表4 应力松弛实验因素水平Table 4 Experimentalfactors and levels ofstress relaxation

应力松弛实验方案如表5。

表5 应力松弛实验Table 5 Test of stress relaxation

2 实验及分析

通过上述实验，可以得到芦苇在不同因素条件下的压缩应力—位移关系曲线（图5）和松弛应力—位移关系曲线（图6）。对曲线进行分析，可以得到芦苇在压缩过程中的应力变化趋势。

由图3可知，在芦苇的压缩过程中总体变化趋势分为两个阶段：（1）0—300 mm区间为芦苇松散阶段，主要特征是随压缩位移增加，芦苇的压缩应力变化较小。分析原因：这一阶段的压缩主要是克服芦苇之间的间隙，因此体积变化较快，应力值变化较小。（2）300—500 mm区间为芦苇压紧阶段，主要特征是随压缩位移增加，芦苇的压缩应力迅速增大。分析原因：该阶段的压缩过程中主要需要克服芦苇与芦苇之间的摩擦力以及芦苇与压缩箱之间的摩擦力，因此，压缩位移变化较小而应力值大幅增加。

由图4中曲线变化趋势可知，应力松弛阶段的变化同样分为两个阶段：快速松弛阶段和缓慢松弛阶段。在快速松弛阶段（0—200 mm区间）应力值呈快速下降趋势；进入缓慢松弛阶段（300—500 mm区间）后，应力下降趋势明显平缓。松弛应力的变化趋势对芦苇打捆装备的设计具有重要指导意义，打捆操作应设计在快速松弛后100—200 mm区间，此阶段应力值由前期最大15 KN瞬降至1 KN，松弛应力已明显变小，但芦苇压缩包还保持较高密度，此时打捆可以保证高密度的同时防止散捆现象发生。

芦苇是一种具有弹性和粘性特征的粘弹性农业纤维物料[4]，因此，在芦苇的压缩过程中同时有弹性变形和粘性变形产生。压缩结束时，弹性变形部分可以逐渐恢复，但由于芦苇的组织破坏等原因发生的粘性变形成为永久变形，不可恢复。由牛顿力学定律可知，当芦苇被压缩时，压缩塞上所受力等于芦苇所受压力，当压缩量达到最大时，压缩塞所受力主要为芦苇弹性力。压缩力越大，同等初始状态的芦苇的体积就越小，对应的芦苇密度越大，产生的弹性变形越大，弹性力也越大。所以当压缩塞停止压缩，开始回程瞬间，作用在压缩塞上的反作用力会瞬间下降（图5）。

图5 应力瞬降图Figure 5 Stress instantaneous drop

表6 不同含水率下芦苇的应力值Table6 Stressvaluesof Reed underdifferentwatercontents

综上，打捆操作应设计在快速松弛后100—200 mm区间，此区间松弛应力已明显变小，芦苇压缩包还保持较高密度，此时打捆可以保证高密度的同时防止散捆现象。

2.1 含水率对应力松弛的影响

采用单因素轮换试验法测试含水率对芦苇应力松弛特性的影响。测试方法：保持喂入量不变（500 g/次），以最大加载对芦苇进行压缩，测得不同含水率的芦苇在多个采集点对应的压力值。

根据表6测得数据，绘制在不同含水率下芦苇压缩应力变化趋势图（图6）。由图6可知，在压缩过程中，同等压缩量、不同含水率的芦苇对应的压缩应力值不同。含水率越高，同等条件下对应的应力值越小，并且随压缩量增大，应力差明显增大。

图6 不同含水率下应力值与位移的关系Figure 6 Relationship between Stress value and displacementunderdifferentwater contents

2.2 喂入量对松弛应力的影响

表7 不同喂入量对应应力值Table 7 Stress values of different feeding amount

采用单因素轮换试验法测试喂入量对芦苇松弛特性的影响。测试方法：在含水率不变的情况下，改变喂入量，喂入量每次取值分别为450 g、500 g和550 g，以最大加载对芦苇进行压缩，测得不同喂入量在多个采集点对应的压力值。

根据表7所测数据，绘制在不同喂入量对应的芦苇压缩应力变化趋势图（图7）。由图7可知，在压缩过程中，含水率相同情况下，不同喂入量对应芦苇的压缩应力值不同。喂入量越大，同等条件下对应的应力值越大，并且随压缩量增大，应力差明显增大。

图7 不同喂入量下应力值与位移的关系Figure 7 Rrelationship between stress value and displacementunderdifferentfeedingamount

2.3 建立芦苇松弛应力数学模型

表8 含水率13%，喂入量550 g条件下压缩芦苇的应力值Table 8 Stress values with 13%moisture contentand 550 g feeding amount

由上述试验数据分析可知，在单因素不变试验条件下，含水率增加对应芦苇松弛应力值减小，喂入量增大对应芦苇松弛应力值增大。为进一步得到芦苇应力松弛特性的数学模型，对含水率13%的芦苇进行试验，喂入量取值为550g，测得试验数据如表8。根据表8绘制图8。

拟合方程得到图9。

运用最小二乘法对试验数据拟合，得到芦苇压缩特性的数学模型：在含水率13%，喂入量为550 g时，对应的芦苇压缩模型表达式为y=22 558 e-0.38x，相关系数R=0.998，拟合曲线见图9。表达式符合粘弹性材料的应力松弛特性的数学模型：y=Aebx。

3 结论

（1）在压缩芦苇经历应力瞬降后的100—200mm区间，芦苇松弛应力迅速变小，压缩包还保持较高密度，此时打捆可以保证高密度的同时防止散捆现象。（2）在同等压缩条件下，芦苇松弛应力随含水率降低而增加，即芦苇松弛应力值与芦苇含水率成反比；芦苇松弛应力随喂入量增加而增加，芦苇松弛应力值与芦苇喂入量成正比。（3）芦苇在含水率13%，喂入量为550 g条件下压缩模型表达式：y=22 558 e-0.38x，该表达式符合粘弹性材料的应力松弛特性的数学模型：y=Aebx。

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Test and Analysisof Reed Stress Relaxation Characteristicsunder Different Factors

CHEN Huan-mei2， GUO Zhen-hua1，2，ZHANG Li-xin1，ZHANG Xiang1， LIJi-xia1
（1Shihezi University， College of Mechanical and Electrical Engineering， Shihezi832000， Xinjiang；2Technical Collegeof Bayinguoleng， Korla 841000， Xinjiang）

The compression features of reeds have significant influence on the product quality,production process and equipment performance of the reed compressing process.By testing reed'scompression features,this article analysed the relationship between reed's compressive stress relaxation level and different factors,such as the level of water content or the feeding amount.While the article demonstrated the curve of the relationship,and composed a fitting equation for the reed's compressive character.As the results suggested,the stress level increased along with the drop of the moisture level and the raise of the feeding amount,thus confirmed the availability of the mathematical model of the stressrelaxation characteristicsof viscoelastic materials to thistopic.

Reed； Compression； Experimental study； Water content； Feeding amount； Stress relaxation

2017-05-20

国家自然基金资助项目（51565049）

联系方式：陈换美(1981-),女,新疆库尔勒人,研究生,讲师,E-mai l:gzh056200@163.com.通讯作者：张立新(1967-),男,新疆石河子人,教授,博士生导师,E-mai l:zhl x2001730@126.com