饲用甜高粱秸秆压缩松弛试验研究

2019-05-27杜晓雪郭文斌王春光王洪波赵方超刘晓东

农机化研究 2019年8期

杜晓雪，郭文斌，王春光，王洪波，靳敏，赵方超刘晓东

(内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

饲用甜高粱是一种优质、高产的青贮饲料作物，也是典型的北方旱作农业高产作物，具有茎秆糖分含量高、植株高大、生物产量高、抗旱性强、耐涝、耐盐碱、耐贫瘠、营养价值高及适口性好等优良特性[1-4]。但是，由于甜高粱秸秆同其他秸秆物料一样存在松散、质量轻、体积大、季节性强及收集运输困难等特点，大部分秸秆在田间被焚烧，不仅污染环境，而且大大降低了其利用价值，造成资源的浪费[5-11]。因此，研究如何合理有效利用甜高粱秸秆，尽量减少含糖量和含水率等自身营养价值的流失，减小体积及降低其储运成本，具有重大的现实意义。

秸秆压缩致密是实现秸秆资源规模化利用的有效途径之一，将松散的秸秆物料压缩成高密度捆或者块，既解决了运输困难，又能作为饲料进行储藏，方便且可行性大。由于秸秆物料自身的特点，在压缩过程中需要克服的阻力主要表现为：①物料间的相互移动及变形阻力；②容器壁与物料间的摩擦阻力，进而使得设备存在能耗高、关键部件磨损严重、生产效率低等问题，导致压缩产品成本高，成为阻碍国内外压缩设备发展的瓶颈[12]。为解决以上问题，本文在不同喂入量下研究了甜高粱秸秆压缩密度、压缩力及松弛时间之间的影响规律变化，为相关压捆、压块设备的研究奠定理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验选用乌兰察布市凉城县生产的整株甜高粱为试验原料，用9R-40型揉碎机进行揉碎，其物料加工后的长度小于100mm，宽度2～6mm，平均含水率为53.8%。

1.2 试样制备

甜高粱秸秆的含水率测定按照GB/T5262—2008中《农业机械试验条件测定方法的一般规定》和相关文献的处理方法[13-15]。试验前，将处理后的秸秆置于上海一恒科学仪器有限公司的电热鼓风干燥烘箱内，以(103±2)℃的温度烘干4h至恒重，并用赛多利斯BS/BT系列电子天平(精度：0.001g)测定烘干前后的质量变化。

1.3 试验设备

压缩松弛试验主要采用多功能电子蠕变松弛试验机及自制压缩装置完成，压缩松弛过程的系统示意图如图1所示。多功能电子蠕变松弛试验机采用电子装置对载荷和试样的变形及横梁的位移进行精确的控制、测量、自动显示和自动记录，其工作原理为：接通电源后，计算机系统通过控制器，经调速系统控制伺服电机转动，经减速系统减速后通过精密丝杠副带动横梁上下移动，进而完成试样的拉伸、压缩、弯曲等多种力学性能试验。自制压缩装置由内径为98mm、长度为300mm的圆柱形套筒及圆形压头构成，通过多功能电子蠕变松弛试验机的横梁实现上下移动，进而完成压缩过程。

图1 压缩设备示意图Fig.1 Compression equipment schematic

1.4 试验方法

秸秆类物料的压缩及应力松弛特性受喂入量影响较大[16]，为了探讨喂入量对压缩和松弛过程的影响，根据计算及自制压缩装置的大小，以400、600、800kg/m3为压缩目标密度[4]，选取150、200、250g等3种喂入量进行压缩和松弛试验，相同条件下每组试验重复5次，结果取平均值。

试验过程中，将物料按选取的喂入量以随机杂乱的方式均匀地喂入自制压缩装置内，压头以10mm/min的速度匀速压缩，采样频率为5Hz，松弛过程中保型时间为900s。根据电子万能试验机的计算机软件测试系统，测得力-时间-位移的变化曲线，以Excel的形式进行数据的存储做进一步分析。利用MatLab软件对数据进行无效点删减，绘制其各变量之间的关系曲线；同时，利用MatLab软件编程进行数据的拟合，得到力—时间的数学模型，建立力-时间关系曲线。

2 结果与分析

2.1 试验结果

根据试验测得的数据，通过MatLab软件处理后，利用Origin8.5软件绘制了压缩松弛过程中的力—时间曲线。200g喂入量下的压缩松弛曲线如图2所示。整个过程可以分为两个阶段：一是压缩阶段，物料在压缩活塞的作用下运动到指定行程下的压力变化曲线；二是松弛阶段，被压缩物料在应变不变的条件下内部变形恢复力的变化过程。

图2 甜高粱压缩松弛过程力—时间曲线

2.2 压缩和松弛过程回归模型的建立

2.2.1 压缩过程回归模型的建立与分析

根据试验结果，得到揉碎甜高粱秸秆压缩成型过程的力—时间曲线，通过MatLab软件以指数函数、多项式及幂函数等数学模型对试验数据进行拟合。甜高粱秸秆压缩过程力随时间变化的试验数据及多项式拟合曲线如图3所示，力—时间关系数学模型如表1所示。研究发现：多项式方程的拟合效果最好，其拟合决定系数较高，误差小。其中，误差平方和为0.011 9，决定系数R2=0.999 5，均方根误差为0.023 3。相比之下，其他模型的决定系数相对较小；但是，多项式方程较指数方程等要繁琐得多，且对实际生产的指导意义较小。因此，在误差允许范围内，建议根据实际生产需要进行合理的选择。

图3 甜高粱秸秆压缩拟合曲线

表1 压缩拟合曲线方程及相关系数

续表1

2.2.2 应力松弛过程回归模型的建立与分析

甜高粱秸秆松弛过程力随时间变化的试验数据及拟合曲线如图4所示，MatLab软件得到的甜高粱秸秆松弛过程中的力—时间关系数学模型如表2所示。由图4及表2可以发现：高斯函数和指数函数的拟合决定系数高于其它函数，其拟合决定系数均大于0.999。这说明，实测值与预测值之间具有高度的相关性，上述模型合理可用。但是，高斯函数的均方根误差远小于指数函数的均方根误差。从理论方面讲，高斯函数的理论性强于指数函数，而从方程的复杂程度不难发现，指数函数更适用于喂入量、功耗等的计算，方便且高效，同时该数学模型与Maxwell模型本构方程具有相同的表达形式，即广义Maxwell模型。

图4 甜高粱秸秆松弛拟合曲线

表2 应力松弛过程拟合曲线方程及相关系数

2.3 影响压缩、松弛过程的主要因素

2.3.1 应力衰减拐点的确定

应力松弛过程中，以应力松弛初始值为始点α1(x1,y1)，以后依次类推，记为a2、a3、a4、a5等。每两个点之间依次求斜率，记为k1、k2、k3、k4等，对k值依次相减，发现△k值先增大后减小，产生的拐点定义为应力衰减拐点。计算过程如图5所示。

2.3.2 喂入量对压缩、松弛过程的影响

喂入量是评价机器生产率的指标之一，在压缩不同喂入量的甜高粱秸秆的整个压缩和松弛过程中，力—时间的变化趋势如图6所示。为方便研究，根据相关文献[17-18]引入变形恢复量—即物料在一次压缩前后，被压缩物料沿压缩活塞运动方向各参数的变化量。本文主要分析变形恢复时间T、变形恢复力△F、位移变化量△L等3个参数。计算表达式为

T=T总-T0

(1)

式中T总—物料成型过程总时间(s)；

T0—应力不变时对应的时间(s)。

ΔF=F-F0

(2)

式中F—物料压缩到指定压缩目标时的力(kN)；

F0—应力不变时对应的力(kN)。

ΔL=L-L0

(3)

式中L—物料压缩到指定压缩目标时的位移(mm)；

L0—初始位移，即L0=0。

图6(a)、(b)所示为不同喂入量下压缩到600 kg/m3时的压缩和松弛曲线。分析发现：喂入量的大小并不影响压缩后物料变形恢复的规律，但影响压缩后物料变形恢复量的大小。在同一压缩密度下，喂入量越大，其松弛过程力恢复变形阶段需要的时间越长，但应力衰减主要在开始松弛的74～78 s，也就是上文提到的“应力衰减拐点”。这部分变形是压缩过程中物料自身产生的弹性变形及粘性变形所导致的，而在应力衰减拐点后的变形恢复速度非常小，应力基本保持不变，其原因是：压缩过程中甜高粱秸秆的内部结构遭到破坏，在不施加载荷后仍不能恢复，物料内部发生了永久变形。不同喂入量下揉碎甜高粱成型过程各参量变化值如表3所示。由表3可以看出：随着喂入量的增加，变形恢复时间T逐渐增加，而变形恢复力和位移变化量在喂入量为200g的情况下各参量产生了拐点。这说明，随着喂入量的增加，位移变化量△L增大，而物料变形恢复力△F先增大后减小。

2.3.3 压缩密度对压缩、松弛过程的影响

压缩密度是衡量物料成型性能的一个重要指标。图6(c)、(d)为同一喂入量压缩到不同密度下的压缩和松弛曲线。分析发现：压缩和松弛的曲线变化趋势同喂入量对压缩松弛过程曲线的变化趋势一致。当压缩密度在400kg/m3时，物料的变形恢复力△F低至0.154kN，各参数变化量具体如表4所示。伴随着压缩密度的增大，所需要的力就越大，变形恢复过程中所产生的变形恢复力△F及位移变化量△L的变化量就越大；相反，物料在压缩和松弛过程中的松弛时间呈现递减的趋势，说明压缩密度与松弛时间成反比，且压缩密度越高，成型效果越好。但是，太高的压缩密度会造成压缩设备的功耗大及加快设备的磨损等问题。