粉碎玉米秸秆压缩特性试验研究

刘富强，李景彬,2，坎 杂,2，温宝琴

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.新疆生产建设兵团农业机械重点实验室，新疆 石河子 832000)

0 引言

全球农作物秸秆资源丰富，中国作为世界第一秸秆产量大国，2015年全国秸秆理论资源量为10.1亿t，可收集资源量为9.0亿t，而玉米秸秆约占1/3[1-4]。随着国内外对农作物秸秆资源开发利用的高度重视，玉米秸秆因其产量大、可收集利用率高、营养丰富成为了秸秆饲料化的重要原材料[5-6]。玉米秸秆饲料化是充分利用秸秆资源的一个重要途径，能够有效解决饲草矛盾，降低养殖成本，提高养殖效益，将玉米秸秆饲料化具有重要意义[7-8]。玉米秸秆粉碎后压缩成型是饲料化的重要方式之一，国内外对玉米秸秆在内的农作物秸秆压缩特性研究较早，L.Molari，M.Maraldi建立了基于双锥形弹性秸秆打捆的力学简单流变模型，能够对秸秆压缩试验的结果进行预测[9]。Mahdi Kashaninejad, Lope G. Tabil研究了压缩载荷和颗粒大小对不同品种的麦秸秆粉碎之后压缩性的影响[10]。Vijay Sundaram研究了用化学方式对玉米秸秆、土拨草和柳枝稷预处理后对其压缩特性的影响[11-12]。范林对揉碎玉米秸秆的可压缩性进行了研究，分析了不同压缩条件下揉碎玉米秸秆体积模量与压缩量、压缩密度之间的关系[13]。廖娜对影响秸秆开放式压缩能耗的影响因素进行研究，发现含水率和压缩频率对压缩能耗影响显著[14]。于勇研究了含水率、叶鞘位置和取样位置对玉米秸秆拉伸特性的影响，表明含水率和取样位置的单因素效应对玉米秸秆的拉伸特性影响显著[15]。

国内外对玉米秸秆物料特性的研究主要集中在玉米秸秆某一部位的拉伸或压缩特性，针对整株玉米秸秆粉碎后压缩特性的研究并不多见[16-19]。本文以粉碎加工后的玉米秸秆(以下简称：粉碎玉米秸秆)为研究对象，通过万能材料试验机结合自制压缩装置进行压缩试验，研究了在不同压缩速度、不同含水率和不同粉碎粒度对粉碎玉米秸秆压缩特性的影响，为玉米秸秆饲料化工艺的优化和设备的研制提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用玉米秸秆取自新疆塔城地区沙湾县北泉镇商户地乡湖西村种植的SC704玉米，使用泰峰农牧机械厂生产的9FZ-50型秸秆粉碎机行粉碎，粉碎后的玉米秸秆初始含水率在9%左右。将人工气候箱参数设置为温度40℃、湿度90%的高温高湿环境，将使用4、6、8、10、20mm筛网粉碎后的玉米秸秆放置于人工气候箱内调节含水率。对人工气候箱内的物料进行实时监测，分别取出含水率为13%、20%、30%、40%、47%的粉碎玉米秸秆试样，密封于封口袋，并置于温度为2℃的冰箱内冷藏24h固定含水率，试验前1h放回参数设置为当季温度的人工气候箱内等待使用。

1.2 仪器设备

试验器材主要有DF-9000型动静态电子万能材料试验机(台湾高铁检测仪器公司)，YRG-400人工气候箱(上海合恒仪器设备有限公司)，MD2K-2型电子天平(精确度0.1g，上海天平厂)，MA45C-000230V1水分测定仪。

1.3 试验因素及水平的确定

试验以SC704玉米秸秆为研究对象，研究含水率、粉碎粒度、压缩速度3个因素对其压缩特性的影响。通过查阅相关文献及预试验确定含水率的取样范围在10%～50%，对玉米秸秆分别用4、6、8、10、20mm的筛网进行粉碎，压缩速度选定为32、100、200、300、368mm/min。

1.4 试验设计

根据二次回归通用旋转组合设计原理，以粉碎玉米秸秆含水率(编码值，实际值)、粉碎粒度(编码值，实际值)、压缩速度(编码值，实际值)为因素，以最大压缩力为指标。利用Design-Expert8.0软件提供的central composites(中心复合试验设计法)试验方案对试验进行安排和设计，研究各影响因素不同的试验组合对响应指标的影响，按三因素五水平安排试验，所制定的试验因素水平编码表如表1所示。

表1 编码值与实际值对应关系Table 1 Relation of practical and coding values

采用Design-Expert软件对试验数据进行分析，建立多因素与粉碎玉米秸秆最大圧缩力之间的关系模型，并对单因素和交互作用进行分析。

1.5 试验方法

试验采用DF-9000型动静态电子万能材料试验机结合自制压缩装置(见图1)，对相应含水率的粉碎玉米秸秆进行压缩，压缩装置内径50mm，压缩杆直径49mm；每次喂入量29.26g，初始密度为187.5kg/m3，行程30mm，终止密度300kg/m3。根据试验设计分别选取32、100、200、300、368mm/min的压缩速度对粉碎玉米秸秆的可压缩性进行试验研究。

(a)万能材料试验机 1.机架 2.升降台 3.压缩装置 4.压力传感 5.数据采集装置

(b)压缩装置 1.压缩杆 2.压缩筒 3.压缩底盘图1 粉碎玉米秸秆试验装置示意图Fig.1 Schematic of test device of corn straw smashed

2 结果处理与分析

2.1 回归模型的建立

采用Design-Expert8.0软件对实验数据进行分析，回归模型的方差分析结果如表2所示。

由表2可知：含水率对最大压缩力影响极显著，粉碎粒度及压缩速度对最大压缩力影响显著。

采用Design-Expert8.0软件分析各影响因素对最大压缩力的影响，对上述试验数据进行拟合得到最大圧缩力与各影响因素之间关系的回归模型Y，即

其中，x1、x2、x3分别为含水率、粉碎粒度及压缩速度3个影响因素。

表2 最大圧缩力方差分析Table 2 The variance analysis of maximum compression force

p≤0.01为差异极显著，用**表示；p≤0.05为差异显著，用*表示。

结合F值与最大压缩力回归方程分析可以得到各个影响因素对最大压缩力影响强弱顺序为：含水率x1>压缩速度x3>粉碎粒度x2。

2.2 单因素对最大压缩力的影响

当建立的二次回归模型中各因素分别取值为含水率=30、粉碎粒度=0、压缩速度=0；含水率=0、粉碎粒度=8、压缩速度=0；含水率=0、粉碎粒度=0、压缩速度=200时，各因素对粉碎玉米秸秆最大压缩力的影响效应如图2所示。由图2可知：最大压缩力随含水率的增加而减小；最大压缩力随粉碎粒度的增大而增大；最大压缩力随压缩速度的增大而增大。

A.含水率 B.粉碎粒度 C.压缩速度图2 各因素对粉碎玉米秸秆最大圧缩力的影响Fig.2 Influence on maximum compression force of corn straw smashed

2.3 因子交互作用响应曲面分析

试验范围内，将试验参数中含水率、粉碎速度、压缩速度依次固定为零水平，由压缩模型得到其他两个因素的交互作用响应曲面图。图3～图5分别为3个影响因素两两交互作用对最大压缩力影响的等高线图和响应曲面图。

(a) 等高线图 (b) 响应曲面图图3 含水率与粉碎粒度对最大圧缩力的影响Fig.3 Moisture content and grinding particle size effect on maximum compression force

(a) 等高线图 (b) 响应曲面图图4 含水率与压缩速度对最大圧缩力的影响Fig.4 Moisture content and compression rates effect on maximum compression force

(a) 等高线图 (b) 响应曲面图图5 粉碎粒度与压缩速度对最大圧缩力的影响Fig.5 Grinding particle size and compression rates effect on maximum compression force

由图3可知：当压缩速度在零水平(200mm/min)时，响应曲面沿x1方向变化较快，而沿x2方向变化缓慢；在该试验水平下，最大压缩力随着含水率的增大和粉碎粒度的减小而减小，下降速度较快。由图4可知：当粉碎粒度在零水平(8mm)时，响应曲面沿x1方向变化较快，而沿x3方向变化缓慢；在该试验水平下最大压缩力随着含水率的增大和压缩速度的减小而减小，下降速度较快。由图5可知：当含水率在零水平(30%)时，响应曲面沿x2方向变化缓慢，沿x3方向变化缓慢；在该试验水平下最大压缩力随着粉碎粒度和压缩速度的减小而减小，下降速度缓慢。

粉碎玉米秸秆压缩过程中，压缩阻力主要来自于物料之间的间隙排除、摩擦力及自身形变[20]。玉米秸秆为粘弹性物料，随着含水率增大物料回到粘弹态，纤维更加柔韧便于压缩密化[21]；并且，随着含水率的增高木质素等干物质含量越少，导致变形阻力减小；另外，物料之间以及物料与压缩筒的摩擦因数减小，产生的摩擦力也减小。随着粉碎粒度的减小，纤维长度减小物料更加柔软，物料之间的间隙也随之减小，更加容易发生变形；随着压缩速度增大，压缩杆对物料的冲力增大，对其组织结构的破坏加大，细胞壁的塌陷破坏增加，弹性力回复时间随之减少[22-25]。由此可知：含水率越高，粉碎玉米秸秆可压缩性越强，最大压缩力越小；粉碎粒度越小，粉碎玉米秸秆可压缩性越强，最大压缩力越小；压缩速度越小，玉米秸秆可压缩性越好，最大压缩力越小。

3 结论

1)在试验的基础上，建立了粉碎玉米秸秆最大压缩力与含水率、粉碎粒度及压缩速度之间的回归模型。该模型能有效反应含水率、粉碎粒度、压缩速度单因素及交互作用对最大压缩力的影响规律。

2)通过对模型的方差分析得出：含水率对粉碎玉米最大压缩力的影响极显著，粉碎粒度和压缩速度对最大压缩力的影响显著。

3)当粉碎玉米秸秆压缩至密度为300kg/m3时，最大压缩力越小说明该水平下粉碎玉米秸秆可压缩性越好。由此可知：粉碎玉米秸秆可压缩性随含水率的增加而增加，随粉碎粒度的增大而减弱，随压速度的增大而减弱。因此，在粉碎玉米秸秆饲料化压缩工作之中，在保证生产效率和颗粒质量的前提下应适当增大含水率，减小粉碎粒度和压缩速度。