牧草压缩过程成型温度试验研究

摘要：为探究牧草压缩过程中成型温度的变化，本文以含水率20%的紫花苜蓿为试验物料，进行了振动压缩试验，分析了草块芯部、边部在压缩过程中的温度变化。结果表明，在一个振动压缩周期内，芯部、边部温度均呈快速升高后缓慢下降；经多次压缩草块逐渐被推移至模具出口的过程中，每次压缩时温度变化幅值逐渐变小，草块温度在达到短暂的稳定期后缓慢下降。

关键词：振动；压缩成型；苜蓿；温度

中图分类号：S216.2文献标识码：A

ResearchontheMoldingTemperatureExperimentof

ForageCompressionProcess

LiRuoyanMaYanhua*MengFanjunYangxianyong

CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，InnerMongoliaAgriculturalUniversity

InnerMongoliaHohhot010018

Abstract：Inordertoexplore&nby2MXHBDXMT4wHeR2KImyZnraNH8WTaBoNgKz+C8IdHA=sp;thechangeofformingtemperatureduringforagecompression，alfalfawithamoisturecontentof20%wasusedastheexperimentmaterial，andthetemperaturechangesofthecoreandedgeofthegrassblockduringthecompressionprocesswereanalyzed.Theresultsshowthatthetemperatureofthecoreandedgeincreasesrapidlyandthendecreasesslowlyduringavibrationcompressioncycle.Afterseveralcompressions，thegrassblockisgraduallymovedtothemoldoutlet，andthetemperaturechangeamplitudegraduallydecreasesduringeachcompression，andthetemperatureofthegrassblockslowlydecreasesafterreachingashortperiodofstability.

Keywords：vibration;compressionmolding;Lucerne;temperature

随着内蒙古地区畜牧养殖规模不断扩大，牧草产业也蓬勃发展［12］，以苜蓿为代表的优质牧草需求量逐年攀升。为满足全年特别是秋冬季节牧草供应需要，牧草压缩成型技术应运而生，压缩后的牧草体积显著降低，可供长期贮存及跨地区调运。

近年来课题组将振动力场引入牧草压缩成型过程中。前期研究表明［37］振动能够加快物料的流动，使压缩过程中产生的热量在物料内部传导，提高压缩物料内的温度，降低压缩力，并显著改善成品质量和稳定性。为进一步研究牧草压缩成型过程中的温度变化，本文结合前期研究成果设计试验，探究成型草块芯部、边部温度变化情况。

1物料与试验

1.1试验物料

试验选取2023年7月收割于内蒙古农业大学试验田的紫花苜蓿，按照试验要求将紫花苜蓿置于室内阴凉通风环境使其充分风干，并用牧草粉碎机粉碎。按照GB/T64352014《饲料中水分的测定》［8］规定的方法，测定物料基础含水率为5.5%。根据试验要求，将已粉碎的紫花苜蓿均匀喷淋一定质量的纯净水，调节试验物料含水率至20%后备用。

1.2试验仪器与设备

试验在自行研制［9］的生物质振动压缩试验台上完成，试验台如图1所示。为测量压缩过程中物料温度变化情况，新制成型模具及喂料装置如图2所示，模具内径30mm，长168mm，侧边开3mm槽用于布置温度传感器。温度传感器选用由开普森公司生产的K型热电偶，型号KPSTTK36SLE2000CZ。

1.3试验过程

试验过程分为建立压力和温度测量两阶段。建立压力：如图3（a）所示，在成型模具内预置堵头，并以填料—压缩交替模式工作，直至堵头被挤出且最大成型压力达到稳态。温度测量：如图3（b）所示，将两个K型传感器自成型模具侧边槽上端插入草块芯部、边部，记录成型过程草块温度变化情况；启动安装于成型模具下端的激振装置，以引入振动频率为8Hz的振动力场，随后继续进行填料—压缩作业，直至传感器随草块运动至成型腔下端出模处。

1.4数据采集与处理

K型传感器完整记录了压缩过程草块边部、芯部温度变化，压杆顶部安装的HYLF010型压力传感器记录了成型压力变化；利用OriginPro2021软件分别统计出试验组的草块芯部及边部的初始温度和最高温度，分别取差值算出压缩过程中芯部温升、边部温升。

2试验结果及分析

图4为苜蓿含水率20%、振动频率8Hz、保型时间20s工况下的首个压缩行程，即一次喂料—压缩作业的曲线。在压杆下行阶段初期，芯部物料在压杆的作用下颗粒变形及颗粒间摩擦产生热量；与模具壁面接触部分的物料除颗粒变形及颗粒间摩擦生热外，颗粒与腔壁间摩擦也产生热量。松散状的物料转化为具有一定密度的草块，但由于草块尚未完全压实，颗粒间仍存在较大孔隙，因此边部、芯部温度变化均尚不明显。

随着压杆继续下行，成型压力迅速增大至最高值，物料被进一步压实，草块颗粒间孔隙被迅速填充，颗粒紧密黏结并发生部分嵌合现象［10］。草块内部颗粒间摩擦及形变进一步释放大量的热，温度上升至最高点；草块外部随着内应力增大，边部与成型腔侧壁间的摩擦也进一步增强，但由于成型模具比热容较高，模具吸收较多的热量，因此草块边部温升较低。

压杆到达行程末端后为保型阶段，压杆静止不动，由于苜蓿为黏弹性物料，此时压杆上端压力传感器测得的实际为草块沿轴向的回弹力。随着振动保型过程的进行，草块内部应力逐渐释放，草块集聚的热量向外扩散，温度不断下降。从温度下降的速度来看，芯部温度和边部温度下降速率不同，原因可能是草块的不同部位所处的环境不同，草块边部与模具壁面接触，在振动的作用下，成型的草块与模具壁面存在摩擦，同时芯部温度高，热量向外传递，这些都形成了边部物料的热源，因此表现为边部物料内的温度缓慢下降。

保型结束后压杆回程，草块上端不再受外力作用，草块向上回弹［1112］，此阶段颗粒与颗粒、颗粒与模具间几乎不再生热，草块芯部—草块边部—成型腔间形成温度梯度，颗粒间沿温度梯度发生热传导，因此芯部温度显著下降，而边部温度基本维持稳定。

图5为全压缩过程（即温度传感器放入模具至从模具出口取出的整个过程）温度、压力随时间的变化曲线。如图5所示，物料经10个单次压缩行程后出模。第1～4个压缩行程中，每个压缩行程结束后草块均发生回弹，并在下一个压缩行程中被再次压实产生热量，因此其温度变化规律与第1个压缩行程一致。但随着草块沿成型模具向下运动，应力逐渐释放，回弹效应递减，每次被压缩变形的幅值逐渐降低，从pBGqzFTfYn1TdObtnz+oKw==而转化而来的热量不断降低，表现为前4个温升值递减；第5～7个压缩行程中，草块回弹进一步减小，压缩行程产生的热量与沿径向温度梯度散失的热量相当，草块边部、芯部温度维持稳定；第8～10个压缩行程中，草块几乎不再回弹，草块芯部几乎不再生热，草块边部与成型腔内壁摩擦产生部分热量，但大部分被成型腔吸收。随着草块热量沿温度梯度散失，草块芯部、边部温度均呈缓慢下降趋势。

3结论

本文开展以苜蓿为原料的牧草压缩试验，并利用OriginPro软件分析压缩过程中物料芯部和PM/3aG2uOHfl7mYwmbWTCw==边部温度的变化过程，得出以下结论：

牧草压缩成型全过程中，在压杆压力的作用下，物料首先被压实成具有一定密度的草块，成型块芯部、边部温度均迅速升高，并在压缩力达到最大时温度达到最高；当压杆回程时，成型块回弹，草块温度逐渐下降。依次经历了几个压缩周期后，成型块芯部、边部温度的变化幅度逐渐减小，并达到短暂的温度稳定期后，随着成型块向模具出口继续移动，温度缓慢降低。

参考文献：

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［8］GB/T64352014，饲料中水分的测定［S］.2014.

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［11］陈天佑，贾洪雷，李名伟，等.保压/保型抑制压后切碎玉米秸秆块回弹机理［J］.农业工程学报，2021，37（01）：5158.

［12］陈天佑.玉米秸秆压缩流变特性及压捆关键技术研究［D］.长春：吉林大学，2021.

基金项目：国家自然科学基金项目（32060771）

作者简介：李若岩（1996—），男，汉族，山西太原人，硕士研究生，研究方向为草原畜牧业机械装备。

*通讯作者：马彦华（1979—），女，蒙古族，辽宁朝阳人，教授，博士生导师，研究方向为草原畜牧业机械装备。