粉碎玉米秸稈壓縮特性試驗(yàn)研究

劉富強(qiáng)，李景彬,2，坎 雜,2，溫寶琴

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

0 引言

全球農(nóng)作物秸稈資源豐富，中國作為世界第一秸稈產(chǎn)量大國，2015年全國秸稈理論資源量為10.1億t，可收集資源量為9.0億t，而玉米秸稈約占1/3[1-4]。隨著國內(nèi)外對農(nóng)作物秸稈資源開發(fā)利用的高度重視，玉米秸稈因其產(chǎn)量大、可收集利用率高、營養(yǎng)豐富成為了秸稈飼料化的重要原材料[5-6]。玉米秸稈飼料化是充分利用秸稈資源的一個(gè)重要途徑，能夠有效解決飼草矛盾，降低養(yǎng)殖成本，提高養(yǎng)殖效益，將玉米秸稈飼料化具有重要意義[7-8]。玉米秸稈粉碎后壓縮成型是飼料化的重要方式之一，國內(nèi)外對玉米秸稈在內(nèi)的農(nóng)作物秸稈壓縮特性研究較早，L.Molari，M.Maraldi建立了基于雙錐形彈性秸稈打捆的力學(xué)簡單流變模型，能夠?qū)斩拤嚎s試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行預(yù)測[9]。Mahdi Kashaninejad, Lope G. Tabil研究了壓縮載荷和顆粒大小對不同品種的麥秸稈粉碎之后壓縮性的影響[10]。Vijay Sundaram研究了用化學(xué)方式對玉米秸稈、土撥草和柳枝稷預(yù)處理后對其壓縮特性的影響[11-12]。范林對揉碎玉米秸稈的可壓縮性進(jìn)行了研究，分析了不同壓縮條件下揉碎玉米秸稈體積模量與壓縮量、壓縮密度之間的關(guān)系[13]。廖娜對影響秸稈開放式壓縮能耗的影響因素進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)含水率和壓縮頻率對壓縮能耗影響顯著[14]。于勇研究了含水率、葉鞘位置和取樣位置對玉米秸稈拉伸特性的影響，表明含水率和取樣位置的單因素效應(yīng)對玉米秸稈的拉伸特性影響顯著[15]。

國內(nèi)外對玉米秸稈物料特性的研究主要集中在玉米秸稈某一部位的拉伸或壓縮特性，針對整株玉米秸稈粉碎后壓縮特性的研究并不多見[16-19]。本文以粉碎加工后的玉米秸稈(以下簡稱：粉碎玉米秸稈)為研究對象，通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)結(jié)合自制壓縮裝置進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，研究了在不同壓縮速度、不同含水率和不同粉碎粒度對粉碎玉米秸稈壓縮特性的影響，為玉米秸稈飼料化工藝的優(yōu)化和設(shè)備的研制提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用玉米秸稈取自新疆塔城地區(qū)沙灣縣北泉鎮(zhèn)商戶地鄉(xiāng)湖西村種植的SC704玉米，使用泰峰農(nóng)牧機(jī)械廠生產(chǎn)的9FZ-50型秸稈粉碎機(jī)行粉碎，粉碎后的玉米秸稈初始含水率在9%左右。將人工氣候箱參數(shù)設(shè)置為溫度40℃、濕度90%的高溫高濕環(huán)境，將使用4、6、8、10、20mm篩網(wǎng)粉碎后的玉米秸稈放置于人工氣候箱內(nèi)調(diào)節(jié)含水率。對人工氣候箱內(nèi)的物料進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，分別取出含水率為13%、20%、30%、40%、47%的粉碎玉米秸稈試樣，密封于封口袋，并置于溫度為2℃的冰箱內(nèi)冷藏24h固定含水率，試驗(yàn)前1h放回參數(shù)設(shè)置為當(dāng)季溫度的人工氣候箱內(nèi)等待使用。

1.2 儀器設(shè)備

試驗(yàn)器材主要有DF-9000型動靜態(tài)電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(臺灣高鐵檢測儀器公司)，YRG-400人工氣候箱(上海合恒儀器設(shè)備有限公司)，MD2K-2型電子天平(精確度0.1g，上海天平廠)，MA45C-000230V1水分測定儀。

1.3 試驗(yàn)因素及水平的確定

試驗(yàn)以SC704玉米秸稈為研究對象，研究含水率、粉碎粒度、壓縮速度3個(gè)因素對其壓縮特性的影響。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)及預(yù)試驗(yàn)確定含水率的取樣范圍在10%～50%，對玉米秸稈分別用4、6、8、10、20mm的篩網(wǎng)進(jìn)行粉碎，壓縮速度選定為32、100、200、300、368mm/min。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)原理，以粉碎玉米秸稈含水率(編碼值，實(shí)際值)、粉碎粒度(編碼值，實(shí)際值)、壓縮速度(編碼值，實(shí)際值)為因素，以最大壓縮力為指標(biāo)。利用Design-Expert8.0軟件提供的central composites(中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)法)試驗(yàn)方案對試驗(yàn)進(jìn)行安排和設(shè)計(jì)，研究各影響因素不同的試驗(yàn)組合對響應(yīng)指標(biāo)的影響，按三因素五水平安排試驗(yàn)，所制定的試驗(yàn)因素水平編碼表如表1所示。

表1 編碼值與實(shí)際值對應(yīng)關(guān)系Table 1 Relation of practical and coding values

采用Design-Expert軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立多因素與粉碎玉米秸稈最大圧縮力之間的關(guān)系模型，并對單因素和交互作用進(jìn)行分析。

1.5 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用DF-9000型動靜態(tài)電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)結(jié)合自制壓縮裝置(見圖1)，對相應(yīng)含水率的粉碎玉米秸稈進(jìn)行壓縮，壓縮裝置內(nèi)徑50mm，壓縮桿直徑49mm；每次喂入量29.26g，初始密度為187.5kg/m3，行程30mm，終止密度300kg/m3。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分別選取32、100、200、300、368mm/min的壓縮速度對粉碎玉米秸稈的可壓縮性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

(a)萬能材料試驗(yàn)機(jī) 1.機(jī)架 2.升降臺 3.壓縮裝置 4.壓力傳感 5.數(shù)據(jù)采集裝置

(b)壓縮裝置 1.壓縮桿 2.壓縮筒 3.壓縮底盤圖1 粉碎玉米秸稈試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic of test device of corn straw smashed

2 結(jié)果處理與分析

2.1 回歸模型的建立

采用Design-Expert8.0軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，回歸模型的方差分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知：含水率對最大壓縮力影響極顯著，粉碎粒度及壓縮速度對最大壓縮力影響顯著。

采用Design-Expert8.0軟件分析各影響因素對最大壓縮力的影響，對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到最大圧縮力與各影響因素之間關(guān)系的回歸模型Y，即

其中，x1、x2、x3分別為含水率、粉碎粒度及壓縮速度3個(gè)影響因素。

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

p≤0.01為差異極顯著，用**表示；p≤0.05為差異顯著，用*表示。

結(jié)合F值與最大壓縮力回歸方程分析可以得到各個(gè)影響因素對最大壓縮力影響強(qiáng)弱順序?yàn)椋汉蕏1>壓縮速度x3>粉碎粒度x2。

2.2 單因素對最大壓縮力的影響

當(dāng)建立的二次回歸模型中各因素分別取值為含水率=30、粉碎粒度=0、壓縮速度=0；含水率=0、粉碎粒度=8、壓縮速度=0；含水率=0、粉碎粒度=0、壓縮速度=200時(shí)，各因素對粉碎玉米秸稈最大壓縮力的影響效應(yīng)如圖2所示。由圖2可知：最大壓縮力隨含水率的增加而減小；最大壓縮力隨粉碎粒度的增大而增大；最大壓縮力隨壓縮速度的增大而增大。

A.含水率 B.粉碎粒度 C.壓縮速度圖2 各因素對粉碎玉米秸稈最大圧縮力的影響Fig.2 Influence on maximum compression force of corn straw smashed

2.3 因子交互作用響應(yīng)曲面分析

試驗(yàn)范圍內(nèi)，將試驗(yàn)參數(shù)中含水率、粉碎速度、壓縮速度依次固定為零水平，由壓縮模型得到其他兩個(gè)因素的交互作用響應(yīng)曲面圖。圖3～圖5分別為3個(gè)影響因素兩兩交互作用對最大壓縮力影響的等高線圖和響應(yīng)曲面圖。

(a) 等高線圖 (b) 響應(yīng)曲面圖圖3 含水率與粉碎粒度對最大圧縮力的影響Fig.3 Moisture content and grinding particle size effect on maximum compression force

(a) 等高線圖 (b) 響應(yīng)曲面圖圖4 含水率與壓縮速度對最大圧縮力的影響Fig.4 Moisture content and compression rates effect on maximum compression force

(a) 等高線圖 (b) 響應(yīng)曲面圖圖5 粉碎粒度與壓縮速度對最大圧縮力的影響Fig.5 Grinding particle size and compression rates effect on maximum compression force

由圖3可知：當(dāng)壓縮速度在零水平(200mm/min)時(shí)，響應(yīng)曲面沿x1方向變化較快，而沿x2方向變化緩慢；在該試驗(yàn)水平下，最大壓縮力隨著含水率的增大和粉碎粒度的減小而減小，下降速度較快。由圖4可知：當(dāng)粉碎粒度在零水平(8mm)時(shí)，響應(yīng)曲面沿x1方向變化較快，而沿x3方向變化緩慢；在該試驗(yàn)水平下最大壓縮力隨著含水率的增大和壓縮速度的減小而減小，下降速度較快。由圖5可知：當(dāng)含水率在零水平(30%)時(shí)，響應(yīng)曲面沿x2方向變化緩慢，沿x3方向變化緩慢；在該試驗(yàn)水平下最大壓縮力隨著粉碎粒度和壓縮速度的減小而減小，下降速度緩慢。

粉碎玉米秸稈壓縮過程中，壓縮阻力主要來自于物料之間的間隙排除、摩擦力及自身形變[20]。玉米秸稈為粘彈性物料，隨著含水率增大物料回到粘彈態(tài)，纖維更加柔韌便于壓縮密化[21]；并且，隨著含水率的增高木質(zhì)素等干物質(zhì)含量越少，導(dǎo)致變形阻力減小；另外，物料之間以及物料與壓縮筒的摩擦因數(shù)減小，產(chǎn)生的摩擦力也減小。隨著粉碎粒度的減小，纖維長度減小物料更加柔軟，物料之間的間隙也隨之減小，更加容易發(fā)生變形；隨著壓縮速度增大，壓縮桿對物料的沖力增大，對其組織結(jié)構(gòu)的破壞加大，細(xì)胞壁的塌陷破壞增加，彈性力回復(fù)時(shí)間隨之減少[22-25]。由此可知：含水率越高，粉碎玉米秸稈可壓縮性越強(qiáng)，最大壓縮力越小；粉碎粒度越小，粉碎玉米秸稈可壓縮性越強(qiáng)，最大壓縮力越小；壓縮速度越小，玉米秸稈可壓縮性越好，最大壓縮力越小。

3 結(jié)論

1)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了粉碎玉米秸稈最大壓縮力與含水率、粉碎粒度及壓縮速度之間的回歸模型。該模型能有效反應(yīng)含水率、粉碎粒度、壓縮速度單因素及交互作用對最大壓縮力的影響規(guī)律。

2)通過對模型的方差分析得出：含水率對粉碎玉米最大壓縮力的影響極顯著，粉碎粒度和壓縮速度對最大壓縮力的影響顯著。

3)當(dāng)粉碎玉米秸稈壓縮至密度為300kg/m3時(shí)，最大壓縮力越小說明該水平下粉碎玉米秸稈可壓縮性越好。由此可知：粉碎玉米秸稈可壓縮性隨含水率的增加而增加，隨粉碎粒度的增大而減弱，隨壓速度的增大而減弱。因此，在粉碎玉米秸稈飼料化壓縮工作之中，在保證生產(chǎn)效率和顆粒質(zhì)量的前提下應(yīng)適當(dāng)增大含水率，減小粉碎粒度和壓縮速度。