飼用甜高粱秸稈應(yīng)力松弛特性及參數(shù)優(yōu)化的試驗(yàn)研究

杜曉雪 郭文斌 王春光 王洪波 靳 敏 劉曉東 李建

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

甜高粱是一種經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高的作物，廣泛用作飼料、釀酒、產(chǎn)糖業(yè)等[1-7]。甜高粱青貯后，酸甜適宜，飼料轉(zhuǎn)化率高，適口性好，牲畜喜食，是一種優(yōu)質(zhì)的生化飼料[8-11]，但是甜高粱秸稈青貯后存在松散，收儲(chǔ)運(yùn)困難，營(yíng)養(yǎng)成分流失嚴(yán)重等問(wèn)題，因此，對(duì)甜高粱秸稈進(jìn)行壓縮處理是秸稈致密化成型技術(shù)的重要組成部分，對(duì)其進(jìn)行捆包膜處理也是其得到有效利用的前提條件。

甜高粱秸稈屬于粘彈性生物質(zhì)物料，其流變特性對(duì)壓塊、打捆過(guò)程的生產(chǎn)率、成型穩(wěn)定性、捆包膜、纏網(wǎng)層數(shù)等具有重要影響[12-14]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)秸稈的壓縮流變特性進(jìn)行了不同層面研究[15-21]，如馬彥華等[22]利用活塞式壓縮裝置對(duì)玉米秸稈進(jìn)行軸向振動(dòng)壓縮，發(fā)現(xiàn)壓縮中加入振動(dòng)能夠縮短成型過(guò)程，降低能耗，提高生產(chǎn)率；王瑞麗等[23]利用多頻快速壓縮建立了成型塊松弛比與含水率、最大壓縮力、壓縮次數(shù)及壓縮速度之間的回歸模型；雷軍樂(lè)等[24]利用自制的鋼輥式圓捆機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，研究了完整稻稈在卷捆壓縮過(guò)程中的流變特性，得到了最佳的應(yīng)力松弛時(shí)間和平衡彈性模量；李葉龍等[25]分析了影響草捆成型率因素的主次順序，并降低了卷捆功耗。綜上，研究對(duì)象多以玉米秸稈、稻稈、苜蓿等物料為主，對(duì)青貯甜高粱壓縮流變特性的研究較少。

本研究擬采用理論研究與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，利用課題組自制壓縮裝置對(duì)甜高粱秸稈進(jìn)行壓縮松弛試驗(yàn)研究，旨在得到甜高粱秸稈在壓縮松弛過(guò)程的應(yīng)力松弛模型，獲取并分析甜高粱秸稈在青貯收獲時(shí)不同的含水率、壓縮密度、切碎段長(zhǎng)度等條件下的應(yīng)力松弛規(guī)律，以期為實(shí)際生產(chǎn)中青貯甜高粱打捆收獲機(jī)的開(kāi)發(fā)提供必要的理論基礎(chǔ)與技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與制備

本試驗(yàn)選用呼和浩特市郊區(qū)生產(chǎn)的整株甜高粱為試驗(yàn)原料，用9Z-6A型青貯鍘草機(jī)進(jìn)行鍘切處理，通過(guò)調(diào)節(jié)齒輪及動(dòng)刀片數(shù)控制切碎段長(zhǎng)度，再利用標(biāo)準(zhǔn)篩分級(jí)，保證物料的切碎段長(zhǎng)度分布在0～40 mm。甜高粱秸稈含水率按照NYT 1881.2—2010《生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法第2部分：全水分》的規(guī)定進(jìn)行測(cè)定[26]。經(jīng)測(cè)定甜高粱秸稈原始含水率為22.6%，根據(jù)試驗(yàn)要求的含水率進(jìn)行配比，放入密封袋中24 h，待水分均勻后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用設(shè)備為DDL-200型電子蠕變松弛試驗(yàn)機(jī)及自制壓縮裝置(圖1)，該試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)、手控盒、EDC數(shù)字控制器及計(jì)算機(jī)等組成，主要為壓縮時(shí)提供壓縮力，通過(guò)測(cè)量控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊來(lái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程力、位移和時(shí)間等數(shù)據(jù)的采集和控制。自制壓縮卸料裝置由壓縮和卸料2部分組成，主要包括內(nèi)徑為98 mm、長(zhǎng)度為300 mm的圓柱形套筒、圓形壓頭和卸料抽板，通過(guò)多功能電子蠕變松弛試驗(yàn)機(jī)的橫梁實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，進(jìn)而完成壓縮過(guò)程。物料含水率測(cè)定利用河南電子科技有限公司生產(chǎn)的DYSF-8000W型全自動(dòng)水分測(cè)定儀，水分測(cè)定精度標(biāo)準(zhǔn)為，全水時(shí)水分測(cè)定精度為≤0.4%，分析水時(shí)水分測(cè)定精度≤0.2%。物料的稱(chēng)量利用德國(guó)賽多利斯集團(tuán)生產(chǎn)的賽多利斯BS/BT系列電子天平，精度為0.001 g。

1.卸料口；2.壓縮裝置；3.可移動(dòng)橫梁；4.力傳感器；5.手控盒；6.EDC控制器；7.計(jì)算機(jī)1. Discharge port; 2. Compression device; 3. Movable beam; 4. Force sensor; 5. Hand control box; 6. EDC controller; 7. Computer圖1 電子蠕變松弛試驗(yàn)機(jī)及自制壓縮裝置Fig.1 Electronic creep relaxation tester and self-made compression device

1.3 試驗(yàn)因素及評(píng)價(jià)指標(biāo)

甜高粱秸稈的壓縮過(guò)程受多種因素影響，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)及單因素試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，甜高粱秸稈應(yīng)力松弛特性主要與壓縮密度、含水率及切碎段長(zhǎng)度等因素有關(guān)，根據(jù)甜高粱秸稈青貯、打捆以及牲畜對(duì)飼料適口性等的要求[2,12,27-28]，選取壓縮密度、切碎段長(zhǎng)度和含水率為試驗(yàn)因素，選取的試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表1。采用Box-Behnken試驗(yàn)方案進(jìn)行三因素三水平響應(yīng)面分析試驗(yàn)。由預(yù)試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)結(jié)果可重復(fù)性較好，所以每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取均值。選取應(yīng)力迅速衰減時(shí)間和平衡彈性模量作為甜高粱秸稈應(yīng)力松弛特性的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 甜高粱秸稈應(yīng)力松弛試驗(yàn)因素及水平Table 1 Experimental factors and levels

2 結(jié)果分析

2.1 甜高粱秸稈壓縮過(guò)程應(yīng)力松弛模型

農(nóng)業(yè)纖維物料的流變特性一般采用廣義Maxwell模型來(lái)描述物料的應(yīng)力松弛特性，本試驗(yàn)利用origin軟件對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力松弛數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過(guò)Maxwell模型、廣義Maxwell模型及Peleg模型等的對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)，甜高粱秸稈的壓縮松弛特性表達(dá)式可用2個(gè)Maxwell模型與1個(gè)等效彈簧并聯(lián)的五元件模型實(shí)現(xiàn)(圖2)，且擬合系數(shù)均大于0.99，模型表達(dá)方程式為：

E(t)=E1e-t/T1+E2e-t/T2+Ee

(1)

式中：E(t)為任意t時(shí)刻的瞬時(shí)彈性模量，kPa；E1為第一個(gè)Maxwell模型的松弛彈性模量，kPa；E2為第二個(gè)Maxwell模型的松弛彈性模量，kPa；Ee為平衡彈性模量，kPa；T1為應(yīng)力迅速衰減時(shí)間，s；T2為應(yīng)力緩慢衰減時(shí)間，s。

E1、E2分別為第一和第二階Maxwell模型中的松弛彈性模量，kPa；Ee為平衡彈性模量，kPa；η1、η2分別為第一和第二階Maxwell模型的中的阻尼系數(shù)。E1 and E2are respectively for elastic modulus of the first and second-order Maxwell model; Ee is the balance elastic modulus; η1 and η2 are respectively for damping coefficients of the first and second-order Maxwell model.圖2 應(yīng)力松弛模型Fig.2 Stress relaxation model

以序號(hào)4的試驗(yàn)為例，繪制甜高粱秸稈壓縮過(guò)程的應(yīng)力松弛曲線(圖3)，根據(jù)壓縮松弛特性，將甜高粱秸稈成型過(guò)程分為3個(gè)階段，第1階段為壓縮期，隨著時(shí)間的推移，物料逐漸成型的過(guò)程；第2階段為迅速衰減期，主要發(fā)生在開(kāi)始松弛后的20 s內(nèi)；第3階段為緩慢衰減期，該階段隨著時(shí)間的推移，殘余應(yīng)力發(fā)生輕微的衰減。本研究主要針對(duì)后2個(gè)階段進(jìn)行分析。

利用Origin軟件對(duì)圖3的應(yīng)力松弛階段試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其擬合圖見(jiàn)圖4，擬合方程式為：

E(t)=72 165.18e-t/6.253+
60.413e-t/198.423+135.013

(2)

由式(2)得，應(yīng)力迅速衰減時(shí)間為6.253 s，應(yīng)力緩慢衰減時(shí)間為198.423 s，平衡彈性模量為135.013 kPa，且擬合決定系數(shù)R2為0.998 76，說(shuō)明該方程能較好的反映出甜高粱秸稈在松弛階段中的應(yīng)力松弛現(xiàn)象。

圖3 壓縮過(guò)程應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig.3 Stress-time curve of compression process

圖4 應(yīng)力松弛擬合曲線Fig.4 Stress relaxation fitting curve

2.2 應(yīng)力松弛試驗(yàn)結(jié)果

甜高粱秸稈應(yīng)力松弛試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果可知(表2)，甜高粱秸稈壓縮松弛過(guò)程的應(yīng)力迅速衰減時(shí)間取值范圍為4.667～18.41 s，平衡彈性模量 取值范圍為69.125～358.708 kPa,平均為78.883 kPa。

表2 甜高粱應(yīng)力松弛試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及結(jié)果Table 2 Scheme and results of response surface experiments design

2.3 應(yīng)力松弛試驗(yàn)分析

2.3.1回歸模型與方差分析

利用Design Expert數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了應(yīng)力迅速衰減時(shí)間T1、平衡彈性模量Ee與各試驗(yàn)因素間的回歸模型為：

T1=7.49+0.24A-0.35B+0.25C-
0.17AB+4.77AC-0.78BC+2.76A2-
3.45B2+2.06C2

(3)

Ee=184.14+43.14A-49.72B+31.45C-
60.24AB-21.51AC+7.87BC+
8.38A2+10.83B2-30.31C2

(4)

式中：A為壓縮密度，kg/m3；B為切碎段長(zhǎng)度，mm；C為含水率，%。

2.3.2各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的主次順序

通過(guò)方差分析可知，各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)影響的顯著性由F檢驗(yàn)判定，F(xiàn)值越大，表示試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越明顯。由表3的一次項(xiàng)F值可以判斷出各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的主次順序?yàn)锽>C>A，但F檢驗(yàn)不顯著，所以只對(duì)交互作用項(xiàng)AC項(xiàng)進(jìn)行分析。由表4的一次項(xiàng)F值可以判斷出各因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的主次順序?yàn)锽>A>C，同時(shí)，各項(xiàng)的F檢驗(yàn)均很顯著，且3個(gè)因素間存在明顯的交互作用。

表3 應(yīng)力迅速衰減時(shí)間回歸模型的方差分析Table 3 Variance analysis of stress decay time regression model

表4 平衡彈性模量回歸模型的方差分析Table 4 Analysis of variance of balanced elastic modulus regression model

2.3.3各因素對(duì)應(yīng)力迅速衰減時(shí)間的影響

應(yīng)力迅速衰減時(shí)間反映了松弛過(guò)程中物料的松弛速率，應(yīng)力迅速衰減時(shí)間越短，說(shuō)明物料松弛速率越快，物料的松弛彈性模量也就越大。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，可以根據(jù)應(yīng)力迅速衰減時(shí)間確定最佳捆繩、纏膜時(shí)間，即應(yīng)力迅速衰減時(shí)間過(guò)后再進(jìn)行捆繩和纏膜，進(jìn)而減少松弛過(guò)程物料成型后對(duì)捆繩、膜等的沖擊。

將切碎段長(zhǎng)度固定在0水平，含水率和壓縮密度交互作用對(duì)應(yīng)力迅速衰減時(shí)間的影響見(jiàn)圖5(a)。含水率為57%～64%時(shí)，應(yīng)力迅速衰減時(shí)間隨著壓縮密度的增加而緩慢增加，含水率為64%～71%時(shí)，應(yīng)力迅速衰減時(shí)間隨壓縮密度的增加而明顯增大，這是因?yàn)殡S壓縮密度的增加，物料內(nèi)部間的水分被擠出，減少了物料與物料間及其與壓縮筒壁間的摩擦，加快了物料間的流動(dòng)性，促使松弛彈性模量減小，進(jìn)而延長(zhǎng)衰減時(shí)間。壓縮密度較小時(shí)，應(yīng)力迅速衰減時(shí)間隨含水率的增大而減小，壓縮密度較大時(shí)，應(yīng)力迅速衰減時(shí)間隨含水率的增加而明顯增加，這主要是因?yàn)槲锪系暮试酱螅瑝嚎s過(guò)程的出水現(xiàn)象越明顯，使物料間的空隙減少，減少了空氣阻力，說(shuō)明高密度下的壓縮松弛試驗(yàn)，適當(dāng)?shù)暮视欣谔岣呓斩拤嚎s過(guò)程的成型穩(wěn)定性。

2.3.4各因素對(duì)平衡彈性模量的影響

平衡彈性模量反映了物料在松弛過(guò)程中的恢復(fù)變形能力，平衡彈性模量越小，物料在實(shí)際生產(chǎn)中越不容易出現(xiàn)斷網(wǎng)、散捆等現(xiàn)象，同時(shí)，能夠相應(yīng)減少草捆的纏膜層數(shù)，節(jié)省成本。

將含水率固定在0水平，切碎段長(zhǎng)度和壓縮密度交互作用對(duì)平衡彈性模量的影響見(jiàn)圖5(b)。隨甜高粱秸稈切碎段長(zhǎng)度的增加，平衡彈性模量隨壓縮密度的增加而先增大后減小，這主要是因?yàn)榻斩捨锪锨兴槎伍L(zhǎng)度過(guò)小，物料間的孔隙率過(guò)小甚至出現(xiàn)擠壓，隨著切碎段長(zhǎng)度的增加，孔隙率增大，因此平衡彈性模量減小。隨壓縮密度的增加，平衡彈性模量隨切碎段長(zhǎng)度的增加而減小，主要是因?yàn)閴嚎s密度的增加，使物料間的填充效果更加明顯，擠壓程度加大，而切碎段長(zhǎng)度大的物料間由于自身的孔隙率大，所以在壓縮的過(guò)程中由于物料孔隙率的原因使平衡彈性模量減小，同時(shí)說(shuō)明物料的切碎段長(zhǎng)度對(duì)平衡彈性模量有一定的影響。

圖5 壓縮密度(A)、切碎段長(zhǎng)度(B)、含水率(C)3因素交互作用對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響Fig.5 Influence of three factors of compression density (A), length of chopped section (B) and moisture content (C) on evaluation index

將切碎段長(zhǎng)度固定在0水平，壓縮密度和含水率交互作用對(duì)平衡彈性模量的影響見(jiàn)圖5(c)。隨含水率的增加，平衡彈性模量隨壓縮密度的增加而緩慢增加。隨壓縮密度的增加，平衡彈性模量隨含水率的增加而增加，但總體變化不明顯。這主要是因?yàn)檫^(guò)低的含水率不足以填充甜高粱秸稈間的空隙，自由水在物料間接觸與非接觸的凸體上形成凹形彎月面液膜[29-30]，導(dǎo)致阻力增大，而使平衡彈性模量增大。相反，含水率過(guò)高時(shí)，物料間的水被擠出，填充了物料間空隙，水起到了潤(rùn)滑的作用，摩擦阻力減小，即使壓縮密度增加也不會(huì)使平衡彈性模量發(fā)生太大的波動(dòng)。

將壓縮密度固定在0水平，含水率和切碎段長(zhǎng)度交互作用對(duì)平衡彈性模量的影響見(jiàn)圖5(d)。隨含水率的增加，平衡彈性模量隨切碎段長(zhǎng)度的增加而緩慢減小，這是因?yàn)榍兴槎伍L(zhǎng)度的增加，使物料間的孔隙率增加，減少了物料間的摩擦，平衡彈性模量下降。隨切碎段長(zhǎng)度增加，平衡彈性模量隨含水率的增加而下降，說(shuō)明適當(dāng)?shù)暮士梢詼p少物料間的擠壓變形，減少物料對(duì)外的抵抗力，使甜高粱秸稈的強(qiáng)度降低、黏性下降，加快甜高粱秸稈應(yīng)力松弛速率，使平衡彈性模量下降。

3 試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證

為獲得甜高粱秸稈壓縮松弛過(guò)程的流變特性，利用Design Expert軟件的優(yōu)化模塊，對(duì)回歸方程進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化求解，取應(yīng)力迅速衰減時(shí)間和平衡彈性模量的優(yōu)化目標(biāo)都為最小，約束條件為壓縮密度500～700 kg/m3，切碎段長(zhǎng)度0～30 mm，含水率57%～71%，經(jīng)分析，獲得甜高粱秸稈壓縮松弛過(guò)程的最佳工藝參數(shù)為：壓縮密度為647.38 kg/m3，切碎段長(zhǎng)度為20～30 mm，含水率為57%，其應(yīng)力迅速衰減時(shí)間為4.667 s，平衡彈性模量為79.471 kPa。

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，本試驗(yàn)在上述最優(yōu)試驗(yàn)因素組合下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如下：應(yīng)力迅速衰減時(shí)間為4.693 s，平衡彈性模量89.957 kPa，各評(píng)價(jià)指標(biāo)誤差均在12%以?xún)?nèi)，說(shuō)明優(yōu)化結(jié)果具有較高的可信度，同時(shí)，證明本試驗(yàn)得到的研究模型是可靠的，可用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中各參數(shù)的選取。

4 結(jié) 論

1)本研究建立了甜高粱應(yīng)力松弛模型，甜高粱壓縮過(guò)程應(yīng)力松弛曲線可用2個(gè)Maxwell單元與1個(gè)等效彈簧并聯(lián)組合的五元件模型表示，且其擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.99。同時(shí)，試驗(yàn)確定了應(yīng)力迅速衰減時(shí)間和平衡彈性模量的取值范圍分別為4.667～18.41 s，69.125～358.708 kPa。

2)采用三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)面分析法進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到了各因素對(duì)影響應(yīng)力迅速衰減時(shí)間的主次順序?yàn)椋兴槎伍L(zhǎng)度>含水率>壓縮密度；影響平衡彈性模量的主次順序?yàn)椋兴槎伍L(zhǎng)度>壓縮密度>含水率。

3)確定了應(yīng)力迅速衰減時(shí)間和平衡彈性模量的最佳參數(shù)組合：當(dāng)壓縮密度為647.38 kg/m3，切碎段長(zhǎng)度20～30 mm，含水率57%時(shí)，應(yīng)力迅速衰減時(shí)間和平衡彈性模量的最佳取值分別為4.693 s，89.957 kPa。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，得到的研究模型是可靠的，可用于實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中各參數(shù)的選取。