饲用甜高粱秸秆应力松弛特性及参数优化的试验研究

杜晓雪 郭文斌 王春光 王洪波 靳 敏 刘晓东 李建

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

甜高粱是一种经济价值很高的作物，广泛用作饲料、酿酒、产糖业等[1-7]。甜高粱青贮后，酸甜适宜，饲料转化率高，适口性好，牲畜喜食，是一种优质的生化饲料[8-11]，但是甜高粱秸秆青贮后存在松散，收储运困难，营养成分流失严重等问题，因此，对甜高粱秸秆进行压缩处理是秸秆致密化成型技术的重要组成部分，对其进行捆包膜处理也是其得到有效利用的前提条件。

甜高粱秸秆属于粘弹性生物质物料，其流变特性对压块、打捆过程的生产率、成型稳定性、捆包膜、缠网层数等具有重要影响[12-14]。目前，国内外对秸秆的压缩流变特性进行了不同层面研究[15-21]，如马彦华等[22]利用活塞式压缩装置对玉米秸秆进行轴向振动压缩，发现压缩中加入振动能够缩短成型过程，降低能耗，提高生产率；王瑞丽等[23]利用多频快速压缩建立了成型块松弛比与含水率、最大压缩力、压缩次数及压缩速度之间的回归模型；雷军乐等[24]利用自制的钢辊式圆捆机试验台，研究了完整稻秆在卷捆压缩过程中的流变特性，得到了最佳的应力松弛时间和平衡弹性模量；李叶龙等[25]分析了影响草捆成型率因素的主次顺序，并降低了卷捆功耗。综上，研究对象多以玉米秸秆、稻秆、苜蓿等物料为主，对青贮甜高粱压缩流变特性的研究较少。

本研究拟采用理论研究与试验相结合的方法，利用课题组自制压缩装置对甜高粱秸秆进行压缩松弛试验研究，旨在得到甜高粱秸秆在压缩松弛过程的应力松弛模型，获取并分析甜高粱秸秆在青贮收获时不同的含水率、压缩密度、切碎段长度等条件下的应力松弛规律，以期为实际生产中青贮甜高粱打捆收获机的开发提供必要的理论基础与技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与制备

本试验选用呼和浩特市郊区生产的整株甜高粱为试验原料，用9Z-6A型青贮铡草机进行铡切处理，通过调节齿轮及动刀片数控制切碎段长度，再利用标准筛分级，保证物料的切碎段长度分布在0～40 mm。甜高粱秸秆含水率按照NYT 1881.2—2010《生物质固体成型燃料试验方法第2部分：全水分》的规定进行测定[26]。经测定甜高粱秸秆原始含水率为22.6%，根据试验要求的含水率进行配比，放入密封袋中24 h，待水分均匀后进行压缩试验。

1.2 试验设备

试验用设备为DDL-200型电子蠕变松弛试验机及自制压缩装置(图1)，该试验机由主机、手控盒、EDC数字控制器及计算机等组成，主要为压缩时提供压缩力，通过测量控制系统进行通讯来实现试验过程力、位移和时间等数据的采集和控制。自制压缩卸料装置由压缩和卸料2部分组成，主要包括内径为98 mm、长度为300 mm的圆柱形套筒、圆形压头和卸料抽板，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。物料含水率测定利用河南电子科技有限公司生产的DYSF-8000W型全自动水分测定仪，水分测定精度标准为，全水时水分测定精度为≤0.4%，分析水时水分测定精度≤0.2%。物料的称量利用德国赛多利斯集团生产的赛多利斯BS/BT系列电子天平，精度为0.001 g。

1.卸料口；2.压缩装置；3.可移动横梁；4.力传感器；5.手控盒；6.EDC控制器；7.计算机1. Discharge port; 2. Compression device; 3. Movable beam; 4. Force sensor; 5. Hand control box; 6. EDC controller; 7. Computer图1 电子蠕变松弛试验机及自制压缩装置Fig.1 Electronic creep relaxation tester and self-made compression device

1.3 试验因素及评价指标

甜高粱秸秆的压缩过程受多种因素影响，经查阅相关文献及单因素试验分析发现，甜高粱秸秆应力松弛特性主要与压缩密度、含水率及切碎段长度等因素有关，根据甜高粱秸秆青贮、打捆以及牲畜对饲料适口性等的要求[2,12,27-28]，选取压缩密度、切碎段长度和含水率为试验因素，选取的试验因素水平见表1。采用Box-Behnken试验方案进行三因素三水平响应面分析试验。由预试验结果可知，试验结果可重复性较好，所以每组试验重复3次，试验结果取均值。选取应力迅速衰减时间和平衡弹性模量作为甜高粱秸秆应力松弛特性的评价指标。

表1 甜高粱秸秆应力松弛试验因素及水平Table 1 Experimental factors and levels

2 结果分析

2.1 甜高粱秸秆压缩过程应力松弛模型

农业纤维物料的流变特性一般采用广义Maxwell模型来描述物料的应力松弛特性，本试验利用origin软件对试验测得的应力松弛数据进行拟合，通过Maxwell模型、广义Maxwell模型及Peleg模型等的对比，研究发现，甜高粱秸秆的压缩松弛特性表达式可用2个Maxwell模型与1个等效弹簧并联的五元件模型实现(图2)，且拟合系数均大于0.99，模型表达方程式为：

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

(1)

式中：E(t)为任意t时刻的瞬时弹性模量，kPa；E1为第一个Maxwell模型的松弛弹性模量，kPa；E2为第二个Maxwell模型的松弛弹性模量，kPa；Ee为平衡弹性模量，kPa；T1为应力迅速衰减时间，s；T2为应力缓慢衰减时间，s。

E1、E2分别为第一和第二阶Maxwell模型中的松弛弹性模量，kPa；Ee为平衡弹性模量，kPa；η1、η2分别为第一和第二阶Maxwell模型的中的阻尼系数。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.图2 应力松弛模型Fig.2 Stress relaxation model

以序号4的试验为例，绘制甜高粱秸秆压缩过程的应力松弛曲线(图3)，根据压缩松弛特性，将甜高粱秸秆成型过程分为3个阶段，第1阶段为压缩期，随着时间的推移，物料逐渐成型的过程；第2阶段为迅速衰减期，主要发生在开始松弛后的20 s内；第3阶段为缓慢衰减期，该阶段随着时间的推移，残余应力发生轻微的衰减。本研究主要针对后2个阶段进行分析。

利用Origin软件对图3的应力松弛阶段试验数据进行拟合，其拟合图见图4，拟合方程式为：

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

(2)

由式(2)得，应力迅速衰减时间为6.253 s，应力缓慢衰减时间为198.423 s，平衡弹性模量为135.013 kPa，且拟合决定系数R2为0.998 76，说明该方程能较好的反映出甜高粱秸秆在松弛阶段中的应力松弛现象。

图3 压缩过程应力-时间曲线Fig.3 Stress-time curve of compression process

图4 应力松弛拟合曲线Fig.4 Stress relaxation fitting curve

2.2 应力松弛试验结果

甜高粱秸秆应力松弛试验设计方案及结果可知(表2)，甜高粱秸秆压缩松弛过程的应力迅速衰减时间取值范围为4.667～18.41 s，平衡弹性模量 取值范围为69.125～358.708 kPa,平均为78.883 kPa。

表2 甜高粱应力松弛试验设计方案及结果Table 2 Scheme and results of response surface experiments design

2.3 应力松弛试验分析

2.3.1回归模型与方差分析

利用Design Expert数据分析软件对表2中的试验数据进行分析，得到了应力迅速衰减时间T1、平衡弹性模量Ee与各试验因素间的回归模型为：

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为压缩密度，kg/m3；B为切碎段长度，mm；C为含水率，%。

2.3.2各因素对评价指标的主次顺序

通过方差分析可知，各因素对评价指标影响的显著性由F检验判定，F值越大，表示试验因素对试验指标的影响越明显。由表3的一次项F值可以判断出各因素对评价指标的主次顺序为B>C>A，但F检验不显著，所以只对交互作用项AC项进行分析。由表4的一次项F值可以判断出各因素对评价指标的主次顺序为B>A>C，同时，各项的F检验均很显著，且3个因素间存在明显的交互作用。

表3 应力迅速衰减时间回归模型的方差分析Table 3 Variance analysis of stress decay time regression model

表4 平衡弹性模量回归模型的方差分析Table 4 Analysis of variance of balanced elastic modulus regression model

2.3.3各因素对应力迅速衰减时间的影响

应力迅速衰减时间反映了松弛过程中物料的松弛速率，应力迅速衰减时间越短，说明物料松弛速率越快，物料的松弛弹性模量也就越大。在实际生产过程中，可以根据应力迅速衰减时间确定最佳捆绳、缠膜时间，即应力迅速衰减时间过后再进行捆绳和缠膜，进而减少松弛过程物料成型后对捆绳、膜等的冲击。

将切碎段长度固定在0水平，含水率和压缩密度交互作用对应力迅速衰减时间的影响见图5(a)。含水率为57%～64%时，应力迅速衰减时间随着压缩密度的增加而缓慢增加，含水率为64%～71%时，应力迅速衰减时间随压缩密度的增加而明显增大，这是因为随压缩密度的增加，物料内部间的水分被挤出，减少了物料与物料间及其与压缩筒壁间的摩擦，加快了物料间的流动性，促使松弛弹性模量减小，进而延长衰减时间。压缩密度较小时，应力迅速衰减时间随含水率的增大而减小，压缩密度较大时，应力迅速衰减时间随含水率的增加而明显增加，这主要是因为物料的含水率越大，压缩过程的出水现象越明显，使物料间的空隙减少，减少了空气阻力，说明高密度下的压缩松弛试验，适当的含水率有利于提高秸秆压缩过程的成型稳定性。

2.3.4各因素对平衡弹性模量的影响

平衡弹性模量反映了物料在松弛过程中的恢复变形能力，平衡弹性模量越小，物料在实际生产中越不容易出现断网、散捆等现象，同时，能够相应减少草捆的缠膜层数，节省成本。

将含水率固定在0水平，切碎段长度和压缩密度交互作用对平衡弹性模量的影响见图5(b)。随甜高粱秸秆切碎段长度的增加，平衡弹性模量随压缩密度的增加而先增大后减小，这主要是因为秸秆物料切碎段长度过小，物料间的孔隙率过小甚至出现挤压，随着切碎段长度的增加，孔隙率增大，因此平衡弹性模量减小。随压缩密度的增加，平衡弹性模量随切碎段长度的增加而减小，主要是因为压缩密度的增加，使物料间的填充效果更加明显，挤压程度加大，而切碎段长度大的物料间由于自身的孔隙率大，所以在压缩的过程中由于物料孔隙率的原因使平衡弹性模量减小，同时说明物料的切碎段长度对平衡弹性模量有一定的影响。

图5 压缩密度(A)、切碎段长度(B)、含水率(C)3因素交互作用对评价指标的影响Fig.5 Influence of three factors of compression density (A), length of chopped section (B) and moisture content (C) on evaluation index

将切碎段长度固定在0水平，压缩密度和含水率交互作用对平衡弹性模量的影响见图5(c)。随含水率的增加，平衡弹性模量随压缩密度的增加而缓慢增加。随压缩密度的增加，平衡弹性模量随含水率的增加而增加，但总体变化不明显。这主要是因为过低的含水率不足以填充甜高粱秸秆间的空隙，自由水在物料间接触与非接触的凸体上形成凹形弯月面液膜[29-30]，导致阻力增大，而使平衡弹性模量增大。相反，含水率过高时，物料间的水被挤出，填充了物料间空隙，水起到了润滑的作用，摩擦阻力减小，即使压缩密度增加也不会使平衡弹性模量发生太大的波动。

将压缩密度固定在0水平，含水率和切碎段长度交互作用对平衡弹性模量的影响见图5(d)。随含水率的增加，平衡弹性模量随切碎段长度的增加而缓慢减小，这是因为切碎段长度的增加，使物料间的孔隙率增加，减少了物料间的摩擦，平衡弹性模量下降。随切碎段长度增加，平衡弹性模量随含水率的增加而下降，说明适当的含水率可以减少物料间的挤压变形，减少物料对外的抵抗力，使甜高粱秸秆的强度降低、黏性下降，加快甜高粱秸秆应力松弛速率，使平衡弹性模量下降。

3 试验参数优化及验证

为获得甜高粱秸秆压缩松弛过程的流变特性，利用Design Expert软件的优化模块，对回归方程进行进一步优化求解，取应力迅速衰减时间和平衡弹性模量的优化目标都为最小，约束条件为压缩密度500～700 kg/m3，切碎段长度0～30 mm，含水率57%～71%，经分析，获得甜高粱秸秆压缩松弛过程的最佳工艺参数为：压缩密度为647.38 kg/m3，切碎段长度为20～30 mm，含水率为57%，其应力迅速衰减时间为4.667 s，平衡弹性模量为79.471 kPa。

为验证优化结果的可靠性，本试验在上述最优试验因素组合下进行验证试验，结果如下：应力迅速衰减时间为4.693 s，平衡弹性模量89.957 kPa，各评价指标误差均在12%以内，说明优化结果具有较高的可信度，同时，证明本试验得到的研究模型是可靠的，可用于实际生产过程中各参数的选取。

4 结 论

1)本研究建立了甜高粱应力松弛模型，甜高粱压缩过程应力松弛曲线可用2个Maxwell单元与1个等效弹簧并联组合的五元件模型表示，且其拟合相关系数均大于0.99。同时，试验确定了应力迅速衰减时间和平衡弹性模量的取值范围分别为4.667～18.41 s，69.125～358.708 kPa。

2)采用三因素三水平的Box-Behnken响应面分析法进行试验研究，得到了各因素对影响应力迅速衰减时间的主次顺序为，切碎段长度>含水率>压缩密度；影响平衡弹性模量的主次顺序为，切碎段长度>压缩密度>含水率。

3)确定了应力迅速衰减时间和平衡弹性模量的最佳参数组合：当压缩密度为647.38 kg/m3，切碎段长度20～30 mm，含水率57%时，应力迅速衰减时间和平衡弹性模量的最佳取值分别为4.693 s，89.957 kPa。验证试验表明，得到的研究模型是可靠的，可用于实际生产过程中各参数的选取。