狗尾草的压缩打包试验分析

　　0、 引言

　　我国草物料资源丰富，包括天然的和人工种植的牧草以及农作物残留秸秆等，是一种非常经济实惠的可再生资源，可作为养殖牲畜的饲料或发电厂的原料等，具有很高的经济价值。据统计，我国各类非人工种植的草地面积就达 4 亿 hm2，世界上居第二位。可见，我国草资源非常丰富，潜在非常巨大的经济效益。

　　其中，天然草原约有 3． 6 亿 hm2，农耕区山坡和丘陵上生长的草资源有 0． 9 亿 hm2，滩涂、沼泽草地等约有0． 12 亿 hm2，它们是我国草物料生产的主要场所，是我国畜牧业发展的重要生产资源。

　　据不完全估计，全世界每年可产生近 20 亿 t 的秸秆，我国年产作物秸秆约 6 亿 t 多，占全世界秸秆总产量的 20% ～ 30%。这些草资源的利用涉及到了整个农业生态系统中土壤肥力、水土保持、环境安全以及可再生资源有效利用等可持续发展问题。对草物料的合理开发利用不但可以实现可观的经济价值，而且还可以改善人类的生存环境。目前，草物料资源的开发己引起世界各国的普遍关注，并逐步发展成为可持续性农业的重要方面。2013 年中央一号文件仍继续关注“三农”问题，第一次定义了“家庭农场”的工作模式，激励农民创办家庭农场，这就需要大量的草产品。

　　但由于牧草、农作物秸秆等草物料资源都有一个共同的特点，即在自然堆放状态下比较松散、占用空间比较大、密度比较小，导致运输费用高同时不便储藏。所以需要制成草产品，增大草物料的密度，而无论将这类草物料资源开发成成品还是半成品，一般都需要中间的“压缩”这一环节。压缩是对松散物料施以压力，使其体积减小、密度增大。农业纤维物料属于粘弹性生物物料，其压缩特性必然会对农业纤维物料的压缩工艺、压缩设备和压缩后产品的质量等有影响。因此，弄清这些特性对完善压缩理论及压缩设备的研制、优化尤为重要。本文主要研究压缩的基本规律，最终为压缩设备及压缩工艺的优化提供理论依据。

　　1、 试验方案

　　1． 1 试验装置的设计

　　物料压缩方式分为闭式压缩和开式压缩两种，且我国主要以“闭式”压缩为主。压捆室为草物料压缩试验台的主要工作部件，一般采用厚板焊合结构。压捆室焊合后，在压缩室全长范围的内侧尺寸偏差不低于 GB/T1800． 3 －1998 规定的公差等级 IT16，取正值。

　　本文根据试验要求，设计了如图 1 所示的压缩装置。材料为钢材，压缩室的内部截面尺寸设置为 230mm ×230mm，压缩室的高度为 350mm，活塞杆的材料为 45钢。为了压缩过程的顺利进行，压板与压缩室内壁留有 2mm 的间隙。

　　1． 2 试验材料和试验设备

　　本次试验所用狗尾草皆选自山东青岛(位于北纬35°东经 119°附近) ，且均已晒干，晒干后的狗尾草含水率在(5 ±1)% 。

　　本次试验在 WAW31000 型微机控制电液伺服万能试验机上进行，如图 2 所示。该试验机由中科院长春科新公司试验仪器研究所开发研制，能提供的最大试验力为 1 000kN，测量范围 1% ～ 100% F． S，下横梁最大升降速度 v ＞ 200mm/min。该试验机采用的是YawTEST 液压式压力试验机测量控制系统( Ver1． 6)，具有自动采样数据、自动分析、操作高度智能化等特点，性能稳定、控制可靠。

　　

　　1． 3 试验方法

　　在试验前，先把狗尾草切成 10cm 左右的草段，称重所用的仪器为上海良平仪器仪表有限公司生产的电子天平，型号为 YP3001，最大量程 3kg，精度 0． 1g。

　　另外，为了尽量减少因每次试验狗尾草排列方式和均匀度的差异，需要对草段进行充分的搅拌，使其充分混合，以便试验时草料能均匀排列组合装入压缩装置中，减少试验误差。

　　2、 试验结果与分析

　　2． 1 压力与压缩量的关系

　　压缩特性曲线是以压缩量 s 为自变量、以压缩力F 为因变量的 F － S 曲线，如图 3 所示。由图 3 可知，其变化趋势可分为 3 个不同阶段:松散阶段(0 ＜ S  ＜100mm) 、过渡阶段(100 ＜ S ＜ 120mm) 和压实阶段( S＞ 120mm)。

　　1)松散阶段:随着压缩量的增加，压缩狗尾草所需的压缩力增长比较缓慢，且压缩量与所受的压缩力近似呈线性关系。该过程主要是以克服狗尾草之间空隙为主。该阶段可以用较小的压缩力获得较大的压缩量(压缩密度)。

　　2) 过渡阶段:随着压缩量的增加，施加的压缩力增长较快，压缩量与压缩力呈非线性关系。这一过程从以主要克服狗尾草间空隙为主，变为以主要克服狗尾草本身内部的空隙为主，此过程后狗尾草本身均已被破坏。

　　3) 压紧阶段:压缩力与压缩量近似呈线性关系。

　　压缩量稍有增加，压缩力增加非常明显。此阶段狗尾草内部的空隙基本被克服，增加较大的压缩力其压缩量变化依然很小。即在压实阶段内，增加压缩力对提高狗尾草压缩密度的效果很不明显。

　　

　　2． 2 体积模量与压缩密度的关系

　　1986 年，英国学者 F abo rode 在研究麦秆压缩规律时，提出了用体积模量 K 来评价被压缩物质的不可压缩性，其倒数为可压缩性，用压缩系数β 表示，即

　　根据上式得出狗尾草体积模量与压缩密度关系的方程式，其关系曲线如图 4 所示。

　　

　　从图4 可以看出，在松散阶段，狗尾草的压缩密度比较低，体积模量随压缩密度的增加增长缓慢。狗尾草在较小压力作用下便可产生较大的变形，即此阶段狗尾草的可压缩性较好，所以狗尾草的最佳压缩密度为 200kg/m3左右。在过渡和压实阶段，体积模量与压缩密度呈幂指函数关系，在这两个阶段随着压缩密度的增加，体积模量快速增加，说明此阶段狗尾草的可压缩性越来越差。

　　2． 3 压力与压缩密度的关系

　　研究狗尾草压缩特性目的之一就是获得压缩过程中压力与压缩密度之间的变化规律，以便选择合适的压缩密度，指导和改进相关压缩设备的设计。由于数据采集软件直接记录的是压缩力和压缩量及压缩力与压缩时间之间的数据关系(如图 5、图 6 所示)，为了分析的方便，需要将压缩量数据变换为相应的压缩密度，变换后得到物料压缩密度与压缩量关系为

　　从图5 可以看出，狗尾草在压缩过程中，当压缩密度 45 ＜ ρ ＜ 200kg/m3时，压力随压缩密度的增加增长比较缓慢，即所需施加的压力也比较小，P ＜ 0． 2MPa，此时狗尾草的体积模量数值也比较小，说明此时狗尾草有很好的可压缩性;当 200kg/m3＜ ρ ＜ 800kg / m3时，狗尾草所受的压力随压缩密度的增加也迅速增长，说明此时狗尾草的可压缩性在减弱，所需施加的压力也比较大，为0． 2MPa ＜ P ＜3． 6MPa;当ρ ＞ 800 kg / m3时，压力随压缩密度的增加激增，且呈线性关系，所需施加的压力也比较大，P ＞0． 3MPa。

　

　　2． 4 压缩密度与压缩量的关系

　　从图 6 可以看出，狗尾草的压缩密度随着压缩量的增加而不断增加，且压缩密度的增长速率也不断提高，整条压缩密度与压缩量的关系曲线大致可以分为3 个阶段:第 1 阶段，压缩量 s ＜ 80mm 时，压缩密度呈二次抛物线关系增长;第 2 阶段，压缩量 80mm ＜ s ＜120mm 时，压缩密度呈指数关系增长;第 3 阶段，压缩量 s ＞120mm 时，压缩密度呈二次抛物线关系增长。

　　从图 6 可以看出，密度增长速率随压缩量的变化趋势可以分为两个阶段，缓慢增长阶段和急速增长阶段。缓慢增长阶段(0 ～ 110mm)，即压缩量百分比小于 90% ，随着压缩量的增加，狗尾草的密度增长速率相对比较缓慢，且呈线性关系;急速增长阶段(110 ～120mm)，即压缩量达到 90% 以上，随着压缩量的增加，狗尾草的密度增长速率突然快速增加，且亦呈线性关系。

　

　　2． 5 贮存时间对压缩密度的影响

　　图 7 显示了压缩力和贮存时间对狗尾草压捆密度的影响。图7 为狗尾草在不同最大压缩力下所形成的草捆。统计表明:压缩力和贮存时间对草捆的密度有显著影响(p ＜ 0． 001)。无论在压缩室还是移出压缩室，压缩力越大，狗尾草的最高压缩密度越大;同一个草捆从压缩室移出后密度瞬间骤减，原因是从压缩室移出草捆要先移除压缩力，致使压实的物料发生反弹，体积变大、密度变小;草捆移出后随贮存时间的延长，密度仍在不断减小，但 20min 后草捆开始变得稳定，密度也基本不再变化。由此可以认为，20min 后草捆在恒温状态下会变得稳定。这也说明草片的保型性能差，要获得高密度的草捆，需要在压捆压缩力未卸荷时将草捆用绳捆绑打结。

　

　　图 8 为狗尾草草片的松弛密度与在压缩室最大压缩密度的关系曲线图，从图 8 可以看出，它们之间呈线性关系。

　　3、 结论

　　通过大量试验，获得了狗尾草在高压缩力作用下获得高密度草捆的压缩规律，得到了压缩力随物料压缩量的变化曲线，大致可以分为 3 个阶段:松散阶段、过渡阶段和压实阶段。在不一味地追求高压缩密度的前提下，根据狗尾草的可压缩性，分析得到了狗尾草的最佳压缩密度为 200kg/m3，并得到了体积模量与压缩密度、压力与压缩密度及压缩密度与压缩量之间的变化规律，研究了压缩力与贮存时间对狗尾草草片密度的影响。统计表明:压缩力和贮存时间对草捆的密度都有显著的影响(p ＜ 0． 001);草片的保型性能差，要获得高密度的草捆，需要在压捆压缩力未卸荷时将草捆用绳捆绑打结。

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