狗尾草的壓縮打包試驗(yàn)分析,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文

狗尾草的壓縮打包試驗(yàn)分析,農(nóng)業(yè)機(jī)械化論文我們國(guó)家草物料資源豐富，包括天然的和人工種植的牧草以及農(nóng)作物殘留秸稈等，是一種非常經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的可再生資源，可作為養(yǎng)殖家畜的飼料或發(fā)電廠的原料等，具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我們國(guó)家各類非人工種植的草地面積就達(dá)4億hm2，世界上居第二位?？梢?jiàn)，我們國(guó)家草資源非常豐富，潛在非常宏大的經(jīng)濟(jì)效益。華而不實(shí)，天然草原約有3．6億hm2，農(nóng)耕區(qū)山坡和丘陵上生長(zhǎng)的草資源有0．9億hm2，灘涂、沼澤草地等約有0．12億hm2，它們是我們國(guó)家草物料生產(chǎn)的主要場(chǎng)所，是我們國(guó)家畜牧業(yè)發(fā)展的重要生產(chǎn)資源。據(jù)不完全估計(jì)，全世界每年可產(chǎn)生近20億t的秸稈，我們國(guó)家年產(chǎn)作物秸稈約6億t多，占全世界秸稈總產(chǎn)量的20%～30%。這些草資源的利用牽涉到了整個(gè)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤肥力、水土保持、環(huán)境安全以及可再生資源有效利用等可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題。對(duì)草物料的合理開(kāi)發(fā)利用不但能夠?qū)崿F(xiàn)可觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且還能夠改善人類的生存環(huán)境。當(dāng)前，草物料資源的開(kāi)發(fā)己引起世界各國(guó)的普遍關(guān)注，并逐步發(fā)展成為可持續(xù)性農(nóng)業(yè)的重要方面。2020年一號(hào)文件仍繼續(xù)關(guān)注三農(nóng)問(wèn)題，第一次定義了家庭農(nóng)場(chǎng)的工作形式，鼓勵(lì)農(nóng)民開(kāi)創(chuàng)辦理家庭農(nóng)場(chǎng)，這就需要大量的草產(chǎn)品。但由于牧草、農(nóng)作物秸稈等草物料資源都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即在自然堆放狀態(tài)下比擬松懈、占用空間比擬大、密度比擬小，導(dǎo)致運(yùn)輸費(fèi)用高同時(shí)不便儲(chǔ)藏。所以需要制成草產(chǎn)品，增大草物料的密度，而無(wú)論將這類草物料資源開(kāi)發(fā)成成品還是半成品，一般都需要中間的壓縮這一環(huán)節(jié)。壓縮是對(duì)松懈物料施以壓力，使其體積減小、密度增大。農(nóng)業(yè)纖維物料屬于粘彈性生物物料，其壓縮特性必然會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)纖維物料的壓縮工藝、壓縮設(shè)備和壓縮后產(chǎn)品的質(zhì)量等有影響。因而，弄清這些特性對(duì)完善壓縮理論及壓縮設(shè)備的研制、優(yōu)化尤為重要。本文主要研究壓縮的基本規(guī)律，最終為壓縮設(shè)備及壓縮工藝的優(yōu)化提供理論根據(jù)。1、試驗(yàn)方案1．1試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)物料壓縮方式分為閉式壓縮和開(kāi)式壓縮兩種，且我們國(guó)家主要以閉式壓縮為主。壓捆室為草物料壓縮試驗(yàn)臺(tái)的主要工作部件，一般采用厚板焊合構(gòu)造。壓捆室焊合后，在壓縮室全長(zhǎng)范圍的內(nèi)側(cè)尺寸偏差不低于GB/T1800．3－1998規(guī)定的公差等級(jí)IT16，取正值。本文根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了如此圖1所示的壓縮裝置。材料為鋼材，壓縮室的內(nèi)部截面尺寸設(shè)置為230mm230mm，壓縮室的高度為350mm，活塞桿的材料為45鋼。為了壓縮經(jīng)過(guò)的順利進(jìn)行，壓板與壓縮室內(nèi)壁留有2mm的間隙。1．2試驗(yàn)材料和試驗(yàn)設(shè)備本次試驗(yàn)所用狗尾草皆選自山東青島(位于北緯35東經(jīng)119附近)，且均已曬干，曬干后的狗尾草含水率在(51)%。本次試驗(yàn)在WAW31000型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如此圖2所示。該試驗(yàn)機(jī)由中科院長(zhǎng)春科新公司試驗(yàn)儀器研究所開(kāi)發(fā)研制，能提供的最大試驗(yàn)力為1000kN，測(cè)量范圍1%～100%F．S，下橫梁最大升降速度v＞200mm/min。該試驗(yàn)機(jī)采用的是YawTEST液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)(Ver1．6)，具有自動(dòng)采樣數(shù)據(jù)、自動(dòng)分析、操作高度智能化等特點(diǎn)，性能穩(wěn)定、控制可靠。1．3試驗(yàn)方式方法在試驗(yàn)前，先把狗尾草切成10cm左右的草段，稱重所用的儀器為上海良平儀器儀表有限公司生產(chǎn)的電子天平，型號(hào)為YP3001，最大量程3kg，精度0．1g。另外，為了盡量減少因每次試驗(yàn)狗尾草排列方式和均勻度的差異，需要對(duì)草段進(jìn)行充分的攪拌，使其充分混合，以便試驗(yàn)時(shí)草料能均勻排列組合裝入壓縮裝置中，減少試驗(yàn)誤差。2、試驗(yàn)結(jié)果與分析2．1壓力與壓縮量的關(guān)系壓縮特性曲線是以壓縮量s為自變量、以壓縮力F為因變量的F－S曲線，如此圖3所示。由圖3可知，其變化趨勢(shì)可分為3個(gè)不同階段:松懈階段(0＜S＜100mm)、過(guò)渡階段(100＜S＜120mm)和壓實(shí)階段(S＞120mm)。1)松懈階段:隨著壓縮量的增加，壓縮狗尾草所需的壓縮力增長(zhǎng)比擬緩慢，且壓縮量與所受的壓縮力近似呈線性關(guān)系。該經(jīng)過(guò)主要是以克制狗尾草之間空隙為主。該階段能夠用較小的壓縮力獲得較大的壓縮量(壓縮密度)。2)過(guò)渡階段:隨著壓縮量的增加，施加的壓縮力增長(zhǎng)較快，壓縮量與壓縮力呈非線性關(guān)系。這一經(jīng)過(guò)從以主要克制狗尾草間空隙為主，變?yōu)橐灾饕酥乒肺膊荼旧韮?nèi)部的空隙為主，此經(jīng)過(guò)后狗尾草本身均已被毀壞。3)壓緊階段:壓縮力與壓縮量近似呈線性關(guān)系。壓縮量稍有增加，壓縮力增加非常明顯。此階段狗尾草內(nèi)部的空隙基本被克制，增加較大的壓縮力其壓縮量變化仍然很小。即在壓實(shí)階段內(nèi)，增加壓縮力對(duì)提高狗尾草壓縮密度的效果很不明顯。2．2體積模量與壓縮密度的關(guān)系1986年，英國(guó)學(xué)者Faborode在研究麥稈壓縮規(guī)律時(shí)，提出了用體積模量K來(lái)評(píng)價(jià)被壓縮物質(zhì)的不可壓縮性，其倒數(shù)為可壓縮性，用壓縮系數(shù)表示，即根據(jù)上式得出狗尾草體積模量與壓縮密度關(guān)系的方程式，其關(guān)系曲線如此圖4所示。從圖4能夠看出，在松懈階段，狗尾草的壓縮密度比擬低，體積模量隨壓縮密度的增加增長(zhǎng)緩慢。狗尾草在較小壓力作用下便可產(chǎn)生較大的變形，即此階段狗尾草的可壓縮性較好，所以狗尾草的最佳壓縮密度為200kg/m3左右。在過(guò)渡和壓實(shí)階段，體積模量與壓縮密度呈冪指函數(shù)關(guān)系，在這兩個(gè)階段隨著壓縮密度的增加，體積模量快速增加，講明此階段狗尾草的可壓縮性越來(lái)越差。2．3壓力與壓縮密度的關(guān)系研究狗尾草壓縮特性目的之一就是獲得壓縮經(jīng)過(guò)中壓力與壓縮密度之間的變化規(guī)律，以便選擇適宜的壓縮密度，指導(dǎo)和改良相關(guān)壓縮設(shè)備的設(shè)計(jì)。由于數(shù)據(jù)采集軟件直接記錄的是壓縮力和壓縮量及壓縮力與壓縮時(shí)間之間的數(shù)據(jù)關(guān)系(如此圖5、圖6所示)，為了分析的方便，需要將壓縮量數(shù)據(jù)變換為相應(yīng)的壓縮密度，變換后得到物料壓縮密度與壓縮量關(guān)系為從圖5能夠看出，狗尾草在壓縮經(jīng)過(guò)中，當(dāng)壓縮密度45＜＜200kg/m3時(shí)，壓力隨壓縮密度的增加增長(zhǎng)比擬緩慢，即所需施加的壓力也比擬小，P＜0．2MPa，此時(shí)狗尾草的體積模量數(shù)值也比擬小，講明此時(shí)狗尾草有很好的可壓縮性;當(dāng)200kg/m3＜＜800kg/m3時(shí)，狗尾草所受的壓力隨壓縮密度的增加也迅速增長(zhǎng)，講明此時(shí)狗尾草的可壓縮性在減弱，所需施加的壓力也比擬大，為0．2MPa＜P＜3．6MPa;當(dāng)＞800kg/m3時(shí)，壓力隨壓縮密度的增加激增，且呈線性關(guān)系，所需施加的壓力也比擬大，P＞0．3MPa。2．4壓縮密度與壓縮量的關(guān)系從圖6能夠看出，狗尾草的壓縮密度隨著壓縮量的增加而不斷增加，且壓縮密度的增長(zhǎng)速率也不斷提高，整條壓縮密度與壓縮量的關(guān)系曲線大致能夠分為3個(gè)階段:第1階段，壓縮量s＜80mm時(shí)，壓縮密度呈二次拋物線關(guān)系增長(zhǎng);第2階段，壓縮量80mm＜s＜120mm時(shí)，壓縮密度呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng);第3階段，壓縮量s＞120mm時(shí)，壓縮密度呈二次拋物線關(guān)系增長(zhǎng)。從圖6能夠看出，密度增長(zhǎng)速率隨壓縮量的變化趨勢(shì)能夠分為兩個(gè)階段，緩慢增長(zhǎng)階段和急速增長(zhǎng)階段。緩慢增長(zhǎng)階段(0～110mm)，即壓縮量百分比小于90%，隨著壓縮量的增加，狗尾草的密度增長(zhǎng)速率相比照較緩慢，且呈線性關(guān)系;急速增長(zhǎng)階段(110～120mm)，即壓縮量到達(dá)90%以上，隨著壓縮量的增加，狗尾草的密度增長(zhǎng)速率忽然快速增加，且亦呈線性關(guān)系。2．5儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)壓縮密度的影響圖7顯示了壓縮力和儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)狗尾草壓捆密度的影響。圖7為狗尾草在不同最大壓縮力下所構(gòu)成的草捆。統(tǒng)計(jì)表示清楚:壓縮力和儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)草捆的密度有顯著影響(p＜0．001)。無(wú)論在壓縮室還是移出壓縮室，壓縮力越大，狗尾草的最高壓縮密度越大;同一個(gè)草捆從壓縮室移出后密度霎時(shí)驟減，原因是從壓縮室移出草捆要先移除壓縮力，致使壓實(shí)的物料發(fā)生反彈，體積變大、密度變小;草捆移出后隨儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)，密度仍在不斷減小，但20min后草捆開(kāi)場(chǎng)變得穩(wěn)定，密度也基本不再變化。由此能夠以為，20min后草捆在恒溫狀態(tài)下會(huì)變得穩(wěn)定。這也講明草片的保型性能差，要獲得高密度的草捆，需要在壓捆壓縮力未卸荷時(shí)將草捆用繩捆綁打結(jié)。圖8為狗尾草草片的松弛密度與在壓縮室最大壓縮密度的關(guān)系曲線圖，從圖8能夠看出，它們之間呈線性關(guān)系。3、結(jié)論通過(guò)大量試驗(yàn)，獲得了狗尾草在高壓縮力作用下獲得高密度草捆的壓縮規(guī)律，得到了壓縮力隨物料壓縮量的變化曲線，大致能夠分為3個(gè)階段:松懈階段、過(guò)渡階段和壓實(shí)階段。在不一味地追求高壓縮密度的前提下，根據(jù)狗尾草的可壓縮性，分析得到了狗尾草的最佳壓縮密度為200kg/m3，并得到了體積模量與壓縮密度、壓力與壓縮密度及壓縮密度與壓縮量之間的變化規(guī)律，研究了壓縮力與儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)狗尾草草片密度的影響。統(tǒng)計(jì)表示清楚:壓縮力和儲(chǔ)存時(shí)間對(duì)草捆的密度都有顯著的影響(p＜0．001);草片的保型性能差，要獲得高密度的草捆，需要在壓捆壓縮力未卸荷時(shí)將草捆用繩捆綁打結(jié)。以下為參考文獻(xiàn):［1］李毓堂．草地資源開(kāi)發(fā)與將來(lái)中國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略［J］．中國(guó)草地，2002，23(3):64－66．［2］王宏立，張祖立，白曉虎．秸稈飼料資源開(kāi)發(fā)利用的研究進(jìn)展［J