0、引言
    我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源豐富，年產(chǎn)量約為7億t。農(nóng)作物秸稈是一種粗飼料，其經(jīng)壓縮成塊狀后不但便于貯運(yùn)和采食，還可以制成全價(jià)飼料和燃能很高的生物質(zhì)燃料等，使其變廢為寶。目前，隨著我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展，粗飼料壓塊加工技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。秸稈壓塊機(jī)作為該生產(chǎn)技術(shù)的核心機(jī)械，應(yīng)用十分廣泛。但許多壓塊機(jī)在技術(shù)上還不盡成熟，普遍存在生產(chǎn)率低、功耗大以及可靠性差等主要問(wèn)題。秸稈等農(nóng)業(yè)纖維物料的壓塊生產(chǎn)過(guò)程主要是通過(guò)偏心壓輥的擠壓連續(xù)不斷地將物料推向壓模孔內(nèi)壓縮成型并將其推出孔外的過(guò)程。在整個(gè)壓塊過(guò)程中，物料在模孔內(nèi)不同位置的受力、變形和變形恢復(fù)等均是變化的。在此，本文以環(huán)模式壓塊機(jī)模孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)為依據(jù)，自行設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，在WDW -10E型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，并利用電測(cè)技術(shù)對(duì)壓塊過(guò)程中秸稈在模孔內(nèi)不同位置的受力、變形量和變形恢復(fù)量等參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試研究，獲得了相應(yīng)的變化規(guī)律，目的是為降低功耗、提高產(chǎn)品質(zhì)量和優(yōu)化秸稈壓塊機(jī)壓縮裝置的結(jié)構(gòu)等提供理論依據(jù)。
1、試驗(yàn)方案
1.1.試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)
     環(huán)模式壓塊機(jī)模孔的結(jié)構(gòu)按形式可分為固定模孔式（整體式）和分塊模孔式（組合式）兩種。整體式的孔型多為圓孔，由組合機(jī)床加工而成；組合式多為楔形三角模塊鑲嵌組合而成。依照環(huán)模式壓塊機(jī)模孔的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的模孔結(jié)構(gòu)為分塊模孔式，由兩個(gè)半模塊組成截面尺寸為32mmx32mm的方形孔。模孔的長(zhǎng)徑比為模孔深度與模孔直徑之比。模孔的長(zhǎng)徑比關(guān)系到成品的質(zhì)量，長(zhǎng)徑比越大，成品密度越大，表面硬度相應(yīng)提高，但功耗也相應(yīng)增大，反之情況則相反。一般模孔的長(zhǎng)徑比取值范圍在1.5～11.3之間，但對(duì)于秸稈和稻草等粗纖維物料，為保證其順利出料及成型率，通常取1.5～3.0為宜。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)選取模孔的長(zhǎng)徑比為3.0，計(jì)算得到模孔深度為135 mm。若模孔太深，則會(huì)使產(chǎn)量顯著降低，物料的摩擦阻力增大，能耗增加。
    對(duì)于壓塊過(guò)程中側(cè)壁壓縮力的測(cè)量而言，用電阻應(yīng)變式力傳感器即可滿足要求。電阻應(yīng)變式力傳感器主要由彈性元件和電阻應(yīng)變片組成。根據(jù)所測(cè)物理量的性質(zhì)和大小來(lái)設(shè)計(jì)彈性元件，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的CL-DZYB-5型電阻應(yīng)變片式拉壓力傳感器實(shí)心圓柱式彈性元件的直徑為6mm，有效長(zhǎng)度為40mm。考慮到彈性元件的結(jié)構(gòu)、材料、受力狀態(tài)及測(cè)量精度等因素，將兩個(gè)箔式應(yīng)變花組成全橋，按上下垂直方式粘貼予彈性元件上。為了測(cè)量壓塊過(guò)程中秸稈在模孔內(nèi)不同位置的側(cè)壁壓縮力，獲得其與模孔深度的關(guān)系，根據(jù)農(nóng)業(yè)物料壓縮過(guò)程基本規(guī)律的已有研究結(jié)果。本試驗(yàn)在模孔深度方向上選取3個(gè)不同的壓縮平面。其中，每?jī)蓚�(gè)傳感器位于同一平面，各平面距模孔入口的距離分別為35，70，105 mm，依次稱(chēng)為第1、第2和第3個(gè)平面。
    考慮到壓塊過(guò)程中秸稈受力的均衡性、試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性以及測(cè)試系統(tǒng)的精度等要求，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的專(zhuān)用試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)均對(duì)稱(chēng)，如圖1所示。該試驗(yàn)裝置由活塞、活塞桿、活塞室、墊塊、擋板、傳感器及活塞底座等組成。為了保證壓塊過(guò)程中活塞室內(nèi)的空氣順利排出，在活塞上加工4個(gè)位置對(duì)稱(chēng)的通孔，并將其與模孔內(nèi)壁之間留有2mm間隙。其中，兩個(gè)半模塊由兩個(gè)厚20mm的墊塊、兩個(gè)厚16 mm的擋板和6個(gè)CI-DZYB-5型電阻應(yīng)變片式拉壓力傳感器固定。
 
1.2試驗(yàn)對(duì)象與設(shè)備
    根據(jù)秸稈壓塊成型的適宜濕度，以含水率為20%左右、揉碎后長(zhǎng)度為30mm左右的玉米秸稈為研究對(duì)象。采用的試驗(yàn)設(shè)備有WDW-IOE型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、XL-2102C型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，NS-WY03型位移傳感器以及NI-USB -6251型數(shù)據(jù)采集卡等。
1.3試驗(yàn)方法
    試驗(yàn)前，首先稱(chēng)出多份試樣，將其裝入小塑料袋中以備用；對(duì)各傳感器進(jìn)行標(biāo)定，并在Labview軟件中編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集程序；再將各個(gè)CL-DZYB-5型電阻應(yīng)變片式拉壓力傳感器分別與XL-2102C型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀連接，XL-2102C型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、N5 - WY03型位移傳感器與NI-USB-6251型數(shù)據(jù)采集卡連接；最后，調(diào)試測(cè)試系統(tǒng)以保證各個(gè)傳感器與組件之間的接線準(zhǔn)確無(wú)誤，動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀預(yù)調(diào)O，數(shù)據(jù)采集卡的工作狀態(tài)正常。啟動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)并預(yù)熱20min．在測(cè)試軟件中進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)置。
    試驗(yàn)時(shí)，將試樣自由雜亂堆放且均勻填滿壓縮裝置。根據(jù)秸稈壓塊生產(chǎn)的要求。191和WDW -10E型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)所能提供的速度范圍，本試驗(yàn)在喂人量為16g/次和壓縮速度為180mm/min的試驗(yàn)條件下，測(cè)得壓塊過(guò)程中秸稈在模孔內(nèi)不同位置的軸向受力、側(cè)壁受力、變形和變形恢復(fù)的變化規(guī)律。
    根據(jù)所選測(cè)試方案，由WDW-10E型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得軸向壓縮力隨壓縮量的變化曲線，并另存為Excel文件以進(jìn)一步分析；由自行設(shè)計(jì)的CL-DZYB -5型電阻應(yīng)變片式拉壓力傳感器測(cè)得電壓值隨壓縮量的變化曲線，將電壓值轉(zhuǎn)換成側(cè)壁壓縮力值，進(jìn)而得到側(cè)壁壓縮力隨壓縮量的變化曲線及其在3個(gè)不同壓縮平面上的分布情況。當(dāng)每次喂入的秸稈被壓縮成型時(shí)，將“L”形裝置與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上的小變形引伸計(jì)連接，測(cè)取其在模孔內(nèi)的變形情況。當(dāng)模孔內(nèi)充滿成型的塊狀秸稈后，利用NS-WY03型位移傳感器測(cè)量各個(gè)塊狀秸稈從模孔內(nèi)出來(lái)時(shí)對(duì)應(yīng)的活塞行程量及其在出模過(guò)程中的變形情況。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集卡與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試軟件系統(tǒng)同時(shí)采集數(shù)據(jù)。利用Matlab，Originlab和sPss軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。
2、試驗(yàn)結(jié)果與分析
    各次壓縮過(guò)程中，軸向壓縮力與壓縮量的關(guān)系曲線如圖2所示，第3個(gè)壓縮平面上側(cè)壁壓縮力與壓縮量的關(guān)系曲線如圖3所示，第3個(gè)壓縮平面上軸向壓縮力與側(cè)壁壓縮力的關(guān)系曲線如圖4所示。第1次喂人的秸稈被壓縮成塊狀的過(guò)程中，3個(gè)不同壓縮平面上側(cè)壁壓縮力與壓縮量的關(guān)系曲線如圖5所示。表l為第1個(gè)塊狀秸稈在模孔內(nèi)的變形情況。
    由圖2可知，在壓塊過(guò)程的初始階段主要是減小秸稈之間的空隙，壓縮量對(duì)秸稈軸向壓縮力的影響較小，其隨壓縮雖的增加而緩慢增大。隨著壓塊過(guò)程的進(jìn)行，軸向壓縮力受壓縮量的影響逐漸增大，其隨壓縮量的增加而迅速增大。其原因在于：當(dāng)秸稈之間的空隙很小時(shí)，隨著壓縮密度的增加，摩擦力也不斷增大；當(dāng)秸稈被壓成型后，其彈性變形也不斷增大。此時(shí)，較小的壓縮量就能使壓縮密度增加很大，軸向壓縮力也迅速增大。通過(guò)回歸分析得到各次壓縮過(guò)程中軸向壓縮力與壓縮量之間的規(guī)律，即
    P= Ae^RL
式中P-壓縮過(guò)程中秸稈所受的軸向壓縮力(kN)；
    L一活塞的壓縮行程量( mm)；
    A，B--擬合系數(shù)。

    由圖3可知，各次壓縮過(guò)程中，在第3個(gè)壓縮平面上側(cè)壁壓縮力隨壓縮量的變化趨勢(shì)與圖2的基本一致。通過(guò)回歸分析得到側(cè)壁壓縮力與壓縮量之間的規(guī)律，即
    F=C+ De-(L-H)/k
式中  F-壓縮過(guò)程中秸稈所受的側(cè)壁壓縮力(kN)；
    L-活塞的壓縮行程量( mm)；
    C，D，H，K一擬合系數(shù)。
    由圖4可知，在同一個(gè)壓縮平面上側(cè)壁壓縮力與軸向壓縮力之間呈現(xiàn)線性關(guān)系，兩者的函數(shù)關(guān)系式為
    F=0. 733P -0.250  (R²=0. 989 9)
式中P-壓縮過(guò)程中秸稈所受的軸向壓縮力(kN)；
    F-壓縮過(guò)程中秸稈所受的側(cè)壁壓縮力(kN)。
    一般情況下，摩擦系數(shù)僅與摩擦表面的物理特性有關(guān)。但在實(shí)際壓塊生產(chǎn)過(guò)程中，秸稈在模孔內(nèi)的高壓摩擦及其本身的變形所消耗的能量都以熱能的形式釋放，使模孔和飼料產(chǎn)生高溫，導(dǎo)致模孔的磨損加快。而在摩擦過(guò)程中的發(fā)熱與磨損等原因引起的材料表面形貌變化會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)的不穩(wěn)定性。由于本試驗(yàn)過(guò)程中秸稈在模孔內(nèi)受壓成型所產(chǎn)生的溫度及模孔的磨損可忽略不計(jì)，故假定摩擦系數(shù)一定，在摩擦系數(shù)不變的條件下，側(cè)壁壓縮力相當(dāng)于秸稈對(duì)模孔內(nèi)壁的正壓力，則秸稈與模孔內(nèi)壁的摩擦力隨壓縮量的變化趨勢(shì)與側(cè)壁壓縮力的相同。由于散體物料在模壓成型過(guò)程中絕大部分的模壓作用力消耗于克服壓模內(nèi)壁和散體物料表面間的摩擦，而不是用于模壓散體物料成型，因此在確保成型密度的前提下，降低側(cè)壁壓縮力對(duì)于提高散體物料的模壓質(zhì)量具有顯著的效果。

    由圖5可以看出在3個(gè)不同平面上側(cè)壁壓縮力隨壓縮量的變化情況。整個(gè)壓塊過(guò)程中，在第1個(gè)平面上，側(cè)壁壓縮力基本沒(méi)什么變化。在第2個(gè)平面上，剛開(kāi)始隨著壓縮量的不斷增加，側(cè)壁壓縮力表現(xiàn)出緩慢的變化趨勢(shì)，當(dāng)壓縮量為75mm左右時(shí)，其增大較為明顯。在第3個(gè)平面上，當(dāng)壓縮量小于60mm時(shí)，側(cè)壁壓縮力隨壓縮量的增加變化較為平緩；當(dāng)壓縮量大于60mm時(shí)，側(cè)壁壓縮力隨著壓縮量的增加迅速增大，最大值可達(dá)到8kN左右。由此可知各次壓縮過(guò)程中摩擦力在模孔內(nèi)不同壓縮平面上的變化情況以及當(dāng)模孔內(nèi)充滿成型的塊狀秸稈后摩擦力在模孔深度方向上的分布情況。這為模孔深度的設(shè)計(jì)以及將塊狀秸稈全部推出模孔外時(shí)需要提供的克服摩擦力的最小壓縮力提供了理論參考。

    由表1的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，為了保證秸稈成型效果，各次壓縮過(guò)程中的最大軸向壓縮力值均大于5kN。秸稈在被壓縮成型后的前幾次壓縮過(guò)程中，壓縮量及活塞返程后被壓縮秸稈的變形恢復(fù)量均較大；當(dāng)壓縮3～4次后，其壓縮量和變形恢復(fù)量幾乎為0。由此可見(jiàn)，當(dāng)模孔內(nèi)秸稈的壓縮量和變形恢復(fù)量很小時(shí)，以后的各次壓縮對(duì)其壓縮密度的影響均很小，相反會(huì)因克服秸稈與模孔內(nèi)壁之間的摩擦力而增加功耗，同時(shí)還會(huì)降低壓塊機(jī)的生產(chǎn)率。
3、結(jié)論
    1)各次壓縮過(guò)程中，軸向壓縮力與壓縮量之間呈指數(shù)關(guān)系變化。為了保證秸稈的成型效果，提供的軸向壓縮力應(yīng)大于5kN。
    2)在同一平面上，徑向壓縮力與壓縮量之間也呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，且其與軸向壓縮力之間呈現(xiàn)線性關(guān)系。
    3)根據(jù)不同壓縮平面上側(cè)壁壓縮力與軸向壓縮力、壓縮量的關(guān)系，可得摩擦力在模孔內(nèi)不同壓縮平面上的變化情況以及當(dāng)模孔內(nèi)充滿成型的塊狀秸稈后摩擦力在模孔深度方向上的分布情況。
    4)各塊狀秸稈經(jīng)過(guò)多次壓縮后其變形量和變形恢復(fù)量幾乎為0，其壓縮密度基本沒(méi)什么變化。功率消耗主要用來(lái)克服壓塊過(guò)程中秸稈在模孔內(nèi)的高壓摩擦，而不是其本身的變形所消耗的能量。