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碎蔗尾秸秆压缩特性研究

2023-10-09 41 上传者：管理员

摘要：蔗尾营养丰富，是一种低成本的饲料资源，而蔗尾饲料化是广西农户解决季节性粮食短缺最有效的一种方式。为此，利用筛网筛选出不同粉碎粒度的碎蔗尾(品种：桂糖42号)在自制压缩筒模拟卷捆室压缩状态。设计含水率、粉碎粒度、压缩速率、喂入量4个变量因素，通过4因素5水平二次通用旋转试验建立碎蔗尾最大压缩力与含水率、粉碎粒度、压缩速率、喂入量4个因素的二次回归多项式模型，得到单因素与多因素之间对最大压缩力的影响规律。分析可知：最大压缩力随着含水率增大而减少，最大压缩力随着粉碎粒度增大而增大，最大压缩力随着喂入量增大先缓慢减少最后呈现上升趋势，最大压缩力随着加载速度增大先缓慢增大最后呈现快速上升趋势。

关键词：
压缩力
压缩试验
碎甘蔗
蔗尾
青贮饲料化
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在我国，甘蔗属于热带及亚热带作物，是糖料的主要来源。近年来，我国甘蔗年均总产量一直在1亿t以上，国内秸秆可回收总量约7亿t[1,2],其中广西甘蔗年均总产量超7000万t[3],占全国60%以上。甘蔗尾叶(下文用蔗尾描述)是甘蔗收获后残留的甘蔗顶部2～3个嫩节及其附带的整个叶片(以下简称蔗尾，包括尾茎和尾叶两部分),约占甘蔗全重的20%。以此推算，全国年产蔗尾超过2000万t,广西年产蔗尾超过1400万t,但每年收获季节都会有大量的蔗尾被就地焚烧，利用率不足10%[4,5],造成了大量饲料资源的浪费和环境污染。近几年，中央财政加大绿色高质高效的行动支持力度，贯彻绿色发展新理念。“十三五”期间，将围绕秸秆饲料化利用、秸秆肥料化利用、秸秆能源化、秸秆多元化利用及秸秆原料化等多个重点领域，争取提高秸秆综合利用率。目前，广西出台的《关于实施创新驱动发展战略的决定》及秸秆(蔗叶)禁烧、提高秸秆(蔗叶)综合利用等政策，对促进地方科技和经济的发展具有重要的社会、经济和现实意义。

蔗尾是一种低成本的饲料资源，含有丰富的糖分和植物纤维。目前，很多人把新鲜的尾叶通过粉碎机粉碎，再装订成袋，压缩成捆，最终通过青贮技术，喂养牛羊。传统的青贮方法因蔗尾根部粗硬，切断很难压实，易造成青贮失败。为了加强青贮效果，必然涉及到甘蔗青贮饲料化过程中的压缩、运输，打捆及粉碎蔗尾机器等亟待解决的难题。

国内外有许多学者已经在甘蔗秸秆上进行了一些研究，如国外学者Kenny D. Nona1、Bart Lenaerts[6]对麦穗秸秆进行压缩性研究得出一种模型表明秸秆密度在145kg/m3,物料干物质>0.8时的物料特性。宮部芳照、Sandhar N S等[7]为了设计甘蔗的切梢装置，试验比较了不同品种的甘蔗梢头部的硬度、抗折力、抗折能、破碎力和破碎能与直径尺寸变化的关系及青叶叶鞘的抗拉强度。国内学者高晶晶[8]等人通过马铃薯渣压缩试验得到应力-应变曲线的变化规律，通过比能耗及喂入量改善其压缩性。杜晓雪、王春光等[9]人对揉碎后的玉米秸秆进行压缩试验及甜高粱秸秆压缩与松弛试验。郑勇等[10]人研究了甘蔗叶不同部位的拉伸、剪切性能。李徐勇[11]等人对横向和杂乱两种状态的甘蔗叶进行了压缩性的研究。雷军乐、房佳佳等[12,13]分别对完整稻秆和紫花苜蓿进行卷压过程流变试验。王帅静、顾啟超、吕江南、马斌等[14,15,16,17]人分别对甘蔗蔗料、甘蔗青贮品质影响因数、红麻料片、苜蓿干草建立了压缩模型，对各个因素进行压缩性能显著性的分析。综上所述，国内外对碎蔗尾的生物力学特性研究鲜有报道，故本文对碎蔗尾进行压缩特性试验，旨在为优化甘蔗收集机器及青贮饲料化提供重要物理参数和理论研究基础。

1、试验方法与材料

1.1试验设备与仪器

采用桂林理工大学教学楼8栋112号实验室WDW-100型微型控制电子万能试验机，是新一代绿色电子技术与精巧机械传动相结合的新型材料试验机。该机力传感测量范围为1～100kN,机器的运载速度为0.001～500mm/min,有效压缩行程为800mm,试验精确度在±0.5%～±1%。

压缩装置采用李徐勇[11]等人制作的压缩筒，内径92mm,高度192mm,筒厚度5mm, 90mm的活塞，压缩连杆为200mm,如图1所示。在压缩筒的内部进行清洁防锈和防尘处理，尽量避免试验误差对数据的影响。在压缩筒的底部和筒壁有不同规则的直径5mm的排气筒，方便压缩过程中碎蔗尾汁水排出及空气排出方便清理残渣。辅助设备有电子天平、电子秤、量杯及游标卡尺。

1.2试验样品

试验在广西农业科学院甘蔗种植基地进行，如图2所示。试验面积0.67hm2,甘蔗行间种植2行，行距30cm,株距25cm,每667m2种植3000株，下种量约为60kg,盖约10cm碎土，整平，盖薄膜。甘蔗品种桂糖42号为试验原料，使用镰刀采集生长健康、无病无害的碎蔗尾秸秆带回实验室，放在干燥、易通风的环境等待后续处理。将蔗尾放入粉碎装置，使用漏网分别筛选出小于15、15、25、35、45mm的物料。由于收集的甘蔗尾叶包含蔗叶跟尾茎和杂质(包含杂草、坏叶),将揉碎的蔗尾随机从样品组抽3组，测得蔗叶平均比例44.9%,尾茎平均比例51.8%,杂质平均比例3.2%。如图3所示。

1.3压缩试验设计与方法

根据查阅相关文献，青贮池的碎蔗尾青贮压缩密度约为0.5～0.6g/cm3。通过二次回归通用旋转试验原理，选择不同的含水率分别为20%、35%、50%、65%、80%的碎蔗尾放入压缩筒进行压缩试验，再将碎蔗尾压缩至0.5g/cm3。以含水率A、粉碎粒度B、压缩速度C、喂入量D 4个试验因数，进行4因素5水平二次回归通用旋转试验，以最大压缩力为测量数据的评价标准。物料4个试验因素和5个水平对应关系如表1所示。

碎蔗尾含水率根据(NYT1881. 2-2010《生物质固体成型燃料试验方法第2部分：全水分》)处理，初始蔗尾测定含水率为67.5%,尾茎为70.2%。根据试验要求并通过复水法将含水率配比成试验所需，试验尽量在1周内完成。含水率计算公式为

p=1−m初−m初p初m (1)

式中p—试验所需含水率(%);

m初—试验样品原始质量(g);

p初—试验样品原始含水率(%);

m—试验处理后得到的质量(g)。

试验过程通过不同喂入量的变化会使万能试验机的活塞位移有所变化，喂入量与活塞位移的公式为

L=H压−MρπR2 (2)

式中L—活塞的位移(cm);

H压—压缩筒的高度(cm);

M—碎蔗尾的质量(g);

ρ—目标压缩密度(g/cm3),取ρ=0.5g/cm3;

R—压缩筒的半径(cm)。

2、试验方法与材料

2.1碎蔗尾的压缩回归模型与方差分析

通过万能试验机得出的结果整理分析导入Design-Expert8.0软件，二次回归通用旋转的压缩试验如表2所示。

表2中，失拟项并不显著，即回归模型显著，说明压缩试验的2次回归模型可行。碎蔗尾最大压缩力的二次回归模型为

F最大压缩力=2785.86-547.12A+267.04B+101.96C+345.46D+36.19AB-68.69AC-48.56AD+337.94BC+219.31BD-11.06CD+47.55A2-296.33B2-13.33C2+20.8D2 (3)

由表2可知：含水率(A)、粉碎粒度(B)、喂入量(D)对碎蔗尾最大压缩力极显著，交互因素(BC)和(BD)及粉碎粒度的二次项对碎蔗尾最大压缩力显著。在方差表中可以看出：单因素F值含水率A(36.75)>喂入量D(14.65)>粉碎粒度B(8.76)>压缩速率C(1.28),显而易见含水率对碎蔗尾的最大压缩力影响最显著。

2.2单因素对碎蔗尾最大压缩力影响结果分析

将每组数据其他3个因素确定为0水平，再测试第4个因素从水平-2到2重复5次，最终结果取平均值。最后，整理分析数据得到各个单个因数的变化图，如图4所示。由图4可知：最大压缩力随着含水率的增大而减少，随着粉碎粒度的增大而增大，随着喂入量的增大而增大，随着压缩速率先减小后增大。

由图4可知：最大压缩力随着含水率增大而减少。有研究表明当水分足够充足的情况下，植物内部的纤维会更柔韧更便于压缩。随着含水率的上升，物料的抗弯曲强度和弹性模型呈现下降趋势，物料与压缩筒的摩擦力也会减少，物料与物料之间间隙也会减少，给予压缩阻力也会减少，所以最大压缩力呈现下降的状态。

由图4可知：最大压缩力随着粉碎颗粒增大而增大，随着碎蔗尾粉碎粒度因数水平越高，蔗尾之间的间隙更小，可压缩性的空间更大，可变形量更大，所以最大压缩力呈现缓慢逐渐上升的状态。

由图4可知：最大压缩力随喂入量增大先缓慢减少最后呈现上升趋势。这是当喂入量不足时，最大压缩力还没有完全使物料之间的间隙消除，当喂入量为0水平，碎蔗尾之间的间隙能够被本身填充一部分，导致最大压缩力减少；随着喂入量的增大，压缩筒被填充很紧实，碎蔗尾自身产生的摩擦力与压缩筒之间的挤压力已经大于活塞给予的压缩力，最终导致最大压缩力呈上升趋势。

由图4可知：最大压缩力随着加载速度增大先缓慢增大再减小最后呈现快速上升趋势。这是因为当压缩速率为0水平时，物料快速冲击对碎蔗尾本身内部的破坏增大，碎蔗尾自身能克服一部分冲击载荷；当压缩速率大于0水平时，碎蔗尾内部组织结构抵抗不住快速冲击载荷，弹性力回复时间不足，最终最大压缩力呈现快速上升的趋势。

2.3交互作用下对碎蔗尾最大压缩力影响结果分析

由表2可知：含水率(A)与粉碎粒度(B)、粉碎粒度(B)和喂入量(C)交互作用、压缩速率(D)与粉碎粒度(B)的交互作用更显著，将其他两个因数调整为0水平，分别得到如图5～图7所示。

由图5可知：当压缩速率与喂入量在0水平、且含水率一定时，最大压缩力随着粉碎粒度先增大而后减少的趋势；粉碎粒度一定时，最大压缩力随着含水率增大而减少。响应曲面在粉碎粒度方向变化缓慢，响应曲面沿着含水率方向变化较快，最大压缩力随着含水率的增大与粉碎粒度的减少而减少，呈现较缓慢下降趋势。

由图6可知：当含水率和喂入量在0水平、且粉碎粒度一定时，最大压缩力随着压缩速率增大而缓慢增大；压缩速率一定时，最大压缩力随着粉碎粒度的增大先增大后缓慢减少的趋势。响应曲面沿着粉碎粒度X1方向变化较快，而在压缩速率X2方向变化缓慢，最大压缩力随着粉碎粒度的增大和压缩速率的减少而减少。

由图7可知：当含水率和压缩速率在0水平、且粉碎粒度一定时，最大压缩力随着喂入量增大而缓慢上升；喂入量一定时，最大压缩力随着粉碎粒度的增大先增大后缓慢减少的趋势。响应曲面沿着粉碎粒度X1方向变化较快，然而在压缩速率X2方向变化缓慢，最大压缩力随着粉碎粒度的增大和喂入量的减少而减少。

3、结论

1)建立碎蔗尾最大压缩力与含水率、粉碎粒度、压缩速率、喂入量4个因素的二次回归多项式模型，得到了单因素与多因素之间对最大压缩力的影响规律。

2)碎蔗尾的最大压缩力影响最显著的是含水率，其次是粉碎粒度和喂入量。所以，在青贮过程中，含水率是检验青贮效果的有效指标。通过力学性能分析可知：在粉碎粒度较高的情况下可以添加含水率及减少喂入量来使不易压缩的碎蔗尾变得更加紧密；在高含水率的情况下可以减少粉碎粒度来达到减少压缩力的效果。

参考文献:

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文章来源:雷丁源,雷军乐,王帅伟,董志康.碎蔗尾秸秆压缩特性研究[J].农机化研究,2024,46(05):160-164+169.

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期刊名称：农机化研究

期刊人气：1689

期刊详情

主管单位：黑龙江省农业委员会

主办单位：黑龙江省农业机械学会,黑龙江省农业机械工程科学研究所

出版地方：黑龙江

专业分类：农业

国际刊号：1003-188X

国内刊号：23-1233/S

邮发代号：14-324

创刊时间：1979年

发行周期：月刊

期刊开本：大16开

见刊时间：1年以上

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