压捆机压缩频率与压缩室三维应力关系的试验研究

佘文龙，杜健民，周国栋，赵登宇

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)



压捆机压缩频率与压缩室三维应力关系的试验研究

佘文龙，杜健民，周国栋，赵登宇

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

压缩频率与压缩室三维应力直接影响牧草压捆机的生产率和结构尺寸，是主要设计参数。本研究以方草捆压捆机为试验设备，以羊草作为试验物料，研究开式压缩中压缩频率与压缩室三维应力的关系。在压捆机工作过程中，采集压缩过程中草物料在压缩室3个相互垂直方向上应力，分析三维应力间的相互关系，以及不同压缩频率下三维应力的变化趋势。结果表明：同一压缩频率下，三维应力值均随时间呈指数规律变化；压缩频率改变导致三维应力数值变化，但对三维应力本身变化规律无明显影响；单纯提高压缩频率会造成活塞轴向压缩力下降，进而影响其他两个方向应力。

压捆机；开式压缩；三维应力；压缩频率；数据拟合

0 引言

压捆机工作时的压缩频率是影响压捆机工作效率的主要因素之一，但提高压缩频率会造成消耗功率急剧上升，且压捆机的动力不平衡问题更加突出，使压捆机结构复杂庞大。压缩频率是压缩工程内部因素所决定的,不能人为地随意提高，合适的压缩频率既能提高压捆机的使用寿命，又能提高工作效率，但前人对压缩频率和压缩室三维应力的影响研究还比较少。杨明韶[1]等研究分析了压捆机生产率和压缩频率之间的关系，指出单纯提高压缩频率在实际应用中弊端很大，不能随意选取压缩频率；杜健民[2]等针对揉碎的玉米秸秆，做了大量研究，发现了玉米秸秆在压缩过程中三维应力的变化规律；陈大兴[3]等研究了不同喂入量不同压缩频率下揉碎的玉米秸秆，得出各个因素水平下活塞轴向压缩力及成型室四壁压力的分布规律。

不同松散草物料压缩后形成草片,在压缩室内移动的过程中，经过反复的压缩和变形恢复成为草捆的一部分。在这个过程中，草片在压缩室内各个位置上都要受到 3个方向力的作用：活塞对草片的压力(x方向)；压缩室侧壁对草片的压力(y方向)；压缩室上、下壁对草片的压力(z方向)。草片x方向的受力直接影响y、z方向上的力的大小及变化规律；y、z方向上的力直接影响草片与压缩室壁所产生的摩擦力，而摩擦力又是影响草捆密度的关键因素。本研究旨在探究不同压缩频率下草物料在压缩过程中的三维应力之间的关系和变化，为合理选择捆草机压缩频率以提高生产率和压缩室的结构设计提供理论依据。

1 试验方案设计

1.1 试验装置

试验选用9KG-350液压高密度压捆机，最大压缩功率为22kW,最大压缩行程为670mm，压缩室截面积为360mm×460mm。由于薄膜压力传感器具体积小、易集成、灵敏度和信噪比高等优点，无需对压缩室再加工可直接应用于压捆机上，能在正常的压缩工作中采集数据，因而本试验选用薄膜压力传感器采集数据。为此，设计加工了一个可沿压缩室移动的装置来模拟草片在压缩过程中的移动(下文中称为模拟草片)。压缩活塞上布置2个压力传感器：x方向上，在模拟草片上布置2个压力传感器，用于采集草片上半截面和下半截面的应力力；y、z方向的应力力由4个薄膜压力传感器测出。其中，2个压力传感器布置在成型室的侧壁上，2个压力传感器布置在成型室顶面和底面上，如图1所示。

1.2 试验方法

选择羊草作为试验材料,按照JB/T5166-1991方草压捆机试验方法中规定，调整羊草的含水率约为17%。本次试验选定羊草的喂入量为2kg/次，将羊草按喂入量依次称重，分别堆放好待用。调整压捆机的出料口尺寸为360mm×460mm。依据现有压捆机械的压缩频率，结合液压式高密度压捆试验装置加载速度范围，把压缩频率控制在一定的范围之内，选择压缩频率分别为5次/min(频率1)、10次/min(频率2)和20次/min(频率3)。

启动压捆机，人工喂入草物料，每次喂入时，让草料自然填满喂料口。压捆机活塞前进时，推动草料，草料对压缩室四壁产生压力，力的大小可由传感器测出；待压捆机工作处于正常工作状态时，将模拟草片放入压捆机喂料口中，采用与薄膜压力传感器配套的数据采集卡同步采集x方向压力传感器、y方向压力传感器、z方向压力传感器的数据。模拟草片从喂料口到达出料口为一次试验，下一次试验按上述步骤重复进行。为减小误差，每一个频率下分别做3次试验。经过数据采集和分析，分别得到不同压缩频率下压缩过程中的三维应力的拟合关系及其相互关系。

1.出料口 2、3.y方向压力传感器 4、12.z方向压力传感器 5.模拟草片 6、11.模拟草片上x方向压力传感器 7.喂料口 8、10.活塞上x方向压力传感器 9.压缩活塞

2 试验结果和分析

数据处理中，选取模拟草片在捆草机成型室内采集到的数据作为x方向上的应力数据。由于草物料的自身重力影响及人工喂料无法避免的不均匀性，草片上半截面的应力值略小于下半截面的应力值[4]。为了简化分析，对上、下半截面应力做了平均处理。利用MatLab软件进行数据处理和分析，得到一次压缩过程中不同频率下的三维应力变化特性，并对该次压缩过程中的压缩阶段(即压缩活塞从压缩始点至压缩终点)做数据拟合，分别得到以下结果。

2.1 频率1中草物料一次压缩三维应力关系

频率1应力变化特征曲线及应力变化拟合曲线，如图2所示，草物料一次压缩三维应力拟合关系式如表1所示。

频率1中，x方向与y方向、x方向与z方向应力间的拟合关系式为

(1)

(2)

式(1)、式(2)的相关系数分别为0.928及0.979 9。

由图2和表1可以看出：在压缩阶段，3个方向应力均随时间呈指数规律增大；x方向应力升降快幅值大，y和z两个方向应力变化较为平缓，3个方向应力达到最大值的时间点是一致的。

2.2 频率2中草物料一次压缩三维应力关系

频率2应力变化特征曲线及应力拟合曲线如图3所示，草物料一次压缩三维应力拟合关系式如表2所示。

图2 频率1应力变化特性曲线和应力变化拟合曲线

应力拟合关系式相关系数R-squarex方向应力σ(t)x=0.001646e2.859t0.9729

续表1

t为压缩活塞从压缩始点至压缩终点的时间。

图3 频率2应力变化特性曲线和应力变化拟合曲

应力拟合关系式相关系数R-squarex方向应力σ(t)x=0.0005464e3.351t0.9530y方向应力σ(t)y=0.004102e-0.04891t+3.792e-5×e3.437t0.9904z方向应力σ(t)z=0.003019e-3.25t+3.695e-4×e3.063t0.9373

表中：t为压缩活塞从压缩行程起点运动的时间。

频率2中，x方向与y方向、x方向与z方向应力间的拟合关系式为

(3)

(4)

式(3)、式(4)的相关系数分别为0.9873及0.996。

由图3和表2可以看出：在压缩阶段，3个方向应力均随时间呈指数规律增大，与频率1下三维应力的变化规律类似，但是x方向应力的最大值减小；由于频率增大，应力峰值的持续时间降低。

2.3 频率3中草物料一次压缩三维应力关系

频率3应力变化特征曲线及应力拟合曲线，如图4所示，草物料一次压缩三维应力拟合关系式如表3所示。

图4 频率3应力变化特性曲线和应力变化拟合曲

应力拟合关系式相关系数R-squarex方向应力σ(t)x=0.0005331e3.165t0.9337y方向应力σ(t)y=0.005303e-0.1234t+2.419e-6×e5.439t0.9635z方向应力σ(t)z=0.003204e-0.0707t+7.195e-9×e9.543t0.9784

t为压缩活塞从压缩始点至压缩终点的时间。

频率3中x方向与y方向、x方向与z方向应力间的拟合关系式为

(5)

(6)

式(5)、式(6)的相关系数分别为0.9593及0.935。

由图4和表3可以看出：在压缩阶段，3个方向应力均随时间呈指数规律增大，与频率1和频率2下三维应力的变化规律类似。相较于前两个试验结果，x方向应力的最大值最小。由于频率增大，应力峰值的持续时间降低。

2.4 x方向和y方向、x方向和z方向应力拟合关系

x方向与y方向、x方向与z方向应力拟合拟合曲线如图5所示。

图5 x方向与y方向应力、x方向与z方向应力拟合曲线

由表1、表2、表3可以得出：在压缩阶段，各应力都是随时间呈指数规律增大；相较于x方向应力，y方向和z方向的应力增加缓慢。但是，频率增大导致了x方向最大应力的减小，这与试验中3个频率下草捆的密度大小是一致的。随着压缩频率的增大，3个方向的应力本身规律没有发生明显改变。分别对比式(1)、式(3)、式(5)和式(2)、式(4)、式(6)及图5可知：随着压缩频率增大，x方向应力增加，y方向应力和z方向应力变化幅度增加。根据以上规律，在适当提高压缩频率的同时，增加活塞的压缩行程，可提高活塞对草片的做功，增加草捆密度。单纯提高压缩频率并不能有效提高羊草压缩工程的生产率。增加活塞的压缩行程，需要增加现有压捆机成型室的长度。

3 结论

1)对于试验中使用的羊草，在同一压缩频率下，三维应力值均随时间呈指数规律变化；压缩频率改变导致三维应力数值变化，但对三维应力本身变化规律无明显影响。

2)单纯提高压缩频率导致了活塞轴向应力的下降。试验结果表明：在适当提高压缩频率的同时增加活塞的压缩行程，可提高草捆密度和生产率。压缩频率和活塞的压缩行程之间的关系有待于进一步探究，应用在实际生产过程中的效果还需要进一步验证。

[1] 杨明韶，王春光．牧草压缩工程中几个主要问题分析[J]．农业工程学报，1997，13(S)：134-138．

[2] 杜健民，姚贵昌．压捆机压缩过程三维应力的流变学试验研究[J]． 内蒙古农业大学学报，2010，31(3)：206-209．

[3] 陈大兴．高密度压捆过程中压捆室内压力分布研究[D]．呼和浩特：内蒙古农业大学，2010．

[4] 杜健民．新鲜草物料压缩过程的流变学研究[D]．呼和浩特：内蒙古农业大学，2005．

[5] 李旭英，张小志，杜健民，等．苜蓿在压捆过程中草片密度变化规律的研究[J]．农机化研究，2015，37(1)：192-194．

[6] 杨明韶，李旭英，杨红蕾．牧草压缩过程的研究[J]．农业工程学报，1996，12(1)：60-64．

[7] 周晓杰，王春光．压缩条件对苜蓿草径向受力的影响[J]．农业机械学报，2009，40(2)：115-118．

[8] 王光辉，王德成．梯牧草草捆压缩蠕变特性的影响因素分析[J].江苏大学学报，2011，32(1)：6-10．

[9] 杨明韶，毕玉革．草类物料压缩试验研究中的突破性进展[J]．农机化研究，2005(1)：1-5．

[10] 闫文刚．压缩速度对农业物料压缩过程影响的试验研究[D]．呼和浩特：内蒙古农业大学，2005．

[11] 于秀林，任雪松．多元统计分析[M]．北京：中国统计出版社，1999：154-166．

Experimental Study on the Relationship between the Compression Frequency and the Three-dimensional Stress of the Compression Chamber

She Wenlong , Du Jianmin, Zhou Guodong, Zhao Dengyu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Compression frequency and three-dimensional stress of the compression chamber affects the productivity and structure size of hay baler directly, so it is the main design parameters. The research uses the hay baler as testing equipment and Leymus chinenses as testing materials to explore the relationship between compression frequency and the three-dimensional stress in opening compression. After collecting the three stress data that are in three mutually perpendicular directions of the herbage material in hay baler during its working process, we analyze the relationship among them and their variation trend in different compression frequency. The results show that in the same compression frequency, the three-dimensional stress values are exponentially with the time variation; different compression frequency change the value of the three-dimensional stress, but have no significant effects on the variation regulation of the three-dimensional stress. Simply raising the compression frequency will decrease the x-stress, thus affecting the other two stresses.

compression chamber; opening compression; three-dimensional stress; compression frequency; data fitting

2016-03-14

内蒙古自治区自然科学基金项目(2014MS0536)

佘文龙(1990-)，男，山西左云人，硕士研究生，(E-mail)576748529@qq.com。

杜健民(1960-)，男，呼和浩特人，教授，博士生导师，(E-mail)nndjwc202@imau.edu.cn。

S817.11+5

A

1003-188X(2017)04-0177-05