牧草压缩过程应力松弛试验研究及压缩活塞的力学分析

周国栋，杜健民，佘文龙，赵登宇，郝 飞

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)



牧草压缩过程应力松弛试验研究及压缩活塞的力学分析

周国栋，杜健民，佘文龙，赵登宇，郝 飞

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

应力松弛是牧草压缩过程中显著的流变学特性。研究压缩室不同截面下的应力松弛特性，可为牧草压捆机的压缩频率的确定提供理论依据。为此，以高密度压捆机为试验装置，以羊草为试验材料，分别以360mm×440mm、360mm×450mm、360mm×460mm这3种压缩室截面进行试验，获得了压缩室不同截面下应力松弛特性。试验表明：在不同截面下开始应力松弛的前3s应力松弛明显，在 3s之后应力随时间的推移而松弛放慢，超过 10s应力松弛速率趋于水平，从尽可能使草片有较充分应力松弛和保证较高的生产率的综合角度出发，在实际牧草压缩生产中将压缩频率选在3～10s之间较合理。在试验的基础上，对压捆机压缩活塞进行力学分析，寻找出了压缩活塞工作过程中最容易变形的部位, 为压捆机压缩活塞的设计及结构强度校核等提供了依据。

压捆机；压缩室截面；应力松弛；力学分析

0 引言

畜牧业的发展水平是一个国家农业发达程度的重要标志之一,畜牧业的健康持续发展迫切要求牧草的供给方式和供给水平与之适应。牧草无论在收集(粗加工)还是在深加工过程中，首先遇到的基本矛盾是体积松散、占有空间大、产地分散，所以压缩成为牧草转变为商品的必经过程，而高效草物料压捆设备是实现牧草资源有效利用的关键因素之一。

草物料在压缩过程中的应力松弛特性直接影响草物料压捆机的压缩频率及压缩室长度等参数的确定[1]。目前，闭式应力松弛试验研究大多数是在定截面闭式模型中进行的，与实际草物料压缩应力松弛过程有较大的差异[2-3]；开式应力松弛试验研究主要集中在压缩截面一定的压捆机上进行[4-6]。研究压缩草片在不同截面下的应力松弛规律对于压捆机的动力学特性和产品质量具有实际意义。本试验研究是在高密度压捆试验机上对牧草在3种截面下的压缩试验，测试分析牧草进行3种压缩截面下的应力松弛特性，并对比它们之间的相互关系。通过草物料压缩时应力松弛的流变试验研究，可揭示不同压缩截面下的应力松弛规律，并对压捆机的压缩活塞进行力学分析，从而为压捆机动力匹配和结构优化设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置及材料

试验设备为高密度压捆机，如图1所示。

为了实现不同压缩截面的应力松弛试验，在压捆机侧面(y方向)和底面(z方向)分别安装可调节截面尺寸的压缩室内壁，通过调节y方向和z方向压缩室内壁的位置，获得试验需要的压缩室截面尺寸。进行应力松弛试验时,根据方草捆压捆机技术条件[7],以含水率约17%的优质羊草为研究对象，并将羊草按规定喂入量3kg/次称重，依次堆放，供应力松弛试验用。

1.2 传感器的选择与安装

压力传感器选用的是薄膜压力传感器，其具有以下优点：①精度高，抗干扰性能好；②抗磨擦性强，能长时间抵抗高摩擦；③防水性好，在潮湿的环境下可以正常工作；④外形轻薄，便于安装在压捆机的内壁，不会对草捆的形态产生影响。位移传感器选用NS-WY03-300L型位移传感器和NS-WY03-900L型位移传感器。在试验过程中保持压捆室长度，羊草的含水率及每次喂入量等参量不变。调整压缩室截面尺寸分别为360mm×440mm、360mm×450mm、360mm×460mm，并按照压缩室截面尺寸设计专用移动式压力传感装置来测量草片上、下截面应力变化，如图2所示。

在压捆机压缩活塞安装4个500N的IMS-00005型高精度薄膜应变式压力传感器，并针对每种压缩截面配制 1套移动式压力传感置，共 3套。每个装置由 4 个 500N的IMS-00005型高精度薄膜应变式压力传感器、1支NS-WY03-300L型位移传感器和1支NS-WY03-900L型位移传感器组成。活塞上的压力传感器用于测量压缩过程中活塞受力情况，移动压力传感器用于测量压缩过程中草片上、下截面应力的变化，NS-WY03-300L型位移传感器用于实时测量压紧时草片厚度，NS-WY03-900L型位移传感器用于测量草片在压缩室的位置和压缩位移。传感器在压捆机上的安装如图3所示。

1.3 试验方法

在羊草喂入量3kg/次、压缩室截面尺寸360mm×440mm的条件下进行应力松弛试验，并以 1 次喂入压缩后形成的 1 个草片为研究对象。试验时，根据预定方案，调整压缩室截面尺寸后启动压捆机，从喂入口放入对应截面尺寸的移动压力传感装置，继续按照3kg喂入量压缩室截面尺寸后启动压捆机，喂入已称好的羊草，充满整个压缩室建立起稳定的压力；然后从喂入口放入对应截面尺寸的移动压力传感装置，继续按照3kg喂入量连续压缩，每压缩1次活塞停顿30s，直至将移动压力传感装置从压缩室推出，即完成在特定压缩截面尺寸下的应力松弛。用相同的方法分别完360mm×450mm、360mm×460mm压缩截面尺寸下的应力松弛试验并时时采集数据，获得3种截面下应力和位移数据。

1.机身 2.压缩活塞 3.大位移传感器 4.薄膜压力传感器X1 5.压缩物料 6.挡草板 7.薄膜压力传感器X5 8.底板 9.小位移传感器

1.4 数据处理

压缩活塞、移动压力传感器和位移传感器的数据由数据采集系统进行采集，保存在计算机中。在喂入量和截面不变的情况下，不同压缩阶段位置处草片上下截面应力松弛规律非常相似[1]，故通过MatLab软件编程使对应位置的力传感器数据进行处理，获得压缩全过程草片在不同位置应力数据，结合压缩位移数据绘制羊草在压缩过程中不同位置的应力松弛曲线。

2 结果与分析

2.1 不同截面下的应力松弛特性

应力松弛过程实际上是变形的再分配过程[8]，在理论定义环境下进行草物料压缩应力松弛试验，需给草物料施加一个初始的应力，使其保持恒定的应变，故每次压缩活塞到达行程终点后使活塞保持不动，以产生一个恒定的应变。根据高密度压捆机实际工作情况和多次试验结果，压缩活塞到达行程终点后停顿30s即可，然后活塞返回进行下一次压缩。相同喂入量和同一压缩截面下，应力松弛规律明显的阶段位置处应力变化规律相似[1]，故取草片最大密度位置处为研究对象，获得该位置处应力松弛特性曲线。在360mm×440mm、360mm×450mm和360mm×460mm截面下，分别进行羊草喂入量为3kg应力松弛试验,根据位移传感器数据找到草片最大密度位置处，并拟合应力松弛曲线，如图4所示。

图4 不同压缩截面下羊草密度最大位置处的应力松弛曲线

从图4可以看出：相同喂入量下，不同压缩截面压缩后形成草片的应力松弛具有以下基本特征：①松弛初期应力急剧下降，后期变化较缓慢，且松弛速度随时间减慢；②不同截面下草片的起始应力和残余应力值各不同，说明草片在不同压缩截面下的密度差异对应力松弛产生了影响，且松弛开始应力越大，经相同时间的松弛后，残余应力越大。

2.2 不同截面下应力松弛速率

应力松弛速率是确定压捆机压缩频率的重要指标之一[8]。为了更直观地体现不同截面下压缩后草物料应力松弛速率，本文针对3种截面尺寸草片密度最大位置处分别绘制其在喂入量3kg下的应力松弛速率曲线，如图5所示。

图5 不同压缩截面下草片密度最大位置的应力松弛速率曲线

由图5可看出：在不同压缩截面下牧草的应力松弛速率有较大的差异。在360mm×440mm压缩截面下，开始的2.4s内应力松弛速率最快，应力随时间的延续迅速下降；在2.4～6.5s之间应力松弛速率逐渐变缓；6s后趋于水平，表明在该时刻应力松弛已变得非常缓慢。而360mm×450mm和360mm×460mm压缩截面分别在开始松弛的前2.7s和3.3s应力松弛速率最快，2.7～7.5s和3.3～11s之间逐渐变缓，又在7.5s和11s后趋于水平。但不同压缩截面均表现出共同特点，即开始松弛的前 3s应力松弛明显，在3～10s之间应力随时间的推移而松弛放慢，超过10s应力松弛速率趋于水平。在实际牧草压缩生产中，可以把压缩频率提高到每分钟 20次左右，以提高生产效率。因此，在压缩设备允许条件下，为了降低压捆机的功耗，保证产品密度，提高生产效率，有必要在压缩截面方面继续进行深入研究。

3 压缩活塞的力学分析

压缩活塞是压捆机关键的工作部位，为保证压捆机正常工作，采用了先进的工业设计软件Pro/E和ANSYS Workbench有限元分析软件进行结构力学分析，确定压缩活塞工作过程中应力、应变最大和集中的位置，从而为压捆机压缩活塞的结构设计提供理论依据。

3.1 建立有限元模型

根据压捆机压缩活塞的实际结构尺寸，在Pro/E中绘制压缩活塞的三维实体模型，如图6所示。将建好的实体模型导入到有限元分析软件Ansys Workbench中，进行分析处理。

图6 压缩活塞

3.2 定义材料属性与划分网格

根据实际需要，选择的压缩活塞材料是45钢[9]， 所用参数如表 1所示。

表 1 材料属性

网格划分中，网格数量对分析结果产生重要的影响。针对不同的实体结构，在ANSYS Workbench中可以选择自动划分法、表面网格划分、四面体划分法及扫掠划分法等方法[10]。由于压缩活塞模型的结构简单，故采用自动网格划分法，网格划分生成 8 937个节点、4 309个单元，如图 7 所示。

图7 压缩活塞的有限元网格划分模型

3.3 施加外载荷与结果分析

压缩活塞正常工作的情况下，主要受到压缩草物料的最大反向作用力Q=2.5e4N，同时在活塞与动力装置连接处施加约束使其固定。施加约束及载荷图如图8 所示。

图8 施加约束和载荷图

通过静力学模块处理后，得到压缩活塞在压缩到最大位移处一瞬时的应力分布, 如图9所示 。

图9 压缩活塞的应力云图

由图9可以直观地看出：模型的最大应力为68.86MPa，在活塞与动力装置连接位置处。从分布的情况看，主要集中在压缩活塞与草物料接触处，该位置最大应力为20.95 MPa。

为了进一步反映活塞工作过程中应变的情况，通过有限元软件分析出活塞的应变云图，如图10所示。

图10 压缩活塞的应变云图

图10中，压缩活塞与动力装置连接处变形最大，变形量0.31mm；而活塞与草物料接触的位置应变比较集中，该位置最大变形量为0.07mm。为提高压缩活塞实际工作过程的安全可靠性，根据应力应变云图，在压缩活塞与草物料接触处及活塞与动力装置连接处采用增加其钢板的厚度等措施，以提高其强度。

4 结论

1)在一定的条件下，进行3种压缩截面尺寸(360mm×440mm、360mm×450mm、360mm×460mm)羊草应力松弛试验。试验表明：不同截面下草片的起始应力和残余应力值各不同。这说明，草片在不同截面下的密度差异对应力松弛产生了影响，且松弛开始应力越大，经相同时间的松弛后，残余应力也越大。

2)在不同压缩截面下开始松弛的前 3 s左右应力松弛明显，之后应力随时间的推移而松弛放慢，超过 10s应力松弛速率趋于水平。实际生产中，可以把压缩频率提高到每分钟 20次左右，以提高生产效率。

3)应用有限元法对压捆机压缩活塞进行了受力分析，找到了压缩活塞应力、应变最大和集中的位置，为压捆机压缩活塞的结构设计、结构强度校核等提供了依据。

[1] 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.

[2] 闫翠珍，武国峰.稻秸高密度压缩过程中应力松弛的试验研究[J].农机化研究，2015,37(11)：181-187.

[3] 王洪波，王春光.牧草应力松弛特性研究[J].农机化研究，2008(1):134-137.

[4] 阎国宏，杨明韶.压缩工程中新鲜草物料草片移动过程中应力松弛试验研究[J].山东农业大学学报,2007,38(2):317-321.

[5] 杨明韶，杜健民.新鲜草物料压缩过程中应力松弛的试验研究[J].农机化研究,2006(3):100-103.

[6] 吴海辉.玉米秸秆高密度压缩过程中的压缩及应力松弛特性研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学，2005.

[7] 呼和浩特畜牧机械研究所.JB/T5156-1991方草压捆机技术条件[S].北京:机械科学研究院,1991.

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[9] 陈大兴，王春光.基于ANSYS压捆机压捆室受力分布有限元分析 [J].农机化研究,2011,33(1):72-75.

[10] 浦广益.ANSYS Workbench 12基础教程与实例详解[M].北京：中国水利水电出版社，2013:33-38.

Experimental Study on Stress Relaxation of Forage in Compression Process and Mechanics Research of Compression Piston

Zhou Guodong, Du Jianmin, She Wenlong, Zhao Dengyu , Hao Fei

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

In order to study pasture stress relaxation characteristics at different compression section, the paper studies the stress relaxation test high density baler machine leymus chinensis at different compression sectional utilization.Select 360mm×440mm,360mm×450mm,360mm×460mm three compression section leymus chinensis were fed an amount of stress relaxation tests 3kg, access to the stress relaxation characteristic curve under different sections through the test, the baler compression frequency compression chamber length parameter determination to provide a theoretical basis. Tests showed: stress relaxation before 3 seconds starting at different sections of the obvious stress relaxation after 3 seconds stress relaxation over time and slow down, more than 10 seconds stress relaxation rate tends to level, from as much as possible a more grass sheet fully integrated stress relaxation and ensure higher productivity angle of view, in the actual production of forage compression will compress selected frequency between 3～10 seconds is more reasonable. On this basis, using for mechanics analysis for compression piston of baler. Find out the most easily deformed parts in the working process of the compression piston. The conclusions for compression piston structure design and structure strength provide the basis for calibration.

baler; compression section; stress relaxation; mechanics analysis

2016-03-14

内蒙古自治区自然科学基金项目(2014MS0536)

周国栋(1988-)，男，黑龙江尚志人，硕士研究生，(E-mail)zgdscy@126.com。

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

S817.8

A

1003-188X(2017)04-0197-05