机采籽棉压缩特性及可压缩性研究

王 军，张宏文*，王 磊，魏喜梅，谷艳清，张龙唱，蔡云霄

（1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003；2.农业农村部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832003）

【研究意义】棉花是我国新疆地区重要的经济作物与纺织材料，种植面积和产量连续多年位居全国首位，随新疆棉花机采率不断提升，棉花机械化采收已成大趋势[1-2]。机采籽棉是采棉机采收后籽棉的统称，其自然堆积密度小，属高孔隙率松散型农业纤维物料[3]。我国采棉机整体集成化率较低，使机采籽棉需二次处理，造成储运成本大、工序繁琐。为解决上述问题，机采籽棉在储运前通常被压缩成一定形状、尺寸、密度的模块，便于运储。国外先进采棉机已将压缩成型装置同采棉机集成一体，可同时完成棉花采摘与压缩成型[4-5]，但目前针对机采籽棉压缩成型机理的研究鲜有报道。因此，研究机采籽棉压缩特性可为揭示机采籽棉压缩成型机理，设计、优化采棉机机载打包装置及二次打包装置提供基础理论数据。【前人研究进展】压缩成型的基础是物料的压缩特性[6]，国内外学者主要集中于牧草等农业纤维物料压缩特性研究，通过试验研究揭示其内在特性，部分学者通过仿真分析研究棉纤维压缩特性，但对籽棉特别是机采籽棉压缩特性的研究鲜少。其中Robert[7]得出初始质量对籽棉压缩过程中压缩力影响大，由于孔隙使籽棉压缩呈非弹性，同时得到含水率越高，最终的压缩密度越大；景慧[8]将散装棉纤维压缩特性曲线分为线性（近似线性）、转变和强化3 个区域，其中线性区压缩力缓慢增加，转变区压缩力增加较快，强化区压缩力急剧上升；孔凡婷等[9]对籽棉压缩与应力松弛进行了力学模型的构建，为籽棉打包的研究与仿真提供了基础数据；李勇[10-11]对新疆南疆地区手采棉棉纤维进行小应力压缩，得出喂入量、压缩速度越大，所需压缩力越大；陈晓川[12]构建了一种十四面体棉纤维模型，利用有限元模拟棉纤维压缩过程中应力变化规律，确定了压缩模量与棉纤维相对密度呈幂函数关系；王则楚[13]对比了苏联与美国棉纤维压缩特性公式，得出棉纤维压缩压力与含水率、压缩密度密切相关。目前针对籽棉压缩特性研究较少，但对一般农业纤维物料压缩特性研究广泛、较成熟，其中内蒙古农业大学杨明韶、王春光等[14-17]对牧草、苜蓿等物料压缩特性及可压缩性开展深入研究。其中王洪波得出含水率、压缩速度及初始密度对玉米秸秆可压缩性有影响，并得到玉米秸秆的较优压缩参数组合；张旭得出温度、含水率、初始密度与柠条体积模量的关系，随压缩密度的增大，温度对体积模量的影响显著；范林得出随压缩密度的增大，揉碎玉米秸秆可压缩性降低，同时压缩速度、含水率及初始密度对揉碎玉米秸秆的可压缩性均有影响。吕江南[18]将红麻料片压缩过程分为松散、过渡与压紧3 个阶段，其中松散阶段呈线性关系，过渡与压紧阶段呈幂函数关系。【本研究切入点】针对机采籽棉压缩方面研究较少，特别是对籽棉压缩特性及可压缩性的相关研究，现有研究忽略籽棉本身是混合物、收获期内籽棉物理特性及压缩参数等重要条件对压缩特性和可压缩性的影响问题，基于前人对一般农业纤维物料的研究成果，开展对机采籽棉压缩特性及可压缩性的研究，以探明影响机采籽棉压缩特性及可压缩性的因素与规律。【拟解决的关键问题】通过机采籽棉单轴压缩试验，建立机采籽棉压缩过程中压力、体积模量与压缩密度的数学模型，分析各因素水平对压力、体积模量的影响规律，拟为机采棉收获、储运、加工处理设备的设计提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验因素

物料含水率、压缩速度及初始密度对物料压缩特性及可压缩性均有一定影响[19]。机采籽棉收获时含水率、含杂率受采棉机工作参数、收获时间段的影响，随机性、变化性大[20-22]；而压缩速度、初始密度等压缩参数对压缩效率、功耗有一定影响[23]。压缩过程中物料压缩特性通常用压缩过程中的压力来描述，可压缩性用压缩过程中的体积模量来衡量。因此选取压缩过程中的压力、体积模量为试验指标，压缩速度、初始密度、机采籽棉含水率、含杂率为试验因素，开展机采籽棉压缩特性及可压缩性研究。查阅机采籽棉收获期相关文献[24-26]，选取机采籽棉含水率为6%～22%；含杂率为8%～16%；查阅纤维物料压缩特性研究相关文献及现有设备参数[14,27]，选取压缩速度为10～50 mm/min；初始密度为20～60 kg/m3。

1.2 试验设备

试验设备有长春试验机研究所CSS-44300 电子万能材料试验机，量程为300 kN、德国Sartorius MA100 快速水分测定仪（量程0～100 g，精度0.1 mg）、101-1BS 电热鼓风干燥箱、SPS402F 精密电子天平（量程0～400 g，精度0.01 g）、钢板尺及自制内径为110 mm，高度为320 mm的压缩腔室及配套压头、底板、脱模装置（图1）。

图1 机采籽棉压缩装置Fig.1 Machine-harvested seed cotton compression device

1.3 试验材料

以石河子地区主栽机采棉品种惠远720 为试验原料，取自石河子大学试验田，采用机采棉宽窄行种植模式（66 cm+10 cm），于2020 年4 月10 日播种，10 月10 日由John Deere 7660 箱式采棉机采收，带回实验室晾晒自然干燥1个月，试验前抽样测得其含水率为4.7%，含杂率为11.2%[28-29]。

1.4 试验方法

1.4.1 试样的制备 按式（1）采用复水法（复杂质法）对试样含水率与含杂率进行调节[30]。为保证试样含杂率的均匀性，按每100 g 进行等分，加入或去除相应质量的杂质；含水率按所需加入清水，装入自封袋，常温贮藏（20～25 ℃、相对湿度15%～20%）48 h以上，使试样含水率均匀一致。试验前将试样取出，并放置于试验环境（15～20 ℃、相对湿度15%～20%）3 h以上，进行后续试验工作。

式中：md为所添加（去除）杂质（水）的质量，g；m0为所需调制试样的质量，g；d0为试样初始含杂率（含水率），%；d1为试样目标含杂率（含水率），%。

1.4.2 机采籽棉压缩数据的获取 为保证试验时初始密度的准确性，根据压缩腔室体积与初始密度的水平，转换为喂入质量并称量。为保证初始密度的均匀性：喂入时随机装入，装载过程不刻意对试样进行按压；装载时装载高度须稍高于压缩腔室上端面，并将活塞压头缓慢压入，直至活塞压头下端面与压缩腔室上端面平齐。为获取准确地试验数据还需保证压缩活塞与压缩腔室同轴，避免与压缩腔室内壁接触。最后设定压缩速度，进行压缩试验，通过计算机终端数据采集系统采集试验数据。

1.4.3 机采籽棉压力与体积模量的求解 为便于分析，按公式（2）、（3）将压缩过程中所测机采籽棉压缩力与压缩量转换为压力与压缩密度，为后续表征机采籽棉压缩特性及可压缩性。

式中：P为压缩过程中压力，kPa；F为压缩过程中所测压缩力，N；S为压头表面积，mm2；ρ为压缩过程中的压缩密度，kg/m3；ρ0为机采籽棉的初始密度，kg/m3；l0为机采籽棉初始高度，mm；l为机采籽棉压缩量，mm。

为表征机采籽棉的可压缩性，引入体积模量，根据体积模量定义式（4）、（5）推导出机采籽棉压缩过程中压缩密度、压力与体积模量表达式，如式（6）所示：

式中：K为压缩过程中的体积模量，kPa；P为压缩过程中的压力，kPa；V为体积，m3；ρ为压缩过程中压缩密度，kg/m3。

1.4.4 试验设计 采用单因素试验，以压缩速度、初始密度、含水率、含杂率为试验因素，以机采籽棉压缩过程中的压力、体积模量为评价指标。根据电子万能试验机所提供的速度范围选取10，20，30，40，50 mm/min 共5 种压缩速度；根据机采籽棉自然堆积密度及农业纤维物料压缩常用喂入密度，选取喂入密度为20，30，40，50，60 kg/m3，换算为喂入质量分别为60.8，91.2，121.6，151.9，182.5 g/次共5种喂入质量；根据收获期内机采籽棉含水率及含杂率范围，含水率选取6%、10%、14%、18%、22%共5个水平；含杂率选取8%、10%、12%、14%、16%共5个水平，进行不同压缩条件的机采籽棉单因素试验。由预实验结果得：当压缩密度为400 kg/m3时，棉籽发生剧烈破碎，因此选取机采籽棉压缩终止条件：压缩密度为400 kg/m3。因此采集压缩密度为40～400 kg/m3内数据，每组试验重复3 次。为便于试验数据的分析与处理，在所选密度范围内间隔20 kg/m3对应的压力作为试验数据，并进行后续分析。

2 结果与分析

2.1 压力与压缩密度的数学模型

选取初始密度为40 kg/m3，以25 mm/min 速度对未经含水率、含杂率调节的机采籽棉进行压缩，获取机采籽棉压缩量、压缩力数据，转换为压缩密度与压力，并求解其体积模量，绘制并拟合压力与压缩密度、体积模量与压缩密度的变化关系曲线（图2）。当压缩密度小于150 kg/m3时，随压缩密度增大，压力值接近0 kPa；当压缩密度大于150 kg/m3时，压力上升速度逐渐加快，且压缩密度越高越明显。由于机采籽棉属高孔隙纤维物料，压缩密度较低时，压缩主要克服机采籽棉内部孔隙，因此压力平稳变化；当压缩密度较高时，机采籽棉孔隙已被消除，机采籽棉逐渐变成固体，微小压缩量可使机采棉压缩密度剧烈变化，并产生剧烈地压力变化。对图2（a）数据分别用指数函数与幂函数进行回归拟合，得到幂函数有较高拟合度，拟合方程为P=2.485 66+8.503 44×10-11ρ5.0909。对所得机采籽棉压缩密度与压力曲线均采用幂函数拟合，得到R2＞0.988，P＜0.01，表明幂函数可较准确地描述机采籽棉压缩过程中压力随压缩密度变化规律，其回归方程可表示为：（ρ为实时的压缩密度；a1、b1、c1为回归方程系数）。

2.2 体积模量与压缩密度的数学模型

引入体积模量表征机采籽棉的可压缩性。对图2（a）所得数据，利用Matlab 软件求解体积模量随压缩密度变化规律，绘制并拟合机采籽棉压缩过程中体积模量随压缩密度变化曲线，如图2（b）所示，当压缩密度小于200 kg/m3时，体积模量接近0 kPa，表明机采籽棉可压缩性较好；当压缩密度大于200 kg/m3时，体积模量随压缩密度增大逐渐加速增大，说明可压缩性不断降低；高压缩密度下，体积模量变化愈加明显，可压缩性急剧变差。对图2（b）数据进行回归拟合，得到指数函数能更好的拟合该曲线，拟合方程为K=1.378 78×1.020 05ρ。对所得机采籽棉体积模量随压缩密度变化曲线均采用指数函数回归拟合，得到R2＞0.958，P＜0.01，表明指数函数可较准确地描述压缩过程中体积模量随压缩密度变化规律，其回归方程为：K=（ρ为实时压缩密度；a2、b2为回归方程系数）。

图2 压力、体积模量回归拟合曲线Fig.2 Pressure and bulk modulus regression fitting curve

2.3 试验因素对机采籽棉压缩特性及可压缩性的影响

为探究试验因素对机采籽棉压缩过程中压缩特性、可压缩性的影响规律。选取200，300，400 kg/m3共3个压缩密度下，压力、体积模量与压缩速度、初始密度、含水率、含杂率的相关性分析及回归分析结果如表1 所示。当压缩密度为200 kg/m3时，压缩速度与体积模量的相关性不显著外，其他各压缩密度下，各因素与压力、体积模量均显著相关（P＜0.05）。其中压缩速度、含杂率与压缩过程中压力、体积模量呈正相关关系（P＜0.05）；初始密度、含水率与压缩过程中压力、体积模量呈正相关关系（P＜0.01）。

表1 相同压缩密度下各因素相关性检验结果Tab.1 Correlation test results of various factors under the same compression density

2.3.1 压缩速度的影响 为探求压缩速度对机采籽棉压力、体积模量的影响规律，绘制并拟合相同压缩密度下机采籽棉压力、体积模量随压缩速度变化曲线（图3）。分析试验结果可知：在相同压缩密度下，当压缩密度为200 kg/m3时，各压缩速度对应压力、体积模量均较小，低密度下用于消除机采籽棉间孔隙，机采籽棉压力、体积模量随压缩速度线性增大；压缩密度大于200 kg/m3时，压力、体积模量随压缩速度呈较强的线性增长，可压缩性逐渐变差。由于压缩过程中压缩与应力松弛并存[31]，压缩使应力突变，应力松弛使应力均匀化，当压缩速度较小时，两者速率相近，可达到应力均匀的目的；而压缩速度较高时，压缩应力变化速率大于应力松弛均匀化速率时，应力不能及时传递，导致压力迅速增大。

图3 压缩速度对压力、体积模量的影响Fig.3 Influence of compression speed on pressure and bulk modulus

2.3.2 初始密度的影响 为探求初始密度对机采籽棉压力、体积模量的影响规律，绘制并拟合相同压缩密度，压力、体积模量随初始密度的变化曲线（图4）。分析试验结果可知：相同压缩密度下，压缩密度为200 kg/m3时，各初始密度对应压力、体积模量基本一致；当压缩密度高于200 kg/m3时，压力、体积模量随初始密度呈指数递减，表明相同压缩密度下，初始密度越大可压缩性越好。由于较高初始密度下机采籽棉完成预压缩，内部应力是平衡、稳定的，而机采籽棉由低初始密度压缩至高压缩密度，内部应力不均衡；当达到相同压缩密度时，较低初始密度的机采籽棉的成型高度低于较高初始密度的，同时由于应力传递距离有限，较低初始密度的机采籽棉应力剧烈上升，压力急剧增大。

图4 初始密度对压力、体积模量的影响Fig.4 Influence of initial density on pressure and bulk modulus

2.3.3 含水率的影响 为探求含水率对机采籽棉压力、体积模量的影响规律，绘制并拟合相同压缩密度下，压力、体积模量随含水率变化曲线(图5)。由试验结果可知：当压缩密度为200 kg/m3时，各含水率对应压力、体积模量基本一致，表明此阶段有良好的可压缩性；当压缩密度大于200 kg/m3时，压力、体积模量随含水率增大而减小，呈指数递减，表明压缩至相同压缩密度时，含水率高的机采籽棉有良好的可压缩性。由于含水率升高使机采籽棉堆积密度增大，使其完成“预压缩”，机采籽棉内部孔隙减小；同时机采籽棉为混合物，各组成成分对水分吸收率不相同，含水率较高时，棉杆、棉铃壳等木质素强度降低[32]，使其在大应力下更易变形，因此高含水率的机采籽棉更易被压缩，其可压缩性良好。

图5 含水率对压力、体积模量的影响Fig.5 Influence of moisture content on pressure and bulk modulus

2.3.4 含杂率的影响 为探求含杂率对机采籽棉压力、体积模量的影响规律，绘制并拟合相同压缩密度下，压力、体积模量随含杂率变化曲线（图6)。由试验结果可知：当压缩密度小于200 kg/m3时，各含杂率对应压力、体积模量值较小，说明此阶段有良好的压缩性；当压缩密度超过200 kg/m3时，机采籽棉压缩过程中压力、体积模量与含杂率呈线性递增关系，相同压缩密度下，含杂率低有较好可压缩性，所需压力小。由于机采籽棉为混合物，不同含杂率的差异在于机采籽棉杂质中棉铃壳、棉杆及棉叶等含量占比不同，由于杂质的木质化程度较高，特别是棉杆组织结构与木材类似[32]，使棉杆有较高的抗压强度。在小应力下籽棉压缩占主导，压力变化小，达到一定压缩密度，孔隙被消除，杂质压缩模量占主导，因此高含杂率的压力比低含杂率的压力变化剧烈。

图6 含杂率对压力、体积模量的影响Fig.6 Influence of trash content on pressure and bulk modulus

3 结论

（2）机采籽棉压缩过程中，随压缩密度的增大，机采籽棉所需压力、体积模量均逐渐增大，机采籽棉的可压缩性随压缩密度的增大而逐渐变差；当压缩密度低于150～200 kg/m3时，机采籽棉的压力与体积模量接近0 kPa，此时机采籽棉有良好的可压缩性；而压缩密度大于200 kg/m3时，压力与体积模量随压缩密度的增大加速增大，此阶段机采籽棉可压缩性逐渐变差；同时在高压缩密度下更加显著。

（3）机采籽棉压缩至相同压缩密度，其对应压力、体积模量与压缩速度、含杂率呈正相关关系，与初始密度、含水率呈负相关关系；当压缩密度低于200 kg/m3时，相同压缩密度对应压力、体积模量相近；当压缩密度为200 kg/m3时，压缩速度对机采籽棉压力、体积模量影响显著，压力、体积模量随含杂率线性增加，随含水率线性递减，随初始密度指数递减；当压缩密度高于200 kg/m3时，压力、体积模量与压缩速度、含杂率呈线性递增；与初始密度、含水率呈指数递减，且压缩密度越大，关系愈加显著。

研究成果对采棉机工作参数的选取、新型棉花收获装备的设计及机采棉采后运输、储存及加工设备的设计具有理论研究价值和实际指导意义。