樊 琦，張 濤，劉 飛，趙滿全，楊 錚，閆 鵬

(內蒙古農業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018 )

0 引言

近幾年，我國的畜牧業(yè)發(fā)展迅猛，畜牧業(yè)產值占農業(yè)總產值的30%[1]。畜牧業(yè)發(fā)展迅猛的同時，問題也浮現(xiàn)出來，我國的畜牧業(yè)無法擺脫對糧食的過分依賴，所以牲畜飼草問題的解決迫在眉睫[2]。

玉米是我國的第二大糧食作物[3]，種植廣泛。我國玉米秸稈資源豐富，但大多的玉米秸稈被廢棄或者被焚燒，不僅沒有被利用，還會產生嚴重的空氣污染[4]。玉米秸稈是一種非常好的飼草，由于秸稈類粗飼料質地粗硬、咀嚼費力、適口性差、粗蛋白含量低、消化效率低、食入量不高，其代謝能的利用率也較差，需要機械將玉米秸稈加工成適合牲畜食用的飼草[5]。高夢祥[6]等測試了玉米秸稈的莖葉連接力、葉鞘的抗拉特性和沖擊特性，發(fā)現(xiàn)莖葉連接力為0.7～16N，莖稈抗沖擊能量為2.3～42.8J。王宏立等[7]通過對剪切速度、切刀刃型及剪切方式的三因素隨機區(qū)組剪切性能試驗，發(fā)現(xiàn)影響剪切力的主要因素是剪切方式。吳子岳等[8]對兩端自由支撐條件下玉米秸稈切斷速度和切斷功耗進行正交試驗，發(fā)現(xiàn)切割方式對切斷速度的影響最大，受切的根數影響切斷功耗最顯著。李汝莘等[9]對碎玉米秸稈卷壓過程的流變規(guī)律進行了研究，采用線性黏彈性理論，構建了伯格斯模型，初步判定碎玉米秸稈卷壓過程的流變行為偏向于流體。田宜水等[10]通過試驗研究華北、東北地區(qū)7種農作物秸稈切物料的理化特性，發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)的玉米秸稈含水率、溫度等對秸稈力學特性具有不同程度的影響。東北平原地區(qū)玉米秸稈與其他地區(qū)差異較大，且同一地區(qū)的不同農作物秸稈的理化特性也存在顯著差異?；酐慃惖萚11]為分析秸稈類生物質原料的物理特性，選取自然晾曬后的6種玉米秸稈進行物理特性研究，結果表明：秸稈與金屬、橡膠材料的最大靜摩擦因數分別在0.45～0.55和0.51～0.62之間，內摩擦因數在0.53～0.73之間。廖娜等[12]應用ANSYS建立了玉米秸稈芯橫截面圓柱有限元結構模型，并對其壓縮過程和應力松弛過程進行了數值模擬，結果表明：五參量廣義麥克斯韋模型能較好描述玉米秸稈芯應力松弛特性。O Dogherty等[13-14]學者對小麥秸稈的力學特性試驗研究結果表明：麥秸的拉伸強度為21.2～31.2MPa，剪切強度為4.91～7.62MPa，楊氏模量為4.76～6.58GPa，剛性模量為267～547MPa，并指出小麥秸稈的成熟度、含水率、溫度等對其力學特性具有不同程度的影響。在玉米秸稈加工中發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈中摻雜的玉米苞葉和玉米葉鞘的物理特性與玉米秸稈物理特性有著極大的不同，在揉碎過程中會對揉碎質量有所影響。為了找到玉米葉鞘和玉米苞葉對揉碎過程的影響規(guī)律，本文對玉米苞葉和玉米葉鞘的力學特性展開研究。

1 玉米葉鞘苞葉的拉伸力學特性

1.1 試驗材料和試驗方法

測試玉米苞葉和葉鞘取自內蒙古呼和浩特市賽罕區(qū)什蘭岱村2016年秋收后的玉米秸稈，品種為呼和浩特市周邊地區(qū)常種植的欣晟18。

玉米苞葉和玉米葉鞘形狀不規(guī)則，沒有玉米苞葉和葉鞘的拉伸力學國家標準。本研究參考了國家標準GB/T1040.1-2096《塑料 拉伸性能測定 第一部分：總則》、GB/1040.3-2006《塑料 拉伸性能的測定 第三部分：薄膜和薄片的實驗條件》、GB/1040.4-2006 《塑料 拉伸性能的測定 第四部分：各向同性和正交各向異性纖維增強復合材料的試驗條件》。

試驗前，將玉米苞葉和玉米葉鞘用鉗工工具加工為啞鈴狀[15]。試件斷裂處寬度5mm，斷裂處長度30mm，試件最寬處44mm，試件總長150mm，含水率8.822%。玉米苞葉拉伸試件圖如圖1所示。

圖1 玉米苞葉拉伸試件圖

為了防止拉伸試驗中試件與夾具產生相對滑動，將試樣的加持部分用膠布裹住，夾具內側粘結材料為牛皮[16]。

用螺旋測微儀測量試件斷裂處的厚度，并將試件參數輸入到ZD/WDW-20A微機控制電子萬能試驗機中，分別將拉伸加載速度速度和a值設為變量。試驗方案為非金屬材料拉伸試驗。加載速度分別為5、100、200、300、400、500mm/min，a值分別為5、10、15、20mm。

1.2 拉伸試驗分析

以拉伸加載速度為變量時，在低速拉伸過程中由于玉米苞葉玉米葉鞘試件的各向異性，試件會從抗拉強度最低處斷裂。試驗過程中會發(fā)出斷裂聲，且試驗力與時間圖像曲線會產生1次波峰，如圖2所示。當拉伸速度較大時，試驗力時間圖像僅會存在1個波峰(見圖3)，試件會在很短的時間內直接斷裂。

隨著拉伸加載速度的的變化，使得玉米苞葉和玉米葉鞘斷裂所需要的力并沒有像剛體那樣保持一個恒定值，而是在某些位置出現(xiàn)峰值。玉米葉鞘會在加載速度為100mm/min時出現(xiàn)一個拉伸斷裂力的最大值，最小值則在加載速度為300mm/min時出現(xiàn)，如圖4所示。玉米苞葉在加載速度為400mm/min時出現(xiàn)拉伸斷裂力的最大值，在加載速度為200mm/min時出現(xiàn)拉伸斷裂力的最小值，如圖5所示。

圖2 低速拉伸玉米苞葉試驗力與時間曲線

圖3 高速拉伸玉米苞葉試驗力與時間曲線

圖4 玉米葉鞘拉伸斷裂力與加載速度曲線

圖5 玉米苞葉拉伸斷裂力與加載速度曲線

以a值為變量時，試驗得到玉米苞葉的最大拉伸力為82.57N/cm2、玉米葉鞘的最大拉伸力為1 277.2N/cm2。對葉鞘和苞葉的最大拉伸力與相應橫截面積做了線性回歸，得到數學模型玉米苞葉的數學模型為

y=0.0009x+0.0046

玉米葉鞘的數學模型為

y=0.0126x-0.0018

由數學模型可以看出：玉米苞葉和玉米葉鞘單位面積的拉伸斷裂極限基本相同，拉伸斷裂力和a值的大小成線性相關。

2 玉米葉鞘苞葉對揉碎機的影響

2.1 試驗材料和試驗設備

試驗選用測試玉米苞葉和葉鞘取自內蒙古呼和浩特市賽罕區(qū)什蘭岱村2016年秋收后的玉米秸稈，品種為呼和浩特市周邊地區(qū)常種植的欣晟18。該秸稈處于長期風干狀態(tài)，含水率為8.822%。

試驗用揉碎機為內蒙古農業(yè)大學自行研制的9RS-60型揉碎機。9RS-60型揉碎機已自行設計了秸稈揉碎性能試驗臺，用于測量試驗過程中的主軸轉速、轉矩和功率。本試驗加裝的轉矩轉速傳感器型號為JN338型數字總線式轉矩轉速傳感器。試驗選用精度為0.01g的電子秤來稱量各實驗組秸稈的質量。

2.2 試驗方法

試驗目的是檢驗玉米葉鞘和玉米苞葉在玉米秸稈揉碎過程中對于實驗的影響。由于玉米苞葉葉鞘性質相似，所以按照玉米秸稈和玉米苞葉葉鞘的比例將試驗劃分為6組，即苞葉葉鞘的含量為0、25%、50%、75%、100%和不經處理的對比組。試驗前稱量每組試驗的秸稈總質量為1 000g，秸稈長度為(1 700±50)mm。調整變頻器參數使得揉碎機主軸轉速1 600r/min，喂入速度0.65m/s[17-18]。

在出料口處對揉碎物取樣，取樣方法參考國家農業(yè)行業(yè)標準NY/T509-2015《秸稈揉絲機質量評價技術規(guī)范》和國家標準GB/T0788-2006《飼草揉碎機》。在出料口橫截面接取樣品3次，3次樣品均勻混合后即為該次實驗樣品。3次樣品總質量為100g左右，取樣后放入密封袋并標記編號，用于試驗完成后的篩分和分析揉碎程度。同時，記錄秸稈揉碎試驗所消耗的電能。

2.3 試驗結果分析

本試驗結果的計算依據國家農業(yè)行業(yè)標準NY/T509-2015《秸稈揉絲機質量評價技術規(guī)范》[19]。

2.3.1 揉碎物分級

根據國家標準，秸稈絲的定義為：秸稈加工后的成品為幾何長度10～180mm、幾何寬度不大于5mm的絲狀物?！掇r業(yè)機械設計手冊》中，秸稈揉碎機加工產品的形態(tài)為長度50～180mm，秸稈揉切機加工產品的形態(tài)為長度30～100mm。根據《農業(yè)機械設計手冊》得出，本揉碎性能試驗臺符合秸稈揉切機的主要工作部件和加工特點，所以定義加工后不合格的產品形態(tài)為長度大于100mm或寬度大于5mm，加工后合格秸稈絲為長度小于100mm且寬度小于5mm。

根據國家標準GB/T 20788-2006《飼草揉碎機》[20]破節(jié)率計算公式中加工后秸稈破節(jié)的定義，未破節(jié)的定義為帶節(jié)的草。本揉碎性能試驗中，未破節(jié)秸稈定義為長度或寬度不滿足要求且?guī)в星o節(jié)。

對于飼喂反芻牲畜的秸稈來說并不是越短、越碎、越軟越好，需要適宜的長度。對于羊來說，秸稈細碎適宜長度為7mm以上[21]，牛的適宜長度大于羊的適宜長度。所以，本研究定義長度為7mm以下的細碎秸稈為過揉碎。

篩分方法為：將秸稈揉碎物樣品從最頂端的篩子倒入，手動晃動篩子，秸稈通過篩孔下落到下一層篩面，測量每層篩面秸稈長度分布范圍。分級統(tǒng)計得到：篩孔直徑10mm篩面上大于50mm的秸稈絲長度占該篩面秸稈總質量的90%；篩孔直徑5mm篩面上大于20mm的秸稈絲長度占該篩面秸稈總質量的90%；篩孔直徑3mm下95%的秸稈絲長度小于7mm。所以，選擇篩孔直徑分別為10、5、3mm的標準篩篩分秸稈揉碎物樣品。

長度或寬度不合格的秸稈絲無法利用標準篩分級，通過人工比對的方法進行篩選。將篩孔直徑10mm上的秸稈與標準卡(長度100mm、寬度5mm)進行對比，找出未破節(jié)的秸稈和不合格的秸稈絲。篩孔直徑10mm篩面上秸稈長度基本范圍利用精度為0.1g電子天平測量各級秸稈質量，分析揉碎程度試驗結果。

圖6 篩分分級取樣的秸稈絲

試驗重復3次，分別稱量6種揉碎等級的篩分物，計算3次重復試驗平均值，結果如表1所示。

表1 玉米苞葉和葉鞘含量為變化因素的揉碎程度結果

A為3mm圓孔篩下邊秸稈質量占總質量的百分比；B、C、D分別為3、5、10mm圓孔篩上邊秸稈質量占總質量的百分比；E為秸稈絲長度超過100mm或寬度超過5mm秸稈質量占總質量的百分比；F為未破節(jié)秸稈質量占總質量的百分比。

國家農業(yè)行業(yè)標準NY/T509-2015《秸稈揉絲機質量評價技術規(guī)范》規(guī)定秸稈絲化率計算公式為

式中S—秸稈絲化率(%)；

m1—樣品中秸稈絲的質量(g)；

m2—樣品質量(g)。

秸稈絲化率、破節(jié)率、過揉碎率如圖7～圖9所示。國家農業(yè)行業(yè)標準NY/T509-2015《秸稈揉絲機質量評價技術規(guī)范》對揉碎機性能指標規(guī)定,玉米秸稈絲化率大于或等于90%。由綜合分析可知：當玉米苞葉和玉米葉鞘含量占總質量的50%時，在保證絲化率的同時可以讓破節(jié)率較大，過揉碎率較小。

圖7 絲化率隨玉米苞葉和葉鞘含量增加的變化

圖8 破節(jié)率隨玉米苞葉和葉鞘含量增加的變化

圖9 過揉碎率隨玉米苞葉和葉鞘含量增加的變化

2.3.2 電能消耗分析

主軸電能消耗通過三相四線有功電能表測得，揉碎機性能指標為噸料電耗。行業(yè)標準規(guī)定，加工干秸稈時揉碎機的噸料電耗小于或等于15kW·h/t。標準規(guī)定噸料電耗的計算公式為

式中Q—噸料電耗(kW·h/t)；

G—試驗用秸稈質量(g)；

N—耗電量(kW·h)；

Sb—秸稈含水率(%)。

所用秸稈為自然風干的玉米秸稈，含水率經測算為8.822%。分析計算計算后，得到揉碎干玉米秸稈試驗過程中噸料電耗性能指標如表2所示，噸料電耗變化情況如圖10所示。

表2 噸料電耗試驗結果

續(xù)表2

圖10 噸料電耗變化情況

由圖10可以看出：當玉米苞葉和葉鞘的含量為25%時，噸料電耗為最低值；噸料電耗隨著玉米苞葉和葉鞘的含量增加而增加。

3 結論

1)試驗結果表明：玉米苞葉和玉米葉鞘在拉伸力學性能上體現(xiàn)出了相似性，玉米苞葉的最大拉伸力為82.57N/cm2，玉米葉鞘的最大拉伸力為1 277.2N/cm2。

2)玉米苞葉和玉米葉鞘會在揉碎過程中影響揉碎機的揉碎質量和揉碎機的度電產量。玉米秸稈的絲化率隨玉米苞葉和玉米葉鞘含量的增多而減少；玉米秸稈破節(jié)率隨著玉米苞葉和玉米葉鞘含量的增加而增加；玉米苞葉和玉米葉鞘含量為100%時，破節(jié)率也為100%；過揉碎率呈拋物線形式，在玉米苞葉和玉米葉鞘含量為75%時過揉碎率最低。

3)噸料電耗在玉米苞葉和玉米葉鞘含量為25%時取得最小值。

4)綜合揉碎質量和玉米秸稈噸料電耗來看：在玉米苞葉和玉米葉鞘含量為50%時，整個試驗結果為最優(yōu)解。