壓捆機(jī)壓縮頻率與壓縮室三維應(yīng)力關(guān)系的試驗(yàn)研究

佘文龍，杜健民，周國(guó)棟，趙登宇

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

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壓捆機(jī)壓縮頻率與壓縮室三維應(yīng)力關(guān)系的試驗(yàn)研究

佘文龍，杜健民，周國(guó)棟，趙登宇

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

壓縮頻率與壓縮室三維應(yīng)力直接影響牧草壓捆機(jī)的生產(chǎn)率和結(jié)構(gòu)尺寸，是主要設(shè)計(jì)參數(shù)。本研究以方草捆壓捆機(jī)為試驗(yàn)設(shè)備，以羊草作為試驗(yàn)物料，研究開(kāi)式壓縮中壓縮頻率與壓縮室三維應(yīng)力的關(guān)系。在壓捆機(jī)工作過(guò)程中，采集壓縮過(guò)程中草物料在壓縮室3個(gè)相互垂直方向上應(yīng)力，分析三維應(yīng)力間的相互關(guān)系，以及不同壓縮頻率下三維應(yīng)力的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：同一壓縮頻率下，三維應(yīng)力值均隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律變化；壓縮頻率改變導(dǎo)致三維應(yīng)力數(shù)值變化，但對(duì)三維應(yīng)力本身變化規(guī)律無(wú)明顯影響；單純提高壓縮頻率會(huì)造成活塞軸向壓縮力下降，進(jìn)而影響其他兩個(gè)方向應(yīng)力。

壓捆機(jī)；開(kāi)式壓縮；三維應(yīng)力；壓縮頻率；數(shù)據(jù)擬合

0 引言

壓捆機(jī)工作時(shí)的壓縮頻率是影響壓捆機(jī)工作效率的主要因素之一，但提高壓縮頻率會(huì)造成消耗功率急劇上升，且壓捆機(jī)的動(dòng)力不平衡問(wèn)題更加突出，使壓捆機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜龐大。壓縮頻率是壓縮工程內(nèi)部因素所決定的,不能人為地隨意提高，合適的壓縮頻率既能提高壓捆機(jī)的使用壽命，又能提高工作效率，但前人對(duì)壓縮頻率和壓縮室三維應(yīng)力的影響研究還比較少。楊明韶[1]等研究分析了壓捆機(jī)生產(chǎn)率和壓縮頻率之間的關(guān)系，指出單純提高壓縮頻率在實(shí)際應(yīng)用中弊端很大，不能隨意選取壓縮頻率；杜健民[2]等針對(duì)揉碎的玉米秸稈，做了大量研究，發(fā)現(xiàn)了玉米秸稈在壓縮過(guò)程中三維應(yīng)力的變化規(guī)律；陳大興[3]等研究了不同喂入量不同壓縮頻率下揉碎的玉米秸稈，得出各個(gè)因素水平下活塞軸向壓縮力及成型室四壁壓力的分布規(guī)律。

不同松散草物料壓縮后形成草片,在壓縮室內(nèi)移動(dòng)的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)反復(fù)的壓縮和變形恢復(fù)成為草捆的一部分。在這個(gè)過(guò)程中，草片在壓縮室內(nèi)各個(gè)位置上都要受到 3個(gè)方向力的作用：活塞對(duì)草片的壓力(x方向)；壓縮室側(cè)壁對(duì)草片的壓力(y方向)；壓縮室上、下壁對(duì)草片的壓力(z方向)。草片x方向的受力直接影響y、z方向上的力的大小及變化規(guī)律；y、z方向上的力直接影響草片與壓縮室壁所產(chǎn)生的摩擦力，而摩擦力又是影響草捆密度的關(guān)鍵因素。本研究旨在探究不同壓縮頻率下草物料在壓縮過(guò)程中的三維應(yīng)力之間的關(guān)系和變化，為合理選擇捆草機(jī)壓縮頻率以提高生產(chǎn)率和壓縮室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)選用9KG-350液壓高密度壓捆機(jī)，最大壓縮功率為22kW,最大壓縮行程為670mm，壓縮室截面積為360mm×460mm。由于薄膜壓力傳感器具體積小、易集成、靈敏度和信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)需對(duì)壓縮室再加工可直接應(yīng)用于壓捆機(jī)上，能在正常的壓縮工作中采集數(shù)據(jù)，因而本試驗(yàn)選用薄膜壓力傳感器采集數(shù)據(jù)。為此，設(shè)計(jì)加工了一個(gè)可沿壓縮室移動(dòng)的裝置來(lái)模擬草片在壓縮過(guò)程中的移動(dòng)(下文中稱為模擬草片)。壓縮活塞上布置2個(gè)壓力傳感器：x方向上，在模擬草片上布置2個(gè)壓力傳感器，用于采集草片上半截面和下半截面的應(yīng)力力；y、z方向的應(yīng)力力由4個(gè)薄膜壓力傳感器測(cè)出。其中，2個(gè)壓力傳感器布置在成型室的側(cè)壁上，2個(gè)壓力傳感器布置在成型室頂面和底面上，如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

選擇羊草作為試驗(yàn)材料,按照J(rèn)B/T5166-1991方草壓捆機(jī)試驗(yàn)方法中規(guī)定，調(diào)整羊草的含水率約為17%。本次試驗(yàn)選定羊草的喂入量為2kg/次，將羊草按喂入量依次稱重，分別堆放好待用。調(diào)整壓捆機(jī)的出料口尺寸為360mm×460mm。依據(jù)現(xiàn)有壓捆機(jī)械的壓縮頻率，結(jié)合液壓式高密度壓捆試驗(yàn)裝置加載速度范圍，把壓縮頻率控制在一定的范圍之內(nèi)，選擇壓縮頻率分別為5次/min(頻率1)、10次/min(頻率2)和20次/min(頻率3)。

啟動(dòng)壓捆機(jī)，人工喂入草物料，每次喂入時(shí)，讓草料自然填滿喂料口。壓捆機(jī)活塞前進(jìn)時(shí)，推動(dòng)草料，草料對(duì)壓縮室四壁產(chǎn)生壓力，力的大小可由傳感器測(cè)出；待壓捆機(jī)工作處于正常工作狀態(tài)時(shí)，將模擬草片放入壓捆機(jī)喂料口中，采用與薄膜壓力傳感器配套的數(shù)據(jù)采集卡同步采集x方向壓力傳感器、y方向壓力傳感器、z方向壓力傳感器的數(shù)據(jù)。模擬草片從喂料口到達(dá)出料口為一次試驗(yàn)，下一次試驗(yàn)按上述步驟重復(fù)進(jìn)行。為減小誤差，每一個(gè)頻率下分別做3次試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析，分別得到不同壓縮頻率下壓縮過(guò)程中的三維應(yīng)力的擬合關(guān)系及其相互關(guān)系。

1.出料口 2、3.y方向壓力傳感器 4、12.z方向壓力傳感器 5.模擬草片 6、11.模擬草片上x方向壓力傳感器 7.喂料口 8、10.活塞上x方向壓力傳感器 9.壓縮活塞

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

數(shù)據(jù)處理中，選取模擬草片在捆草機(jī)成型室內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)作為x方向上的應(yīng)力數(shù)據(jù)。由于草物料的自身重力影響及人工喂料無(wú)法避免的不均勻性，草片上半截面的應(yīng)力值略小于下半截面的應(yīng)力值[4]。為了簡(jiǎn)化分析，對(duì)上、下半截面應(yīng)力做了平均處理。利用MatLab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，得到一次壓縮過(guò)程中不同頻率下的三維應(yīng)力變化特性，并對(duì)該次壓縮過(guò)程中的壓縮階段(即壓縮活塞從壓縮始點(diǎn)至壓縮終點(diǎn))做數(shù)據(jù)擬合，分別得到以下結(jié)果。

2.1 頻率1中草物料一次壓縮三維應(yīng)力關(guān)系

頻率1應(yīng)力變化特征曲線及應(yīng)力變化擬合曲線，如圖2所示，草物料一次壓縮三維應(yīng)力擬合關(guān)系式如表1所示。

頻率1中，x方向與y方向、x方向與z方向應(yīng)力間的擬合關(guān)系式為

(1)

(2)

式(1)、式(2)的相關(guān)系數(shù)分別為0.928及0.979 9。

由圖2和表1可以看出：在壓縮階段，3個(gè)方向應(yīng)力均隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律增大；x方向應(yīng)力升降快幅值大，y和z兩個(gè)方向應(yīng)力變化較為平緩，3個(gè)方向應(yīng)力達(dá)到最大值的時(shí)間點(diǎn)是一致的。

2.2 頻率2中草物料一次壓縮三維應(yīng)力關(guān)系

頻率2應(yīng)力變化特征曲線及應(yīng)力擬合曲線如圖3所示，草物料一次壓縮三維應(yīng)力擬合關(guān)系式如表2所示。

圖2 頻率1應(yīng)力變化特性曲線和應(yīng)力變化擬合曲線

應(yīng)力擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)R-squarex方向應(yīng)力σ(t)x=0.001646e2.859t0.9729

續(xù)表1

t為壓縮活塞從壓縮始點(diǎn)至壓縮終點(diǎn)的時(shí)間。

圖3 頻率2應(yīng)力變化特性曲線和應(yīng)力變化擬合曲

應(yīng)力擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)R-squarex方向應(yīng)力σ(t)x=0.0005464e3.351t0.9530y方向應(yīng)力σ(t)y=0.004102e-0.04891t+3.792e-5×e3.437t0.9904z方向應(yīng)力σ(t)z=0.003019e-3.25t+3.695e-4×e3.063t0.9373

表中：t為壓縮活塞從壓縮行程起點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。

頻率2中，x方向與y方向、x方向與z方向應(yīng)力間的擬合關(guān)系式為

(3)

(4)

式(3)、式(4)的相關(guān)系數(shù)分別為0.9873及0.996。

由圖3和表2可以看出：在壓縮階段，3個(gè)方向應(yīng)力均隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律增大，與頻率1下三維應(yīng)力的變化規(guī)律類似，但是x方向應(yīng)力的最大值減小；由于頻率增大，應(yīng)力峰值的持續(xù)時(shí)間降低。

2.3 頻率3中草物料一次壓縮三維應(yīng)力關(guān)系

頻率3應(yīng)力變化特征曲線及應(yīng)力擬合曲線，如圖4所示，草物料一次壓縮三維應(yīng)力擬合關(guān)系式如表3所示。

圖4 頻率3應(yīng)力變化特性曲線和應(yīng)力變化擬合曲

應(yīng)力擬合關(guān)系式相關(guān)系數(shù)R-squarex方向應(yīng)力σ(t)x=0.0005331e3.165t0.9337y方向應(yīng)力σ(t)y=0.005303e-0.1234t+2.419e-6×e5.439t0.9635z方向應(yīng)力σ(t)z=0.003204e-0.0707t+7.195e-9×e9.543t0.9784

t為壓縮活塞從壓縮始點(diǎn)至壓縮終點(diǎn)的時(shí)間。

頻率3中x方向與y方向、x方向與z方向應(yīng)力間的擬合關(guān)系式為

(5)

(6)

式(5)、式(6)的相關(guān)系數(shù)分別為0.9593及0.935。

由圖4和表3可以看出：在壓縮階段，3個(gè)方向應(yīng)力均隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律增大，與頻率1和頻率2下三維應(yīng)力的變化規(guī)律類似。相較于前兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，x方向應(yīng)力的最大值最小。由于頻率增大，應(yīng)力峰值的持續(xù)時(shí)間降低。

2.4 x方向和y方向、x方向和z方向應(yīng)力擬合關(guān)系

x方向與y方向、x方向與z方向應(yīng)力擬合擬合曲線如圖5所示。

圖5 x方向與y方向應(yīng)力、x方向與z方向應(yīng)力擬合曲線

由表1、表2、表3可以得出：在壓縮階段，各應(yīng)力都是隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律增大；相較于x方向應(yīng)力，y方向和z方向的應(yīng)力增加緩慢。但是，頻率增大導(dǎo)致了x方向最大應(yīng)力的減小，這與試驗(yàn)中3個(gè)頻率下草捆的密度大小是一致的。隨著壓縮頻率的增大，3個(gè)方向的應(yīng)力本身規(guī)律沒(méi)有發(fā)生明顯改變。分別對(duì)比式(1)、式(3)、式(5)和式(2)、式(4)、式(6)及圖5可知：隨著壓縮頻率增大，x方向應(yīng)力增加，y方向應(yīng)力和z方向應(yīng)力變化幅度增加。根據(jù)以上規(guī)律，在適當(dāng)提高壓縮頻率的同時(shí)，增加活塞的壓縮行程，可提高活塞對(duì)草片的做功，增加草捆密度。單純提高壓縮頻率并不能有效提高羊草壓縮工程的生產(chǎn)率。增加活塞的壓縮行程，需要增加現(xiàn)有壓捆機(jī)成型室的長(zhǎng)度。

3 結(jié)論

1)對(duì)于試驗(yàn)中使用的羊草，在同一壓縮頻率下，三維應(yīng)力值均隨時(shí)間呈指數(shù)規(guī)律變化；壓縮頻率改變導(dǎo)致三維應(yīng)力數(shù)值變化，但對(duì)三維應(yīng)力本身變化規(guī)律無(wú)明顯影響。

2)單純提高壓縮頻率導(dǎo)致了活塞軸向應(yīng)力的下降。試驗(yàn)結(jié)果表明：在適當(dāng)提高壓縮頻率的同時(shí)增加活塞的壓縮行程，可提高草捆密度和生產(chǎn)率。壓縮頻率和活塞的壓縮行程之間的關(guān)系有待于進(jìn)一步探究，應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的效果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

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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

內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014MS0536)

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

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

S817.11+5

A

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