牧草壓縮過程應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究及壓縮活塞的力學(xué)分析

周國棟，杜健民，佘文龍，趙登宇，郝 飛

(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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牧草壓縮過程應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究及壓縮活塞的力學(xué)分析

周國棟，杜健民，佘文龍，趙登宇，郝 飛

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

應(yīng)力松弛是牧草壓縮過程中顯著的流變學(xué)特性。研究壓縮室不同截面下的應(yīng)力松弛特性，可為牧草壓捆機(jī)的壓縮頻率的確定提供理論依據(jù)。為此，以高密度壓捆機(jī)為試驗(yàn)裝置，以羊草為試驗(yàn)材料，分別以360mm×440mm、360mm×450mm、360mm×460mm這3種壓縮室截面進(jìn)行試驗(yàn)，獲得了壓縮室不同截面下應(yīng)力松弛特性。試驗(yàn)表明：在不同截面下開始應(yīng)力松弛的前3s應(yīng)力松弛明顯，在 3s之后應(yīng)力隨時(shí)間的推移而松弛放慢，超過 10s應(yīng)力松弛速率趨于水平，從盡可能使草片有較充分應(yīng)力松弛和保證較高的生產(chǎn)率的綜合角度出發(fā)，在實(shí)際牧草壓縮生產(chǎn)中將壓縮頻率選在3～10s之間較合理。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對壓捆機(jī)壓縮活塞進(jìn)行力學(xué)分析，尋找出了壓縮活塞工作過程中最容易變形的部位, 為壓捆機(jī)壓縮活塞的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核等提供了依據(jù)。

壓捆機(jī)；壓縮室截面；應(yīng)力松弛；力學(xué)分析

0 引言

畜牧業(yè)的發(fā)展水平是一個(gè)國家農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志之一,畜牧業(yè)的健康持續(xù)發(fā)展迫切要求牧草的供給方式和供給水平與之適應(yīng)。牧草無論在收集(粗加工)還是在深加工過程中，首先遇到的基本矛盾是體積松散、占有空間大、產(chǎn)地分散，所以壓縮成為牧草轉(zhuǎn)變?yōu)樯唐返谋亟?jīng)過程，而高效草物料壓捆設(shè)備是實(shí)現(xiàn)牧草資源有效利用的關(guān)鍵因素之一。

草物料在壓縮過程中的應(yīng)力松弛特性直接影響草物料壓捆機(jī)的壓縮頻率及壓縮室長度等參數(shù)的確定[1]。目前，閉式應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究大多數(shù)是在定截面閉式模型中進(jìn)行的，與實(shí)際草物料壓縮應(yīng)力松弛過程有較大的差異[2-3]；開式應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究主要集中在壓縮截面一定的壓捆機(jī)上進(jìn)行[4-6]。研究壓縮草片在不同截面下的應(yīng)力松弛規(guī)律對于壓捆機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性和產(chǎn)品質(zhì)量具有實(shí)際意義。本試驗(yàn)研究是在高密度壓捆試驗(yàn)機(jī)上對牧草在3種截面下的壓縮試驗(yàn)，測試分析牧草進(jìn)行3種壓縮截面下的應(yīng)力松弛特性，并對比它們之間的相互關(guān)系。通過草物料壓縮時(shí)應(yīng)力松弛的流變試驗(yàn)研究，可揭示不同壓縮截面下的應(yīng)力松弛規(guī)律，并對壓捆機(jī)的壓縮活塞進(jìn)行力學(xué)分析，從而為壓捆機(jī)動(dòng)力匹配和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置及材料

試驗(yàn)設(shè)備為高密度壓捆機(jī)，如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)不同壓縮截面的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，在壓捆機(jī)側(cè)面(y方向)和底面(z方向)分別安裝可調(diào)節(jié)截面尺寸的壓縮室內(nèi)壁，通過調(diào)節(jié)y方向和z方向壓縮室內(nèi)壁的位置，獲得試驗(yàn)需要的壓縮室截面尺寸。進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)時(shí),根據(jù)方草捆壓捆機(jī)技術(shù)條件[7],以含水率約17%的優(yōu)質(zhì)羊草為研究對象，并將羊草按規(guī)定喂入量3kg/次稱重，依次堆放，供應(yīng)力松弛試驗(yàn)用。

1.2 傳感器的選擇與安裝

壓力傳感器選用的是薄膜壓力傳感器，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：①精度高，抗干擾性能好；②抗磨擦性強(qiáng)，能長時(shí)間抵抗高摩擦；③防水性好，在潮濕的環(huán)境下可以正常工作；④外形輕薄，便于安裝在壓捆機(jī)的內(nèi)壁，不會(huì)對草捆的形態(tài)產(chǎn)生影響。位移傳感器選用NS-WY03-300L型位移傳感器和NS-WY03-900L型位移傳感器。在試驗(yàn)過程中保持壓捆室長度，羊草的含水率及每次喂入量等參量不變。調(diào)整壓縮室截面尺寸分別為360mm×440mm、360mm×450mm、360mm×460mm，并按照壓縮室截面尺寸設(shè)計(jì)專用移動(dòng)式壓力傳感裝置來測量草片上、下截面應(yīng)力變化，如圖2所示。

在壓捆機(jī)壓縮活塞安裝4個(gè)500N的IMS-00005型高精度薄膜應(yīng)變式壓力傳感器，并針對每種壓縮截面配制 1套移動(dòng)式壓力傳感置，共 3套。每個(gè)裝置由 4 個(gè) 500N的IMS-00005型高精度薄膜應(yīng)變式壓力傳感器、1支NS-WY03-300L型位移傳感器和1支NS-WY03-900L型位移傳感器組成。活塞上的壓力傳感器用于測量壓縮過程中活塞受力情況，移動(dòng)壓力傳感器用于測量壓縮過程中草片上、下截面應(yīng)力的變化，NS-WY03-300L型位移傳感器用于實(shí)時(shí)測量壓緊時(shí)草片厚度，NS-WY03-900L型位移傳感器用于測量草片在壓縮室的位置和壓縮位移。傳感器在壓捆機(jī)上的安裝如圖3所示。

1.3 試驗(yàn)方法

在羊草喂入量3kg/次、壓縮室截面尺寸360mm×440mm的條件下進(jìn)行應(yīng)力松弛試驗(yàn)，并以 1 次喂入壓縮后形成的 1 個(gè)草片為研究對象。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)預(yù)定方案，調(diào)整壓縮室截面尺寸后啟動(dòng)壓捆機(jī)，從喂入口放入對應(yīng)截面尺寸的移動(dòng)壓力傳感裝置，繼續(xù)按照3kg喂入量壓縮室截面尺寸后啟動(dòng)壓捆機(jī)，喂入已稱好的羊草，充滿整個(gè)壓縮室建立起穩(wěn)定的壓力；然后從喂入口放入對應(yīng)截面尺寸的移動(dòng)壓力傳感裝置，繼續(xù)按照3kg喂入量連續(xù)壓縮，每壓縮1次活塞停頓30s，直至將移動(dòng)壓力傳感裝置從壓縮室推出，即完成在特定壓縮截面尺寸下的應(yīng)力松弛。用相同的方法分別完360mm×450mm、360mm×460mm壓縮截面尺寸下的應(yīng)力松弛試驗(yàn)并時(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，獲得3種截面下應(yīng)力和位移數(shù)據(jù)。

1.機(jī)身 2.壓縮活塞 3.大位移傳感器 4.薄膜壓力傳感器X1 5.壓縮物料 6.擋草板 7.薄膜壓力傳感器X5 8.底板 9.小位移傳感器

1.4 數(shù)據(jù)處理

壓縮活塞、移動(dòng)壓力傳感器和位移傳感器的數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，保存在計(jì)算機(jī)中。在喂入量和截面不變的情況下，不同壓縮階段位置處草片上下截面應(yīng)力松弛規(guī)律非常相似[1]，故通過MatLab軟件編程使對應(yīng)位置的力傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得壓縮全過程草片在不同位置應(yīng)力數(shù)據(jù)，結(jié)合壓縮位移數(shù)據(jù)繪制羊草在壓縮過程中不同位置的應(yīng)力松弛曲線。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同截面下的應(yīng)力松弛特性

應(yīng)力松弛過程實(shí)際上是變形的再分配過程[8]，在理論定義環(huán)境下進(jìn)行草物料壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，需給草物料施加一個(gè)初始的應(yīng)力，使其保持恒定的應(yīng)變，故每次壓縮活塞到達(dá)行程終點(diǎn)后使活塞保持不動(dòng)，以產(chǎn)生一個(gè)恒定的應(yīng)變。根據(jù)高密度壓捆機(jī)實(shí)際工作情況和多次試驗(yàn)結(jié)果，壓縮活塞到達(dá)行程終點(diǎn)后停頓30s即可，然后活塞返回進(jìn)行下一次壓縮。相同喂入量和同一壓縮截面下，應(yīng)力松弛規(guī)律明顯的階段位置處應(yīng)力變化規(guī)律相似[1]，故取草片最大密度位置處為研究對象，獲得該位置處應(yīng)力松弛特性曲線。在360mm×440mm、360mm×450mm和360mm×460mm截面下，分別進(jìn)行羊草喂入量為3kg應(yīng)力松弛試驗(yàn),根據(jù)位移傳感器數(shù)據(jù)找到草片最大密度位置處，并擬合應(yīng)力松弛曲線，如圖4所示。

圖4 不同壓縮截面下羊草密度最大位置處的應(yīng)力松弛曲線

從圖4可以看出：相同喂入量下，不同壓縮截面壓縮后形成草片的應(yīng)力松弛具有以下基本特征：①松弛初期應(yīng)力急劇下降，后期變化較緩慢，且松弛速度隨時(shí)間減慢；②不同截面下草片的起始應(yīng)力和殘余應(yīng)力值各不同，說明草片在不同壓縮截面下的密度差異對應(yīng)力松弛產(chǎn)生了影響，且松弛開始應(yīng)力越大，經(jīng)相同時(shí)間的松弛后，殘余應(yīng)力越大。

2.2 不同截面下應(yīng)力松弛速率

應(yīng)力松弛速率是確定壓捆機(jī)壓縮頻率的重要指標(biāo)之一[8]。為了更直觀地體現(xiàn)不同截面下壓縮后草物料應(yīng)力松弛速率，本文針對3種截面尺寸草片密度最大位置處分別繪制其在喂入量3kg下的應(yīng)力松弛速率曲線，如圖5所示。

圖5 不同壓縮截面下草片密度最大位置的應(yīng)力松弛速率曲線

由圖5可看出：在不同壓縮截面下牧草的應(yīng)力松弛速率有較大的差異。在360mm×440mm壓縮截面下，開始的2.4s內(nèi)應(yīng)力松弛速率最快，應(yīng)力隨時(shí)間的延續(xù)迅速下降；在2.4～6.5s之間應(yīng)力松弛速率逐漸變緩；6s后趨于水平，表明在該時(shí)刻應(yīng)力松弛已變得非常緩慢。而360mm×450mm和360mm×460mm壓縮截面分別在開始松弛的前2.7s和3.3s應(yīng)力松弛速率最快，2.7～7.5s和3.3～11s之間逐漸變緩，又在7.5s和11s后趨于水平。但不同壓縮截面均表現(xiàn)出共同特點(diǎn)，即開始松弛的前 3s應(yīng)力松弛明顯，在3～10s之間應(yīng)力隨時(shí)間的推移而松弛放慢，超過10s應(yīng)力松弛速率趨于水平。在實(shí)際牧草壓縮生產(chǎn)中，可以把壓縮頻率提高到每分鐘 20次左右，以提高生產(chǎn)效率。因此，在壓縮設(shè)備允許條件下，為了降低壓捆機(jī)的功耗，保證產(chǎn)品密度，提高生產(chǎn)效率，有必要在壓縮截面方面繼續(xù)進(jìn)行深入研究。

3 壓縮活塞的力學(xué)分析

壓縮活塞是壓捆機(jī)關(guān)鍵的工作部位，為保證壓捆機(jī)正常工作，采用了先進(jìn)的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件Pro/E和ANSYS Workbench有限元分析軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，確定壓縮活塞工作過程中應(yīng)力、應(yīng)變最大和集中的位置，從而為壓捆機(jī)壓縮活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3.1 建立有限元模型

根據(jù)壓捆機(jī)壓縮活塞的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，在Pro/E中繪制壓縮活塞的三維實(shí)體模型，如圖6所示。將建好的實(shí)體模型導(dǎo)入到有限元分析軟件Ansys Workbench中，進(jìn)行分析處理。

圖6 壓縮活塞

3.2 定義材料屬性與劃分網(wǎng)格

根據(jù)實(shí)際需要，選擇的壓縮活塞材料是45鋼[9]， 所用參數(shù)如表 1所示。

表 1 材料屬性

網(wǎng)格劃分中，網(wǎng)格數(shù)量對分析結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。針對不同的實(shí)體結(jié)構(gòu)，在ANSYS Workbench中可以選擇自動(dòng)劃分法、表面網(wǎng)格劃分、四面體劃分法及掃掠劃分法等方法[10]。由于壓縮活塞模型的結(jié)構(gòu)簡單，故采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分法，網(wǎng)格劃分生成 8 937個(gè)節(jié)點(diǎn)、4 309個(gè)單元，如圖 7 所示。

圖7 壓縮活塞的有限元網(wǎng)格劃分模型

3.3 施加外載荷與結(jié)果分析

壓縮活塞正常工作的情況下，主要受到壓縮草物料的最大反向作用力Q=2.5e4N，同時(shí)在活塞與動(dòng)力裝置連接處施加約束使其固定。施加約束及載荷圖如圖8 所示。

圖8 施加約束和載荷圖

通過靜力學(xué)模塊處理后，得到壓縮活塞在壓縮到最大位移處一瞬時(shí)的應(yīng)力分布, 如圖9所示 。

圖9 壓縮活塞的應(yīng)力云圖

由圖9可以直觀地看出：模型的最大應(yīng)力為68.86MPa，在活塞與動(dòng)力裝置連接位置處。從分布的情況看，主要集中在壓縮活塞與草物料接觸處，該位置最大應(yīng)力為20.95 MPa。

為了進(jìn)一步反映活塞工作過程中應(yīng)變的情況，通過有限元軟件分析出活塞的應(yīng)變云圖，如圖10所示。

圖10 壓縮活塞的應(yīng)變云圖

圖10中，壓縮活塞與動(dòng)力裝置連接處變形最大，變形量0.31mm；而活塞與草物料接觸的位置應(yīng)變比較集中，該位置最大變形量為0.07mm。為提高壓縮活塞實(shí)際工作過程的安全可靠性，根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變云圖，在壓縮活塞與草物料接觸處及活塞與動(dòng)力裝置連接處采用增加其鋼板的厚度等措施，以提高其強(qiáng)度。

4 結(jié)論

1)在一定的條件下，進(jìn)行3種壓縮截面尺寸(360mm×440mm、360mm×450mm、360mm×460mm)羊草應(yīng)力松弛試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：不同截面下草片的起始應(yīng)力和殘余應(yīng)力值各不同。這說明，草片在不同截面下的密度差異對應(yīng)力松弛產(chǎn)生了影響，且松弛開始應(yīng)力越大，經(jīng)相同時(shí)間的松弛后，殘余應(yīng)力也越大。

2)在不同壓縮截面下開始松弛的前 3 s左右應(yīng)力松弛明顯，之后應(yīng)力隨時(shí)間的推移而松弛放慢，超過 10s應(yīng)力松弛速率趨于水平。實(shí)際生產(chǎn)中，可以把壓縮頻率提高到每分鐘 20次左右，以提高生產(chǎn)效率。

3)應(yīng)用有限元法對壓捆機(jī)壓縮活塞進(jìn)行了受力分析，找到了壓縮活塞應(yīng)力、應(yīng)變最大和集中的位置，為壓捆機(jī)壓縮活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核等提供了依據(jù)。

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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

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

周國棟(1988-)，男，黑龍江尚志人，碩士研究生，(E-mail)zgdscy@126.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。

S817.8

A

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