流變學(xué)在固體農(nóng)業(yè)物料加工領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展*＊

廖鵬，陳興國(guó)，林恒矗，王琪，黃文城

(1.福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，福州市，350002；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備福建省高校工程研究中心，福州市，350002)

0 引言

我國(guó)固體農(nóng)業(yè)物料資源豐富，但其復(fù)雜的物理機(jī)械特性給收獲、加工領(lǐng)域的工藝優(yōu)化和設(shè)備研發(fā)造成了較大的困難。資料顯示，我國(guó)果蔬采后在運(yùn)貯加工過(guò)程中的損耗約占總量的20%，年損耗量達(dá)80 000 kt，而國(guó)外該占比小于5%[1]。我國(guó)每年秸稈的產(chǎn)生總量超過(guò)109t，雖然在政策的支持下，秸稈的資源化利用越來(lái)越受重視，但仍有近2×108t秸稈未得到合理利用[2]。谷物、油料的產(chǎn)量和需求量不斷增多，而產(chǎn)后加工環(huán)節(jié)的技術(shù)發(fā)展相對(duì)滯后[3]。物料收獲、加工與儲(chǔ)運(yùn)等環(huán)節(jié)的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量與其受力特點(diǎn)息息相關(guān)，解決上述問(wèn)題、優(yōu)化固體農(nóng)業(yè)物料加工工藝與設(shè)備的關(guān)鍵在于全面解析固體農(nóng)業(yè)物料的力學(xué)特性。

常見(jiàn)的固體農(nóng)業(yè)物料大多為黏彈性體，無(wú)法用單一的經(jīng)典力學(xué)理論解釋力學(xué)特性。流變學(xué)作為一門(mén)研究材料形變、流動(dòng)與時(shí)間關(guān)系的交叉性學(xué)科，同經(jīng)典彈性力學(xué)和牛頓力學(xué)相比，可以解釋結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜的材料的力學(xué)特性，并通過(guò)試驗(yàn)與模型相結(jié)合的方式簡(jiǎn)單清晰地表征材料在不同時(shí)間、不同載荷下的應(yīng)力應(yīng)變特性。為進(jìn)一步提高固體農(nóng)業(yè)物料的加工水平，優(yōu)化加工設(shè)備的作業(yè)效率，本文就近年來(lái)流變學(xué)理論在果蔬、谷物、油料和飼草料等固體農(nóng)業(yè)物料生產(chǎn)加工中的應(yīng)用，進(jìn)行綜述性探討，以此推動(dòng)固體農(nóng)業(yè)物料加工領(lǐng)域的工藝改進(jìn)和設(shè)備優(yōu)化。

1 固體農(nóng)業(yè)物料流變學(xué)研究的基本方法

流變學(xué)在固體農(nóng)業(yè)物料生產(chǎn)中的應(yīng)用主要以試驗(yàn)與理論模型相結(jié)合的方式開(kāi)展研究。

1.1 流變?cè)囼?yàn)

目前，學(xué)者們普遍將應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)作為固體農(nóng)業(yè)物料流變特性的主要研究方法[4-6]。應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)指物料受到載荷的作用下產(chǎn)生變形時(shí)，其內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，與加載速率相關(guān)。應(yīng)力松弛指物料被限定在恒定形變條件下，彈性逐漸減小的過(guò)程。產(chǎn)生應(yīng)力松弛是由于彈力向內(nèi)施加在細(xì)胞結(jié)構(gòu)上，推動(dòng)細(xì)胞發(fā)生位移，造成永久性塑性形變，從而物料內(nèi)部彈性勢(shì)能逐漸減小。蠕變指物料在受恒定的載荷條件下，內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)排列組合不斷發(fā)生變化，直至保持平衡的過(guò)程。在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中，應(yīng)力松弛常常發(fā)生在油料榨取、秸稈回收等致密化過(guò)程中。蠕變?cè)囼?yàn)則大多用于指導(dǎo)果蔬的運(yùn)貯工藝，為減少運(yùn)輸、貯藏過(guò)程中的擠壓損傷，保證果蔬品質(zhì)提供理論支持。

1.2 流變學(xué)經(jīng)典模型及本構(gòu)方程

流變學(xué)模型一般由3個(gè)基本模型組成：彈簧模型、阻尼模型和滑塊模型。這3個(gè)基本模型分別表示物料的彈性、黏性和塑性。基本模型的不同組合構(gòu)成了流變學(xué)中的一些經(jīng)典模型，圖1為固體農(nóng)業(yè)物料流變特性研究中常用的經(jīng)典模型。

圖1 固體農(nóng)業(yè)物料研究中的經(jīng)典流變模型Fig.1 Classical rheological model of solid agricultural materials

1.2.1 Maxwell模型

Maxwell模型由一個(gè)彈簧元件和一個(gè)阻尼元件串聯(lián)而成。在受到向上的載荷作用時(shí)，彈簧元件首先發(fā)生瞬時(shí)形變，在整個(gè)系統(tǒng)形變量維持不變的過(guò)程中，系統(tǒng)內(nèi)部的彈簧元件要恢復(fù)形變，只能對(duì)下面的阻尼元件施加收縮的彈力。此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定，彈簧元件的彈力值等于外部載荷，隨著彈簧元件收縮，其彈力會(huì)逐漸減小。阻尼元件受彈簧元件收縮的拉力作用，發(fā)生黏性位移，位移速率逐漸減小，最終彈簧元件完全恢復(fù)形變，阻尼元件的黏性位移量等于初始彈簧元件被拉伸的形變量。固體農(nóng)業(yè)物料內(nèi)部的應(yīng)力松弛過(guò)程通過(guò)Maxwell模型的表征，可以解釋為在一定形變量下，物料內(nèi)部的彈性形變轉(zhuǎn)變成黏性流動(dòng)的過(guò)程。其本構(gòu)方程的計(jì)算公式

式中：σ(t)——任意時(shí)刻系統(tǒng)的應(yīng)力大??；

ε——彈簧元件的初始形變量；

E——Maxwell模型中彈簧元件的彈性模量；

η——Maxwell模型中阻尼元件的黏性系數(shù)。

1.2.2 Kelvin模型

與表征應(yīng)力松弛過(guò)程的Maxwell模型不同，Kelvin模型將一個(gè)彈簧元件與一個(gè)阻尼元件進(jìn)行并聯(lián)，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)受到向上載荷作用時(shí)，原本在恒定載荷下形變呈線性變化的阻尼元件受到并聯(lián)彈簧元件的牽制，揚(yáng)受到的載荷隨彈簧元件形變量增大而減小，直至外部載荷與彈簧元件彈力相等，系統(tǒng)保持平衡，此時(shí)應(yīng)變達(dá)到最大值。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行突然卸載，彈簧元件在恢復(fù)形變的過(guò)程中受到阻尼元件的牽制，形變無(wú)法瞬時(shí)恢復(fù)，在初始階段，彈簧元件形變量大，恢復(fù)形變速度較快，隨著彈簧元件收縮，彈力減小，阻尼元件對(duì)彈簧元件恢復(fù)形變的相對(duì)阻力變大，形變恢復(fù)越來(lái)越慢，直至恢復(fù)到彈簧元件無(wú)形變的過(guò)程。Kelvin模型主要用于表征物料的蠕變特性，本構(gòu)方程

式中：ε(t)——任意時(shí)刻系統(tǒng)的應(yīng)變大小；

σ——系統(tǒng)的初始應(yīng)力值；

E1——Kelvin模型中彈簧元件的彈性模量；

η1——Kelvin模型中阻尼元件的黏性系數(shù)。

1.2.3 Burger’s模型

Burger’s模型是研究固體農(nóng)業(yè)物料蠕變特性的另一個(gè)經(jīng)典模型。它由一個(gè)Kelvin模型和一個(gè)Maxwell模型串聯(lián)而成。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)受到恒定向上的載荷時(shí)，初始狀態(tài)的Kelvin模型由于受到內(nèi)部阻尼元件的牽制，并不能發(fā)生瞬時(shí)形變。而外部Maxwell模型的彈簧元件會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的形變，外部Maxwell模型中阻尼元件在串聯(lián)彈簧元件的拉力下，位移量呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，Kelvin模型在彈簧元件和阻尼元件的相互作用下，形變量也在逐漸增大，但形變速率逐漸降低，直至整個(gè)Burger’s模型達(dá)到最大形變處。此時(shí)突然卸載，Maxwell模型中的彈簧元件立刻恢復(fù)形變，Kelvin模型逐漸恢復(fù)形變，而Maxwell模型中的阻尼元件沒(méi)有受到使其恢復(fù)形變的外力，其黏性形變無(wú)法恢復(fù)。Burger’s模型可以正確描述普遍的固體農(nóng)業(yè)物料既存在瞬時(shí)彈性和延遲彈性，又最終保持平衡狀態(tài)的特征。Burger’s模型的本構(gòu)方程

1.2.4 模型的廣義化

由于單一的流變模型在描述物料的流變特性時(shí)準(zhǔn)確性不夠，試驗(yàn)中研究人員往往引入修正或者廣義的流變模型對(duì)物料流變特性進(jìn)行表征。圖1中的三元件Maxwell模型和三元件Kelvin模型就是最簡(jiǎn)單的模型廣義化。當(dāng)遇到研究對(duì)象更為復(fù)雜時(shí)，則需要進(jìn)行更多的模型進(jìn)行組合，使物料力學(xué)特性表述更加準(zhǔn)確。廣義Maxwell模型將多個(gè)Maxwell模型進(jìn)行并聯(lián)(圖2(a))，并聯(lián)后每一個(gè)Maxwell模型的形變量都相等，廣義模型揚(yáng)受到的應(yīng)力由各個(gè)Maxwell模型的應(yīng)力進(jìn)行線性疊加。廣義Kelvin模型則由多個(gè)Kelvin模型進(jìn)行串聯(lián)(圖2(b))，串聯(lián)后廣義模型揚(yáng)產(chǎn)生的應(yīng)變由各個(gè)Kelvin模型進(jìn)行線性疊加。通過(guò)模型廣義的疊加大大提高了模擬黏彈性材料流變特性的準(zhǔn)確性。

圖2 模型的廣義化Fig.2 Generalization of model

2 流變學(xué)理論在固體農(nóng)業(yè)物料加工中的應(yīng)用

流變學(xué)在固體農(nóng)業(yè)物料加工領(lǐng)域的應(yīng)用研究始于20世紀(jì)50年代[7]。經(jīng)過(guò)70多年的發(fā)展，流變學(xué)理論研究方法不斷完善，其應(yīng)用研究對(duì)象也越來(lái)越廣泛。流變學(xué)在固體農(nóng)業(yè)物料加工領(lǐng)域上的應(yīng)用研究可以歸納為以下3個(gè)方面：果蔬的運(yùn)輸與貯藏，谷物和油料的加工與貯藏，飼草料的收獲與加工。

2.1 果蔬的運(yùn)輸與貯藏

果蔬品質(zhì)是評(píng)定其經(jīng)濟(jì)價(jià)值最主要的標(biāo)準(zhǔn)[8]。在果蔬采摘后的品質(zhì)變化過(guò)程中，必然伴隨著其營(yíng)養(yǎng)成分含量和質(zhì)地的改變。研究發(fā)現(xiàn)，果蔬果肉的黏彈性參數(shù)隨貯藏時(shí)間的增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，但在下降的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，參數(shù)會(huì)回彈并產(chǎn)生一個(gè)峰值，隨后又快速下降[9-10]。這主要是因?yàn)槭斋@后的果蔬在未成熟階段消耗組織存儲(chǔ)物以促使果蔬達(dá)到完全成熟，果蔬的品質(zhì)達(dá)到最佳，此后果蔬衰老，果實(shí)的黏彈性也隨之下降[11-12]。Hassan等[13]利 用3種流變模型對(duì)8個(gè) 品 種 的 棗在不同時(shí)期的松弛特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)三元件Maxwell模型最符合棗的松弛特性，并通過(guò)對(duì)比流變參數(shù)值的差異得到品種與貯藏時(shí)間對(duì)棗果品質(zhì)的影響，模型的決定系數(shù)均在0.98以上。在此基礎(chǔ)上，研究者們開(kāi)展了果蔬貯藏期間流變特性參數(shù)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的相關(guān)性研究。方媛等[8]采用四元件Burger’s模型作為“紅富士”蘋(píng)果的蠕變模型，并通過(guò)逐步回歸分析的方法建立“紅富士”蘋(píng)果蠕變特性參數(shù)與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的預(yù)測(cè)模型，結(jié)果顯示，可溶性固形物含量、可滴定酸度、Vc含量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.929、0.917、0.875，表明模型對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量的預(yù)測(cè)效果較好。楊玲等[14]也采用四元件Burger’s模型作為喬納金蘋(píng)果的蠕變模型，建立了喬納金蘋(píng)果蠕變特性參數(shù)與果實(shí)內(nèi)可溶性固形物、原果膠之間的回歸預(yù)測(cè)模型，得到可溶性固形物和原果膠預(yù)測(cè)模型的擬合度分別達(dá)到了0.848和0.836，證實(shí)了流變特性參數(shù)對(duì)果蔬營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)預(yù)測(cè)的可行性。

果蔬在運(yùn)貯過(guò)程中由于靜載的損傷與破壞容易造成品質(zhì)的下降。探究果蔬常態(tài)下的流變學(xué)特性，分析流變學(xué)參數(shù)與造成果蔬破損的影響因素之間的關(guān)系可為果蔬的儲(chǔ)運(yùn)加工奠定理論基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯的應(yīng)力松弛特性可用五元件Maxwell模型進(jìn)行描述，其模型的決定系數(shù)均高于0.99，壓縮面積是影響馬鈴薯應(yīng)力松弛彈性參數(shù)的最重要因素[15]。馬鈴薯的蠕變特性可以用四元件Burger’s模型進(jìn)行表征，模型的決定系數(shù)也均在0.95以上，其蠕變靜載能力大小受栽培方式、加載方向、加載壓力的影響[16]。此外，國(guó)外的Rady等[17]發(fā)現(xiàn)碰撞高度、碰撞次數(shù)、表面角度與馬鈴薯塊莖的蠕變黏彈性參數(shù)有顯著的相關(guān)性。Shahgholi等[18]認(rèn)為受載時(shí)間是影響果蔬品質(zhì)的關(guān)鍵因素。

實(shí)際上，運(yùn)輸貯藏過(guò)程中果蔬的細(xì)胞在受到接觸載荷作用會(huì)發(fā)生變形與滑移，由于細(xì)胞形狀、排列結(jié)構(gòu)與胞外黏性物質(zhì)的不同，果蔬不同品種、不同部位擠壓變形、細(xì)胞滑移，彈性恢復(fù)的難易程度都不同[19]。這種內(nèi)部的變化在流變學(xué)上以黏彈性參數(shù)值的變化表現(xiàn)出來(lái)，因此隨著載荷形式、大小等因素的變化，黏彈性參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，這是用流變學(xué)指導(dǎo)果蔬運(yùn)貯工藝優(yōu)化的主要原因。

另外，果蔬的黏彈性是由細(xì)胞壁與液泡內(nèi)的水分流動(dòng)膨壓揚(yáng)產(chǎn)生，細(xì)胞壁的果膠質(zhì)與纖維素含量決定了細(xì)胞的強(qiáng)度[20]。隨著貯藏時(shí)間的增長(zhǎng)，果蔬的果膠質(zhì)與纖維素降解，細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)受損，果實(shí)的彈性、抗載能力隨之變差[21]。與之對(duì)應(yīng)的松弛參數(shù)和蠕變參數(shù)在數(shù)值上都有揚(yáng)減小，果實(shí)品質(zhì)有明顯的下降。

上述研究分析表明，基于流變學(xué)的果蔬品質(zhì)評(píng)價(jià)以及運(yùn)貯工藝研究較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了果蔬的最佳貯藏時(shí)間和內(nèi)含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量。利用不同加載條件下流變力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果，可以改進(jìn)果蔬在運(yùn)貯過(guò)程中的包裝形式、堆積密度、運(yùn)輸方式等。在微觀層面的解釋也進(jìn)一步闡述了果蔬流變與機(jī)械損傷、品質(zhì)下降的內(nèi)在聯(lián)系，證實(shí)了流變學(xué)在果蔬運(yùn)貯工藝中的確發(fā)揮著重要作用。此外，Maxwell模型在表達(dá)果蔬應(yīng)力松弛特性時(shí)普遍進(jìn)行了廣義化來(lái)提高模型的準(zhǔn)確性，而B(niǎo)urger’s模型的使用仍舊以四元件為主，由于物料之間結(jié)構(gòu)的差異性，四元件Burger’s模型在表達(dá)部分果蔬蠕變特性上需要進(jìn)一步修正提高。

2.2 谷物和油料的加工與貯藏

谷物在收獲、加工、貯藏過(guò)程中由于流變力學(xué)特性變化而導(dǎo)致破裂和霉變的現(xiàn)象非常普遍。對(duì)谷物倉(cāng)儲(chǔ)和加工過(guò)程中流變力學(xué)特性產(chǎn)生影響的因素較多，如含水率、硬度、變形量等，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此做了大量研究[22]。邱述金等[23]建立了適用于不同品種谷子籽粒的四元件Burger’s模型，發(fā)現(xiàn)谷子籽粒的硬度主要由Burger’s模型的延遲彈性模量表征，延遲彈性模量較大的谷子籽粒硬度也相對(duì)較大。另外，谷子籽粒的含水率由瞬時(shí)彈性模量、延遲彈性模量和黏度系數(shù)共同表征，3個(gè)參數(shù)均隨含水率的增大而減小。馬小愚等[24]建立了東北地區(qū)大豆籽粒和小麥籽粒的三單元廣義Maxwell應(yīng)力松弛模型，并提出采用“Z變換法”來(lái)求解大豆和小麥籽粒的松弛特性參數(shù)，結(jié)果表明三單元廣義Maxwell模型和“Z變換法”可以較準(zhǔn)確地分析大豆和小麥籽粒的松弛特性，該模型和方法為后續(xù)谷物籽粒的松弛特性研究提供了重要思路。張洪霞[25]通過(guò)建立三單元廣義Maxwell模型對(duì)稻米籽粒的松弛特性進(jìn)行研究，并利用“Z變換法”求解得到籽粒的松弛參數(shù)，結(jié)果顯示，三單元廣義Maxwell模型以第一單元為主，二、三單元為輔進(jìn)行特性表征，稻米籽粒的松弛模量和松弛時(shí)間都隨含水率增長(zhǎng)而下降。李衣菲等[26]為減小玉米芽種的機(jī)械損傷，探究了含水率及形變量對(duì)玉米芽種松弛特性的影響并建立了三單元廣義Maxwell模型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玉米芽種的松弛模量和松弛時(shí)間同稻米籽粒相似，都隨含水率增大而減小，松弛應(yīng)力隨形變量增大而增大。并給出三單元廣義Maxwell模型第一單元主要模擬固態(tài)特性，二、三單元主要模擬液態(tài)特性的規(guī)律。

油料壓榨過(guò)程中的流變特性是壓榨理論研究的基本內(nèi)容[27]。鄭曉等[28]研究花生和油菜籽等多種油料在壓榨過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，油料壓榨時(shí)呈現(xiàn)的力學(xué)特性曲線都是非線性的，使用單一的流變學(xué)經(jīng)典模型不足以完整解釋油料的流變特性，并從黏土與粉末體壓縮過(guò)程中受到啟發(fā)而將線性與非線性疊加，經(jīng)典模型與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合的方法應(yīng)用于油料的壓縮特性研究。黃志輝等[29-30]對(duì)蓖麻籽壓榨過(guò)程中的線性階段和非線性階段分別進(jìn)行建模后再進(jìn)行疊加，從而建立了較為可靠的松弛模型和蠕變模型，模型預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)值之間的誤差均小于0.5。劉汝寬等[31]以廣義Maxwell模型表征線性階段松弛曲線，以經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅碚魉沙诘姆蔷€性階段，擬合得到光皮樹(shù)果實(shí)整個(gè)壓榨過(guò)程的松弛特性曲線，發(fā)現(xiàn)在應(yīng)變?yōu)?.4 MPa時(shí)，果實(shí)擠壓破裂開(kāi)始出油，線性階段轉(zhuǎn)化為非線性階段，并指出內(nèi)含物質(zhì)、油料形態(tài)等都是影響壓榨過(guò)程和壓榨效果的重要因素。李正文等[32]通過(guò)油茶籽在不同速率下壓榨過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變曲線，建立了油茶籽的非線性黏彈塑性本構(gòu)模型，分析結(jié)果顯示，過(guò)慢的加載速率可能會(huì)使?jié)B流堵塞，不利于出油，油茶籽壓榨的最佳加載速率為0.04 kN/s。

上述研究表明，谷物的貯藏、加工和油料的壓榨過(guò)程都可以運(yùn)用流變模型與數(shù)學(xué)方法相結(jié)合的形式進(jìn)行分析。三單元六元件Maxwell模型和“Z變換法”用于表征谷物籽粒的松弛特性以及求解松弛參數(shù)具有較高的準(zhǔn)確性。油料壓縮由于包含了壓實(shí)、致密、滲流、硬化等多個(gè)過(guò)程，且每個(gè)過(guò)程的應(yīng)力應(yīng)變特性差異較大，需采用線性與非線性模型組合的方法表征，并指出該方法對(duì)油料壓榨流變過(guò)程描述較高的實(shí)用性。油料在加工和貯藏期間的品質(zhì)除了與含水率、溫度等外部因素相關(guān)外，內(nèi)部營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量和組成也是重要的指標(biāo)，可用于全面評(píng)價(jià)谷物的品質(zhì)情況。因此，流變參數(shù)與內(nèi)含物質(zhì)含量的相關(guān)性仍需進(jìn)一步深入研究。

2.3 飼草料的收獲與加工

飼草料產(chǎn)量巨大，且不同飼草料具有的流變特性差異較大，這為相關(guān)收獲機(jī)械和加工機(jī)械的設(shè)計(jì)和研發(fā)提出了難題[33]。秸稈牧草等飼草料的壓縮過(guò)程實(shí)際是其加工的流變過(guò)程。該過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的流變特性對(duì)飼草料壓縮工藝參數(shù)和相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

國(guó)外學(xué)者M(jìn)ani等[34]探討了壓縮力、粒徑大小、水分3種變量對(duì)草類(lèi)生物質(zhì)秸稈顆粒力學(xué)性能的影響，從對(duì)松弛模型的分析中得到了各種草類(lèi)生物質(zhì)的成型硬度。Kaliyan等[35]研究玉米秸稈和柳枝稷的致密過(guò)程發(fā)現(xiàn)，在相同含水率、溫度以及粒徑的條件下，玉米秸稈的彈性模量與黏性系數(shù)均高于柳枝稷，能構(gòu)成更加穩(wěn)定的顆粒結(jié)構(gòu)，且彈性模量和黏性系數(shù)越大，成型顆粒的抗壓強(qiáng)度和耐久性也更高，由此判斷秸稈顆粒的成型效果可以通過(guò)流變特性參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。Myhan等[36]對(duì)稻草秸稈層的壓縮進(jìn)行流變分析，發(fā)現(xiàn)秸稈層的彈性模量與外載荷成正比，且隨著加載卸載循環(huán)次數(shù)的增多，彈性模量逐漸變小。

國(guó)內(nèi)學(xué)者房佳佳等[37]以Maxwell模型為基礎(chǔ)，通過(guò)殘差剩余法逐步擬合、疊加，得到紫花苜蓿草卷壓過(guò)程的五元件廣義Maxwell模型，檢驗(yàn)結(jié)果指出，模型的決定系數(shù)達(dá)到了0.92，為后續(xù)卷壓打捆優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。Guo等[38]通過(guò)對(duì)大麥、燕麥、油菜和小麥的秸稈壓縮松弛特性進(jìn)行研究，得到松弛參數(shù)受壓力、水分等條件的影響，加大載荷并減少水分有助于提高松弛速率。杜曉雪等[39]探究了切碎長(zhǎng)度、含水率和壓縮密度對(duì)飼用甜高粱壓縮過(guò)程中平衡彈性模量和應(yīng)力迅速衰減時(shí)間的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，取得平衡彈性模量和應(yīng)力迅速衰減時(shí)間最優(yōu)值時(shí)各因素的最佳參數(shù)為：壓縮密度647.38 kg/m3，切碎段長(zhǎng)度20～30 mm，含水率57%。雷軍樂(lè)等[40]建立了完整稻稈的應(yīng)力松弛模型，并探究了含水率、喂入量、干物質(zhì)質(zhì)量和鋼輥轉(zhuǎn)速對(duì)松弛時(shí)間和彈性模量的影響。結(jié)果顯示，在卷壓過(guò)程中，喂入量過(guò)大有可能導(dǎo)致卷壓不充分，使稻捆松弛較快；適當(dāng)提高鋼輥轉(zhuǎn)速可以使稻稈受到更大的離心力，從而延長(zhǎng)松弛的時(shí)間；高含水率使得稻稈間的黏度下降，容易松散；提高草捆干物質(zhì)質(zhì)量有助于提高稻捆的塑性變形能力，從而提高稻捆的平衡彈性模量。

綜上分析，流變學(xué)在飼草料收獲加工過(guò)程中的應(yīng)用主要著重于對(duì)卷壓過(guò)程的分析。飼草料的松弛速率決定了其卷壓打捆的時(shí)間，提高松弛速率可有效提升飼草料的卷壓效率，卷壓過(guò)程中的平衡彈性模量越小，其成型后松散度越低，成型質(zhì)量越高，有利于進(jìn)一步的打捆和運(yùn)輸[39]。目前，飼草料流變特性的研究主要集中在流變模型參數(shù)與工藝條件、成型指標(biāo)的相關(guān)性上，其原因在于松弛速率、平衡彈性模量等流變特性參數(shù)容易受到諸多外部條件和物理參數(shù)的影響，如載荷大小、秸稈含水率以及單次喂入量等。然而，影響飼草料力學(xué)性能變化的根本原因是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)對(duì)外部條件的應(yīng)激反應(yīng)最終表現(xiàn)出物料宏觀上的形態(tài)變化。因此，更多探究流變學(xué)特性在物料微觀層面上的表現(xiàn)，將有助于全面解析飼草料壓縮過(guò)程中的力學(xué)特性。

3 存在的問(wèn)題

1)目前，在常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中，為了方便試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，農(nóng)業(yè)物料的材料特性大多被簡(jiǎn)化或者理想化，并依據(jù)理想公式進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。這種處理方式在一定程度上滿足了試驗(yàn)的要求，但同時(shí)也忽略了某些重要的力學(xué)特性。例如，農(nóng)業(yè)物料一般不存在純彈性階段，而在大多數(shù)的力學(xué)試驗(yàn)中，往往將初始階段視為純彈性階段，忽略了物料的黏性和流動(dòng)特性，導(dǎo)致物料力學(xué)參數(shù)的計(jì)算值與實(shí)際值產(chǎn)生較大誤差。

2)在實(shí)際的蠕變過(guò)程中，物料變形隨時(shí)間的增長(zhǎng)最終會(huì)達(dá)到“應(yīng)變飽和階段”。而依據(jù)Burger’s模型，外部阻尼元件在恒力下形變理論值會(huì)穩(wěn)定增大，與實(shí)際情況不符，造成曲線擬合失效。盡管有學(xué)者已經(jīng)提出相關(guān)修正方法，但僅涉及番茄等少數(shù)農(nóng)業(yè)物料。大多物料蠕變過(guò)程的模擬仍直接采用四元件經(jīng)典模型，無(wú)法準(zhǔn)確分析物料的流變特性。

3)固體農(nóng)業(yè)物料流變特性的微觀影響因素研究不足。現(xiàn)有的流變特性研究主要集中在材料物理特性以及環(huán)境溫度等宏觀因素上，并未詳細(xì)討論物料內(nèi)部細(xì)胞組成及化學(xué)成分等內(nèi)部因素對(duì)流變特性的影響，而農(nóng)業(yè)物料內(nèi)部纖維的排列方式，木質(zhì)素、纖維素等組成成分的含量對(duì)農(nóng)業(yè)物料的力學(xué)特性起著關(guān)鍵作用。缺乏微觀層面相關(guān)性的討論就無(wú)法充分解釋物料在受載下產(chǎn)生流變的原因，造成經(jīng)典流變模型擬合靈敏度的不足，在生產(chǎn)加工中無(wú)法發(fā)揮指導(dǎo)作用。

4)流變學(xué)在研究過(guò)程中主要討論物料整體力學(xué)特性，而在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)實(shí)際生產(chǎn)揚(yáng)需設(shè)備過(guò)程中，需要掌握物料在不同載荷下各部分的形變以及應(yīng)力應(yīng)變情況，尋找最省力的加工位置和加載方式，借此設(shè)計(jì)主要工作部件的參數(shù)。物料流變學(xué)特性研究無(wú)法直接指導(dǎo)生產(chǎn)加工裝置的設(shè)計(jì)，仍需要結(jié)合其他的輔助分析手段。

4 展望

流變學(xué)理論在固體農(nóng)業(yè)物料加工領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。但僅基于宏觀物理特性的固體農(nóng)業(yè)物料流變特性研究在模型匹配以及流變特性在微觀層面上的解釋仍舊不足；固體農(nóng)業(yè)物料在受載時(shí)局部的應(yīng)力應(yīng)變情況無(wú)法直觀地從流變理論分析中體現(xiàn)。鑒于此，提出以下進(jìn)一步研究建議。

4.1 流變學(xué)經(jīng)典模型修正方法研究

針對(duì)固體農(nóng)業(yè)物料的流變學(xué)理論研究已經(jīng)經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，但由于農(nóng)業(yè)物料復(fù)雜的生物特性，采用理想化的模型對(duì)其流變特性進(jìn)行表征始終存在準(zhǔn)確性不夠的問(wèn)題。經(jīng)典模型也無(wú)法描述揚(yáng)有物料的流變過(guò)程，需要在分析材料特性的基礎(chǔ)上，對(duì)基礎(chǔ)模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚拍苁箶M合結(jié)果更加精確。因此，有必要對(duì)農(nóng)業(yè)物料材料特性以及經(jīng)典模型的修正方法做進(jìn)一步探究。

4.2 流變特性與微觀特性相結(jié)合

流變模型的選擇與建立本質(zhì)上取決于固體農(nóng)業(yè)物料本身的生物特性。不同的固體農(nóng)業(yè)物料內(nèi)部纖維的排列和數(shù)量不一樣，即使是同一種物料也存在品種、產(chǎn)地、生長(zhǎng)氣候條件等因素導(dǎo)致物料在流變特性上的差異性。

僅從表觀特征和外部條件間接評(píng)價(jià)固體農(nóng)業(yè)物料的力學(xué)特性是不夠充分的。通過(guò)流變學(xué)理論與微觀結(jié)構(gòu)觀察的結(jié)合，深入解析各流變環(huán)節(jié)物料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的變化，有助于全面理解固體農(nóng)業(yè)物料的流變特性。

4.3 流變學(xué)理論與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合

構(gòu)建固體農(nóng)業(yè)物料的流變模型雖然可以描述物料整體的流變規(guī)律，但是對(duì)于局部的應(yīng)力應(yīng)變特性卻無(wú)法表征?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在三維模型重建、邊界參數(shù)設(shè)定、網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)劃分的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)定的載荷條件可以模擬出局部或整體的應(yīng)力應(yīng)變情況，動(dòng)態(tài)地顯示物料各部分在不同載荷形式下的形變過(guò)程，有助于彌補(bǔ)流變學(xué)理論分析對(duì)局部力學(xué)特性變化描述不足。