摘要：為探究牧草壓縮過程中成型溫度的變化，本文以含水率20%的紫花苜蓿為試驗(yàn)物料，進(jìn)行了振動(dòng)壓縮試驗(yàn)，分析了草塊芯部、邊部在壓縮過程中的溫度變化。結(jié)果表明，在一個(gè)振動(dòng)壓縮周期內(nèi)，芯部、邊部溫度均呈快速升高后緩慢下降；經(jīng)多次壓縮草塊逐漸被推移至模具出口的過程中，每次壓縮時(shí)溫度變化幅值逐漸變小，草塊溫度在達(dá)到短暫的穩(wěn)定期后緩慢下降。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)；壓縮成型；苜蓿；溫度

中圖分類號(hào)：S216.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

ResearchontheMoldingTemperatureExperimentof

ForageCompressionProcess

LiRuoyanMaYanhua*MengFanjunYangxianyong

CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，InnerMongoliaAgriculturalUniversity

InnerMongoliaHohhot010018

Abstract：Inordertoexplore&nby2MXHBDXMT4wHeR2KImyZnraNH8WTaBoNgKz+C8IdHA=sp;thechangeofformingtemperatureduringforagecompression，alfalfawithamoisturecontentof20%wasusedastheexperimentmaterial，andthetemperaturechangesofthecoreandedgeofthegrassblockduringthecompressionprocesswereanalyzed.Theresultsshowthatthetemperatureofthecoreandedgeincreasesrapidlyandthendecreasesslowlyduringavibrationcompressioncycle.Afterseveralcompressions，thegrassblockisgraduallymovedtothemoldoutlet，andthetemperaturechangeamplitudegraduallydecreasesduringeachcompression，andthetemperatureofthegrassblockslowlydecreasesafterreachingashortperiodofstability.

Keywords：vibration;compressionmolding;Lucerne;temperature

隨著內(nèi)蒙古地區(qū)畜牧養(yǎng)殖規(guī)模不斷擴(kuò)大，牧草產(chǎn)業(yè)也蓬勃發(fā)展［12］，以苜蓿為代表的優(yōu)質(zhì)牧草需求量逐年攀升。為滿足全年特別是秋冬季節(jié)牧草供應(yīng)需要，牧草壓縮成型技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，壓縮后的牧草體積顯著降低，可供長(zhǎng)期貯存及跨地區(qū)調(diào)運(yùn)。

近年來(lái)課題組將振動(dòng)力場(chǎng)引入牧草壓縮成型過程中。前期研究表明［37］振動(dòng)能夠加快物料的流動(dòng)，使壓縮過程中產(chǎn)生的熱量在物料內(nèi)部傳導(dǎo)，提高壓縮物料內(nèi)的溫度，降低壓縮力，并顯著改善成品質(zhì)量和穩(wěn)定性。為進(jìn)一步研究牧草壓縮成型過程中的溫度變化，本文結(jié)合前期研究成果設(shè)計(jì)試驗(yàn)，探究成型草塊芯部、邊部溫度變化情況。

1物料與試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)物料

試驗(yàn)選取2023年7月收割于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田的紫花苜蓿，按照試驗(yàn)要求將紫花苜蓿置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)環(huán)境使其充分風(fēng)干，并用牧草粉碎機(jī)粉碎。按照GB/T64352014《飼料中水分的測(cè)定》［8］規(guī)定的方法，測(cè)定物料基礎(chǔ)含水率為5.5%。根據(jù)試驗(yàn)要求，將已粉碎的紫花苜蓿均勻噴淋一定質(zhì)量的純凈水，調(diào)節(jié)試驗(yàn)物料含水率至20%后備用。

1.2試驗(yàn)儀器與設(shè)備

試驗(yàn)在自行研制［9］的生物質(zhì)振動(dòng)壓縮試驗(yàn)臺(tái)上完成，試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示。為測(cè)量壓縮過程中物料溫度變化情況，新制成型模具及喂料裝置如圖2所示，模具內(nèi)徑30mm，長(zhǎng)168mm，側(cè)邊開3mm槽用于布置溫度傳感器。溫度傳感器選用由開普森公司生產(chǎn)的K型熱電偶，型號(hào)KPSTTK36SLE2000CZ。

1.3試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程分為建立壓力和溫度測(cè)量?jī)呻A段。建立壓力：如圖3（a）所示，在成型模具內(nèi)預(yù)置堵頭，并以填料—壓縮交替模式工作，直至堵頭被擠出且最大成型壓力達(dá)到穩(wěn)態(tài)。溫度測(cè)量：如圖3（b）所示，將兩個(gè)K型傳感器自成型模具側(cè)邊槽上端插入草塊芯部、邊部，記錄成型過程草塊溫度變化情況；啟動(dòng)安裝于成型模具下端的激振裝置，以引入振動(dòng)頻率為8Hz的振動(dòng)力場(chǎng)，隨后繼續(xù)進(jìn)行填料—壓縮作業(yè)，直至傳感器隨草塊運(yùn)動(dòng)至成型腔下端出模處。

1.4數(shù)據(jù)采集與處理

K型傳感器完整記錄了壓縮過程草塊邊部、芯部溫度變化，壓桿頂部安裝的HYLF010型壓力傳感器記錄了成型壓力變化；利用OriginPro2021軟件分別統(tǒng)計(jì)出試驗(yàn)組的草塊芯部及邊部的初始溫度和最高溫度，分別取差值算出壓縮過程中芯部溫升、邊部溫升。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4為苜蓿含水率20%、振動(dòng)頻率8Hz、保型時(shí)間20s工況下的首個(gè)壓縮行程，即一次喂料—壓縮作業(yè)的曲線。在壓桿下行階段初期，芯部物料在壓桿的作用下顆粒變形及顆粒間摩擦產(chǎn)生熱量；與模具壁面接觸部分的物料除顆粒變形及顆粒間摩擦生熱外，顆粒與腔壁間摩擦也產(chǎn)生熱量。松散狀的物料轉(zhuǎn)化為具有一定密度的草塊，但由于草塊尚未完全壓實(shí)，顆粒間仍存在較大孔隙，因此邊部、芯部溫度變化均尚不明顯。

隨著壓桿繼續(xù)下行，成型壓力迅速增大至最高值，物料被進(jìn)一步壓實(shí)，草塊顆粒間孔隙被迅速填充，顆粒緊密黏結(jié)并發(fā)生部分嵌合現(xiàn)象［10］。草塊內(nèi)部顆粒間摩擦及形變進(jìn)一步釋放大量的熱，溫度上升至最高點(diǎn)；草塊外部隨著內(nèi)應(yīng)力增大，邊部與成型腔側(cè)壁間的摩擦也進(jìn)一步增強(qiáng)，但由于成型模具比熱容較高，模具吸收較多的熱量，因此草塊邊部溫升較低。

壓桿到達(dá)行程末端后為保型階段，壓桿靜止不動(dòng)，由于苜蓿為黏彈性物料，此時(shí)壓桿上端壓力傳感器測(cè)得的實(shí)際為草塊沿軸向的回彈力。隨著振動(dòng)保型過程的進(jìn)行，草塊內(nèi)部應(yīng)力逐漸釋放，草塊集聚的熱量向外擴(kuò)散，溫度不斷下降。從溫度下降的速度來(lái)看，芯部溫度和邊部溫度下降速率不同，原因可能是草塊的不同部位所處的環(huán)境不同，草塊邊部與模具壁面接觸，在振動(dòng)的作用下，成型的草塊與模具壁面存在摩擦，同時(shí)芯部溫度高，熱量向外傳遞，這些都形成了邊部物料的熱源，因此表現(xiàn)為邊部物料內(nèi)的溫度緩慢下降。

保型結(jié)束后壓桿回程，草塊上端不再受外力作用，草塊向上回彈［1112］，此階段顆粒與顆粒、顆粒與模具間幾乎不再生熱，草塊芯部—草塊邊部—成型腔間形成溫度梯度，顆粒間沿溫度梯度發(fā)生熱傳導(dǎo)，因此芯部溫度顯著下降，而邊部溫度基本維持穩(wěn)定。

圖5為全壓縮過程（即溫度傳感器放入模具至從模具出口取出的整個(gè)過程）溫度、壓力隨時(shí)間的變化曲線。如圖5所示，物料經(jīng)10個(gè)單次壓縮行程后出模。第1～4個(gè)壓縮行程中，每個(gè)壓縮行程結(jié)束后草塊均發(fā)生回彈，并在下一個(gè)壓縮行程中被再次壓實(shí)產(chǎn)生熱量，因此其溫度變化規(guī)律與第1個(gè)壓縮行程一致。但隨著草塊沿成型模具向下運(yùn)動(dòng)，應(yīng)力逐漸釋放，回彈效應(yīng)遞減，每次被壓縮變形的幅值逐漸降低，從pBGqzFTfYn1TdObtnz+oKw==而轉(zhuǎn)化而來(lái)的熱量不斷降低，表現(xiàn)為前4個(gè)溫升值遞減；第5～7個(gè)壓縮行程中，草塊回彈進(jìn)一步減小，壓縮行程產(chǎn)生的熱量與沿徑向溫度梯度散失的熱量相當(dāng)，草塊邊部、芯部溫度維持穩(wěn)定；第8～10個(gè)壓縮行程中，草塊幾乎不再回彈，草塊芯部幾乎不再生熱，草塊邊部與成型腔內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生部分熱量，但大部分被成型腔吸收。隨著草塊熱量沿溫度梯度散失，草塊芯部、邊部溫度均呈緩慢下降趨勢(shì)。

3結(jié)論

本文開展以苜蓿為原料的牧草壓縮試驗(yàn)，并利用OriginPro軟件分析壓縮過程中物料芯部和PM/3aG2uOHfl7mYwmbWTCw==邊部溫度的變化過程，得出以下結(jié)論：

牧草壓縮成型全過程中，在壓桿壓力的作用下，物料首先被壓實(shí)成具有一定密度的草塊，成型塊芯部、邊部溫度均迅速升高，并在壓縮力達(dá)到最大時(shí)溫度達(dá)到最高；當(dāng)壓桿回程時(shí)，成型塊回彈，草塊溫度逐漸下降。依次經(jīng)歷了幾個(gè)壓縮周期后，成型塊芯部、邊部溫度的變化幅度逐漸減小，并達(dá)到短暫的溫度穩(wěn)定期后，隨著成型塊向模具出口繼續(xù)移動(dòng)，溫度緩慢降低。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32060771）

作者簡(jiǎn)介：李若巖（1996—），男，漢族，山西太原人，碩士研究生，研究方向?yàn)椴菰竽翗I(yè)機(jī)械裝備。

*通訊作者：馬彥華（1979—），女，蒙古族，遼寧朝陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)椴菰竽翗I(yè)機(jī)械裝備。