0、 引言
我國草物料資源豐富，包括天然的和人工種植的牧草以及農作物殘留秸稈等，是一種非常經濟實惠的可再生資源，可作為養殖牲畜的飼料或發電廠的原料等，具有很高的經濟價值。據統計，我國各類非人工種植的草地面積就達 4 億 hm2，世界上居第二位?？梢?，我國草資源非常豐富，潛在非常巨大的經濟效益。
其中，天然草原約有 3． 6 億 hm2，農耕區山坡和丘陵上生長的草資源有 0． 9 億 hm2，灘涂、沼澤草地等約有0． 12 億 hm2，它們是我國草物料生產的主要場所，是我國畜牧業發展的重要生產資源。
據不完全估計，全世界每年可產生近 20 億 t 的秸稈，我國年產作物秸稈約 6 億 t 多，占全世界秸稈總產量的 20% ～ 30%。這些草資源的利用涉及到了整個農業生態系統中土壤肥力、水土保持、環境安全以及可再生資源有效利用等可持續發展問題。對草物料的合理開發利用不但可以實現可觀的經濟價值，而且還可以改善人類的生存環境。目前，草物料資源的開發己引起世界各國的普遍關注，并逐步發展成為可持續性農業的重要方面。2013 年中央一號文件仍繼續關注“三農”問題，第一次定義了“家庭農場”的工作模式，激勵農民創辦家庭農場，這就需要大量的草產品。
但由于牧草、農作物秸稈等草物料資源都有一個共同的特點，即在自然堆放狀態下比較松散、占用空間比較大、密度比較小，導致運輸費用高同時不便儲藏。所以需要制成草產品，增大草物料的密度，而無論將這類草物料資源開發成成品還是半成品，一般都需要中間的“壓縮”這一環節。壓縮是對松散物料施以壓力，使其體積減小、密度增大。農業纖維物料屬于粘彈性生物物料，其壓縮特性必然會對農業纖維物料的壓縮工藝、壓縮設備和壓縮后產品的質量等有影響。因此，弄清這些特性對完善壓縮理論及壓縮設備的研制、優化尤為重要。本文主要研究壓縮的基本規律，最終為壓縮設備及壓縮工藝的優化提供理論依據。
1、 試驗方案
1． 1 試驗裝置的設計
物料壓縮方式分為閉式壓縮和開式壓縮兩種，且我國主要以“閉式”壓縮為主。壓捆室為草物料壓縮試驗臺的主要工作部件，一般采用厚板焊合結構。壓捆室焊合后，在壓縮室全長范圍的內側尺寸偏差不低于 GB/T1800． 3 －1998 規定的公差等級 IT16，取正值。
本文根據試驗要求，設計了如圖 1 所示的壓縮裝置。材料為鋼材，壓縮室的內部截面尺寸設置為 230mm ×230mm，壓縮室的高度為 350mm，活塞桿的材料為 45鋼。為了壓縮過程的順利進行，壓板與壓縮室內壁留有 2mm 的間隙。
1． 2 試驗材料和試驗設備
本次試驗所用狗尾草皆選自山東青島\\(位于北緯35°東經 119°附近\\) ，且均已曬干，曬干后的狗尾草含水率在\\(5 ±1\\)% 。
本次試驗在 WAW31000 型微機控制電液伺服萬能試驗機上進行，如圖 2 所示。該試驗機由中科院長春科新公司試驗儀器研究所開發研制，能提供的最大試驗力為 1 000kN，測量范圍 1% ～ 100% F． S，下橫梁最大升降速度 v ＞ 200mm/min。該試驗機采用的是YawTEST 液壓式壓力試驗機測量控制系統\\( Ver1． 6\\)，具有自動采樣數據、自動分析、操作高度智能化等特點，性能穩定、控制可靠。
1． 3 試驗方法
在試驗前，先把狗尾草切成 10cm 左右的草段，稱重所用的儀器為上海良平儀器儀表有限公司生產的電子天平，型號為 YP3001，最大量程 3kg，精度 0． 1g。
另外，為了盡量減少因每次試驗狗尾草排列方式和均勻度的差異，需要對草段進行充分的攪拌，使其充分混合，以便試驗時草料能均勻排列組合裝入壓縮裝置中，減少試驗誤差。
2、 試驗結果與分析
2． 1 壓力與壓縮量的關系
壓縮特性曲線是以壓縮量 s 為自變量、以壓縮力F 為因變量的 F － S 曲線，如圖 3 所示。由圖 3 可知，其變化趨勢可分為 3 個不同階段:松散階段\\(0 ＜ S ＜100mm\\) 、過渡階段\\(100 ＜ S ＜ 120mm\\) 和壓實階段\\( S＞ 120mm\\)。
1\\)松散階段:隨著壓縮量的增加，壓縮狗尾草所需的壓縮力增長比較緩慢，且壓縮量與所受的壓縮力近似呈線性關系。該過程主要是以克服狗尾草之間空隙為主。該階段可以用較小的壓縮力獲得較大的壓縮量\\(壓縮密度\\)。
2\\) 過渡階段:隨著壓縮量的增加，施加的壓縮力增長較快，壓縮量與壓縮力呈非線性關系。這一過程從以主要克服狗尾草間空隙為主，變為以主要克服狗尾草本身內部的空隙為主，此過程后狗尾草本身均已被破壞。
3\\) 壓緊階段:壓縮力與壓縮量近似呈線性關系。
壓縮量稍有增加，壓縮力增加非常明顯。此階段狗尾草內部的空隙基本被克服，增加較大的壓縮力其壓縮量變化依然很小。即在壓實階段內，增加壓縮力對提高狗尾草壓縮密度的效果很不明顯。
2． 2 體積模量與壓縮密度的關系
1986 年，英國學者 F abo rode 在研究麥稈壓縮規律時，提出了用體積模量 K 來評價被壓縮物質的不可壓縮性，其倒數為可壓縮性，用壓縮系數β 表示，即
根據上式得出狗尾草體積模量與壓縮密度關系的方程式，其關系曲線如圖 4 所示。
從圖4 可以看出，在松散階段，狗尾草的壓縮密度比較低，體積模量隨壓縮密度的增加增長緩慢。狗尾草在較小壓力作用下便可產生較大的變形，即此階段狗尾草的可壓縮性較好，所以狗尾草的最佳壓縮密度為 200kg/m3左右。在過渡和壓實階段，體積模量與壓縮密度呈冪指函數關系，在這兩個階段隨著壓縮密度的增加，體積模量快速增加，說明此階段狗尾草的可壓縮性越來越差。
2． 3 壓力與壓縮密度的關系
研究狗尾草壓縮特性目的之一就是獲得壓縮過程中壓力與壓縮密度之間的變化規律，以便選擇合適的壓縮密度，指導和改進相關壓縮設備的設計。由于數據采集軟件直接記錄的是壓縮力和壓縮量及壓縮力與壓縮時間之間的數據關系\\(如圖 5、圖 6 所示\\)，為了分析的方便，需要將壓縮量數據變換為相應的壓縮密度，變換后得到物料壓縮密度與壓縮量關系為
從圖5 可以看出，狗尾草在壓縮過程中，當壓縮密度 45 ＜ ρ ＜ 200kg/m3時，壓力隨壓縮密度的增加增長比較緩慢，即所需施加的壓力也比較小，P ＜ 0． 2MPa，此時狗尾草的體積模量數值也比較小，說明此時狗尾草有很好的可壓縮性;當 200kg/m3＜ ρ ＜ 800kg / m3時，狗尾草所受的壓力隨壓縮密度的增加也迅速增長，說明此時狗尾草的可壓縮性在減弱，所需施加的壓力也比較大，為0． 2MPa ＜ P ＜3． 6MPa;當ρ ＞ 800 kg / m3時，壓力隨壓縮密度的增加激增，且呈線性關系，所需施加的壓力也比較大，P ＞0． 3MPa。
2． 4 壓縮密度與壓縮量的關系
從圖 6 可以看出，狗尾草的壓縮密度隨著壓縮量的增加而不斷增加，且壓縮密度的增長速率也不斷提高，整條壓縮密度與壓縮量的關系曲線大致可以分為3 個階段:第 1 階段，壓縮量 s ＜ 80mm 時，壓縮密度呈二次拋物線關系增長;第 2 階段，壓縮量 80mm ＜ s ＜120mm 時，壓縮密度呈指數關系增長;第 3 階段，壓縮量 s ＞120mm 時，壓縮密度呈二次拋物線關系增長。
從圖 6 可以看出，密度增長速率隨壓縮量的變化趨勢可以分為兩個階段，緩慢增長階段和急速增長階段。緩慢增長階段\\(0 ～ 110mm\\)，即壓縮量百分比小于 90% ，隨著壓縮量的增加，狗尾草的密度增長速率相對比較緩慢，且呈線性關系;急速增長階段\\(110 ～120mm\\)，即壓縮量達到 90% 以上，隨著壓縮量的增加，狗尾草的密度增長速率突然快速增加，且亦呈線性關系。
2． 5 貯存時間對壓縮密度的影響
圖 7 顯示了壓縮力和貯存時間對狗尾草壓捆密度的影響。圖7 為狗尾草在不同最大壓縮力下所形成的草捆。統計表明:壓縮力和貯存時間對草捆的密度有顯著影響\\(p ＜ 0． 001\\)。無論在壓縮室還是移出壓縮室，壓縮力越大，狗尾草的最高壓縮密度越大;同一個草捆從壓縮室移出后密度瞬間驟減，原因是從壓縮室移出草捆要先移除壓縮力，致使壓實的物料發生反彈，體積變大、密度變小;草捆移出后隨貯存時間的延長，密度仍在不斷減小，但 20min 后草捆開始變得穩定，密度也基本不再變化。由此可以認為，20min 后草捆在恒溫狀態下會變得穩定。這也說明草片的保型性能差，要獲得高密度的草捆，需要在壓捆壓縮力未卸荷時將草捆用繩捆綁打結。
圖 8 為狗尾草草片的松弛密度與在壓縮室最大壓縮密度的關系曲線圖，從圖 8 可以看出，它們之間呈線性關系。
3、 結論
通過大量試驗，獲得了狗尾草在高壓縮力作用下獲得高密度草捆的壓縮規律，得到了壓縮力隨物料壓縮量的變化曲線，大致可以分為 3 個階段:松散階段、過渡階段和壓實階段。在不一味地追求高壓縮密度的前提下，根據狗尾草的可壓縮性，分析得到了狗尾草的最佳壓縮密度為 200kg/m3，并得到了體積模量與壓縮密度、壓力與壓縮密度及壓縮密度與壓縮量之間的變化規律，研究了壓縮力與貯存時間對狗尾草草片密度的影響。統計表明:壓縮力和貯存時間對草捆的密度都有顯著的影響\\(p ＜ 0． 001\\);草片的保型性能差，要獲得高密度的草捆，需要在壓捆壓縮力未卸荷時將草捆用繩捆綁打結。
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