全 文 ：狗尾草压缩特性试验研究
胡彩旗，陈夕尧，张兆玉，黄新平
(青岛农业大学，山东 青岛 266109)
摘 要:目前国内的压捆机生产出的草产品密度还比较低，向高密度发展是一个必然的发展趋势。为此，通过对
狗尾草的高密度压缩试验，研究其压缩过程的基本规律，获得了体积模量与压缩密度、压力与压缩密度及压缩密
度与压缩量之间的变化规律，旨在为压缩设备及压缩工艺的优化提供理论依据。
关键词:高密度;狗尾草;草片;压缩规律
中图分类号:S124 + ． 9 文献标识码:A 文章编号:1003 －188X(2015)03 －0175 －04
0 引言
我国草物料资源丰富，包括天然的和人工种植的
牧草以及农作物残留秸秆等，是一种非常经济实惠的
可再生资源，可作为养殖牲畜的饲料或发电厂的原料
等，具有很高的经济价值。据统计，我国各类非人工
种植的草地面积就达 4 亿 hm2，世界上居第二位。可
见，我国草资源非常丰富，潜在非常巨大的经济效益。
其中，天然草原约有 3． 6 亿 hm2，农耕区山坡和丘陵上
生长的草资源有 0． 9 亿 hm2，滩涂、沼泽草地等约有
0． 12 亿 hm2，它们是我国草物料生产的主要场所，是
我国畜牧业发展的重要生产资源［1］。
据不完全估计，全世界每年可产生近 20 亿 t 的秸
秆，我国年产作物秸秆约 6 亿 t多，占全世界秸秆总产
量的 20% ～ 30%［2］。这些草资源的利用涉及到了整
个农业生态系统中土壤肥力、水土保持、环境安全以
及可再生资源有效利用等可持续发展问题。对草物
料的合理开发利用不但可以实现可观的经济价值，而
且还可以改善人类的生存环境。目前，草物料资源的
开发己引起世界各国的普遍关注，并逐步发展成为可
持续性农业的重要方面［3］。2013 年中央一号文件仍
继续关注“三农”问题，第一次定义了“家庭农场”的工
作模式，激励农民创办家庭农场，这就需要大量的草
产品。
但由于牧草、农作物秸秆等草物料资源都有一个
共同的特点，即在自然堆放状态下比较松散、占用空
间比较大、密度比较小，导致运输费用高同时不便储
收稿日期:2014 － 04 － 01
基金项目:山东省自然科学基金项目(ZＲ2011EEQ014)
作者简介:胡彩旗(1974 －)，女，山东郯城人，副教授，硕士生导师，(E
－ mail)hucaiqi@ 163． com。
藏。所以需要制成草产品，增大草物料的密度，而无
论将这类草物料资源开发成成品还是半成品，一般都
需要中间的“压缩”这一环节［4］。压缩是对松散物料
施以压力，使其体积减小、密度增大。农业纤维物料
属于粘弹性生物物料［5］，其压缩特性必然会对农业纤
维物料的压缩工艺、压缩设备和压缩后产品的质量等
有影响。因此，弄清这些特性对完善压缩理论及压缩
设备的研制、优化尤为重要。本文主要研究压缩的基
本规律，最终为压缩设备及压缩工艺的优化提供理论
依据。
1 试验方案
1． 1 试验装置的设计
物料压缩方式分为闭式压缩和开式压缩两种，且
我国主要以“闭式”压缩为主。压捆室为草物料压缩
试验台的主要工作部件，一般采用厚板焊合结构。压
捆室焊合后，在压缩室全长范围的内侧尺寸偏差不低
于 GB /T1800． 3 － 1998 规定的公差等级 IT16，取正值。
本文根据试验要求，设计了如图 1 所示的压缩装置。
材料为钢材，压缩室的内部截面尺寸设置为 230mm ×
230mm，压缩室的高度为 350mm，活塞杆的材料为 45
钢。为了压缩过程的顺利进行，压板与压缩室内壁留
有 2mm的间隙。
1． 2 试验材料和试验设备
本次试验所用狗尾草皆选自山东青岛(位于北纬
35°东经 119°附近)，且均已晒干，晒干后的狗尾草含
水率在(5 ± 1)%。
本次试验在 WAW31000 型微机控制电液伺服万
能试验机上进行，如图 2 所示。该试验机由中科院长
春科新公司试验仪器研究所开发研制，能提供的最大
试验力为 1 000kN，测量范围 1% ～ 100% F． S，下横梁
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DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.03.043
最大升降速度 v ＞ 200mm /min。该试验机采用的是
YawTEST液压式压力试验机测量控制系统(Ver1． 6)，
具有自动采样数据、自动分析、操作高度智能化等特
点，性能稳定、控制可靠。
1．活塞杆 Ф50mm 2．压板厚 12mm 3．压缩室内壁与压板的间隙 2mm
4．加强筋厚 12mm 5． 230 × 230mm矩形压缩室
图 1 压缩装置示意图
图 2 压缩测试系统
1． 3 试验方法
在试验前，先把狗尾草切成 10cm 左右的草段，称
重所用的仪器为上海良平仪器仪表有限公司生产的
电子天平，型号为 YP3001，最大量程 3kg，精度 0． 1g。
另外，为了尽量减少因每次试验狗尾草排列方式和均
匀度的差异，需要对草段进行充分的搅拌，使其充分
混合，以便试验时草料能均匀排列组合装入压缩装置
中，减少试验误差。
2 试验结果与分析
2． 1 压力与压缩量的关系
压缩特性曲线是以压缩量 s 为自变量、以压缩力
F 为因变量的 F － S 曲线，如图 3 所示。由图 3 可知，
其变化趋势可分为 3 个不同阶段:松散阶段(0 ＜ S ＜
100mm)、过渡阶段(100 ＜ S ＜ 120mm)和压实阶段(S
＞ 120mm)。
1)松散阶段:随着压缩量的增加，压缩狗尾草所
需的压缩力增长比较缓慢，且压缩量与所受的压缩力
近似呈线性关系。该过程主要是以克服狗尾草之间
空隙为主。该阶段可以用较小的压缩力获得较大的
压缩量(压缩密度)。
2)过渡阶段:随着压缩量的增加，施加的压缩力
增长较快，压缩量与压缩力呈非线性关系。这一过程
从以主要克服狗尾草间空隙为主，变为以主要克服狗
尾草本身内部的空隙为主，此过程后狗尾草本身均已
被破坏。
3)压紧阶段:压缩力与压缩量近似呈线性关系。
压缩量稍有增加，压缩力增加非常明显。此阶段狗尾
草内部的空隙基本被克服，增加较大的压缩力其压缩
量变化依然很小。即在压实阶段内，增加压缩力对提
高狗尾草压缩密度的效果很不明显。
图 3 压缩力与位移关系曲线
2． 2 体积模量与压缩密度的关系
1986 年，英国学者 F abo rode 在研究麦秆压缩规
律时，提出了用体积模量 K 来评价被压缩物质的不可
压缩性，其倒数为可压缩性，用压缩系数 β 表示，即
K = 1 /β = － dpdV /V
在压缩过程中由于草物料质量 m不变，则有
dV
V =
d(m/p)
(m/p) =
dρ
ρ
因此，上式可变为
K = dpdρ /ρ
式中 V—物料体积(mm3);
K———体积模量(MPa);
p—压力(MPa);
ρ—压缩密度(kg /m3)。
根据上式得出狗尾草体积模量与压缩密度关系的
方程式，其关系曲线如图 4 所示。
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图 4 体积模量与压缩密度关系曲线
从图 4 可以看出，在松散阶段，狗尾草的压缩密度
比较低，体积模量随压缩密度的增加增长缓慢。狗尾
草在较小压力作用下便可产生较大的变形，即此阶段
狗尾草的可压缩性较好，所以狗尾草的最佳压缩密度
为 200kg /m3左右。在过渡和压实阶段，体积模量与压
缩密度呈幂指函数关系，在这两个阶段随着压缩密度
的增加，体积模量快速增加，说明此阶段狗尾草的可
压缩性越来越差。
2． 3 压力与压缩密度的关系
研究狗尾草压缩特性目的之一就是获得压缩过程
中压力与压缩密度之间的变化规律，以便选择合适的
压缩密度，指导和改进相关压缩设备的设计。由于数
据采集软件直接记录的是压缩力和压缩量及压缩力
与压缩时间之间的数据关系(如图 5、图 6 所示)，为了
分析的方便，需要将压缩量数据变换为相应的压缩密
度，变换后得到物料压缩密度与压缩量关系为
ρ = m / v = 106m /［s(l0 － l)］= 10
6m /［ab(l0 － l)］
式中 m—物料质量(g);
l0— 物料最初高度(mm);
l— 物料压缩量(mm);
a、b— 压缩室横截面的长与宽(mm);
ρ— 物料压缩密度(kg /m3)。
从图 5 可以看出，狗尾草在压缩过程中，当压缩密
度 45 ＜ ρ ＜ 200kg /m3时，压力随压缩密度的增加增长
比较缓慢，即所需施加的压力也比较小，P ＜ 0． 2MPa，
此时狗尾草的体积模量数值也比较小，说明此时狗尾
草有很好的可压缩性;当 200kg /m3 ＜ ρ ＜ 800kg /m3时，
狗尾草所受的压力随压缩密度的增加也迅速增长，说
明此时狗尾草的可压缩性在减弱，所需施加的压力也
比较大，为 0． 2MPa ＜ P ＜ 3． 6MPa;当 ρ ＞ 800 kg /m3时，
压力随压缩密度的增加激增，且呈线性关系，所需施
加的压力也比较大，P ＞ 0． 3MPa。
图 5 压力随压缩密度的关系曲线
2． 4 压缩密度与压缩量的关系
从图 6 可以看出，狗尾草的压缩密度随着压缩量
的增加而不断增加，且压缩密度的增长速率也不断提
高，整条压缩密度与压缩量的关系曲线大致可以分为
3 个阶段:第 1 阶段，压缩量 s ＜ 80mm 时，压缩密度呈
二次抛物线关系增长;第 2 阶段，压缩量 80mm ＜ s ＜
120mm时，压缩密度呈指数关系增长;第 3 阶段，压缩
量 s ＞ 120mm时，压缩密度呈二次抛物线关系增长。
从图 6 可以看出，密度增长速率随压缩量的变化
趋势可以分为两个阶段，缓慢增长阶段和急速增长阶
段。缓慢增长阶段(0 ～ 110mm)，即压缩量百分比小
于 90%，随着压缩量的增加，狗尾草的密度增长速率
相对比较缓慢，且呈线性关系;急速增长阶段(110 ～
120mm)，即压缩量达到 90%以上，随着压缩量的增
加，狗尾草的密度增长速率突然快速增加，且亦呈线
性关系。
图 6 密度增长速率与压缩量的关系曲线图
2． 5 贮存时间对压缩密度的影响
图 7 显示了压缩力和贮存时间对狗尾草压捆密度
的影响。图 7 为狗尾草在不同最大压缩力下所形成的
草捆。统计表明:压缩力和贮存时间对草捆的密度有
显著影响(p ＜ 0． 001)。无论在压缩室还是移出压缩
室，压缩力越大，狗尾草的最高压缩密度越大;同一个
草捆从压缩室移出后密度瞬间骤减，原因是从压缩室
移出草捆要先移除压缩力，致使压实的物料发生反
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弹，体积变大、密度变小;草捆移出后随贮存时间的延
长，密度仍在不断减小，但 20min 后草捆开始变得稳
定，密度也基本不再变化。由此可以认为，20min 后草
捆在恒温状态下会变得稳定。这也说明草片的保型
性能差，要获得高密度的草捆，需要在压捆压缩力未
卸荷时将草捆用绳捆绑打结。
图 7 草捆在 5 种载荷作用下密度随贮存时间的变化
图 8 为狗尾草草片的松弛密度与在压缩室最大压
缩密度的关系曲线图，从图 8 可以看出，它们之间呈线
性关系。
图 8 松弛密度与最大压缩密度的关系曲线图
3 结论
通过大量试验，获得了狗尾草在高压缩力作用下
获得高密度草捆的压缩规律，得到了压缩力随物料压
缩量的变化曲线，大致可以分为 3 个阶段:松散阶段、
过渡阶段和压实阶段。在不一味地追求高压缩密度
的前提下，根据狗尾草的可压缩性，分析得到了狗尾
草的最佳压缩密度为 200kg /m3，并得到了体积模量与
压缩密度、压力与压缩密度及压缩密度与压缩量之间
的变化规律，研究了压缩力与贮存时间对狗尾草草片
密度的影响。统计表明:压缩力和贮存时间对草捆的
密度都有显著的影响(p ＜ 0． 001);草片的保型性能
差，要获得高密度的草捆，需要在压捆压缩力未卸荷
时将草捆用绳捆绑打结。
参考文献:
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Experimental Study on Compression Characteristics of the Foxtail
Hu Caiqi，Chen Xiyao，Zhang Zhaoyu，Huang Xinping
(Qingdao Agricultural University，Qingdao 266109，China)
Abstract:The density of grass production by current balers is still relatively low． And the development of gaining high
density bales is an inevitable trend． In this paper based on the high density compression testing of the foxtail，the basic
law of the compression process is studied． Then gain the variation relationships between the bulk modulus and the densi-
ty，the pressure and the density，the density and the compression displacement are obtained． This will provide theoretical
basis for the compression equipment and the compression process．
Key words:high density;foxtail;grass tablet;compression law
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