全 文 ：提高梯牧草压缩效率的试验分析
王光辉，王德成
(中国农业大学 工学院，北京 100083)
摘 要: 梯牧草是适合北方种植的优质牧草资源，研究这类牧草的压缩加工具有实际意义。压缩加工是有效降
低纤维状生物质资源贮运成本的重要方法，低耗加工工艺能够有效提高工作效率。为此，采用设计不同的梯牧
草含水率和压缩时的活塞最大压缩力的压缩试验，获得试验数据并建立出二元二次回归模型，分析了这两个因
素对压缩比能耗和在压缩腔内草捆最大瞬间密度的影响，得出:最大压缩力不变时，梯牧草含水率为 29 . 0% 时，
压缩比能耗最大;含水率为 49 . 9%时，草块在压缩腔内的最大瞬间密度最高;含水率不变时，最大压缩力 10 . 55
MPa 时，压缩比能耗最大;最大压缩力 20 . 29 MPa 时，草块在压缩腔内的最大瞬间密度最高。这一结论对合理制
定梯牧草及纤维状生物质压缩工艺可起参考作用。
关键词:梯牧草;压缩;生物质;能耗;比能耗
中图分类号:S817. 12 + 4 文献标识码:A 文章编号:1003 －188X(2010)01 －0149 －04
0 引言
梯牧草(Phleum pretense L.)又名猫尾草，其干物
质中有机物质消化率为 58 . 05%，消化能含量为
9. 77MJ /kg，代谢能含量为 8. 19MJ /kg，是一种优质的
牧草资源，适宜在我国北方地区种植。目前，加拿大
和美国生产的梯牧草草捆在日本、韩国和其他亚太国
家广受欢迎，有很高的商品附加值。压缩是牧草贮藏
和运输的一种非常重要的手段。压缩后的牧草占地
面积和运输空间成倍缩小，会直接降低贮藏和运输成
本。压缩过程是草块成型中消耗机械能的过程，掌握
压缩中提高效率的影响因素具有实际意义。
草块压缩成型的过程中消耗的能量，一方面使草
块成型，另一方面则是用来克服草块与压缩腔内壁面
的摩擦。Mewes［1］给出了一个理论分析方法和一些代
表性的数值［2］，验证了在全部能量消耗中只有 38%是
用来纯粹压缩草块成型的，而其它则全部用来克服摩
擦阻力。
能量消耗是判定压缩设备优劣的一项重要指标，
在试验过程中通常采用比能耗来进行分析。比能耗
(specific energy) ，就是指单位质量的纤维状生物质物
收稿日期:2009 － 07 － 24
基金项目:国家“十一五”科技支撑计划项目(2006BAD11A09) ;国家
留学基金委资助项目(流金出［2006］3037)
作者简介:王光辉(1974 －) ，男，呼和浩特人，博士，(E － mail)guang-
huichn@ gmail. com。
通讯作者:王德成(1965 －) ，男，吉林吉林人，教授，博士生导师，(E
－ mail)wdc@ cau. edu. cn。
料在压缩成型后，所需要消耗的能量。目前，压缩工
程中的比能耗一般通过计算压缩特性图形围成的面
积来完成。Faborode 和 O＇Callaghan［3］提出通过计算压
缩曲线所围成的面积能够很好地反映出压缩比能耗。
牧草在压缩中反映了草捆的粘弹特性，压缩过程
中，活塞达到最大压缩力时，草块形成的密度称为瞬
间最大密度。之后活塞回退，草块反弹，密度降低，最
终成型后的草捆密度要小于其在压缩腔内的草块密
度。因此，合理的最大瞬间密度能够使草捆达到合理
的成型密度，同时缩短活塞推进的行程，进而提高压
缩效率。
目前，国内关于压缩能耗的研究还非常鲜见，通
过本试验对上述两个重要的压缩性能指标进行分析，
找出影响梯牧草压缩能量消耗和提高效率的因素，为
压缩装备设计提供参考，也为其它纤维状生物质原料
的饲料化、能源化和工业化利用提供借鉴。
1 材料与方法
1. 1 试验仪器
1. 1. 1 执行机构
梯牧草的压缩动力由与前述相同的万能测试机
(MFL Type BPPs 5000， Industriestrasse 4， 8224
L o··hningen，Schweiz － Switzerland)提供。
压缩试验在一端封闭的腔体内完成。其中，压缩
腔是自行设计的横界面为正方形的长方体箱体，内径
尺寸为:127mm × 127mm × 380mm。腔体材料采用厚
度为 6mm的热轧钢板，焊接前内侧做表面抛光处理，
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减小压缩过程中壁面摩擦影响。腔体的底部为可拆
装的底板，与腔体通过法兰相连，便于压缩后的卸料。
压缩活塞由 5 片厚度为 25. 4mm，长度为 380mm 的木
板粘接而成，这样确保压缩时活塞的稳定性;同时在
与牧草接触一面加装相同截面 5 mm 厚的钢板，防止
压力过大后木质活塞头部发生变形。
1. 1. 2 传感器
1)压力。活塞顶部放置 1 个压力传感器(Strain-
sert 公司，West Conshohocken，PA，USA) ，最大量程为
50 kN。
2)位移。在试验中，通过记录活塞位移变化情
况，从而换算出活塞运动中草块密度的变化和活塞的
前进速度。这一过程由安装的位移传感器(LVDT，
Penny＆Giles Controls ltd.，Christchurch，GB)来完成，
最大量程为 300mm。
1. 1. 3 监控和数据记录
监控部分由万能测试机自带的调节装置和计算
机监测系统两部分组成。
计算机监测主要完成数据的采集和记录。压力
传感器和位移传感器采集的信号由数据采集器记录
(National Instruments SCXI － DATA Acquisition Sys-
tem) ，每 0. 5s 采集 1 次，并直接转换成 Excel 文件格
式实时记录。数据的变化通过虚拟仪器(LabVIEW
Professional Development System 8. National Instruments)
直接显示在计算机屏幕上，完成实时监测。
不同的活塞运动速度即压缩速度，是通过手工调
节控油阀实现。
1. 2 试验原料
采集到的梯牧草经过水分测定，显示其含水率为
9. 5%。为试验不同含水率对压力分布是否有影响，
将含水率调质为:保持原含水率为 15%，21%，28%。
采用人工增湿的方法，对低含水率的梯牧草进行增湿
和水分调解处理。
本试验还根据压缩腔的容积，利用初步估计的梯
牧草未受压下堆积密度为 0. 09 t /m3，确定每次填料
量为 600g。这样，在每次装料前均初测物料的质量，
并待每个试验完成后，由天平精确测量物料质量，再
结合形成草捆的体积，计算密度。
1. 3 能量消耗的试验方法
根据经验研究，压缩曲线围成的图形面积很好地
表达了压缩过程中的能耗［4 － 5］。图 1 给出了用来计算
分析压缩比能耗的压缩曲线。图 1 中，x 轴是活塞推
进时抵抗牧草阻力产生的压力，y 轴为牧草在压缩瞬
间在压缩腔内的比容。这里通过计算 x 和 y 轴以及比
容—压力曲线围成的面积，可以得到压缩过程中所消
耗的能量。
图 1 压缩比能耗的压缩曲线图
Fig. 1 The compression curve to show the specific energy
1. 4 数据分析与模型建立
本研究中的各个试验均做 3 次重复，生成的相关
试验数据，建立二元二次模型，即
Y = b0 + b1 × M + b2 × P + b11 × M
2 + b22 × P
2
(1)
式中 Y—因变量;
M—含水率;
P—压缩过程中产生的最大压缩力;
b0，b1，b2，b11，b22—模型参数。
与 Jha 等人的研究不同［6］，由于交叉项对因变量
的影响很不显著(P > 0. 3) ，本文在建模过程中，取消
了交叉项。模型的建立和分析过程，由统计软件
EViews(EViews 5，Quantitative Micro Software，LLC)来
完成。
2 结果与讨论
2. 1 梯牧草含水率
试验中，从调质后不同含水率的原料中任意抽取
一定的样品，测定含水率。每个样品取 2 组，测定后
取平均值，如表 1 所示。
表 1 压缩试验梯牧草样品含水率
Tab. 1 The moisture contents of experimental material
样品编号 1 2 3 4
含水率 / % 9. 5 17. 5 23. 5 31. 0
2. 2 成型草块密度
将不同含水率和最大压缩力进行组合，并在每一
条件下做 3 次重复后，共完成 48 组试验。从压缩腔
内取出的成型草块在静置 120s 后测量反弹后草块的
高度，并重新称重。根据已有箱体的截面尺寸计算出
松弛相等时间后草块的密度，结果如表 2 所示。
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表 2 压缩成型草块密度
Tab. 2 The average density of the bales
平均密度 / g·cm －3 标准差 / g·cm －3 变异系数
0. 627 0. 064 0. 103
2. 3 比能耗回归模型
通过对不同含水率和最大压缩力的组合试验，得
到与图 1 相似的不同压缩曲线图。通过图解法计算
出每次压缩所需能耗。计算结果显示，梯牧草压缩的
比能耗范围为 3. 92 ～ 7. 70MJ / t。
采用 EViews分析，得出由式(1)确定的比能耗参
数，如表 3 所示。对应系数带入式(1) ，得到比能耗与
最大压缩力和含水率的回归模型，即
E = － 15 . 152 31 － 0 . 348 515M + 4 . 697 83P +
0 . 006 01M2 － 0 . 222 593P2 (2)
式中 E—压缩比能耗;
R2—0. 78。
表 3 比能耗回归模型系数统计分析表
Tab. 3 The coefficient of instant maximum density
变量 系数 系数值 标准误差 t －检验 p值
C b0 － 15. 152 310 8. 991 557 － 1. 685 171 0. 102 0
M b1 － 0. 348 515 0. 067 131 － 5. 191 602 0. 000 0
P b2 4. 697 830 1. 897 579 2. 475 697 0. 019 0
M2 b11 0. 006 010 0. 001 739 3. 455 579 0. 001 6
P2 b22 － 0. 222 593 0. 097 902 － 2. 2736 29 0. 030 1
从表 3 中能够看出，含水率 M 和最大压缩力值 P
的一次项和二次项系数的 p 值(显著性水平)很小，含
水率对比能耗的影响均极其显著(p < 0. 01) ，最大压缩
力对比能耗的影响显著(p < 0. 05)。通过该模型可以
分析出，含水率的变化和施加不同的最大压缩力均显
著影响着梯牧草的压缩比能耗。
2. 3. 1 含水率对比能耗的影响
在最大压缩力值不变的条件下，由式(2)可以看
出，含水率达到某点时 E 有最小值。取对含水率的一
阶偏导数，并令其值为 0，即
E
M
= 0 . 348 515 + 0 . 012 02M = 0
得出 M = 29. 0，即含水率为 29. 0%时，比能耗达
到最小值。
此时，由 M2 的系数能够看出，比能耗受含水率影
响的趋势虽然呈下凹的抛物线状，但是相对较小的二
次项系数表明，其下降和上升趋势非常平缓。然而，
由 p < 0. 01 能够分析出，含水率的变化极其显著地影
响着压缩比能耗。此时，含水率在压缩过程中起主导
的作用应该是，改变了草段和压缩腔壁面的摩擦阻
力，高含水率草段表面的水分也较高，水分成为了润
滑剂，也促使压缩过程中比能耗的降低。同时，相比
低含水率，较高的含水率减弱了牧草茎秆的抗屈服能
力，也使草段更容易被压裂。而且有学者也通过试验
分析出［4］，当秸秆含水率高于 35%时，直接压制出有
粘着性草片的可能性很低，当压制后的秸秆从压模中
取出后，会快速膨胀至未被压缩时的状态。因此，在
一定范围内(含水率不超过 28%)尽量提高待加工梯
牧草的含水率能够有效降低压缩过程的能量消耗。
2. 3. 2 最大压缩力对比能耗的影响
由表 2 看出，压缩力的变化同样影响着压缩比能
耗。在含水率相对稳定的条件下，由式(2)同样可以
分析出，最大压缩力达到某值时 E 有最大值。取对最
大压缩力的一阶偏导数，并令其值为 0 后得
E
P
= 4 . 697 83 － 0 . 445 186P = 0
经过计算可得出，P = 10. 55，即最大压缩力达到
10. 55MPa 时，比能耗达到最大值。从二次模型中可
以看出，压缩力远离 10. 55MPa 后，压缩单位质量的梯
牧草所需的能量将呈下降趋势。而目前实际在工业
中应用的草捆压制机，其最大压缩力一般大于
12MPa。所以，在结合草捆合理密度的情况下，尽量提
高最大压缩力将能有效降低压缩能耗。
2. 4 瞬间最大密度回归模型
同样采用 EViews 软件分析出梯牧草压缩时瞬间
最大密度与含水率和最大压缩力之间的关系，得出如
下关系式
Di = － 5. 520 38 + 0. 095 521M + 1. 168 676P －
0. 001 916M2 － 0. 057 6P2 (3)
式中 Di—最大压缩力下的瞬间最大密度;
R2 = 0. 68。
瞬间最大密度模型系数统计分析表如表 4 所示。
表 4 瞬间最大密度模型系数统计分析表
Tab. 4 The coefficient of instant maximum density
变量 系数 系数值 标准误差 t －检验 p值
C b0 － 5. 520 380 2. 937 698 － 1. 879 152 0. 069 7
M b1 0. 095 521 0. 021 933 4. 355 183 0. 000 1
P b2 1. 168 676 0. 619 972 1. 885 046 0. 068 8
M2 b11 － 0. 001 916 0. 000 568 － 3. 372 253 0. 002 0
P2 b22 － 0. 057 600 0. 031 986 － 1. 800 768 0. 081 5
其中，含水率 M和最大压缩力值 P 的一次项和二
次项系数的 p 值显示，含水率对比能耗的影响均极其
显著(p < 0. 01) ，最大压缩力对比能耗的影响显著性
一般(0. 05 < p < 0. 1)。即梯牧草压缩过程中，不同含
水率和施加不同的最大压缩力均对梯牧草压缩形成
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的瞬间最大密度有影响，而且含水率的影响要显著于
高于最大压缩力的影响。
2. 4. 1 含水率对瞬间最大密度的影响
由式(3)可以看出，最大压缩力值相对固定的条
件下，含水率达到某点时 Di 有最大值。取对含水率
的一阶偏导数，并令其值为 0 后得
Di
M
= 0 . 095 521 － 0 . 001 916M = 0
得出，M = 49. 9，即含水率为 49. 9%时，瞬即最大
密度达到最大值。而从一次项系数和二次项系数的
比较来看，二次项系数远远小于一次项系数。因此，
在含水率低于 49. 9%时，可以认为含水率和草块瞬间
最大密度呈单调递增关系。即在最大压缩力不变的
情况下，随着含水率的增高，在压缩腔内成型草块的
瞬间最大密度增大。在实际应用中，对于干草压缩加
工，其含水率会远低于 49. 9%。因此，在压缩力不变
的条件下，压制草捆时，较高的牧草含水率能够形成
更高的瞬间最大密度草捆。
2. 4. 2 最大压缩力对瞬间最大密度的影响
同样由式(3)也可以分析出，含水率不变的条件
下，最大压缩力值达到某点时 E 有最大值。取对最大
压缩力的一阶偏导数，并令其值为 0，即
Di
P
= 1 . 168 676 － 0 . 057 6P = 0
得出，P = 20. 29，即最大压缩力达到 20. 29 MPa
时，瞬间最大密度可达最大值。经过前面分析已知，
最大压缩力大于 10. 55 MPa 后，压缩比能耗呈下降趋
势。增大压力的同时，比能耗降低，而且瞬间最大密
度增大。这样，在梯牧草压缩过程中，可以根据不同
的工艺要求设置达到的最大压缩力。
3 结论
1)含水率对梯牧草的压缩比能耗和形成最大瞬
间密度有着极其显著的影响，在含水率小于 29. 0%
时，随着含水率的增大，梯牧草压缩比能耗降低，并在
29. 0%时达到最小值;含水率 49. 0%以内时，随着含
水率升高，草捆在压缩腔内的最大瞬间密度增大。此
时，可以结合实际生产，根据梯牧草的饲草化利用或
者能源化利用的不同方向，将含水率调制到尽可能的
范围进行节能生产。
2)压缩腔内活塞的最大压缩力对压缩比能耗和
形成最大瞬间密度有影响，但是其影响程度低于含水
率的影响。活塞的最大压缩力达到 10. 55MPa 时，梯
牧草压缩的比能耗达到最高值，并且在 20. 29MPa 时，
压缩腔内草捆的瞬间最大密度达到最大值。
在现阶段的纤维状生物质压缩工艺中，降低能耗
是一个关键环节，而完全量化这一环节，应根据压缩
的目的，进行更加综合的分析。本文从原料的物理性
质和设备的工艺要求进行了分析研究，旨在对指导工
程应用起参考作用。
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2008，99:205 － 210. (下转第 162 页)
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Experimental Research of Electrostatic Twin － fluid Nozzle
Spray Field Testing
Wu Chundua，Jiang Chaofenga，Zhang Bob，Du Yanshengb
(a. Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology，Ministry of Education and Jiangsu Province Col-
lege of Agricultural Engineering;b. College of Environment，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)
Abstract:using the OLID measuring system，the electrostatic twin － fluid nozzle spray field was tested at different char-
ging voltage and air pressure. The results of droplet diameter and velocity distributions were tested and analyzed . The test
results indicate that under the influences of air pressure force and electrostatic force，the droplet diameter and velocity are
more bigger in the center than in the edge. And the distributions are very symmetrical in the entire spray field. The air
pressure is the main factor related to the droplet diameter. The higher the pressure of the nozzle is，the smaller the elec-
trostatic droplet diameter is. Under high air pressure，The droplet diameter distributions gets to be more uniform. With the
increase of charging voltage，the droplet diameter reduces while the droplet velocity increases;At high voltage，droplet
diameter and velocity distributions both tends to be uniform in the radial direction.
Key words:OLID;electrostatic twin － fluid spray;droplet diameter;droplet velocity.
(上接第 152 页)
Abstract ID:1003 －188X(2010)01 －0149 － EA
The Factors of Improving the Compress
Efficiency of Timothy Hay when Compressed to Bales
Wang Guanghui，Wang Decheng
(College of Engineering，China Agricultural University，Beijing 100083，China)
Abstract:Timothy grass is one of the good feeding resources and fit to be planted in north part of China. Compress tech-
nology is an efficient way to reduce the cost of storage and transportation in fibrous biomass processing. So it has the
practical meaning to research on this kind of technology. Low energy consumption technology can improve the processing
efficiency. In this paper，a set of experiments were designed in terms of different moisture contents and the maximum
compress pressures in the chamber. And the binary quadratic regression models were founded to further analyze the fac-
tors of improving the compress efficiency according to the experimental data. It was concluded that the moisture content
has a significant effect on the specific energy and maximum density in the chamber. The specific energy reached to the
peak value when moisture content is 29. 0% and the maximum density in the chamber went to the highest when moisture
content is 49. 9% if the maximum compress pressure was constant. If the moisture was constant，the specific energy and
maximum density reached when the maximum compress pressure went to 10. 55 and 20. 29 MPa，respectively. These re-
sults will be benefit to make the high efficient compress technology to compress the timothy hay and other fibrous bio-
mass.
Key words:compress;biomass;energy consumption;specific energy
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