芒草是一种可再生的生物质原料，可以用于生产生物质能源和其他生物制品。
为了促进芒草的种植和产量，研究人员一直致力于寻找改善芒草生长的方法，机械加工是一种流行的方法，可以改善植物的生长和生理状况。
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在能源需求不断增加、化石燃料减少的世界上，需要可再生、可持续的能源形式。
生物质和生物燃料是一种流行的、低排放的解决即将到来的能源短缺问题的方法，美国能源部已规定到2022年，每年使用的生物燃料量将至少达到1360亿升。
为了实现这一目标，需要更有效的提供生物质到生物炼厂的方法，生物燃料是一种有前途的能源来源，但在有效采用之前，它们也存在一些需要解决的缺陷。
生物质可以被定义为植物来源的有机物质，包括草本和木本能源作物、农业食品和饲料作物以及农业或木材废弃物和残留物。
巨大芒（Miscanthus x giganteus）是一种无性C4草本植物，由于其能在边缘土地上生长并仍具有高产量而被用作专用能源作物。
巨大芒最高可长到3.5米高，每年产量达5至55兆克/公顷，虽然高产量是有益的，但作物结构会对许多传统收割设备产生问题。
特别是需要将巨大芒转化为可轻松运输和存储的捆形式，茎的刚度和长度使得传统捆扎机的拾取头很难将作物提升到压缩腔，并制作出足够密度的捆绑绳。
为了缓解巨大芒的采摘问题，可以实施各种类型的加工系统来分解作物并使其更易于捆扎。
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在这个环境下，加工指的是通过一些机械手段（例如：通过钢辊或用钢锤敲击作物）打破和削弱作物茎。
理论上，通过加工弱化作物，它将变得更易于处理和捆扎，这意味着巨大芒可能可以更快地收割、更密集地捆扎并在更小的空间内存储。
通过这样做，从田野到炼油厂的巨大芒的总成本可以降低，这是生物燃料行业增长所需的优先条件。
作物的加工最初是为了帮助干草的干燥过程而开发的，通过加工，可以在植物的茎部和叶子中实现相同的干燥速率。
机械加工系统分为叶片式或辊形式的加工装置，辊形式的加工装置由两个辊组成，将作物压在它们之间以打破茎。
其中一卷通常具有比较粗的锯齿形状，另一卷的锯齿形状则是比较细窄，以在通过辊时保持作物的保持，这些辊可以由钢、聚氨酯或耐用橡胶制成。
其他类型的辊式加工器包含安装在辊上的相互锁定的桨叶，用于将作物拉过并压缩茎，锤形加工机使用金属锤击打已被割草的作物茎以打破茎。
当作物经过锤子时，它也会与进料罩摩擦，磨损茎的表面，使水分更容易逃逸，现场研究证明，机械加工可以增加密实度。
能源作物在美国东北部秋季的第一次收割，为了保持土壤养分，通常发生在2月和3月，在割草时，巨大芒的含水量应该已经达到可接受的水分含量，以执行其余的收割操作。
对于巨大芒，进行加工仍然很重要，原因不仅仅是进一步干燥，巨大芒经过加工后，茎杆会变短并在作物茎上产生裂口。
因此，在后续操作中进行加工会使其更容易处理，经过加工后，茎杆可以更容易地被捆扎叉子捡起，并且可以比未经加工的巨大芒更容易压缩。
芒属植物是从伊利诺伊州伊士顿之外的田地采集的，该田地于2009年5月以UIUC草坪农场的芒属植物克隆体建立。
该田地中的作物是两年生长积累而成的，并且田地密度各不相同，通过在1平方米区域里将作物剪下离地面6寸（15厘米）的样本，从田地中随机取样。
剪切高度代表了机器割断作物的高度，随机的样本允许精确地近似估计田间密度和作物长度的变化。
样品收集于2015年，然后被带回宾夕法尼亚州立大学并存放在冷库中，为了模拟最接近二三月的收获条件，作物在处理之前直接从冷库中取出。
冷库保持在4°C，接近实际的田间条件，有助于在实验之间存储时减少作物的水分流失，对于长期存储，作物存放在<-20°C的冰箱中，以最小化作物的水分流失和质量变化。
在整个实验过程中，每天对代表样品进行干燥处理并称重观测作物的水分含量。
研究试验包括将miscanthus（芒属植物）通过图片所示的调质表采用各种设置和条件处理。
调质台由两个封闭的钢压卷驱动液压马达和链传动器，扭矩传感器和速度传感器耦合在电机的输出轴和链传动器之间，以跟踪表的机械性能。
扭矩和速度每毫秒都会被数据记录器记录下来，这两个调理辊具有不同的直径和桨叶数，需要独立的辊速以避免干扰。
这是通过使用从同一传动轴上驱动的不同链轮实现的，表的输入端还有可调节的导向器，以在通过辊时维持作物束形状。
调质台的规格可以在下面的表格中找到，这次测试的一个目标是观察辊间距对作物调理的影响以及每个距离设置的通过量的限制。
因此，辊被安装在槽中，以允许调节距离，与使用弹簧张力将辊固定在一起的传统调质机不同，一旦设置，这些辊的间距在测试期间就是固定的。
测试的三个变量是辊间距、辊速和通过辊的作物束大小，所监测的响应变量是驱动轴上的扭矩和作物的调理效果。
调质的有效性通过几种方式来量化，首先，测量了从供给到辊的总作物中调理出的作物重量，并计算了一个调理重量百分比。
其次，测量了从总节间数供给到辊中调理出的节间数，以计算节间数调理百分比。
最后，比较了机器输出的长度大于3英寸（7.62厘米）的作物碎片数与输入的茎数，以计算碎片比率。
调理后，长度小于3英寸（7.62厘米）的碎片被视为无法收获的材料或质量损失，将留在田间，碎片比率的定义如下：
在实验之前，调理辊能够处理的最大束大小是未知的，从这两个辊的理论最大值是在最大速度和最大间距下设定时，为25茎束。
因此，在每个处理中，从一茎开始，每五茎逐步增加束大小，直到在每个间距和速度下，作物无法被喂入。
上表总结了实验室测试所使用的所有因素水平，下图则显示了处理组合，辊的速度是在液压马达之前使用流量控制阀进行控制的。
流量被计量到所需的驱动轴转速250 rpm和500 rpm，并且这也是辊的速度，在这些速度下，标记了流量控制阀的位置以保证重复性。
<<——【·最小化的作用·】——>>
为了最小化由于无必要地改变速度和间距而产生的误差，每个间距的所有测试都在一个设置中进行。
一旦将间距设置在所需水平上，就会选择第一个速度，然后，设置出与每个处理所需的茎数匹配的束状作物。
在将作物馈入机器之前，测量每束的周长、茎重和节间数，然后对从机器中出来的作物碎片进行排序、计数、称重和清理，以便能够运行下一束。
图片中所展示的就是从田间采集到的作物的样品和条件化后的作物样品，每个束大小需要进行三次复制，并以相同的速度和间距运行束，直到作物卡在辊中。
此时会选择下一个速度，并重复这个过程，通过将所有间距设置下的处理全部进行一次，可以最小化由于不断调整辊的间距而产生的误差。
用于测试的作物在每天测试结束时立即放回冷库，以最小化夏季天气的湿度损失。
之后对收集到经过条件化的作物样品进行ANOVA测试和分析。
该分析比较了不同处理的结果，并确定与处理变量相关的主要效应和交互效应，以及最优处理的最佳组合。
根据实验结果，各种速度和间距组合对作物调理效果和产量都有影响。
由于生物材料的可变性，实验人员从分析辊间距、辊速和束大小对调质质量和所需扭矩的影响的显著性。
碎片比率是用于比较调质作物质量的度量标准，因为它消除了主观的人类判断，并提供了一个在不同测试场景之间容易比较的数字。
以前的研究表明，被更多地碎裂的作物将更容易松弛并允许制作更小的饲草包。
这对植物的生理变化是有益的，因此更高的碎片比率将被认为是更完善的调质作物和更好的质量，峰值扭矩是在作物通过机器时测量的。
为了找到由作物通过引起的扭矩变化，通过减去每次测试时没有作物通过时的平均扭矩读数，找到了调整后的最大扭矩。
在进行测试时，注意到束的周长似乎是辊卡住的主要原因，而不是通过的茎数，为了确定是否是这种情况，使用Minitab进行了连续的监测与统计。
ANOVA允许测试变量及其对响应的交互效应，最初考虑所有变量之间的交互作用。
然而，仅有速度和间距交互作用被保留在模型中，因为其他变量均无法由Minitab进行估计，执行ANOVA测试所需的所有假设都得到满足，并通过分析残差图来确认。
分析得出的p值在下表中列出，小于0.1的p值表示拒绝零假设，即相应变量不影响响应。
例外情况是对交互作用，其中小于0.1的p值表示拒绝零假设，即一个因素水平的平均值不取决于另一个因素水平的值。
如果此交互作用显著，则分析每个因素的主效应趋势时必须考虑这两个变量的交互作用。
分析得出的p值表明，辊间距、辊速和作物束的周长在预测调整后的峰值扭矩方面都具有统计学意义。
同时，间距和速度之间没有存在统计学显著的交互效应，因此可以单独考虑这些因素的趋势，对于作物的调质效果，辊间距是唯一一个对碎片比率具有显著影响的变量。
在碎片比率方面，速度和间距之间存在交互作用，为了确定间距的影响，需要检查两项的交互作用，如下图所示。
可以看到，无论使用哪个速度，作物的碎片比率都遵循相同的辊间距趋势。
标记交互作用显著的原因是，对于0.3175厘米间距的情况，500 rpm样本的碎片比率未遵循预期趋势。
基于这些证据和间距从0.635到1.27厘米的趋势，将独立考虑间距对碎片比率的影响。
图片展示了增加辊间距如何影响作物的调质效果，当辊被拉开并且间距变大时，作物的调质效果会降低。
当辊靠得越近时，辊齿之间的咬合更紧密，迫使芒草以更尖锐的角度弯曲，以通过辊这种弯曲会给作物带来更大的应力，迫使其分成更多碎片，这与通过更大的辊间距时一般作物应力较小的情况不同。
在辊间距为0.3175厘米时，平均碎片比率为8.63，这意味着平均每个喂入调质桌的芒草茎都会被分成8至9个碎片。
将一段约为10英尺（3米）长的作物分解成这么多部分，使其在搬运和压缩时更容易处理成饲草包。
作物将不再容易卡在捆扎机的提起处，并且在压缩室中压缩更小的碎片时，捆扎机的松弛度和牵引力也会减小。
辊间距、辊速和束大小对调整后的峰值扭矩的有效趋势分别在图片中清晰可见，找到减少调质作物所需扭矩的方法将导致消费者所需的更小发动机和更低的机器成本。
当辊间距变大时，在传动轴上施加的扭矩减少，随着辊越开越宽，似乎有一个渐近线形成。
一旦辊达到某个间距，预计除了运行辊所需的扭矩外，传动轴上将没有扭矩，因为作物将自由通过辊之间的间隙而不是被压缩和拉动通过。
有趣的是，看看辊间距和扭矩是否会收敛到线性关系，然而，由于机器齿轮之间的干涉造成作物进入时机器非常不稳定和危险，因此没有收集到较小滚动间距的数据。
<<——【·结论·】——>>
机械加工处理对芒草植物生长和生理状况有显著提升作用，这可能是由于机械加工对植物的刺激，促进了植物的器官发育和新陈代谢过程。
因此，机械加工处理可以被看作是一种有效的促进芒草植物生长和提高产量的方法。
参考文献：
[1] US Department of Energy (2007) Energy Independence and Security Act. Vol. 51.
US DOE.
[2] National Renewable Energy Laboratory (2014) NREL Biomass Research—Glossary
of Biomass Terms. National Renewable Energy Laboratory.
http://www.nrel.gov/biomass/glossary.html
[3] Liu, Q., Mathanker, S.K., Zhang, Q. and Hansen, A.C. (2012) Biomechanical Prop
erties of Miscanthus Stems. Transactions of the ASABE, 55, 1125-1131.
https://doi.org/10.13031/2013.42231
[4] Taylor, R.K. (1992) Mechanically Conditioning Alfalfa Hay. Manhattan, Kansas USA:
Cooperative Extension Service, Kansas State University.
[5] Redcay, S., Koirala, A. and Liu, J. (2018) Effects of Roll and Flail Conditioning Sys
tems on Mowing and Baling of Miscanthus × giganteus Feedstock. Biosystems En
gineering, 172, 134-143. https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng.2018.06.009
[6] Nixon, P. and Bullard, M. (2003) Optimisation of Miscanthus Harvesting and Sto
rage Strategies. Technical Report No. B-CR-00745-00-00; URN-03-1633. Energy
Power Resources Ltd., Bio-Renewables Ltd., United Kingdom.
[7] Fasick, G.T. and Liu, J. (2020) Lab Scale Studies of Miscanthus Mechanical Condi
tioning and Bale Compression. Biosystems Engineering, 200, 366-376.
https://doi.org/10.1016/j.biosystemseng
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