随着我国马铃薯的生产面积和产量不断扩大[1]，马铃薯淀粉加工产业迅速发展，淀粉加工的副产品越来越多。马铃薯渣是淀粉加工的主要副产品，含有淀粉、纤维素、蛋白质、果胶和脂肪等营养成分[2]。马铃薯中的有效成分经提取可以制备果胶、膳食纤维，经发酵可以生产酒精、蛋白饲料和酶。马铃薯渣还可以用来制备培养基、活性炭等[3-8]。马铃薯渣的主要成分是水、淀粉颗粒和细胞残壁，加工淀粉后得到的新鲜薯渣含水率高达80%、含有30多种微生物[9-10]。含水率高使马铃薯渣不易储运、容易变质、污染环境。如何以低成本去除薯渣内部多余的水分、提高容积密度使其便于储运，成为制约薯渣再利用的关键问题之一。目前，薯渣的处理主要通过成本较低的机械压缩方式完成[11]，压缩后薯渣的含水率约60%，成型效果仍需进一步提升。因此，针对马铃薯渣压缩过程中表现出的流变学特性进行分析，可为进一步改进其压缩方式，提升其加工处理效果提供参考。本研究采用万能试验机配以自制压缩装置，在常温条件下进行马铃薯渣单轴压缩试验，对马铃薯渣的蠕变特性进行研究与分析，为马铃薯渣的机械处理加工提供参考。1材料与方法1.1试验材料马铃薯渣取自内蒙古呼和浩特市淀粉加工厂。经过脱水设备脱水，马铃薯渣含水率约为59%~62%。试验前将薯渣分装后低温储藏，为防止马铃薯渣水分散失与变质，试验在1 w内完成。脱水后的马铃薯渣见图1。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.F001图1脱水后的马铃薯渣1.2试验装置DDL-200型电子万能试验机由长春机械科学研究院有限公司生产，配套有德国DOLI电子公司生产的EDC数字控制器，由计算机测试系统辅助完成压缩试验。该型号电子万能试验机力传感器最大测量值200 kN、速度最大设定值500 mm/min、误差范围±0.5%。电子万能试验机及压缩装置见图2。万能试验机压缩筒内径95 mm。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.F002图2电子万能试验机及压缩装置1.3试验方法马铃薯渣蠕变试验选取加载力、加载速度和喂入量作为试验因素。根据预试验在每个因素下选取3个水平，试验因素与水平见表1。同一因素水平下试验重复3次。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.T001表1试验因素与水平加载力/kN喂入量/g速度/(mm/min)310010530020750030试验前，在万能试验机控制系统界面设定加载速度、加载力和达到设定加载力之后需要保压的时间（900 s）等参数。蠕变试验控制参数设定见表2。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.T002表2蠕变试验控制参数设定分段设置参数设置加载阶段加载速率：10 mm/min判停条件：加载力达3、5、7 kN保压阶段采样频率：5 Hz判停条件：保持压缩900 s将薯渣称重后均匀地喂入压缩筒中，保证压头降至与物料接触后开始试验。试验时，压头按照程序设定好的速度向下匀速运动，压力不断增加，当力传感器检测到压力达设定目标时开始进入保压阶段，保压期间物料所承受压力恒定不变，保压结束后卸载，将压缩成型的薯渣出模。试验过程中数据采样频率为5 Hz，试验后根据所得位移与时间关系绘制应变-时间曲线，基于流变学理论通过曲线估计与回归分析[12]建立蠕变模型，以获取的蠕变模型参数[13-14]和蠕变量[15-16]为指标分析试验因素对薯渣蠕变特性的影响。2结果与分析2.1蠕变曲线拟合与模型分析薯渣压缩蠕变试验曲线见图3。将马铃薯渣以一定速率加载至恒定载荷保压时，其应变随保压时间增加而逐渐增大，增幅逐渐减小，出现明显的蠕变现象。经曲线估计后发现，马铃薯渣保压阶段的蠕变曲线变化规律可用四元件Burgers模型进行描述[17-19]。该模型由弹簧、Kelvin模型和阻尼器串联而成。四元件Burgers模型见图4。蠕变试验加载至恒定载荷时，最初产生的变形主要为弹簧E0的弹性变形，随着保压时间的延长，模型下部的Kelvin体和末端的阻尼器ηv缓慢发生延迟变形，应变趋于平缓。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.F003图3薯渣压缩蠕变试验曲线10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.F004图4四元件Burgers模型四元件Burgers模型：ε(t)=σ0E0+σ0Er(1-e-t/Tr)+σ0tη (1)式中：ε(t)为任意时刻变形产生的应变；σ0为物料所受到恒定应力；E0为初始弹性模量，其对蠕变曲线的影响表现在加载的瞬间，反映材料对弹性变形的抵抗，且E0越大，材料的弹性越好[12]；Er为延迟弹性模量；Tr=ηr/Er为迟滞时间，反映蠕变变形的快慢；η和ηr为阻尼器的黏性系数，与材料的永久变形及迟滞变形有关。通过四元件Burgers模型，对不同条件下的应变、时间等试验数据进行拟合，拟合系数R20.99，薯渣蠕变保压阶段应变-时间试验及拟合曲线见图5（以加载力5 kN、喂入量100 g、加载速度10 mm/min曲线为例），结果表明该模型可以较好地描述恒定载荷下马铃薯渣的蠕变行为。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.F005图5薯渣蠕变保压阶段应变-时间试验及拟合曲线2.2不同试验条件对蠕变参数的影响2.2.1加载力对蠕变特性参数的影响喂入量100 g、加载速度10 mm/min时，不同加载力下薯渣的蠕变曲线及模型拟合见图6。不同加载力下蠕变模型拟合参数及蠕变量见表3。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.F006图6不同加载力下薯渣的蠕变曲线及模型拟合10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.T003表3不同加载力下蠕变模型拟合参数及蠕变量压力/kNE0/MPaEr/MPaTr/sηrη蠕变量R230.64060.72443.9212 732.690115 755.1710.4780.99251.010130.69871.2179 309.856133 631.2150.5210.99371.391451.06781.35337 678.240525 016.1470.1910.995在保压阶段，薯渣受到的恒定载荷越大，其保压时所产生的初始应变ε0也越大，导致保压开始时的初始弹性模量E0越大，这与已有研究对马铃薯渣应力-应变曲线的分析结果一致[20]。延迟弹性模量Er受加载力影响的变化规律与E0类似，加载力较大时薯渣产生的应变主要来自加载时产生的初始应变ε0，保压时延迟产生的应变较小，即蠕变量较小。因为较大加载力作用下，薯渣在加载阶段就已经达到较高的紧实度和密度，故Er、ηr较大，使得其保压时继续应变的能力减弱、蠕变较慢，延迟变形时间Tr较长。同样由于上述原因，加载力较大时，黏性系数η较大，使薯渣蠕变过程中产生的不可逆变形较小。加载力较小（3 kN、5 kN）时，薯渣初始应变ε0较小，但蠕变量较大，不可逆变形也较大，以恒定载荷进行保压的作用较为明显。结果表明，在以恒定载荷保压的方式对马铃薯渣进行机械处理时，并非加载力越大越好，具体应结合其加载阶段的应力、应变关系进行分析。2.2.2加载速度对蠕变特性参数的影响加载力7 kN、喂入量100 g时，不同加载速度下薯渣的蠕变曲线及模型拟合见图7。不同加载速度下蠕变模型拟合参数及蠕变量见表4。加载速度越缓慢，薯渣的变形与流动越充分，加载至恒定载荷保压时所产生的初始应变ε0越大[20]。初始应变ε0受加载速度影响差异较小，在恒定载荷（7 kN）相同的条件下，加载速度不同对初始弹性模量E0的影响不大。加载速度较小时，保压前薯渣的变形与流动较充分。因此保压开始时的物料紧实度和密度较高，黏性系数η较大，薯渣在保压过程中产生的不可逆变形较小；加载阶段速度大小对保压后薯渣延迟弹性变形和延迟流动影响与此类似，即速度越小，Er、ηr越大，延迟变形越小。结果表明，受不可逆变形和延迟变形的影响，加载速度较小时保压过程的蠕变量较小，此时薯渣通过保压而产生蠕变的效果相对不明显。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.F007图7不同加载速度下薯渣的蠕变曲线及模型拟合10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.T004表4不同加载速度下蠕变模型拟合参数及蠕变量速度/(mm/min)E0/MPaEr/MPaTr/sηrη蠕变量R2101.391451.06781.35337 678.24525 016.1470.1910.995201.418407.73482.78833 553.22341 750.5940.2490.996301.422316.089102.39832 075.87262 720.7470.3160.9972.2.3喂入量对蠕变特性参数的影响加载力5 kN、加载速度10 mm/min时，不同喂入量下薯渣的蠕变曲线及模型拟合见图8。不同喂入量下蠕变模型拟合参数及蠕变量见表5。不同喂入量条件下，将薯渣加载至同一载荷保压时所产生的初始应变ε0较为接近。因此，喂入量不同时所得初始弹性模量E0的大小基本一致。喂入量较小（100 g）时，薯渣保压时不可逆变形能力较强（η较大）、延迟变形能力较差（ηr较大）、延迟变形时间较长（Tr较大），蠕变量也较小。因为喂入量较小时薯渣的变形主要产生于加载阶段而非保压阶段，保压蠕变效果较差。结果表明，同样载荷作用下，喂入量多少不影响薯渣受压时能达到的初始应变，但会影响薯渣的延迟变形和不可逆变形，其中当喂入量较小，保压时不可逆变形能力较强。10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.F008图8不同喂入量下薯渣的蠕变曲线及模型拟合10.13557/j.cnki.issn1002-2813.2021.11.026.T005表5不同喂入量下蠕变模型拟合参数及蠕变量喂入量/gE0/MPaEr/MPaTr/sηrη蠕变量R21001.010130.69871.2179 309.856133 631.2150.5210.9933000.99096.82559.0915 712.935270 650.1421.3060.9955000.982147.08762.3299 127.510436 035.4761.3900.9963结论通过马铃薯渣的蠕变试验分析，得到其应变-时间变化曲线，发现薯渣压至恒定载荷保压时，应变随保压时间延续而逐渐增大，并趋于平衡，具有明显的蠕变现象。通过四元件Burgers模型描述该蠕变行为，发现模型的回归拟合决定系数R20.99，得到蠕变特性参数：初始弹性模量E0、延迟弹性模量Er、延迟时间Tr、延迟黏性系数ηr、黏性系数η和蠕变量。对不同加载力、不同加载速度、不同喂入量试验条件下所得马铃薯渣蠕变特性参数进行分析发现，薯渣加载至保压时的恒定载荷越大，应变越大，物料的紧实度、密度也越高，因此蠕变能力相对较差，延迟黏性变形与不可逆黏性变形越小，蠕变量越小。薯渣加载至恒定载荷的加载速度较小时，会使保压前薯渣的变形流动较充分，达到较高的紧实度和密度，因此同样导致保压过程中物料的延迟变形、不可逆变形相对不明显，蠕变量较小。其他条件相同时，喂入量不同会对薯渣蠕变过程中的延迟变形和不可逆变形造成影响，但对初始应变ε0和E0影响不大，当喂入量较小时，薯渣保压时表现出的不可逆变形能力较强，延迟变形能力较差、时间较长（Tr较大），蠕变量也因此较小。