樟子松枝丫材收集壓縮特性模型1)

劉晉浩 于航

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083) (東北林業(yè)大學(xué))

責(zé)任編輯:張 玉。

我國林業(yè)資源豐富，開發(fā)和利用林業(yè)生物質(zhì)能源具有巨大的資源稟賦優(yōu)勢［1］。發(fā)展林業(yè)生物質(zhì)可再生資源，代替石油和天然氣能源材料，是國家發(fā)展戰(zhàn)略核心任務(wù)之一。目前面臨的挑戰(zhàn)是如何將林業(yè)生物質(zhì)材料從采伐區(qū)或者城市綠化帶等地經(jīng)濟便捷地收集及運輸?shù)綉?yīng)用目的地。在實際生產(chǎn)中，由于林業(yè)生物質(zhì)堆積密度小、運輸儲存占用空間大、成本高，嚴(yán)重制約了林業(yè)生物質(zhì)能的大規(guī)模應(yīng)用。加快研發(fā)先進的林業(yè)生物質(zhì)作業(yè)機械裝備，是林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。林業(yè)生物質(zhì)材料壓縮特性，是設(shè)計林業(yè)生物質(zhì)收集機械裝備相關(guān)壓縮系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。

國內(nèi)外主要針對農(nóng)業(yè)纖維材料進行了壓縮特性研究，學(xué)者們主要研究壓縮過程中壓縮力與密度、壓縮力與時間等因素之間的關(guān)系［2］。意大利的Raffaele Spinelli 持續(xù)3年，針對一種車載采伐剩余物林業(yè)的工作性能及生產(chǎn)成本進行了全面的系統(tǒng)分析，確定了采伐剩余物打捆機的許多優(yōu)點，并建議應(yīng)該進一步研究分析降低制造和作業(yè)成本的影響因素及機理［3］。Jerry Johansson 等學(xué)者對林木壓縮的優(yōu)缺點做了相關(guān)的研究［4］。

本文從降低林業(yè)生物質(zhì)收集和運輸作業(yè)機械裝備的生產(chǎn)成本，并根據(jù)后續(xù)應(yīng)用者的要求保持林業(yè)生物質(zhì)材料的物理性質(zhì)出發(fā)，針對林業(yè)生物質(zhì)收集作業(yè)系統(tǒng)機械裝備低能耗、高生產(chǎn)率設(shè)計的要求，以東北地區(qū)主要速生材樟子松的枝丫材為試驗材料，應(yīng)用微機控制電子萬能試驗機進行閉式壓縮特性試驗;主要研究加載力與壓縮位移、加載力與壓縮密度、體積模量與壓縮密度的關(guān)系;通過數(shù)理統(tǒng)計分析軟件SPSS 建立其數(shù)學(xué)模型。旨在為林業(yè)生物質(zhì)收集機械裝備的壓縮工作系統(tǒng)的動力功率選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 材料與方法

試驗用枝丫材，取自黑龍江省尚志市東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實驗林場(地理坐標(biāo):N45°20'～45°25'，E127°30'～127°34')。本次試驗采用平均直徑為50 mm 樟子松枝丫材，含水率為47.9%。應(yīng)用臺式圓鋸機將試驗材料鋸成480 mm 左右長度。

本試驗在深圳新三思CMT 系列的大門式微機控制電子萬能試驗機上進行。試驗機具有試驗力、位移、速度3 種控制方式;具有自動清零、自動標(biāo)定、實時顯示試驗數(shù)據(jù)及試驗曲線、打印試驗報告等功能。根據(jù)壓縮試驗需要，專門設(shè)計并加工了適用于大門式微機控制電子萬能試驗機應(yīng)用的林業(yè)生物質(zhì)壓縮室和壓縮板。林業(yè)生物質(zhì)壓縮室，是由45 號鋼板焊接組成的長方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)截面尺寸為400 mm×500 mm，壓縮室高度為600 mm;在壓縮室四壁開了氣孔，以免壓縮時裝置內(nèi)部空氣對壓縮過程造成影響。為了壓縮過程的順利進行，壓縮板與壓縮室內(nèi)壁留有2 mm 的間隙，并在中心位置固定有與萬能試驗機壓力傳感器接觸的壓桿，材料為45 號鋼。

首先，將20 kg 樟子松枝丫試驗材料以較規(guī)則的排列形式均勻地填入壓縮室，經(jīng)規(guī)則擺放后，平均高度為300 mm。通過預(yù)實驗中的結(jié)果分析可知，壓縮速度對于壓縮密度的影響比較小，所以選取常規(guī)壓縮速度(30 mm/min)。應(yīng)用電子萬能試驗機測量加載力(F)隨壓縮位移(l')變化的數(shù)據(jù)，另存為Excel 數(shù)據(jù)文件以進一步分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 加載力與壓縮位移的關(guān)系

通過試驗獲得實驗材料的壓縮位移自變量(l')與因變量加載力(F)的關(guān)系曲線(見圖1)。由圖1可見，實驗材料在被壓縮過程中，壓縮加載力隨壓縮位移的增加而增長。壓縮后的材料沒有受到較大的破壞和變形(見圖2)。

圖1 加載力與壓縮位移的關(guān)系

圖2 壓縮后取出的材料

應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計分析軟件SPSS，分析初始密度為333.3 kg/m3的樟子松枝丫材在壓縮速度30 m/min的條件下，加載力與壓縮量關(guān)系，得出兩者的數(shù)學(xué)模型:F=1.065-0.057l' +0.014l'2，R2=0.999。

2.2 加載力與壓縮密度的關(guān)系

根據(jù)公式ρ=m/V=m/Sl=m/(l0-l')(式中:ρ為枝丫壓縮密度，m 為壓縮過程中樟子松枝丫材質(zhì)量，S 為壓縮面積，l 為壓縮過程中枝丫材料的高度，l0為枝丫材料原始高度，l'為壓縮位移)，經(jīng)推導(dǎo)與計算，得出20 kg 樟子松枝丫在加載速度30 m/min下的加載力與壓縮密度關(guān)系曲線(見圖3)。加載力(F)與壓縮密度(ρ)的函數(shù)關(guān)系為:F =631.034-3.892ρ+0.006ρ2，R2=0.998。

圖3 加載力與壓縮密度的關(guān)系

2.3 體積模量與加載力的關(guān)系

體積模量(K)，表示物料產(chǎn)生單位體積相對變化量時所需要的壓力增量。在工程中，常用K 說明物料抵抗壓縮能力的大小。K 越大，說明物料越不易被壓縮，當(dāng)K→∞時，表示該物絕對不可壓縮;物料的種類不同，其K 也不同;同一種物料的K 隨體積和壓強的變化而變化［2］。英國學(xué)者Fabo rode 在研究麥稈壓縮規(guī)律時，提出了用體積模量(K)來評價被壓縮物質(zhì)的不可壓縮性［5］。本文利用樟子松枝丫材料的體積模量，說明樟子松枝丫材料在試驗中的可壓縮性。

體積模量:K=-dp/((dV)/V)，負(fù)號表示壓強引起的體積減小。根據(jù)體積模量的定義，可以推出體積模量與壓縮密度的關(guān)系。

由壓縮裝置p =F/S、V =Sl，所以，K =-d(F/S)/(d(Sl)/Sl)=((l0-l')/S)(dF/dl')。

通過試驗測得壓縮力(F)隨壓縮量(l')變化的規(guī)律，利用數(shù)值微分求出dF/dl'，根據(jù)數(shù)理分析軟件SPSS 計算出壓縮過程中樟子松枝丫材料的體積模量(K)與壓縮密度(ρ)的關(guān)系(見圖4)。體積模量(K)與壓縮密度(ρ)的函數(shù)關(guān)系為:K=8.097×10-5ρ2-0.035ρ+2.803，R2=0.89。

4 結(jié)論

實驗材料在被壓縮過程中，壓縮加載力隨壓縮位移的增加而增長。加載力與壓縮位移符合以下規(guī)律:F=1.065-0.057l'+0.014l'2，R2=0.999。

實驗材料在被壓縮過程中，壓縮密度越大，所需壓力越大。加載力與壓縮密度均符合以下規(guī)律:F=631.034-3.892ρ+0.006ρ2，R2=0.998。

壓縮過程中，試驗材料體積模量與壓縮密度呈二次項關(guān)系，隨著壓縮密度的增加，體積模量增加，說明材料的可壓縮性越來越差。K =8.097 ×10-5ρ2-0.035ρ+2.803，R2=0.89。

圖4 體積模量與壓縮密度的關(guān)系

從實驗結(jié)果分析可知，試驗中的壓縮過程主要處于壓縮材料之間的空隙階段。在該實驗條件下，壓縮后的材料沒有受到大的破壞和變形，保持了原有的物理特性，不減少后續(xù)加工中的價值損失。本文試驗條件下，加載力與壓縮位移、加載力與壓縮密度、體積模量與壓縮密度之間的數(shù)學(xué)模型，可為林業(yè)生物質(zhì)采集機械裝備的壓縮系統(tǒng)動力選擇和優(yōu)化設(shè)計提供參考。

［1］ 謝璐琳.我國林業(yè)生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)扶持政策分析［D］.北京林業(yè)大學(xué)，2014.

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［4］ Johansson Jerry，Liss Jan-Erik，Gullberg Tomas，et al.Transport and handling of forest energy bundles-advantages and problems［J］.Biomass and Bioenergy，2006，30(4):334-341.

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