蘆葦不同鋪放狀態(tài)下可壓縮性分析

朱海燕，張立新，葛 云，李繼霞，陳可圣，王 歡

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

作為目前造紙工業(yè)的重要原料的蘆葦，具有“第二森林”的美稱，其用途廣泛，最重要的還是上佳的環(huán)保材料。蘆葦成本低廉，自身松散，但其較高的運輸成本和囤積費用嚴重影響了造紙企業(yè)的利潤[1]。因此，進行蘆葦高密度打捆的研究對于是提升蘆葦運輸效益和囤積效益具有重要意義。

國內(nèi)外對蘆葦高密度打捆的研究已經(jīng)取得了一定進展。1938年起，國外學(xué)者率先采用閉室壓縮的試驗方法對物料包的壓縮性能進行了研究[2-5]，得到了許多草物料壓縮的經(jīng)驗公式。國內(nèi)對于粗纖維草物料壓縮的性能研究起步晚于國外。呂江南[6-7]等對不同粗纖維物料進行壓縮特性研究，建立了不同粗纖維物料壓力及壓縮密度的數(shù)學(xué)模型。王春光、范林[8-9]等對于壓縮室中草物料的高密度壓縮時的受力狀況、變形程度進行了分析研究。李旭英、楊明韶[10]等對壓縮過程中的截面積、喂入量、含水率、壓縮頻率等影響因素進行了試驗分析。這類基礎(chǔ)性研究為粗纖維草物料的流變學(xué)理論的深入研究及打包機的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。粗纖維物料的可壓縮程度反映了物料抵抗外力時產(chǎn)生形變的能力大小[11]。傳統(tǒng)壓縮方式中，粉碎后蘆葦處于自然堆積、無序布置的雜亂狀態(tài)，直接壓縮作用。關(guān)于草物料不同壓縮狀態(tài)下的特性，尚未進行深入的研究。為此，本試驗對蘆葦在軸向、徑向及雜亂壓縮狀態(tài)進行閉式壓縮試驗，為蘆葦高密度壓縮機理分析及打捆機喂入裝置優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗采用阿勒泰蘆葦(不包括穗頭)為樣品，平均長度150mm，干燥環(huán)境下自然風(fēng)干1個月。先使用電熱鼓風(fēng)干燥箱進行烘干處理后稱烘干后質(zhì)量m1，根據(jù)公式(1)進行配水試驗，按照所需含水率均勻噴灑水m2，放入密封袋標記后靜置48h，則

(1)

其中，α為濕基含水率；m1為烘干后蘆葦質(zhì)量；m2為水的質(zhì)量。

1.2 試驗裝置與儀器設(shè)備

為進行蘆葦不同壓縮狀態(tài)的研究，采用如圖1的壓縮裝置，主要由活塞桿、壓縮蓋板及壓縮箱組成。壓縮裝置均采用5mm厚的45鋼，壓縮箱體內(nèi)截面尺寸250mm×250mm，活塞桿高度150mm，壓縮蓋板增加4個肋板，箱體四周加裝4組三角鐵，壓縮箱體內(nèi)部標有4組刻度尺，方便試驗記錄。

壓縮測試系統(tǒng)如圖2所示。試驗使用的儀器設(shè)備有ACS系列電子秤、電熱鼓風(fēng)干燥箱、游標卡尺及CSS44000系列微機控制電子萬能材料試驗機。根據(jù)試驗要求，配套使用EDC120數(shù)字控制器、GWB-200型高精度位移標定器及引伸計等。

圖1 壓縮模具

1.壓縮模具 2.試驗機升降臺 3.萬能試驗儀機架 4.壓力傳感器 5.數(shù)據(jù)采集儀 6.計算機

1.3 試驗因素確定

通過前期的資料文獻查閱及試驗發(fā)現(xiàn)：在打包壓縮過程中蘆葦桿的粉碎主要受到徑向壓縮力、軸向壓縮力及帶有不同傾斜角度的壓縮力的影響。為確定蘆葦徑向[12](蘆葦桿在壓縮箱體內(nèi)呈橫向的鋪放狀態(tài))、軸向(蘆葦桿在壓縮箱體內(nèi)呈豎向的鋪放狀態(tài))和雜亂狀態(tài)(蘆葦桿在壓縮箱體中呈橫豎雜亂交錯狀態(tài))壓縮對壓縮密度的影響，經(jīng)過預(yù)試驗，確定本研究蘆葦?shù)淖罱K壓縮密度為259kg/m3，喂入量為900g，壓縮速度10mm/min，含水率分別為13%、15%、17%，進一步深入分析蘆葦在豎直、平鋪與雜亂3種鋪放狀態(tài)下，壓縮至相同密度時壓縮力、壓縮密度、壓縮時間、體積模量之間的變化關(guān)系。體積模量表示材料在受均壓下體積縮小的難易程度，體積模量越大，表明物料的抗壓能越強。

壓縮密度計算公式為

(2)

體積模量計算公式為

(3)

其中，K為體積模量(MPa)；l為蘆葦高度(mm)；F為壓縮力(N)；p為壓應(yīng)力(N/m2)；S為箱體面積(mm2)。

2 蘆葦不同鋪放狀態(tài)下壓縮試驗結(jié)果

根據(jù)試驗方案進行試驗后，對試驗數(shù)據(jù)整理分析，可得到蘆葦在可得到蘆葦在軸向壓縮、徑向壓縮及雜亂壓縮3種壓縮狀態(tài)下壓縮力、活塞位移及蘆葦高度等數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)帶入公式(2)和公式(3)中，可得到蘆葦在這3種狀態(tài)下的壓縮力、壓縮密度、壓縮時間及體積模量的數(shù)值變化關(guān)系，如圖3所示。蘆葦?shù)膲嚎s性能即在壓力作用下體積縮小的特性，體積模量反映材料在受力作用下抗壓縮能力的大小。

蘆葦含水率為13%、15%、17%時，豎直、平鋪和雜亂3種壓縮狀態(tài)下壓縮力與壓縮密度的關(guān)系如圖3～圖5所示。軸向壓縮時，由于蘆葦長度存在差異，每個蘆葦桿受力大小不均勻，蘆葦為空心薄壁結(jié)構(gòu)，蘆葦?shù)妮S向強度比徑向強度大，壓縮過程中壓縮蓋板出現(xiàn)傾斜，無法壓縮成型，后續(xù)不進行對比分析。圖6～圖8對比了13%、15%、17%不同含水率下蘆葦在雜亂和平鋪兩種狀態(tài)時壓縮密度與體積模量的關(guān)系。

圖3 13%含水率下3種壓縮狀態(tài)壓縮力與壓縮密度的關(guān)系

圖4 15%含水率下3種壓縮狀態(tài)壓縮力與壓縮密度的關(guān)系

圖5 17%含水率下三種壓縮狀態(tài)壓縮力與壓縮密度的關(guān)系

圖6 13%含水率下兩種壓縮狀態(tài)下壓縮密度與體積模量的關(guān)系

圖7 15%含水率下兩種壓縮狀態(tài)下壓縮密度與體積模量的關(guān)系

圖8 17%含水率下兩種壓縮狀態(tài)下壓縮密度與體積模量的關(guān)系

由圖3～圖8可以看出：不同含水率下蘆葦壓縮變化的趨勢相似，壓縮密度隨著壓縮力的增加而增大，體積模量隨著壓縮密度的增大而增大。由圖3～圖5可以看出：壓縮密度隨著壓縮力的增加而增大；初始階段，隨著壓縮力的增加，蘆葦?shù)拿芏瓤焖僭黾?，在較小的壓力作用下蘆葦密度迅速增加，蘆葦?shù)目蓧嚎s性較好。對應(yīng)圖6～圖8的初始階段，蘆葦體積模量較小，且增加速度比較緩慢，蘆葦?shù)挚棺冃蔚哪芰^弱，將此階段定義為松散階段。此階段主要是縮小蘆葦間的空隙，使蘆葦緊密接觸；隨著壓力的增加，蘆葦密度的增加速度開始有所降低，進入圖3～圖5的中間階段，蘆葦?shù)目蓧嚎s性開始變差。對應(yīng)圖6～圖8的中間階段，蘆葦體積模量增加速度加快，蘆葦?shù)挚棺冃蔚哪芰υ龃螅瑢⒋穗A段定義為蘆葦破碎階段。此階段由于壓力的增加緊密接觸的蘆葦開始因相互擠壓而產(chǎn)生破裂，進一步使蘆葦更加緊密的接觸在一起。隨著壓力的繼續(xù)增加蘆葦密度的增加較為緩慢，進入圖3～圖5的最后階段，蘆葦?shù)目蓧嚎s性最差。對應(yīng)圖6～圖8的最后階段，蘆葦體積模量增急劇增加，蘆葦?shù)挚棺冃蔚哪芰σ布眲≡黾?，將此階段定義為壓實階段。此階段緊密接觸并且破碎的蘆葦開始逐步接近致密、均勻的固體，同時對側(cè)壁的正壓力增加，與箱體的摩擦力逐步增加，再繼續(xù)增加壓縮力，密度增量更為緩慢。

由圖3～圖5對比雜亂和平鋪兩種壓縮狀態(tài)可以發(fā)現(xiàn)：平鋪狀態(tài)的初始壓縮密度均大于雜亂狀態(tài)下的初始壓縮密度。原因可能是：在平鋪壓縮方式下的松散階段，蘆葦間的空隙較小，克服空隙變形所需的力及時間少于雜亂壓縮狀態(tài)。圖6～圖8中：在初始階段，平鋪狀態(tài)的曲線切線斜率大于雜亂狀態(tài)的，表示平鋪狀態(tài)的體積模量增速快，平鋪狀態(tài)在初始階段抗壓縮性大。

蘆葦含水率為13%、15%、17%時，平鋪、雜亂兩種狀態(tài)下壓縮密度與壓縮時間的關(guān)系如圖9～圖11所示。3幅圖曲線變化趨勢相似，平鋪狀態(tài)下的曲線斜率均大于雜亂狀態(tài)下的斜率。這表明，在平鋪狀態(tài)下的壓縮速率高，達到較高壓縮密度所需的時間小于雜亂狀態(tài)下。

圖3～圖5、圖9～圖11數(shù)據(jù)總結(jié)如表1表示。當(dāng)質(zhì)量相同的蘆葦壓縮成型并達到259kg/m3的壓縮密度時，在平鋪壓縮狀態(tài)下需要的最大壓縮力均小于雜亂狀態(tài)的最大壓縮力，相應(yīng)的壓縮時間也減少15%～33%，提高了壓縮效率及壓縮質(zhì)量。

圖9 13%含水率下壓縮密度和壓縮時間的關(guān)系

圖10 15%含水率下壓縮密度和壓縮時間的關(guān)系

圖11 17%含水率下壓縮密度和壓縮時間的關(guān)系

表1 不同含水率在雜亂、平鋪狀態(tài)下的最大壓縮力及壓縮時間

Table 1 Comparison of maximum compressive force and compression time of different water content in messy and tiling conditions

含水率/%壓縮狀態(tài)壓縮密度/kg·m-3最大壓縮力/kN13 雜亂259 17.582 13 平鋪259 13.96915 雜亂259 15.09615 平鋪259 14.50117 雜亂259 15.47817 平鋪2598.568

3 體積模量與壓縮密度的數(shù)學(xué)模型

對圖6～圖8中13%、15%、17%含水率時兩種壓縮狀態(tài)下壓縮密度與體積模量的試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，結(jié)果如表2所示。

表2 不同含水率在雜亂、平鋪狀態(tài)下的壓縮密度與體積模量回歸分析

Table 2 Regression analysis of compression density and bulk modulus of different water content in disordered and tiled state

含水率/%壓縮狀態(tài)擬合方程相關(guān)系數(shù)R213雜亂K=0.79e ρ/152.747-0.5710.99013平鋪K=0.830e ρ/141.388-0.9580.99815雜亂K=0.909e ρ/176.583-0.8380.99315平鋪K=1.018e ρ/186.192-0.9950.99717雜亂K=0.315e ρ/108.703-0.2020.99717平鋪K=0.448e ρ/142.355-0.3370.998

由回歸分析結(jié)果可以看出：不同含水率時雜亂、平鋪狀態(tài)下的非線性擬合相關(guān)系數(shù)R2接近1，具備顯著性。

綜上所述，蘆葦在雜亂、平鋪狀態(tài)下體積模量與壓縮密度關(guān)系指數(shù)曲線模型為

(4)

其中，K為體積模量；a、b、c為擬合系數(shù)；ρ為壓縮密度。

4 結(jié)論

1)蘆葦壓縮過程可分為3個階段，即松弛階段、蘆葦破碎階段和壓緊階段。松弛階段壓縮力與壓縮密度成線性增長的關(guān)系，蘆葦破碎階段呈指數(shù)增長的關(guān)系，壓緊階段蘆葦?shù)膲嚎s力與壓縮密度呈緩慢增長的線性關(guān)系，趨于平緩。

2)在蘆葦秸稈的品種、加載速度、壓縮室形狀及質(zhì)量等都確定的前提下，豎直狀態(tài)壓縮蘆葦由于長度差異、受力不均，蘆葦為空心薄壁結(jié)構(gòu)，因此軸向強度比徑向強度大，壓縮過程中壓縮蓋板出現(xiàn)傾斜，無法壓縮成型，不成型；當(dāng)達到相同的壓縮密度259 kg/m3時，蘆葦在平鋪狀態(tài)下所需的最大壓縮力及壓縮時間均小于在雜亂鋪放狀態(tài)；蘆葦軸向、徑向力學(xué)差異性明顯，在壓縮過程中較理想加載方向是蘆葦?shù)膹较蚍较?，與加載方向相同徑向分布的蘆葦數(shù)目越多、壓縮過程能耗越多，壓實效果越好，致密成型的蘆葦包質(zhì)量越穩(wěn)定。

3)蘆葦在雜亂、平鋪狀態(tài)下體積模量與壓縮密度的關(guān)系呈指數(shù)趨勢增長，同時得到了蘆葦在雜亂、平鋪狀態(tài)下體積模量與壓縮密度的數(shù)學(xué)模型。