生物質(zhì)柱塞式成型徑向受力情況研究

冀 雨

(中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京 100095)

0 引 言

我國生物質(zhì)資源儲(chǔ)量大且種類繁多，主要以農(nóng)林剩余物為主，其中糧食作物秸稈所占比例最大[1]。生物質(zhì)成型技術(shù)是發(fā)展生物質(zhì)能源的有效途徑，深入研究生物質(zhì)在成型過程中的受力情況有利于生物質(zhì)成型技術(shù)的成熟與完善，對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義和長遠(yuǎn)意義[2-3]。在現(xiàn)有關(guān)于生物質(zhì)成型受力情況的研究中，楊軍太等通過理論公式推導(dǎo)分析出生物質(zhì)在柱塞式成型過程中所受壓力沿成型套筒的指數(shù)型分布規(guī)律[4]；孫啟新等利用ANSYS有限元理論模擬分析了生物質(zhì)成型徐變過程和力學(xué)特性[5]；李震等基于ANSYS的雙錐度模具有限元模型，分析了秸稈在壓縮過程中的變形及摩擦應(yīng)力分布，得出雙錐度模具中物料所受載荷的變化規(guī)律[6]；丁寧等對(duì)玉米秸稈擠壓過程進(jìn)行有限元分析，得到物料在擠壓過程中的流變規(guī)律，揭示了玉米秸稈成型過程中的應(yīng)力、應(yīng)變及摩擦力變化過程[7]。目前關(guān)于柱塞式常溫成型過程的研究大多建立在模型理論分析及計(jì)算機(jī)軟件模擬仿真的基礎(chǔ)上，相應(yīng)試驗(yàn)較少，且基本沒有物料所受徑向壓力測量的相關(guān)試驗(yàn)。由此，本文基于前人公式推導(dǎo)及仿真數(shù)據(jù)，以玉米秸稈、檸條為原料進(jìn)行柱塞式常溫壓縮成型試驗(yàn)，通過力學(xué)傳感器測量實(shí)際壓縮成型過程中物料所受壓力變化，探究物料所受徑向壓力沿成型套筒的分布規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)儀器設(shè)備主要包括柱塞液壓式成型機(jī)、NI USB-6221數(shù)據(jù)采集卡、SC69-02型水分快速測定儀、SF-400S電子天平(0.01 g)、手提便攜秤(1 g)、樣品袋、噴壺等。所用柱塞液壓式成型機(jī)理論最大壓力為180 MPa，活塞對(duì)物料壓縮速度為30.6 mm/s，活塞直徑為60 mm。試驗(yàn)采用開式成型套筒，內(nèi)徑為60 mm，長度為210 mm、240 mm、270mm、300mm，對(duì)應(yīng)長徑比為3.5、4、4.5、5。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以農(nóng)林剩余物為試驗(yàn)原料，農(nóng)業(yè)剩余物采用河北地區(qū)成熟玉米秸稈，經(jīng)野外自然干燥后被撿拾打捆機(jī)收集、粉碎并打捆，解捆后的玉米秸稈用粉碎機(jī)再次粉碎至粒度為8 mm；林業(yè)剩余物采用內(nèi)蒙古自治區(qū)的檸條枝條，檸條自然晾干后用粉碎機(jī)粉碎至粒度為8 mm。由于玉米秸稈和檸條的生物組織結(jié)構(gòu)不同，粉碎后的玉米秸稈原料呈片狀，而粉碎后的檸條原料則呈條狀及少量顆粒狀。

用烘干箱將玉米秸稈、檸條原料完全干燥后計(jì)算其含水率分別在7%～7.25%左右，為滿足試驗(yàn)要求，還需分別調(diào)節(jié)玉米秸稈、檸條含水率至11%、15%、19%。

1.3 壓力傳感器的安裝與固定

試驗(yàn)選用TJH-10微型荷重傳感器測量成型套筒不同位置的物料所受徑向壓力。傳感器外形如圖1所示，受力點(diǎn)為圓形凸臺(tái)的上表面，為滿足試驗(yàn)過程中的徑向壓力測量需要，將傳感器固定安裝在成型套筒外壁上，安裝效果如圖2所示。

圖1 壓力傳感器外形

圖2 實(shí)際安裝效果

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在柱塞液壓式成型機(jī)上進(jìn)行，柱塞由液壓缸驅(qū)動(dòng)，對(duì)物料進(jìn)行間歇擠壓。隨著物料在成型套筒中的堆積壓縮，物料與套筒內(nèi)壁的摩擦力逐漸增大，使物料在套筒內(nèi)壓縮成型。試驗(yàn)過程中，柱塞每次進(jìn)行擠壓后，向進(jìn)料斗中加入質(zhì)量大致相同的物料，保證每次壓縮物料的均勻程度，并通過壓力傳感器測量、數(shù)據(jù)采集卡記錄成型套筒不同位置物料徑向壓力變化，柱塞運(yùn)動(dòng)至行程末端停止，保型10s后卸載進(jìn)行下一次擠壓。

2 結(jié)果與分析

2.1 成型過程徑向壓力變化

圖3所示為物料在成型套筒上某一固定點(diǎn)所受徑向壓力隨時(shí)間變化的曲線，當(dāng)成型套筒中的物料不受柱塞擠壓時(shí)，所受徑向壓力是一穩(wěn)定值；當(dāng)柱塞前進(jìn)時(shí)，成型套筒內(nèi)的物料會(huì)因受到柱塞擠壓在軸向上被壓縮，同時(shí)向四周膨脹，隨著柱塞對(duì)物料的連續(xù)壓縮，物料膨脹程度逐漸變大，其受到成型套筒壁的徑向壓力相應(yīng)增大；當(dāng)物料成型時(shí)，柱塞施加的壓力達(dá)到物料的最大成型壓力，物料所受徑向壓力也達(dá)到最大值；當(dāng)成型套筒中的物料發(fā)生移動(dòng)時(shí)，套筒對(duì)物料的徑向壓力會(huì)逐漸減小；當(dāng)柱塞后退時(shí)，成型套筒中的物料失去軸向的壓力，所受徑向壓力也會(huì)陡然減小；由于物料在軸向上不受壓縮后會(huì)發(fā)生軸向回彈，相應(yīng)物料所受徑向壓力逐漸減?。划?dāng)物料的變形及回彈達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，物料所受徑向壓力會(huì)趨于穩(wěn)定值。

圖3 固定點(diǎn)物料所受徑向壓力變化曲線

2.2 試驗(yàn)參數(shù)對(duì)徑向壓力的影響規(guī)律

圖4、圖5分別為成型套筒中玉米秸稈、檸條在不同含水率情況下成型時(shí)所受徑向壓力及其含水率為7%時(shí)徑向壓力仿真值的變化規(guī)律曲線，套筒被“堵死”時(shí)未測出的數(shù)據(jù)點(diǎn)用連接相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的直線代替。

圖4 玉米秸稈徑向壓力變化規(guī)律

圖5 檸條徑向壓力變化規(guī)律

由圖4可知，對(duì)于玉米秸稈，在同一含水率下，物料所受徑向壓力從成型套筒入口到出口逐漸減小；隨含水率增大，物料在成型套筒同一位置所受徑向壓力先增大后減小。由圖5可知，對(duì)于檸條，在同一含水率下，物料所受徑向壓力從成型套筒入口到出口同樣逐漸減小；隨含水率增大，檸條在成型套筒同一位置所受徑向壓力逐漸增大。通過比較發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)測量值較仿真值稍大，原因是試驗(yàn)所用成型套筒的內(nèi)壁較粗糙，使得物料與筒壁的摩擦系數(shù)比仿真設(shè)置的摩擦系數(shù)大，從而試驗(yàn)測量值較大。另外，不同含水率的物料在成型套筒中所受徑向壓力的大小不同，這是由于物料中的水分改變了摩擦系數(shù)，也改變了物料變形時(shí)的泊松比等力學(xué)性質(zhì)，幾個(gè)參數(shù)的共同改變綜合影響了徑向壓力的變化。

將不同含水率的玉米秸稈、檸條所受的徑向壓力試驗(yàn)測量值通過MATLAB選用一項(xiàng)指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，函數(shù)表達(dá)式為：

σF=a·eb·L

式中，σF為物料所受徑向壓力，Pa；L為物料距套筒出口處的距離，mm。

將擬合結(jié)果的確定系數(shù)R-suqare值統(tǒng)一列于表1中，R-suqare值均大于0.9，表明一項(xiàng)指數(shù)函數(shù)可用于徑向壓力的擬合，物料在成型套筒中的徑向壓力確實(shí)呈指數(shù)型變化規(guī)律。

表1 確定系數(shù)R-suqare

3 結(jié)束語

以玉米秸稈、檸條分別為試驗(yàn)原料，當(dāng)長徑比為3.5、4、4.5、5，含水率為7%、11%、15%、19%時(shí)，在柱塞液壓式成型機(jī)上進(jìn)行單因素常溫壓縮成型試驗(yàn)，測量成型過程中物料在成型套筒不同位置的徑向壓力。

(1)在生物質(zhì)柱塞式成型過程中，物料在成型套筒上某一固定點(diǎn)的徑向壓力隨柱塞運(yùn)動(dòng)情況變化，而非定值。

(2)不同含水率下，玉米秸稈與檸條所受徑向壓力沿套筒長度均呈一項(xiàng)指數(shù)型變化規(guī)律。