生物质柱塞式成型径向受力情况研究

冀 雨

(中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所，北京 100095)

0 引 言

我国生物质资源储量大且种类繁多，主要以农林剩余物为主，其中粮食作物秸秆所占比例最大[1]。生物质成型技术是发展生物质能源的有效途径，深入研究生物质在成型过程中的受力情况有利于生物质成型技术的成熟与完善，对生态环境保护、经济发展、人类社会可持续发展具有非常重要的现实意义和长远意义[2-3]。在现有关于生物质成型受力情况的研究中，杨军太等通过理论公式推导分析出生物质在柱塞式成型过程中所受压力沿成型套筒的指数型分布规律[4]；孙启新等利用ANSYS有限元理论模拟分析了生物质成型徐变过程和力学特性[5]；李震等基于ANSYS的双锥度模具有限元模型，分析了秸秆在压缩过程中的变形及摩擦应力分布，得出双锥度模具中物料所受载荷的变化规律[6]；丁宁等对玉米秸秆挤压过程进行有限元分析，得到物料在挤压过程中的流变规律，揭示了玉米秸秆成型过程中的应力、应变及摩擦力变化过程[7]。目前关于柱塞式常温成型过程的研究大多建立在模型理论分析及计算机软件模拟仿真的基础上，相应试验较少，且基本没有物料所受径向压力测量的相关试验。由此，本文基于前人公式推导及仿真数据，以玉米秸秆、柠条为原料进行柱塞式常温压缩成型试验，通过力学传感器测量实际压缩成型过程中物料所受压力变化，探究物料所受径向压力沿成型套筒的分布规律。

1 材料与方法

1.1 试验仪器设备

试验仪器设备主要包括柱塞液压式成型机、NI USB-6221数据采集卡、SC69-02型水分快速测定仪、SF-400S电子天平(0.01 g)、手提便携秤(1 g)、样品袋、喷壶等。所用柱塞液压式成型机理论最大压力为180 MPa，活塞对物料压缩速度为30.6 mm/s，活塞直径为60 mm。试验采用开式成型套筒，内径为60 mm，长度为210 mm、240 mm、270mm、300mm，对应长径比为3.5、4、4.5、5。

1.2 试验材料

试验以农林剩余物为试验原料，农业剩余物采用河北地区成熟玉米秸秆，经野外自然干燥后被捡拾打捆机收集、粉碎并打捆，解捆后的玉米秸秆用粉碎机再次粉碎至粒度为8 mm；林业剩余物采用内蒙古自治区的柠条枝条，柠条自然晾干后用粉碎机粉碎至粒度为8 mm。由于玉米秸秆和柠条的生物组织结构不同，粉碎后的玉米秸秆原料呈片状，而粉碎后的柠条原料则呈条状及少量颗粒状。

用烘干箱将玉米秸秆、柠条原料完全干燥后计算其含水率分别在7%～7.25%左右，为满足试验要求，还需分别调节玉米秸秆、柠条含水率至11%、15%、19%。

1.3 压力传感器的安装与固定

试验选用TJH-10微型荷重传感器测量成型套筒不同位置的物料所受径向压力。传感器外形如图1所示，受力点为圆形凸台的上表面，为满足试验过程中的径向压力测量需要，将传感器固定安装在成型套筒外壁上，安装效果如图2所示。

图1 压力传感器外形

图2 实际安装效果

1.4 试验方法

试验在柱塞液压式成型机上进行，柱塞由液压缸驱动，对物料进行间歇挤压。随着物料在成型套筒中的堆积压缩，物料与套筒内壁的摩擦力逐渐增大，使物料在套筒内压缩成型。试验过程中，柱塞每次进行挤压后，向进料斗中加入质量大致相同的物料，保证每次压缩物料的均匀程度，并通过压力传感器测量、数据采集卡记录成型套筒不同位置物料径向压力变化，柱塞运动至行程末端停止，保型10s后卸载进行下一次挤压。

2 结果与分析

2.1 成型过程径向压力变化

图3所示为物料在成型套筒上某一固定点所受径向压力随时间变化的曲线，当成型套筒中的物料不受柱塞挤压时，所受径向压力是一稳定值；当柱塞前进时，成型套筒内的物料会因受到柱塞挤压在轴向上被压缩，同时向四周膨胀，随着柱塞对物料的连续压缩，物料膨胀程度逐渐变大，其受到成型套筒壁的径向压力相应增大；当物料成型时，柱塞施加的压力达到物料的最大成型压力，物料所受径向压力也达到最大值；当成型套筒中的物料发生移动时，套筒对物料的径向压力会逐渐减小；当柱塞后退时，成型套筒中的物料失去轴向的压力，所受径向压力也会陡然减小；由于物料在轴向上不受压缩后会发生轴向回弹，相应物料所受径向压力逐渐减小；当物料的变形及回弹达到稳定状态时，物料所受径向压力会趋于稳定值。

图3 固定点物料所受径向压力变化曲线

2.2 试验参数对径向压力的影响规律

图4、图5分别为成型套筒中玉米秸秆、柠条在不同含水率情况下成型时所受径向压力及其含水率为7%时径向压力仿真值的变化规律曲线，套筒被“堵死”时未测出的数据点用连接相邻数据点的直线代替。

图4 玉米秸秆径向压力变化规律

图5 柠条径向压力变化规律

由图4可知，对于玉米秸秆，在同一含水率下，物料所受径向压力从成型套筒入口到出口逐渐减小；随含水率增大，物料在成型套筒同一位置所受径向压力先增大后减小。由图5可知，对于柠条，在同一含水率下，物料所受径向压力从成型套筒入口到出口同样逐渐减小；随含水率增大，柠条在成型套筒同一位置所受径向压力逐渐增大。通过比较发现，试验测量值较仿真值稍大，原因是试验所用成型套筒的内壁较粗糙，使得物料与筒壁的摩擦系数比仿真设置的摩擦系数大，从而试验测量值较大。另外，不同含水率的物料在成型套筒中所受径向压力的大小不同，这是由于物料中的水分改变了摩擦系数，也改变了物料变形时的泊松比等力学性质，几个参数的共同改变综合影响了径向压力的变化。

将不同含水率的玉米秸秆、柠条所受的径向压力试验测量值通过MATLAB选用一项指数函数进行拟合，函数表达式为：

σF=a·eb·L

式中，σF为物料所受径向压力，Pa；L为物料距套筒出口处的距离，mm。

将拟合结果的确定系数R-suqare值统一列于表1中，R-suqare值均大于0.9，表明一项指数函数可用于径向压力的拟合，物料在成型套筒中的径向压力确实呈指数型变化规律。

表1 确定系数R-suqare

3 结束语

以玉米秸秆、柠条分别为试验原料，当长径比为3.5、4、4.5、5，含水率为7%、11%、15%、19%时，在柱塞液压式成型机上进行单因素常温压缩成型试验，测量成型过程中物料在成型套筒不同位置的径向压力。

(1)在生物质柱塞式成型过程中，物料在成型套筒上某一固定点的径向压力随柱塞运动情况变化，而非定值。

(2)不同含水率下，玉米秸秆与柠条所受径向压力沿套筒长度均呈一项指数型变化规律。