生物质成型颗粒圆周表面形貌分析研究∗

李南丁 德雪红 白海洋 翟晓敏 吴桂芳

（1.内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010020；2.航天科工集团第六研究所，内蒙古 呼和浩特 010076）

生物质成型颗粒是由具有一定粒度和含水率的木屑或秸秆等农林剩余物原料在外力作用下，经由环模成型机压缩，制成的具有一定直径尺寸及密度的颗粒状物[1-2]。在被压缩过程中，生物质成型颗粒与其相接触的环模成型模孔产生接触摩擦，进而对成型模孔内接触表面造成一定磨损。当成型模孔内接触表面磨损量达到一定值时，成型模孔的长度和直径的比值（长径比）h/d0下降，影响成型颗粒的质量。当模孔长径比h/d0下降到某一极限时，成型模孔不能压缩出合格的成型颗粒，成型机报废[3-8]。

生物质成型颗粒圆周表面微观结构的相关研究是建立成型机成型模孔与成型颗粒圆周表面之间接触分形模型、接触摩擦磨损机理分析及磨损预测的基础[9-14]。本文选用以成型模孔直径d0为6、8 mm的环模成型机压缩而成的生物质成型颗粒，采集其圆周表面粗糙形貌数据，测量其直径、密度及硬度，分析其关联性，并通过电镜扫描分析其表面形貌，挖掘生物质成型颗粒表面粗糙度参数与环模关键部件成型模孔间的规律，为建立成型颗粒与成型模孔之间分形接触模型，以及精确分析生物质成型颗粒表面与成型模具之间力学接触模型建立基础数据[15-22]。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究选用3种生物质材料（呼和浩特市周边的柳树和杨树等混合木屑、红松木木屑、草坪草）以制备研究所需的生物质成型颗粒（图1），原料颗粒的颗粒度均为1～3 mm，含水率均值为11%。

图1 生物质成型颗粒样本（混合木屑，d0=8 mm）Fig.1 Biomass pellet sample (mixed sawdust, d0=8 mm)

1.2 设备

试验主要设备：JB-8C型精密粗糙度仪，广州市广精精密仪器有限公司；DHS-10A型快速水分测定仪，上海力辰邦西仪器科技有限公司；网孔直径3 mm的标准检验筛（GB/T 6003.1—2012 《试验筛 技术要求和检验》），新乡市喜阳阳筛分机械制造有限公司；JAEIHAENE型电子称（精度0.01 g），瑞安市德立商务电子有限公司；LX-D型邵氏硬度计，乐清市艾德堡仪器有限公司；100 mL量筒（精度1 mL），天长市天沪分析仪器有限公司；游标卡尺，无锡锡工量具有限公司；S-4800 型扫描电镜，日本Hitachi株式会社。

1.3 参数测定

选用成型模孔直径d0规格为6、8 mm的环模成型机压缩制备3 种成型颗粒，并以之为研究对象，共取600 个，测量其直径d、密度ρ、硬度、含水率。利用粗糙度仪测量其圆周表面粗糙形貌并提取数据，再对各参数进行对比分析。最后通过扫描电镜观察成型颗粒圆周表面粗糙形貌并进行对比分析验证。

2 结果与分析

2.1 生物质成型颗粒表面参数

随机选取直径为Φ6 mm和Φ8 mm的3 种生物质成型颗粒样本各100 个，测定其样本实际直径d、质量m和硬度值，根据直径d和质量m计算出样本平均密度值ρ。利用粗糙度仪测量成型颗粒圆周表面粗糙形貌并提取其数据，再根据实际直径d值大小，将100 个样本分成10 组，取其各参数平均值，结果如表1 和表2 所示。表中各参数含义：Ra表示评定轮廓的算术平均偏差，Rc表示轮廓支撑长度率，Rz表示微观不平度十点平均高度，Rsm表示轮廓的平均宽度，Rpc表示波峰数，Mr2表示粗糙度中心轮廓的最大材料率。

表1 生物质成型颗粒圆周表面各参数平均值（Φ6 mm）Tab.1 Average value of surface morphology parameters for biomass pellets (Φ6 mm)

（续表1）

表2 生物质成型颗粒圆周表面各参数平均值（Φ8 mm）Tab.2 Average value of surface morphology parameters for biomass pellets (Φ8 mm)

（续表2）

2.2 生物质颗粒直径与其密度、硬度及表面粗糙参数的关系

图2 和图3 分别为生物质成型颗粒直径d与密度ρ以及硬度HD之间的关系图。3 种成型颗粒密度ρ值以及硬度HD值随成型颗粒直径d的增大均呈下降趋势。这主要是因为成型机内成型模孔挤压物料过程中受物料的摩擦磨损导致其直径d0增大，成型模孔长径比h/d0下降[23-25]，进而使得成型颗粒密度ρ、硬度HD下降。

图2 直径d与密度ρ关系Fig.2 Relation between diameter d and density ρ

图3 直径d与硬度HD关系Fig.3 Relation between diameter d and hardness HD

图4和图5分别为生物质成型颗粒直径d与圆周表面算术平均粗糙度参数Ra、Rc、Rz、Rpc间关系图。3种成型颗粒圆周表面的粗糙度参数Ra、Rc、Rz值随其直径d的增大均呈上升趋势，而粗糙度参数Rpc值则随直径d的增大均呈下降趋势。这主要是因为成型颗粒密度ρ的下降会导致颗粒致密状态下降，圆周表面形貌不再光滑，使其粗糙度参数Ra、Rc、Rz值均提高；同时由于成型模孔内表面磨损的增加，使内表面的波峰被部分磨掉，粗糙度波峰数Rpc降低，进而导致成型颗粒Rpc的下降。

图4 直径d与表面粗糙参数Ra、Rc关系Fig.4 Change of roughness Ra and Rc with diameter d

图5 直径d与表面粗糙参数Rz、Rpc关系Fig.5 Change of roughness Rz and Rpc with diameter d

图6 所示为生物质成型颗粒直径d与粗糙度中心轮廓的最大材料率Mr2和表面粗糙参数Rsm间的关系图。3 种成型颗粒圆周表面的粗糙度中心轮廓最大材料率Mr2值随成型颗粒直径d的增大基本维持在85%（当d=6 mm时）和82%（当d=8 mm时）左右，总体处于80%～90%区间，无明显的上升或下降趋势。粗糙度中心轮廓的最大材料率Mr2值是建立成型模孔与成型颗粒接触力学模型的关键参数，参数Mr2的恒定有利于建立成型模孔与成型颗粒分形接触模型及摩擦磨损的预测模型[24-25]。此外，3 种成型颗粒圆周表面的粗糙度轮廓要素的平均宽度Rsm值随成型颗粒直径d的增大有较小的上升趋势，这主要是因为粗糙度波峰数Rpc下降，这符合粗糙形貌特征机理[16-17]。

图6 直径d与表面粗糙参数Rsm和Mr2 间关系Fig.6 Change of roughness Rsm and maximum material ratio Mr2 with diameter d

2.3 成型颗粒圆周表面粗糙形貌分析

图7、图8和图9所示为成型模孔在Φ6 mm（混合木屑）和Φ8 mm（红松木木屑、草坪草）时3种成型颗粒圆周表面粗糙形貌电镜放大200倍下的扫描状态图，图中暗色区表示颗粒表面较为光滑，白色线条区表示非光滑表面，白色线条越多表明成型颗粒圆周表面孔隙越多，密度越低，表面越粗糙。从形貌状态角度而言，3种材料制备的生物质成型颗粒表面形貌质量随着成型颗粒直径d的增加而下降，进而导致成型颗粒密度和硬度均下降。

图7 Φ6 mm成型颗粒圆周表面粗糙形貌（混合木屑）Fig.7 SEM images of rough surface of Φ6mm pellet(mixed sawdust)

图8 Φ8 mm成型颗粒圆周表面粗糙形貌（红松木木屑）Fig.8 SEM images of rough surface of Φ8mm pellet(korean pine sawdust)

图9 Φ8mm成型颗粒圆周表面粗糙形貌（草坪草）Fig.9 SEM images of rough surface of Φ8mm pellet(turfgrass)

3 结论

本文选用成型模孔直径d0为6、8 mm的环模成型机压缩而成的3 种生物质成型颗粒为试验样本，采集其圆周表面粗糙形貌数据，测量其直径d、密度ρ及硬度HD，分析其关联性，并通过电镜扫描分析其表面形貌，得到以下结论：

1）生物质环模成型机的成型模孔在与成型颗粒接触过程中，产生摩擦磨损，导致成型模孔直径d0增加，相应的生物质物料成型颗粒直径d变大。成型模孔摩擦磨损程度与生物质和模孔材料、摩擦时间等因素相关。

2）成型颗粒密度ρ值和硬度HD值随其直径d的增大呈下降趋势，这是因为成型机成型模孔直径d0的增大会降低模孔的长径比，进而使成型颗粒密度变小、质量下降。

3）成型颗粒的粗糙度参数Ra、Rc、Rz值随其直径d的增大呈上升趋势，这是因为成型模孔直径d0的增大会使成型颗粒密度下降，成型颗粒表面更粗糙。圆周表面的粗糙度中心轮廓的最大材料率Mr2值，随成型颗粒直径d的增大，总体保持在80%～90%之间。