生物質柱塞式成型徑向受力情況研究

2021-12-10 01:50:32冀雨

應用能源技術 2021年11期

冀雨

(中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所，北京 100095)

0 引言

我國生物質資源儲量大且種類繁多，主要以農林剩余物為主，其中糧食作物秸稈所占比例最大[1]。生物質成型技術是發展生物質能源的有效途徑，深入研究生物質在成型過程中的受力情況有利于生物質成型技術的成熟與完善，對生態環境保護、經濟發展、人類社會可持續發展具有非常重要的現實意義和長遠意義[2-3]。在現有關于生物質成型受力情況的研究中，楊軍太等通過理論公式推導分析出生物質在柱塞式成型過程中所受壓力沿成型套筒的指數型分布規律[4]；孫啟新等利用ANSYS有限元理論模擬分析了生物質成型徐變過程和力學特性[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力分布，得出雙錐度模具中物料所受載荷的變化規律[6]；丁寧等對玉米秸稈擠壓過程進行有限元分析，得到物料在擠壓過程中的流變規律，揭示了玉米秸稈成型過程中的應力、應變及摩擦力變化過程[7]。目前關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算機軟件模擬仿真的基礎上，相應試驗較少，且基本沒有物料所受徑向壓力測量的相關試驗。由此，本文基于前人公式推導及仿真數據，以玉米秸稈、檸條為原料進行柱塞式常溫壓縮成型試驗，通過力學傳感器測量實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律。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器設備

試驗儀器設備主要包括柱塞液壓式成型機、NI USB-6221數據采集卡、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理論最大壓力為180 MPa，活塞對物料壓縮速度為30.6 mm/s，活塞直徑為60 mm。試驗采用開式成型套筒，內徑為60 mm，長度為210 mm、240 mm、270mm、300mm，對應長徑比為3.5、4、4.5、5。

1.2 試驗材料

試驗以農林剩余物為試驗原料，農業剩余物采用河北地區成熟玉米秸稈，經野外自然干燥后被撿拾打捆機收集、粉碎并打捆，解捆后的玉米秸稈用粉碎機再次粉碎至粒度為8 mm；林業剩余物采用內蒙古自治區的檸條枝條，檸條自然晾干后用粉碎機粉碎至粒度為8 mm。由于玉米秸稈和檸條的生物組織結構不同，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算其含水率分別在7%～7.25%左右，為滿足試驗要求，還需分別調節玉米秸稈、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，受力點為圓形凸臺的上表面，為滿足試驗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 實際安裝效果

1.4 試驗方法

試驗在柱塞液壓式成型機上進行，柱塞由液壓缸驅動，對物料進行間歇擠壓。隨著物料在成型套筒中的堆積壓縮，物料與套筒內壁的摩擦力逐漸增大，使物料在套筒內壓縮成型。試驗過程中，柱塞每次進行擠壓后，向進料斗中加入質量大致相同的物料，保證每次壓縮物料的均勻程度，并通過壓力傳感器測量、數據采集卡記錄成型套筒不同位置物料徑向壓力變化，柱塞運動至行程末端停止，保型10s后卸載進行下一次擠壓。

2 結果與分析

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所受徑向壓力隨時間變化的曲線，當成型套筒中的物料不受柱塞擠壓時，所受徑向壓力是一穩定值；當柱塞前進時，成型套筒內的物料會因受到柱塞擠壓在軸向上被壓縮，同時向四周膨脹，隨著柱塞對物料的連續壓縮，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增大；當物料成型時，柱塞施加的壓力達到物料的最大成型壓力，物料所受徑向壓力也達到最大值；當成型套筒中的物料發生移動時，套筒對物料的徑向壓力會逐漸減小；當柱塞后退時，成型套筒中的物料失去軸向的壓力，所受徑向壓力也會陡然減小；由于物料在軸向上不受壓縮后會發生軸向回彈，相應物料所受徑向壓力逐漸減小；當物料的變形及回彈達到穩定狀態時，物料所受徑向壓力會趨于穩定值。

圖3 固定點物料所受徑向壓力變化曲線

2.2 試驗參數對徑向壓力的影響規律

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所受徑向壓力及其含水率為7%時徑向壓力仿真值的變化規律曲線，套筒被“堵死”時未測出的數據點用連接相鄰數據點的直線代替。

圖4 玉米秸稈徑向壓力變化規律

圖5 檸條徑向壓力變化規律

由圖4可知，對于玉米秸稈，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。通過比較發現，試驗測量值較仿真值稍大，原因是試驗所用成型套筒的內壁較粗糙，使得物料與筒壁的摩擦系數比仿真設置的摩擦系數大，從而試驗測量值較大。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，也改變了物料變形時的泊松比等力學性質，幾個參數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測量值通過MATLAB選用一項指數函數進行擬合，函數表達式為：

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。

將擬合結果的確定系數R-suqare值統一列于表1中，R-suqare值均大于0.9，表明一項指數函數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呈指數型變化規律。