油性添加劑對秸稈致密成型過程力學行為的影響規律研究

王禹 孫萬峰 孫宇 夏先飛

摘要：在生物質致密成型過程中加入添加劑是改善成型條件、提高制品品質的有效手段，對成型過程力學行為有直接影響。基于厚壁圓筒原理構建生物質致密成型過程力學行為測試系統，以小麥秸稈和水稻秸稈為對象，研究廢機油添加劑對成型過程力學行為的影響。結果表明：小麥秸稈和水稻秸稈對應峰值應力比值范圍分別為0.73～0.96和0.51～0.69；對應的終值應力比值范圍分別為0.46～0.68和0.38～0.55；廢機油添加劑會改變壓制過程中物料徑向應力占比，但對不同材料的影響程度不同；添加劑含量增加使徑向應力占比總體變化趨勢為遞增，但力學性能及其變化趨勢呈各向異性。應力占比與制品密度沒有確定的映射關系，不能直接通過成型過程中的力學行為判斷制品密度。

關鍵詞：秸稈；生物質成型燃料；力學行為；油性添加劑

中圖分類號：S216.2

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 070125

06

Effects of oil additives on the mechanical behavior for crop straw densification process

Wang Yu1， Sun Wanfeng1， Sun Yu1， Xia Xianfei2

（1. School of Mechanical Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing， 210094， China;

2. Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs，

Nanjing， 210014， China）

Abstract： The inclusion of additives in the biomass pelletizing process is an effective method to improve the pellet quality， which affects the mechanical behavior of the biomass in the densification process significantly. Based on the thick-walled cylinder principle， a mechanical behavior testing system for the biomass densification process was established， and the effects of waste oil additives on the mechanical behavior of the wheat straw and rice straw molding process were studied. The results showed that the peak stress ratios of wheat straw and rice straw ranged from 0.73 to 0.96 and 0.51 to 0.69， respectively. The final stress ratios ranged from 0.46 to 0.68 and 0.38 to 0.55， respectively. The waste oil additive can change the radial stress ratio of materials in the pressing process， but the extent of their influence varies for different materials. With the increase of additive content， the proportion of radial stress increases， but the mechanical properties and its variation trend are anisotropic. There is no definite mapping relationship between stress ratio and product density， and therefore， the product density cannot be determined directly from the mechanical behavior in the molding process.

Keywords： crop straw; biomass pellets; mechanical behavior; oil additives

0 引言

我國糧食產量連年增長，已實現“十七連豐”，隨之產出的農作物秸稈也在迅速增加。如何針對基數龐大的秸稈進行資源化利用已成為加快我國農業綠色發展、推進鄉村振興戰略實施的重要問題［1］。在政策的引導下，我國秸稈綜合利用產業已有了令人矚目的發展，但仍有大量秸稈得不到妥善利用［2］。秸稈焚燒現象仍屢禁不止，造成了極大的能源浪費和環境污染，威脅了社會公眾的利益。每到收獲季節，農村地區政府需要投入大量人力物力進行宣傳、巡查，防止焚燒秸稈，“禁燒秸稈”已成為當地政府與農戶之間的“博弈”難題［34］。生物質致密成型是秸稈資源化利用的基礎和有效技術手段，能將松散的秸稈原料壓制成具有較高密度、規則形狀和一定強度的成型燃料，既有效降低了存儲和運輸的成本，也使秸稈的進一步自動化處理成為可能［5］。

近年來，國內外學者以降低能耗、減少磨損、提高制品品質為目標［6］，圍繞生物質致密成型技術與裝備開展了一系列研究，而大部分學者都將該問題歸納為組合優化問題。蔣清海等［7］從理論上分析了生物質旋轉擠壓成型過程中物料在模輥工作區的擠壓成型機理和力學狀態，發現模輥尺寸、物料與機械表面間的摩擦系數等對扭矩和能耗有直接影響。Cui等［8］利用響應面法研究了溫度、壓制力和物料水分對四種不同生物質材料致密成型制品品質和成型能耗的影響，并提出了最佳成型條件。Lavergne等［9］結合試驗研究了物料水分、模孔長度、模具溫度等對十余種不同生物質材料平模制粒制工藝的影響，分別獲得了制品強度、制品密度和成型能耗的最大影響因素。楊濤濤等［10］結合正交試驗分析了制粒機成型性能的影響因素，并進行了制粒機結構參數優化。Dao等［11］研究了模孔長徑比對水稻秸稈平模制粒過程的影響。劉新泰等［12］發現原料幾何形狀也會對成形能耗和制品強度產生影響。

上述研究表明，物料不同、設備不同時，最優工藝參數也不盡相同，因此，這些研究的優化結果的有效范圍相對較小。大量研究表明，成型過程壓制力的變化對成型能耗、制品密度、制品強度有重要影響［1314］。因此，為了構建適用性廣的生物質致密成型理論，生物質材料壓制成型過程中變形規律和黏彈塑性力學行為逐漸成為本領域的研究熱點［1516］。但相關研究只關注軸向壓制力的變化，模具內壁作用在物料上的徑向壓制力對成型過程的影響均被忽略。另一方面，作為改善原料成型性能的有效手段，烘焙、碳化、加入添加劑等預處理技術已在工程中被廣泛采用［1719］。其中，加入添加劑是最簡單、直接的方法。廢機油是一種具有潛力的油性添加劑，能顯著提高制品熱值、降低能耗，也可以協助解決廢機油的回收利用問題［20］。而廢機油添加劑影響下生物質致密成型過程力學行為尚未研究。

本文針對廢機油影響下生物質致密成型過程軸向壓制力和徑向壓制力的變化規律進行研究。基于厚壁圓筒原理分析單孔模具內部應力狀態，在此基礎上設計并搭建生物質致密成型過程力學行為測試系統。針對不同添加劑含量下的小麥秸稈和水稻秸稈進行試驗，研究成型過程中徑向應力與軸向應力的比值隨添加劑含量的變化規律，并嘗試建立應力比值與制品密度的聯系，以期為生物質致密成型工藝相關研究提供參考。

1 試驗方法

1.1 基于厚壁圓筒的試驗系統構建

1.1.1 模具應力狀態分析

模孔中的物料狀態是生物質致密成型過程的核心，為了檢測成型過程中物料與模具內壁的作用力，需要對模具進行應力分析，并在此基礎上構建實驗系統。以充滿物料的單孔模具為對象，受力情況如圖1所示，其中：Ri和Ro分別為模具的內外半徑，Pi和Po分別為模具內外壁上的應力，σr和σθ分別為模具內部微元體上的徑向和周向應力，Ff為摩擦力，r為微元體距離模具中心的距離。

由于物料與模具內壁的摩擦力只影響模具的軸向應力，所以可以忽略。根據牛頓第一定律，穩定狀態下，模具各方向上合力為零，如式（1）所示。

∑σr=0

∑σθ=0

（1）

代入應力分量后，式（1）可以改寫為式（2）。

σr+σrrdr（r+dr）dθdz－σrdθdz－

2σθdrdzsindθ2+τzr+

τzrzdzrdrdθ－

τzrrdrdθ=0

σz+σzzdzrdθdr－σzrdθdr－τrzrdθdz+

τrz+τrzrdr（r+dr）dθdz=0

（2）

式中：

σz——軸向應力；

τrz、τzr——切向應力；

dr——徑向微元；

dz——軸向微元；

dθ——周向微元。

由于必須保證一定的模具壁厚度以防止試驗過程中模具的變形，模具不能被視作薄壁圓筒，即

σrr≠0

（3）

因此，生物質致密成型過程模具的應力狀態應屬于厚壁圓筒問題。根據拉美公式可知，式（2）的解為

σθ=PiRi2－PoRo2－Ri2+Ro2+（Pi－Po）Ri2Ro2－Ri2+Ro21r2

σr=PiRi2－PoRo2－Ri2+Ro2－（Pi－Po）Ri2Ro2－Ri2+Ro21r2

（4）

在式（4）的基礎上引入胡克定律，則模具的周向應變可表達為式（5）。

εθ=

1E（Ro2/Ri2－1）（1－μ）（Pi－K2Po）+

（1+μ）（Pi－Po）Ro2r2

（5）

式中：

E——單孔模具材料的彈性模量，MPa；

μ——單孔模具材料的泊松比；

K——單孔模具外徑與內徑的比值。

由于在試驗過程中，實際關注的只有模具外壁的周向應變，而模具外壁處于自由狀態時應力為0，因此，可以令

Po=0

r=Ro

（6）

于是，成形過程中物料作用在模具內壁的正應力與模具外壁周向應變之間的關系可以表示為

Pi=E（Ro2/Ri2－1）εθo2

（7）

式中：

εθo——單孔模具外壁的周向應變。

式（7）表明，可以通過測試模具外壁周向應力來獲得生物質致密成型過程中，物料作用在模具內壁的法向應力。

1.1.2 試驗系統的構建

在應力狀態分析結果的基礎上設計了一套生物質致密成型過程力學行為測試系統。該系統以萬能試驗機驅動，使物料在圓柱形的模孔內被壓縮，通過模具外壁的應變片來換算獲得物料作用在模具內壁的正應力，通過下方設置的力傳感器來獲得直接作用在物料端面的軸向應力。測試系統如圖2所示，模具內徑為20mm，模具外徑為30mm，模具材料為304不銹鋼，彈性模量為200GPa。代入式（7）可知模具外壁周向應變與物料作用在模具內壁的正應力關系，如式（8）所示。

Pi=6.25εθo×104

（8）

1.2 試驗設計

1.2.1 試驗物料

試驗對象為小麥秸稈和水稻秸稈，分別在2019年6月和12月在江蘇省揚州市收集，自然風干后放入黑色密封袋保存。使用的油性添加劑為廢機油，紗布過濾后放入棕色玻璃瓶保存。試驗前，利用小型粉碎機分別將小麥秸稈和水稻秸稈粉碎，并利用16目和100目的篩網組合篩分，去除過大或過小的顆粒，取100目的篩上物分為若干份，結合分析天平，分別加入5%、10%、15%、20%的廢機油，攪拌均勻后放入黑色密封袋保存，作為試驗物料。

1.2.2 試驗方案

試驗分別針對添加劑含量為0%、5%、10%、15%和20%的物料進行，每組進行2次。將8g±0.1g的物料加入模具中，啟動電子萬能試驗機，以80mm/min的速度對物料進行壓制，直到壓制力達到20kN（換算為軸向應力約69.69MPa）。保持壓力30s之后向上微撤壓制軸，去除底部的力傳感器（底塞），再以20mm/min的速度將物料擠出。采集記錄下整個過程中上、下力傳感器和周向應變片的信號。

2 結果與討論

2.1 力學行為分析

一次完整的壓制試驗包含壓制過程和保壓過程兩個部分，壓制力變化曲線如圖3所示。壓制過程可以進一步劃分為初始壓制、線性壓制和指數增長三個階段［21］。在初始壓制階段，壓制力幾乎沒有增長，秸稈顆粒在外力作用下發生較大位移，填充顆粒間的孔隙，顆粒變形不大；當大部分孔隙被填充之后，壓制過程進入線性壓制階段，秸稈顆粒產生較大變形，壓制力呈線性趨勢緩慢增長；當秸稈被壓實到一定程度之后，物料逐漸趨于不可壓縮狀態，壓制過程進入指數增長階段，壓制力呈指數級數規律迅速增長。保壓過程中，壓制軸保持禁止，出現應力松弛現象，壓制力會逐漸降低，且降低的速率也逐漸降低。由于在真實的加工過程中，保壓時間十分短暫，壓制過程對成型能耗和制品品質起了決定性作用，需要針對壓制過程的力學行為開展進一步分析。

壓制過程中，壓制軸下行，在完成對物料壓制的同時克服摩擦力做功，只有部分壓制力用于有效壓制。為了排除摩擦力的影響，取底部力傳感器所采集的數據為有效壓制力，并換算成應力形式，稱為底部軸向應力。在此基礎上，為了分析物料作用在模具內壁上的正應力（徑向應力）在壓制過程中的變化規律，取徑向應力與軸向應力的比值進行分析，壓制階段各向應力變化情況如圖4所示。

由圖4（a）可知，應力比值的變化規律也可以劃分為三個階段，第一階段中，比值幾乎為0，表明徑向應力為0，物料與模具內壁幾乎沒有作用力，物料還處于松散狀態；第二階段中，比值逐漸增加但不超過1，表明物料與模具內壁的作用力逐漸增加，且增加的速率比軸向應力增加的速率快，但數值小于軸向應力，說明物料正在被壓制；第三階段中，比值下降，表明徑向應力的增加速率小于軸向應力。因此，雖然軸向應力和徑向應力都呈現了與壓制過程壓制力曲線相似的變化規律，但二者變化速率不同，且轉折點出現在指數增長階段。

添加了油性添加劑之后，應力比值的變化規律會發生變化。以添加了15%廢機油的小麥秸稈為例，當第三階段結束后，應力比值會再次增加，表明徑向應力的變化率再次超過了軸向應力，如圖4（b）所示。此外，添加劑的增加也降低了物料與模具內壁的摩擦，使傳遞到底部物料的應力增加。雖然成形過程中壓制曲線的變化規律在前人的研究中已經被詳細描述［11， 13］，但應力比值出現拐點的現象在本領域是首次發現。

2.2 廢機油添加劑對力學行為的影響

為研究添加劑含量對徑向應力和軸向應力變化的影響，取不同添加劑含量條件下應力比值的峰值和最終值進行分析比較，每組試驗進行了2次。取兩組試驗數據的平均值進行分析，不同添加劑含量下小麥秸稈和水稻秸稈應力比值變化情況如圖5所示。

由圖5（a）可知，小麥秸稈的峰值應力比值范圍為0.73～0.96，而水稻秸稈的峰值應力比值范圍為0.51～0.69。對于峰值來說，小麥秸稈徑向應力占比整體上大于水稻秸稈；小麥秸稈的徑向應力占比隨添加劑含量的增加而增加，而對于水稻秸稈來說，當加入5%的添加劑時，徑向應力占比顯著下降，當添加劑含量繼續增加時，徑向應力占比呈增加趨勢。由圖5（b）可知，小麥秸稈的終值應力比值范圍為0.46～0.68，而水稻秸稈的終值應力比值范圍為0.38～0.55。終值隨添加劑含量的變化規律與峰值不同，二者都呈現了先降低后增大的趨勢。綜上所述，壓制過程中徑向應力和軸向應力的變化趨勢不一致，且在壓制過程中不斷變化，力學性能及其變化趨勢呈各向異性。從整體數值來說，兩種材料對應的峰值應力比值與終值應力比值均小于1，表明成形過程中軸向力起到主要的壓制作用，因此，軸向壓制力對制品品質有重要影響［14］。

徑向應力產生的原因是生物質材料受到軸向壓力時會有徑向膨脹的趨勢，而徑向膨脹趨勢被模具內壁阻止，最終形成物料作用在模具內壁上的正應力。而這種膨脹趨勢的大小與秸稈顆粒的彈性模量和泊松比有關，也與模具內壁和物料間的摩擦力有關；廢機油的潤滑作用降低了摩擦力，使被壓制的秸稈物料軸向應力增加，從而使物料的徑向膨脹趨勢更大，導致徑向應力占比更大，秸稈物料在徑向和軸向的壓制力更大。據此猜想，油性添加劑使秸稈物料受到了更充分的壓制。

為了驗證上述猜想，測試不同含量添加劑條件下成型燃料的密度和對應壓制過程的比能耗，如圖6所示。

由圖6（a）可知，當前壓制條件下，小麥秸稈對應的制品密度大于水稻秸稈；對于小麥秸稈來說，制品密度隨添加劑含量的增加而增加，由0.71g/cm3增加為0.91g/cm3；對于水稻秸稈，添加劑含量制品密度的影響不大，在0.62～0.67g/cm3之間波動。由圖6（b）可知，二者的比能耗均隨添加劑含量的增加而顯著降低。廢機油發揮了于水相似的潤滑作用，有效降低了生物質與模具內壁間的摩擦力［89］。綜上所述，對于小麥秸稈來說，添加劑使秸稈受到了更充分的壓制，制品密度有一定提高；但對于水稻秸稈來說，添加劑對制品密度的影響不大。此外，由于徑向應力不做功，所以與比能耗的變化沒有直接聯系。

3 結論

1）? 分析了成型過程中單孔模具的應力狀態，構建了生物質致密成型力學行為測試系統，并以小麥秸稈和水稻秸稈為對象，研究了廢機油添加劑對成型過程力學行為的影響。

2）? 壓制過程中物料的力學行為及其變化趨勢呈各向異性狀態，小麥秸稈和水稻秸稈對應峰值應力比值范圍分別為0.73～0.96和0.51～0.69；對應的終值應力比值范圍分別為0.46～0.68和0.38～0.55，壓制過程中軸向應力始終大于徑向應力。

3）? 廢機油添加劑會改變壓制過程中小麥秸稈和水稻秸稈的應力狀態，但影響程度不同；總體來說，添加劑含量的增加會使徑向應力與軸向力的比值增高，即其他情況相同時，物料受到的徑向壓制力會增加。

4）? 壓制過程中的應力狀態與制品密度及比能耗沒有明確的映射關系，因此，雖然制品密度及比能耗與壓制力之間的關系可以通過力學方程來描述，但不完全由壓制力決定，即不能僅通過成型過程力學行為來判斷制品品質與成型能耗。

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