劉新泰¹，高雨航²，李震²，劉彭²

(1.包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，內(nèi)蒙古包頭，014010；2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭，014010)

　　摘要：在大量的農(nóng)林業(yè)加工剩余物中，不同種類原料粉碎后的形狀不同，其壓縮成型特性有很大差異。以鋸末、樹葉和灌木細(xì)小枝條為原料，在同一模具下進(jìn)行單模孔單向受壓的離散元模擬，分析不同種類原料的成型質(zhì)量和能耗。模擬結(jié)果表明：擠壓成型后，鋸末的接觸數(shù)量達(dá)到8327，高于其他兩種原料。鋸末顆粒的最大變形率為55%，灌木細(xì)小枝條為52%，樹葉為49%。成型后鋸末的孔隙率為19.03%，灌木細(xì)小枝條為24.72%，樹葉為32.19%。根據(jù)變形率和孔隙率，得出鋸末的成型質(zhì)量最好，樹葉的成型質(zhì)量最差。這一結(jié)論與燃料的成型密度結(jié)果相對(duì)應(yīng)。整個(gè)致密成型過程鋸末、灌木細(xì)小枝條和樹葉消耗的能量分別為30.84J、19.76J、15.12J。模擬結(jié)果可以為生物質(zhì)致密成型技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

　　0引言

　　隨著能源危機(jī)和化石燃料對(duì)環(huán)境污染的加劇，世界各國不斷地研究和探索新能源。在這些新能源中，生物質(zhì)能是一種清潔綠色無污染的可再生能源[1-2]，發(fā)展利用生物質(zhì)能源已成為解決全球能源問題和改善生態(tài)環(huán)境不可或缺的重要途徑。

　　近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)生物質(zhì)致密成型技術(shù)進(jìn)行大量研究，取得一些研究成果。霍麗麗等[3]對(duì)玉米秸桿和木屑顆粒燃料橫截面的微觀形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果表明，生物質(zhì)顆粒燃料的微觀成型機(jī)理為分層間斷性壓縮，分為中心層、過渡層和表層三部分。Kaliyanw[4]利用顯微鏡觀察不同方式壓制出的玉米秸稈顆粒和柳枝稷顆粒，發(fā)現(xiàn)顆粒間的結(jié)合方式主要是固體橋接。楊華等[5]利用木屑、竹屑及玉米秸桿等生物質(zhì)原料進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，原料纖維形態(tài)和原料特性對(duì)成型燃料的抗跌碎性、抗?jié)B水性及吸濕性均有重要影響。上述研究更多側(cè)重于成型燃料的微觀黏結(jié)機(jī)制及不同種類原料成型后的成型效果，而不同種類原料粉碎后的幾何形狀不同，其對(duì)成型品質(zhì)及能耗有一定影響，上述文獻(xiàn)對(duì)這方面研究較少。

　　生物質(zhì)原料的細(xì)胞構(gòu)造和排列方式等決定其力學(xué)性質(zhì)多表現(xiàn)為各向異性[6]，致密成型前呈離散狀態(tài)，用連續(xù)體力學(xué)分析方法很難確切研究，而離散元方法可以實(shí)現(xiàn)顆粒物料細(xì)觀力學(xué)特性的數(shù)值模擬，彌補(bǔ)連續(xù)固體力學(xué)方法在處理散粒體方面的缺陷，因此，采用離散元方法更接近實(shí)際。不同種類原料粉碎后的形狀不盡相同，壓縮成型特性有很大差異，不但影響成型質(zhì)量，而且影響成型機(jī)的產(chǎn)量及動(dòng)力消耗。本文以鋸末、樹葉和灌木細(xì)小枝條為研究對(duì)象，采用離散單元法，利用計(jì)算機(jī)模擬其致密成型過程，分析不同種類原料顆粒燃料的成型質(zhì)量及能耗，為生物質(zhì)固化成型技術(shù)的發(fā)展提供理論依據(jù)。

　　1理論基礎(chǔ)

　　離散單元法（Discreat Element Method，DEM)是由Cundall于1971年基于分子動(dòng)力學(xué)原理提出的一種顆粒離散體物料分析方法[7]。離散元球形顆粒接觸理論的計(jì)算過程較為繁瑣，在不產(chǎn)生顯著誤差的條件下，有必要予以簡化處理，目前常用的有軟球模型和硬球模型。硬球模型忽略了顆粒的表面變形，主要應(yīng)用于低濃度顆粒間快速碰撞運(yùn)動(dòng)時(shí)的數(shù)值模擬。而軟球模型依據(jù)顆粒間法向重疊量和切向位移計(jì)算接觸力，并不斷更新顆粒的位置，計(jì)算強(qiáng)度較小，適合于工程問題的數(shù)值計(jì)算[8]。

　　2離散元仿真

　　2.1離散元模型

　　成型模具的尺寸參數(shù)如圖2(a)所示。根據(jù)圖2(a)中壁面的尺寸參數(shù)和約束條件創(chuàng)建的離散元模型如圖2(b)所示，模型主要由加載面、儲(chǔ)料倉、進(jìn)料錐面、成型腔和底部擋板等五部分組成。

　　為促使生物質(zhì)原料更容易進(jìn)人成型腔內(nèi)，成型模具的進(jìn)料口處應(yīng)有一定的錐度，而錐度的大小與錐面的受力有關(guān)。當(dāng)模具錐角為60°時(shí)，進(jìn)料錐面所受應(yīng)力較小[11]，因此，選用60°錐角的模具來進(jìn)行建模，成型?？字睆絛=8mm，模具的長徑比經(jīng)過研究文獻(xiàn)[12]選為6:1，即成型腔長度為48mm。

　　2.2顆粒模型及材料和接觸參數(shù)

　　在大量的農(nóng)林業(yè)加工剩余物中，不同種類原料粉碎后的形狀不同，其壓縮成型特性有很大差異，有的植物體粉碎以后容易壓縮成型，有的就比較困難。樹葉等自然形態(tài)下為片狀，粉碎后也多為片狀，常溫時(shí)容易壓縮；灌木細(xì)小枝條等粉碎后多為針狀，一般較難壓縮；鋸末等顆粒細(xì)小，多為類球狀顆粒，容易壓縮[13]，3種原料粉碎后的形態(tài)如圖3(a)所示。針對(duì)上述3種原料形狀，在EDEM的原型顆粒模型創(chuàng)建中利用多球面組合功能建立類球狀、針狀及片狀顆粒模型，如圖3(b)所示。

　　參照實(shí)際致密成型試驗(yàn)，本次模擬用球形顆粒填充顆粒模型，顆粒模型粒度為1?2mm。不同種類原料其離散元參數(shù)有一定差別，但本研究主要是分析原料粉碎后不同幾何形狀對(duì)成型過程的影響，因此，選用同一參數(shù)來進(jìn)行單因素分析，避免原料自身力學(xué)特性參數(shù)的影響。離散元仿真時(shí)，仿真參數(shù)主要是材料和接觸參數(shù)，材料參數(shù)是生物質(zhì)原料和成型模具的物理特性參數(shù)，如表1所示[14]。接觸參數(shù)是生物質(zhì)原料顆粒間和生物質(zhì)原料顆粒與成型模具間的接觸參數(shù)，如表2所示[15]。

　　2.3顆粒工廠及工作參數(shù)設(shè)置

　　圖2(b)所建立的離散元模擬模型中，根據(jù)成型腔體積和顆粒粒度，顆粒工廠采用落雨法隨機(jī)生成的顆粒填滿成型腔內(nèi)，相當(dāng)于致密成型試驗(yàn)中物料填充完成后進(jìn)人待壓縮的初始狀態(tài)。加載面以固定速度向下運(yùn)動(dòng)，儲(chǔ)料倉內(nèi)的顆粒從錐面慢慢被壓縮至成型腔內(nèi)。底部加一擋板相當(dāng)于做閉式壓縮試驗(yàn)。

　　參照實(shí)際壓縮試驗(yàn)，設(shè)置重力加速度為Z軸負(fù)方向，取9.81m/s²。在儲(chǔ)料倉內(nèi)建立一個(gè)虛擬的圓柱形顆粒工廠，采用靜態(tài)方式生成原料顆粒總質(zhì)量為5.6g，生成速率為1g/s。設(shè)置仿真時(shí)間步長為2×10^-6s，Rayleigh時(shí)間步長的21.89%。仿真總時(shí)間為50s，運(yùn)動(dòng)總位移為50mm，網(wǎng)格尺寸為3Rmin(最小顆粒半徑）。模擬開始后，每隔1s保存一次仿真數(shù)據(jù)。

　　3結(jié)果與討論

　　3.1成型密度與最大壓力

　　圖4為鋸末、樹葉和灌木細(xì)小枝條3種原料壓縮后成型密度與最大壓力的關(guān)系。從圖4可以看出，在同一模具下，3種原料經(jīng)壓縮后均能成型且成型后密度都遠(yuǎn)大于壓縮前密度，鋸末的成型效果最好，成型密度達(dá)到1.28g/cm³；樹葉的成型密度最低為0.93g/cm³，成型效果較差。樹葉成型時(shí)所受到的壓力最大為16MPa；銀末的壓力最小為9MPa。

　　3.2顆粒變形率

　　鋸末、樹葉和灌木細(xì)小枝條3種原料顆粒變形率隨壓縮時(shí)間的變化曲線如圖5所示，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，3種原料對(duì)應(yīng)的顆粒變形率曲線變化趨勢(shì)大致相同，但最大變形率卻存在一定差異。鋸末顆粒變形率最大為55%，灌木細(xì)小枝條次之為52%，樹葉最小為49%。根據(jù)顆粒的變形程度可知，鋸末的成型品質(zhì)較好，樹葉的成型品質(zhì)較差。

　　3.3孔隙率分析

　　圖6為不同種類原料孔隙率變化曲線，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，原料種類不同，其粉碎后的形狀不同，初始堆積孔隙率也存在一定差異。樹葉初始孔隙率最大，鋸末最小。原料種類改變對(duì)孔隙率變化趨勢(shì)影響不顯著，但擠壓成型后成型燃料的孔隙率大小不等?？紫堵士梢詮念w粒排布層面予以闡述，孔隙率越小，其顆粒排布接觸越為緊密，成型效果越好。壓制成型后樹葉的孔隙率為32.19%，灌木細(xì)小枝條為24.72%，鋸末為19.03%，根據(jù)孔隙率可知，鋸末的成型效果最好，樹葉的成型效果最差。

　　3.4接觸數(shù)量分析

　　在成型腔內(nèi)建立一個(gè)測量塊，計(jì)算測量塊內(nèi)不同種類原料的接觸數(shù)量，如圖7所示。從圖中可以看出，不同種類原料接觸數(shù)量變化趨勢(shì)大致相同，壓縮前期增長緩慢，壓縮后期急劇增長。擠壓過程完成后，鋸末的接觸數(shù)量達(dá)到8327，高于其他兩種原料。

　　壓縮前期，顆粒間空隙較大，發(fā)生接觸的顆粒數(shù)量較少，壓縮后期，外載荷消除了顆粒間隙，顆粒間緊密接觸，接觸數(shù)量急劇增長。由于接觸數(shù)量代表了顆粒聚集程度，因此，鋸末顆粒的聚集程度最大，其成型燃料品質(zhì)優(yōu)于其他兩種原料，而灌木細(xì)小枝條成型塊的質(zhì)量優(yōu)于樹葉。

　　3.5能耗分析

　　鋸末、樹葉和灌木細(xì)小枝條3種原料顆粒的總能量見圖8，圖8(a)?圖8(c)按順序分別對(duì)應(yīng)于鋸末、灌木細(xì)小枝條和樹葉。從圖中可以看出，壓縮過程完成后，鋸末消耗的能量為30.84J，高于其他兩種原料，樹葉消耗的能量最低，為15.12J。因此，壓縮鋸末顆粒消耗的能量最多，灌木細(xì)小枝條次之，樹葉最小。

　　4結(jié)論

　　1)建立鋸末、樹葉和灌木細(xì)小枝條3種原料顆粒致密成型過程的離散元仿真模型，分析不同種類原料的成型質(zhì)量和能耗，模擬得到不同種類原料壓縮過程中的最大壓力不同。

　　2)擠壓過程完成后，鋸末的接觸數(shù)量達(dá)到8327，高于其他兩種原料。成型后鋸末顆粒的變形率為55%、灌木細(xì)小枝條為52%、樹葉為49%，鋸末的孔隙率為19.03%、灌木細(xì)小枝條為24.72%、樹葉為32.19%。變形率和孔隙率代表了顆粒的黏結(jié)程度，根據(jù)顆粒變形率和孔隙率，得出鋸末成型效果最好，樹葉成型效果最差。這一結(jié)論與成型燃料的成型密度結(jié)果相對(duì)應(yīng)。整個(gè)擠壓過程鋸末消耗的能量為30.84J、灌木細(xì)小枝條為19.76J、樹葉為15.12J。

　　3)對(duì)比分析3種原料成型燃料的成型品質(zhì)和能耗，闡明生物質(zhì)原料粉碎后的幾何形狀與壓縮成型的相關(guān)性，為生物質(zhì)固化成型技術(shù)的發(fā)展提供借鑒。