沙柳细枝颗粒致密成型过程的离散元研究

高雨航 孙秀茹 孙雪林

摘  要：本文以沙柳作为生物质原料，建立沙柳颗粒单向受压的离散元模型，分析不同粒径下成型燃料的品质和能耗。模拟结果表明：挤压过程中颗粒轨迹随扭矩发生变化，扭矩由准直线状逐渐变为波动增加。粒径为0.5～2.5mm时，挤压过程需要的压缩力最大，扭矩值较大，颗粒产生较大的塑性变形，成型后空隙率较小，成型品质较好。粒径为1.5～2.5mm時，颗粒间粘结力较小，成型燃料松散，成型品质较差。对整个挤压过程消耗的能量进行分析，得到粒径为1.5～2.5mm时消耗的能量最多，粒径次之为0.5～1.5mm;粒径为0.5～2.5mm时所需能量最少。

关键词：生物质  离散元  致密成型  粒径

中图分类号：S781.29                         文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2021）05（c）-0075-04

Discrete Element Study on the Densification Process of Salix Twigs Granule

GAO Yuhang  SUN Xiuru  Sun Xuelin

（YanTai Gold College， Yantai， Shandong Province， 265400 China）

Abstract： Using Salix psammophila as biomass raw material， a discrete element model of Salix psammophila under unidirectional compression was established to analyze the quality and energy consumption of briquette fuel under different particle sizes. The simulation results show that the particle trajectory changes with the torque， and the torque gradually changes from quasi linear to fluctuating. When the particle size is 0.5-2.5mm， the compression force required in the extrusion process is the largest， the torque value is large， the particles produce large plastic deformation， the porosity is small after forming， and the forming quality is good. When the particle size is 1.5-2.5mm， the adhesion between particles is small， the molding fuel is loose and the molding quality is poor. The energy consumed in the whole extrusion process is analyzed. It is found that the energy consumed is the most when the particle size is 1.5-2.5mm， followed by 0.5-1.5mm， and the energy required is the least when the particle size is 0.5-2.5mm.

Key Words： Biomass; Discrete element; Densification; Particle size

近年来，随着社会的发展，能源消耗量逐年增加，且化石能源燃烧释放的有害气体对环境污染日益加剧，因此，从解决能源短缺和保护环境角度出发，开发和探索新型能源，已成为我国乃至全世界的重要工作。相比于其他新型能源，生物质能从开采到燃烧整个过程中，无污染气体的释放，是一种典型的可再生能源[1]。沙柳，作为我国西北部造林防沙树种之一，资源量丰富，且具有“平茬复壮”习性，是生物质燃料的最佳原料[2]。

沙柳细枝颗粒的力学性质具有非连续性的特征[3]。粉碎机粉碎后呈离散状态，挤压成棒状燃料的粘结过程中符合散体力学的规律，因此，采用离散元方法研究其致密成型过程更接近实际[4]。本文以沙柳为研究对象，利用计算机建立颗粒的单模孔挤压离散元模型，通过颗粒间的粘结效果、变形以及扭矩分析3种粒径下燃料的成型品质和能耗，模拟结果可以为散粒体固化成型技术发展提供新的途径。

1  理论基础

离散单元法（Discrete Element Method， DEM）是Cundall于1971年根据单元之间的相互作用和牛顿运动定律，提出的一种散粒体颗粒细观力学分析方法[5]。颗粒模型有2种，分别是软球模型和硬球模型[6-7]。由于沙柳细枝颗粒的粘弹特性，致密成型过程中颗粒间产生接触力，形成力链，在力链的作用下使散粒体颗粒固化成成型燃料，因此，颗粒模型选用软球模型，如图1所示。采用Hertz-Mindlin（no-slip）接触模型模拟沙柳颗粒致密成型过程[8]。

2  离散元模型

沙柳细枝颗粒由于内部的纤维状结构，在粉碎后为不规则的非球体，大致呈现针状形状，颗粒模型如图2所示。沙柳颗粒实际粉碎后粒径大小也不尽相同，粒径不仅对成型燃料品质有影响，而且还会影响到压缩过程中消耗的能量。实际粉碎后的颗粒需用筛网进行筛分，根据筛分后的结果，本文对0.5～1.5mm、1.5～2.5mm和0.5～2.5mm 三種粒径的沙柳颗粒进行离散元模拟，根据模拟结果，分析不同粒径下的成型品质和能耗。

实际致密成型过程中，沙柳细枝颗粒从储料仓被压缩到成型腔内形成生物质燃料。整个挤压过程，沙柳颗粒发生运动，和进料锥面的锥角之间会产生较大的磨损，影响模具的使用寿命，锥角的大小还对成型品质有一定的影响。当锥角的锥度为60°时，模具磨损较小[9]。因此，本次试验选用60°锥角的模具。参照实际挤压过程沙柳颗粒的运动位移，采用三维软件绘制模具，尺寸参数如图3（a）所示。保存为IGS格式后导入到离散元软件中，根据约束条件建立的颗粒受压离散元模型如图3（b）所示。

离散元模型建立后设置沙柳颗粒和模具的材料参数和接触参数，创建虚拟的颗粒工厂，根据实际沙柳颗粒的粒径范围，采用随机方式生成，颗粒生成完成后，输出仿真模型。加载面向下运动，挤压沙柳颗粒，运动位移为34mm，运动时间为50s。软件开始模拟后，后处理功能需记录空隙率、扭矩等数据，记录次数是每隔1s记录一次。

3  结果与讨论

3.1 压缩力分析

沙柳细枝颗粒致密成型过程中压缩力随时间变化曲线如图4所示。不同粒径下压缩力变化趋势几乎相同，压缩前期，压缩力主要消除掉颗粒间空隙，压缩力值较小，随着挤压过程继续进行，压缩力使颗粒间粘结力增大，产生力链，压缩力值急剧增加。粒径为1.5～2.5mm时，挤压过程中产生的压缩力较小，颗粒间产生很小的粘结力，成型品质相对较差;而粒径为0.5～2.5mm时，压缩力较大，颗粒间粘结力较大，形成强力链，成型效果相对较好。

3.2 空隙率分析

图5为不同粒径的沙柳颗粒空隙率变化情况。模拟完成后，建立栅格仓计算挤压过程不同时刻颗粒间的空隙率，空隙率反映颗粒间粘结程度，因此，对空隙率进行分析。粒径为0.5～2.5mm时，由于大颗粒间的空隙被小颗粒填充，成型腔内燃料的空隙率最小。整个挤压过程中不同粒径的空隙率几乎没有差异，随着压缩进行，挤压力使颗粒间发生粘结，空隙率减小。粒径为0.5～2.5mm时，相同容积下填充数量较多，致密成型后空隙率最小，成型燃料成型效果最好。

3.3 扭矩分析

如图6所示沙柳颗粒致密成型过程中扭矩随时间的变化而变化。同粒径的扭矩变化趋势无显著性差异，压缩前期，几乎没有扭矩产生，主要是由于静止堆积时颗粒间空隙较大，外载荷消除空隙;而压缩中后期，颗粒之间相互粘结形成接触力，产生强力链，在力链作用下，颗粒间空隙逐渐减小，颗粒轨迹呈现螺旋状，扭矩也会产生波动，颗粒间粘结作用随挤压过程不断增加，所以扭矩呈现出波动增长趋势。粒径为0.5～2.5mm时，扭矩值较大，颗粒间粘结效果较好，产生较大的塑性变形，成型质量相对较好;而粒径为1.5～2.5mm时，扭矩值较小，颗粒产生的塑性变形也较小，成型质量相对较差。

3.4 能耗分析

不同沙柳颗粒粒径下消耗的总能量如图7所示。经后处理建立栅格仓计算颗粒燃料消耗的能量，得到粒径为1.5～2.5mm时消耗的能量为26.05J，相比其他2种粒径，所耗能量最多，粒径为0.5～2.5mm时消耗的能量最少，为3.61J。

4  结语

沙柳细枝颗粒经粉碎机粉碎后粒度大小有所差异，为分析粒度对成型燃料品质和能耗的影响，采用离散元方法模拟整个实际挤压过程，得到压缩过程中颗粒轨迹随扭矩发生变化，扭矩由准直线状逐渐变为波动增加。粒径为0.5～2.5mm时压缩力最大，挤压成型后燃料的空隙率最小，成型品质较好。粒径为1.5～2.5mm时，成型质量较差。分析扭矩结果也与这一结论相吻合。

通过分析3种粒径颗粒压缩后颗粒的总能量，得到粒径为1.5～2.5mm时消耗的能量最多，为26.05J，粒径为0.5～1.5mm次之，为22.11J，粒径为0.5～2.5mm时消耗的能量最少，为3.61J。

参考文献

[1] 柳恒饶，刘光斌，李林检，等.响应面法分析优化晚松生物质成型燃料制备工艺[J].林业工程学报，2016，1 （1）：93-99.

[2] 高雨航.基于离散元法的沙柳细枝颗粒致密成型机理研究[D].包头：内蒙古科技大学，2019.

[3] 孙启新，张仁俭，董玉平.基于ANSYS的秸秆类生物质冷成型仿真分析[J].农业机械学报，2009，40（12）： 130-134.

[4] 刘宏俊，张文毅，纪要，等.基于离散元法的稻麦周年地区土壤仿真物理参数标定[J].中国农机化学报， 2020，41（12）：153-159.

[5] 曾智伟，马旭，曹秀龙，等.离散元法在农业工程研究中的应用现状和展望[J].农业机械学报，2021， 52（4）：1-20.

[6] 程加远，任廷志，张子龙，等.基于多体动力学与离散元耦合的惯性圆锥破碎机动态性能研究[J].振动与冲击，2021，40（8）：98-109.

[7] 刘新泰，高雨航，李震，等.生物质致密成型过程中原料几何形状的离散元研究[J].中国农机化学报， 2019，40（9）：80-84.

[8] 李震，高雨航，刘彭.沙柳细枝致密成型过程中的压缩方式[J].林业工程学报，2018，3（4）：102-106.

[9] 李震，薛冰，俞国胜.环模模空锥角及进料长度对模空强度影响研究[J].饲料工业，2014，35（1）：23-27.