油性添加剂对秸秆致密成型过程力学行为的影响规律研究

2023-08-04 16:58王禹孙万峰孙宇夏先飞
中国农机化学报 2023年7期
关键词:秸秆

王禹 孙万峰 孙宇 夏先飞

摘要:在生物质致密成型过程中加入添加剂是改善成型条件、提高制品品质的有效手段,对成型过程力学行为有直接影响。基于厚壁圆筒原理构建生物质致密成型过程力学行为测试系统,以小麦秸秆和水稻秸秆为对象,研究废机油添加剂对成型过程力学行为的影响。结果表明:小麦秸秆和水稻秸秆对应峰值应力比值范围分别为0.73~0.96和0.51~0.69;对应的终值应力比值范围分别为0.46~0.68和0.38~0.55;废机油添加剂会改变压制过程中物料径向应力占比,但对不同材料的影响程度不同;添加剂含量增加使径向应力占比总体变化趋势为递增,但力学性能及其变化趋势呈各向异性。应力占比与制品密度没有确定的映射关系,不能直接通过成型过程中的力学行为判断制品密度。

关键词:秸秆;生物质成型燃料;力学行为;油性添加剂

中图分类号:S216.2

文献标识码:A

文章编号: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

我國粮食产量连年增长,已实现“十七连丰”,随之产出的农作物秸秆也在迅速增加。如何针对基数庞大的秸秆进行资源化利用已成为加快我国农业绿色发展、推进乡村振兴战略实施的重要问题[1]。在政策的引导下,我国秸秆综合利用产业已有了令人瞩目的发展,但仍有大量秸秆得不到妥善利用[2]。秸秆焚烧现象仍屡禁不止,造成了极大的能源浪费和环境污染,威胁了社会公众的利益。每到收获季节,农村地区政府需要投入大量人力物力进行宣传、巡查,防止焚烧秸秆,“禁烧秸秆”已成为当地政府与农户之间的“博弈”难题[34]。生物质致密成型是秸秆资源化利用的基础和有效技术手段,能将松散的秸秆原料压制成具有较高密度、规则形状和一定强度的成型燃料,既有效降低了存储和运输的成本,也使秸秆的进一步自动化处理成为可能[5]。

近年来,国内外学者以降低能耗、减少磨损、提高制品品质为目标[6],围绕生物质致密成型技术与装备开展了一系列研究,而大部分学者都将该问题归纳为组合优化问题。蒋清海等[7]从理论上分析了生物质旋转挤压成型过程中物料在模辊工作区的挤压成型机理和力学状态,发现模辊尺寸、物料与机械表面间的摩擦系数等对扭矩和能耗有直接影响。Cui等[8]利用响应面法研究了温度、压制力和物料水分对四种不同生物质材料致密成型制品品质和成型能耗的影响,并提出了最佳成型条件。Lavergne等[9]结合试验研究了物料水分、模孔长度、模具温度等对十余种不同生物质材料平模制粒制工艺的影响,分别获得了制品强度、制品密度和成型能耗的最大影响因素。杨涛涛等[10]结合正交试验分析了制粒机成型性能的影响因素,并进行了制粒机结构参数优化。Dao等[11]研究了模孔长径比对水稻秸秆平模制粒过程的影响。刘新泰等[12]发现原料几何形状也会对成形能耗和制品强度产生影响。

上述研究表明,物料不同、设备不同时,最优工艺参数也不尽相同,因此,这些研究的优化结果的有效范围相对较小。大量研究表明,成型过程压制力的变化对成型能耗、制品密度、制品强度有重要影响[1314]。因此,为了构建适用性广的生物质致密成型理论,生物质材料压制成型过程中变形规律和黏弹塑性力学行为逐渐成为本领域的研究热点[1516]。但相关研究只关注轴向压制力的变化,模具内壁作用在物料上的径向压制力对成型过程的影响均被忽略。另一方面,作为改善原料成型性能的有效手段,烘焙、碳化、加入添加剂等预处理技术已在工程中被广泛采用[1719]。其中,加入添加剂是最简单、直接的方法。废机油是一种具有潜力的油性添加剂,能显著提高制品热值、降低能耗,也可以协助解决废机油的回收利用问题[20]。而废机油添加剂影响下生物质致密成型过程力学行为尚未研究。

本文针对废机油影响下生物质致密成型过程轴向压制力和径向压制力的变化规律进行研究。基于厚壁圆筒原理分析单孔模具内部应力状态,在此基础上设计并搭建生物质致密成型过程力学行为测试系统。针对不同添加剂含量下的小麦秸秆和水稻秸秆进行试验,研究成型过程中径向应力与轴向应力的比值随添加剂含量的变化规律,并尝试建立应力比值与制品密度的联系,以期为生物质致密成型工艺相关研究提供参考。

1 试验方法

1.1 基于厚壁圆筒的试验系统构建

1.1.1 模具应力状态分析

模孔中的物料状态是生物质致密成型过程的核心,为了检测成型过程中物料与模具内壁的作用力,需要对模具进行应力分析,并在此基础上构建实验系统。以充满物料的单孔模具为对象,受力情况如图1所示,其中:Ri和Ro分别为模具的内外半径,Pi和Po分别为模具内外壁上的应力,σr和σθ分别为模具内部微元体上的径向和周向应力,Ff为摩擦力,r为微元体距离模具中心的距离。

由于物料与模具内壁的摩擦力只影响模具的轴向应力,所以可以忽略。根据牛顿第一定律,稳定状态下,模具各方向上合力为零,如式(1)所示。

∑σr=0

∑σθ=0

(1)

代入应力分量后,式(1)可以改写为式(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——轴向应力;

τrz、τzr——切向应力;

dr——径向微元;

dz——轴向微元;

dθ——周向微元。

由于必须保证一定的模具壁厚度以防止试验过程中模具的变形,模具不能被视作薄壁圆筒,即

σrr≠0

(3)

因此,生物质致密成型过程模具的应力状态应属于厚壁圆筒问题。根据拉美公式可知,式(2)的解为

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,则模具的周向应变可表达为式(5)。

εθ=

1E(Ro2/Ri2-1)(1-μ)(Pi-K2Po)+

(1+μ)(Pi-Po)Ro2r2

(5)

式中:

E——单孔模具材料的弹性模量,MPa;

μ——单孔模具材料的泊松比;

K——单孔模具外径与内径的比值。

由于在试验过程中,实际关注的只有模具外壁的周向应变,而模具外壁处于自由状态时应力为0,因此,可以令

Po=0

r=Ro

(6)

于是,成形过程中物料作用在模具内壁的正应力与模具外壁周向应变之间的关系可以表示为

Pi=E(Ro2/Ri2-1)εθo2

(7)

式中:

εθo——单孔模具外壁的周向应变。

式(7)表明,可以通过测试模具外壁周向应力来获得生物质致密成型过程中,物料作用在模具内壁的法向应力。

1.1.2 试验系统的构建

在应力状态分析结果的基础上设计了一套生物质致密成型过程力学行为测试系统。该系统以万能试验机驱动,使物料在圆柱形的模孔内被压缩,通过模具外壁的应变片来换算获得物料作用在模具内壁的正应力,通过下方设置的力传感器来获得直接作用在物料端面的轴向应力。测试系统如图2所示,模具内径为20mm,模具外径为30mm,模具材料为304不锈钢,弹性模量为200GPa。代入式(7)可知模具外壁周向应变与物料作用在模具内壁的正应力关系,如式(8)所示。

Pi=6.25εθo×104

(8)

1.2 试验设计

1.2.1 试验物料

试验对象为小麦秸秆和水稻秸秆,分别在2019年6月和12月在江苏省扬州市收集,自然风干后放入黑色密封袋保存。使用的油性添加剂为废机油,纱布过滤后放入棕色玻璃瓶保存。试验前,利用小型粉碎机分别将小麦秸秆和水稻秸秆粉碎,并利用16目和100目的篩网组合筛分,去除过大或过小的颗粒,取100目的筛上物分为若干份,结合分析天平,分别加入5%、10%、15%、20%的废机油,搅拌均匀后放入黑色密封袋保存,作为试验物料。

1.2.2 试验方案

试验分别针对添加剂含量为0%、5%、10%、15%和20%的物料进行,每组进行2次。将8g±0.1g的物料加入模具中,启动电子万能试验机,以80mm/min的速度对物料进行压制,直到压制力达到20kN(换算为轴向应力约69.69MPa)。保持压力30s之后向上微撤压制轴,去除底部的力传感器(底塞),再以20mm/min的速度将物料挤出。采集记录下整个过程中上、下力传感器和周向应变片的信号。

2 结果与讨论

2.1 力学行为分析

一次完整的压制试验包含压制过程和保压过程两个部分,压制力变化曲线如图3所示。压制过程可以进一步划分为初始压制、线性压制和指数增长三个阶段[21]。在初始压制阶段,压制力几乎没有增长,秸秆颗粒在外力作用下发生较大位移,填充颗粒间的孔隙,颗粒变形不大;当大部分孔隙被填充之后,压制过程进入线性压制阶段,秸秆颗粒产生较大变形,压制力呈线性趋势缓慢增长;当秸秆被压实到一定程度之后,物料逐渐趋于不可压缩状态,压制过程进入指数增长阶段,压制力呈指数级数规律迅速增长。保压过程中,压制轴保持禁止,出现应力松弛现象,压制力会逐渐降低,且降低的速率也逐渐降低。由于在真实的加工过程中,保压时间十分短暂,压制过程对成型能耗和制品品质起了决定性作用,需要针对压制过程的力学行为开展进一步分析。

压制过程中,压制轴下行,在完成对物料压制的同时克服摩擦力做功,只有部分压制力用于有效压制。为了排除摩擦力的影响,取底部力传感器所采集的数据为有效压制力,并换算成应力形式,称为底部轴向应力。在此基础上,为了分析物料作用在模具内壁上的正应力(径向应力)在压制过程中的变化规律,取径向应力与轴向应力的比值进行分析,压制阶段各向应力变化情况如图4所示。

由图4(a)可知,应力比值的变化规律也可以划分为三个阶段,第一阶段中,比值几乎为0,表明径向应力为0,物料与模具内壁几乎没有作用力,物料还处于松散状态;第二阶段中,比值逐渐增加但不超过1,表明物料与模具内壁的作用力逐渐增加,且增加的速率比轴向应力增加的速率快,但数值小于轴向应力,说明物料正在被压制;第三阶段中,比值下降,表明径向应力的增加速率小于轴向应力。因此,虽然轴向应力和径向应力都呈现了与压制过程压制力曲线相似的变化规律,但二者变化速率不同,且转折点出现在指数增长阶段。

添加了油性添加剂之后,应力比值的变化规律会发生变化。以添加了15%废机油的小麦秸秆为例,当第三阶段结束后,应力比值会再次增加,表明径向应力的变化率再次超过了轴向应力,如图4(b)所示。此外,添加剂的增加也降低了物料与模具内壁的摩擦,使传递到底部物料的应力增加。虽然成形过程中压制曲线的变化规律在前人的研究中已经被详细描述[11, 13],但应力比值出现拐点的现象在本领域是首次发现。

2.2 废机油添加剂对力学行为的影响

为研究添加剂含量对径向应力和轴向应力变化的影响,取不同添加剂含量条件下应力比值的峰值和最终值进行分析比较,每组试验进行了2次。取两组试验数据的平均值进行分析,不同添加剂含量下小麦秸秆和水稻秸秆应力比值变化情况如图5所示。

由图5(a)可知,小麦秸秆的峰值应力比值范围为0.73~0.96,而水稻秸秆的峰值应力比值范围为0.51~0.69。对于峰值来说,小麦秸秆径向应力占比整体上大于水稻秸秆;小麦秸秆的径向应力占比随添加剂含量的增加而增加,而对于水稻秸秆来说,当加入5%的添加剂时,径向应力占比显著下降,当添加剂含量继续增加时,径向应力占比呈增加趋势。由图5(b)可知,小麦秸秆的终值应力比值范围为0.46~0.68,而水稻秸秆的终值应力比值范围为0.38~0.55。终值随添加剂含量的变化规律与峰值不同,二者都呈现了先降低后增大的趋势。综上所述,压制过程中径向应力和轴向应力的变化趋势不一致,且在压制过程中不断变化,力学性能及其变化趋势呈各向异性。从整体数值来说,两种材料对应的峰值应力比值与终值应力比值均小于1,表明成形过程中轴向力起到主要的压制作用,因此,轴向压制力对制品品质有重要影响[14]。

径向应力产生的原因是生物质材料受到轴向压力时会有径向膨胀的趋势,而径向膨胀趋势被模具内壁阻止,最终形成物料作用在模具内壁上的正应力。而这种膨胀趋势的大小与秸秆颗粒的弹性模量和泊松比有关,也与模具内壁和物料间的摩擦力有关;废机油的润滑作用降低了摩擦力,使被压制的秸秆物料轴向应力增加,从而使物料的径向膨胀趋势更大,导致径向应力占比更大,秸秆物料在径向和轴向的压制力更大。据此猜想,油性添加剂使秸秆物料受到了更充分的压制。

为了验证上述猜想,测试不同含量添加剂条件下成型燃料的密度和对应压制过程的比能耗,如图6所示。

由图6(a)可知,当前压制条件下,小麦秸秆对应的制品密度大于水稻秸秆;对于小麦秸秆来说,制品密度随添加剂含量的增加而增加,由0.71g/cm3增加为0.91g/cm3;对于水稻秸秆,添加剂含量制品密度的影响不大,在0.62~0.67g/cm3之间波动。由图6(b)可知,二者的比能耗均随添加剂含量的增加而显著降低。废机油发挥了于水相似的润滑作用,有效降低了生物质与模具内壁间的摩擦力[89]。综上所述,对于小麦秸秆来说,添加剂使秸秆受到了更充分的压制,制品密度有一定提高;但对于水稻秸秆来说,添加剂对制品密度的影响不大。此外,由于径向应力不做功,所以与比能耗的变化没有直接联系。

3 结论

1)  分析了成型过程中单孔模具的应力状态,构建了生物质致密成型力学行为测试系统,并以小麦秸秆和水稻秸秆为对象,研究了废机油添加剂对成型过程力学行为的影响。

2)  压制过程中物料的力学行为及其变化趋势呈各向异性状态,小麦秸秆和水稻秸秆对应峰值应力比值范围分别为0.73~0.96和0.51~0.69;对应的终值应力比值范围分别为0.46~0.68和0.38~0.55,压制过程中轴向应力始终大于径向应力。

3)  废机油添加剂会改变压制过程中小麦秸秆和水稻秸秆的应力状态,但影响程度不同;总体来说,添加剂含量的增加会使径向应力与轴向力的比值增高,即其他情况相同时,物料受到的径向压制力会增加。

4)  压制过程中的应力状态与制品密度及比能耗没有明确的映射关系,因此,虽然制品密度及比能耗与压制力之间的关系可以通过力学方程来描述,但不完全由压制力决定,即不能仅通过成型过程力学行为来判断制品品质与成型能耗。

参 考 文 献

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