許威 花軍 陳光偉 張紹群

(東北林業(yè)大學，哈爾濱，150040)

纖維分離過程的電能消耗在纖維板生產中所占的比重很大，通常熱磨機的電耗占生產總電耗的40%～50%［1-2］，直接影響企業(yè)的生產成本與利潤。探索影響纖維分離過程能耗的因素，降低纖維分離過程中的能耗，一直是纖維板和造紙設備生產企業(yè)以及相關學者研究的重點內容。很多國外學者利用試驗，從沖擊速度、受載方向、試驗溫度、蒸汽預處理等方面，研究了熱磨條件下木材原料的力學性能及其對纖維分離過程能耗的影響［3-8］。目前，國內相關研究較少;但是，國內學者對靜態(tài)及準靜態(tài)加載條件下木材的斷裂力學已開展了大量的研究［9-14］，并將分形理論引入到木材斷裂的研究中［15-17］，對熱磨條件下木材原料力學性能的研究具有重要的借鑒與參考價值。

雖然國外對熱磨機研磨條件下木材原料力學性能的研究開展較早，但是，絕大部分的研究都是在準靜態(tài)或應變率較低的環(huán)境下進行的，這導致研究得到的結果嚴重脫離了生產的實際情況。本研究的目的，在于利用分離式霍普金森桿(SHPB)對木材試件進行高應變率的壓縮試驗，分析木材動態(tài)力學特性對熱磨過程能量消耗的影響。試驗包含3 個應變率(400、700、1 000 s-1)、2 個含水率(氣干、全飽和)、3 個加載方向(弦向、徑向、軸向)。3 個應變率，是為了分析高應變率加載下，應變率對木材動態(tài)力學特性的影響，進而分析熱磨機轉速對熱磨過程中能量消耗的影響。2 個含水率，全飽和是為了接近熱磨過程中原料的真實含水率，氣干則是為了和全飽和作對比。3 個加載方向，是為了研究高應變率加載條件下，不同加載方向上木材動態(tài)力學特性與其破碎解離狀態(tài)的差異，進而確定熱磨過程能耗最少的最佳進料方向，合理設計磨片機構。

1 材料與方法

1．1 試件制作

試驗選取纖維板生產中常用的楊木(Populus davidiana Dode)作為試驗材料，產自黑龍江省，直徑為32 cm。參照GB/T 1929—2009 和GB/T 1935—2009 截取試樣毛坯并制作試件，試件毛坯均在同根試材的邊材處截取，試件尺寸為25 mm×25 mm×20 mm。氣干試件，是將試件放到溫度為25 ℃的室內，待試件含水率達到平衡，試件含水率約為12．81%。全飽和試件，是將試件浸泡在水中2 d 以上，待試件含水率達到全飽和狀態(tài)。試件20 mm 方向為加載方向(見圖1)。共有18 組實驗，每組試驗包含4 次重復試驗，所有試驗在室溫(約25 ℃)條件下進行。

圖1 試件尺寸及加載示意圖(單位:mm)

1．2 試驗方法

高應變率壓縮試驗是在SHPB 上完成，SHPB技術是獲得材料在102～104s-1應變率范圍內動力學特性的主要試驗手段［18］。利用SHPB 技術測試材料動態(tài)力學特性時，若測試材料的波阻抗與SHPB桿材料之間的波阻抗相差過大會導致透射桿中透射脈沖信號非常弱，影響試驗的測試精度［19］。由于木材是一種低密度、低波阻抗的材料，為了解決波阻抗的匹配問題，試驗選用密度和彈性模量相對較低的鋁桿。同時，考慮到木材波阻抗較低造成透射脈沖信號強度較弱，應用普通應變片進行測試，獲得的信號信噪比較低;試驗中透射桿上采用半導體應變片測試透射脈沖信號，對于脈沖信號強度較高的入射脈沖仍用普通應變片進行測試。

本試驗所用SHPB 試驗裝置:入射桿、透射桿、子彈長度分別為1 800、1 800、300 mm，直徑均為40 mm 的鋁桿，其彈性模量為71 GPa，密度為2 700 kg/m3。在入射桿、透射桿距離試件1 000 mm 處，分別粘貼普通應變片和半導體應變片，用于測定脈沖信號。用Matlab 和Excel 軟件，對采集到的脈沖信號進行計算分析。

1．3 數(shù)據(jù)處理

試驗時，SHPB 桿中應力脈沖的傳播如圖2 所示。子彈沿著軸向給入射桿一個沖擊加載(F0)，在入射桿中產生一個單軸應力脈沖σ(t)并對試樣進行加載。

式中:Ab為入射桿與透射桿的橫截面積;C0為桿中應力脈沖的傳播速度，C0=dx/dt;v(t)為質點速度;ρ為子彈的密度。

入射桿中的質點以速度vi向右傳播，入射脈沖的幅值由沖擊速度(是氣壓的函數(shù))和子彈的材料屬性決定。在動態(tài)沖擊研究中，準確測量應力脈沖和質點速度是非常重要的，忽略應力脈沖傳播過程中的橫向效應，認為入射桿、透射桿與試件接觸的交界面處合力為0。根據(jù)試件與桿接觸表面速度的連續(xù)與力的平衡情況，得出試樣質點的速度(vs):

式中:σi為入射應力脈沖;σr為反射應力脈沖;E0為桿材料的楊氏模量。

圖2 SHPB 中應力脈沖傳播示意圖

試件相對變形(δn(t))，在應力脈沖的傳播方向上試件的有效長度(Le)，t 時刻由應力脈沖在x1和x2的位移U1(t)、U2(t)得出:

式中:σt為透射應力脈沖。

試件應變εs(t)用(4)式計算:

用SHPB 試驗時，試件被夾在入射桿與透射桿之間。將胡克定律σ=Eε 代入(3)式，并結合(4)式，得試件的應變:

由試件的平衡有εt(t)≈εi(t)+εr(t)，所以試件應變?yōu)?

試樣的平均應力為:

式中:As為試件受載方向的橫截面積。

2 結果與分析

對各組試驗所得數(shù)據(jù)取平均值列于表1;在下面的論述中，各組試驗應變率的數(shù)值均取整，分別為400、700、1 000 s-1(見表1)。

2．1 試件受載后解離特征

當應變率為400 s-1時，只有全飽和試件弦向加載后碎成了幾大塊，其余組試件均只發(fā)生塑性變形。

當應變率為700 s-1時，氣干試件:弦向、徑向加載，均有沿加載方向的裂紋產生;軸向加載，在加載方向上纖維發(fā)生褶皺并沿長度方向產生劈裂。全飽和試件:弦向加載，解離成很多小塊，并且有一些火柴棍狀的小試件;徑向加載，沿加載方向產生裂紋，并且解離成幾大塊;軸向加載，在加載方向上纖維發(fā) 生較輕微的褶皺。

表1 試驗測得試件動態(tài)力學特性

當應變率為1 000 s-1時，氣干試件:弦向、徑向加載，產生更多的裂紋，并且有大塊試件剝離;軸向加載，被解離成很多小段試件，并且每段試件上都有非常明顯的褶皺。全飽和試件:弦向加載，解離成很多小塊，并且有大量的火柴棍狀的小試件;徑向加載，解離成更多的大塊試件;軸向加載，在加載方向上纖維發(fā)生非常明顯的褶皺現(xiàn)象，并且在加載面上纖維發(fā)生了明顯的壓潰現(xiàn)象(見圖3)。

圖3 應變率為1 000 s-1時試件破壞狀態(tài)

從整體看，全飽和試件較氣干試件更容易解離，而弦向最易解離，徑向次之，軸向最難解離;弦向、徑向解離時不會折斷纖維，軸向解離時纖維會發(fā)生褶皺現(xiàn)象并最終折斷纖維。軸向發(fā)生褶皺時，破壞線與軸線的夾角主要受自身物理性質的影響，是一種材料屬性［20］，氣干試件破壞線與主軸的傾角約為70°，全飽和試件破壞線與主軸的傾角約為55°。

2．2 試件質點速度—位移關系

對比分析各組試驗試件質點速度—位移曲線發(fā)現(xiàn):試件質點速度—位移曲線的形狀，不受應變率、加載方向和含水率的影響;試件質點的速度近似呈弧線形急劇增加的，在達到最大速度后呈波浪狀直線減小，然后又呈弧線形急劇下降，直至速度為0;試件質點速度的大小，不受或很少受含水率和加載方向的影響，但隨應變率的增加而增加(見圖4)。Allazadeh［21］指出，干楓樹受壓縮加載時，試件質點速度—位移曲線是分三段急劇增加的，且質點速度不受試件厚度的影響。結合Allazadeh 的研究結果可以推斷出，試件質點速度—位移曲線是受材料自身的物理性質(如強度、密度等)和加載條件的影響，相當于材料的一種屬性。

2．3 試件的強度

由表2 可見:氣干試件的抗壓強度隨應變率的加大而增加，具有非常明顯的應變率效應;在同一個應變率范圍內，弦向抗壓強度最小，軸向抗壓強度最大，具有高度的各向異性。

由表2 可見:全飽和試件，各組試驗的抗壓強度并沒有像氣干試件那樣明顯、一樣的規(guī)律。從整體看，在同一個應變率范圍內，還是弦向抗壓強度最小，軸向抗壓強度最大。當應變率從400 s-1增加到700 s-1時，弦向、徑向、軸向的抗壓強度，分別增加了34．12%、42．82%、13．90%;當應變率從700 s-1增加到1 000 s-1時，軸向的抗壓強度增加了2．73%，弦向、徑向的抗壓強度分別減少了2．42%、24．24%。可見，當應變率在400 ～1 000 s-1內變化時，軸向抗壓強度的值隨應變率的增加而增大，但增加幅度隨應變率的增加而減小;弦向、徑向抗壓強度隨應變率的增加先增大而后減小，全飽和試件抗壓強度也具有非常明顯的應變率效應。

圖4 試件質點位移—速度曲線

表2 試件抗壓強度

對比氣干、全飽和試件的試驗結果發(fā)現(xiàn):同一應變率范圍內，氣干試件的抗壓強度大于全飽和試件抗壓強度。

雖然氣干和全飽和試件均具有明顯的應變率效應，但氣干與全飽和試件隨應變率的變化規(guī)律并不相同。氣干試件的抗壓強度隨應變率的增加而增加，全飽和試件弦向、徑向的抗壓強度隨應變率的增加先增大而后減小?？梢酝茢啵@一現(xiàn)象是由木材中的自由水和應變率共同作用產生的。楊木屬于闊葉材，而闊葉材中水分的移動路徑主要是導管，另外，還包括管胞、導管狀管胞等。導管上具有穿孔和紋孔，在軸向上水分通過穿孔從一個導管進入縱向鄰近的另一個導管，在弦向、徑向上水分通過導管壁上的紋孔移動［22］。木材受載時，由于移動路徑孔徑大小的不同、不同方向移動路徑不同，木材中自由水的移動會受到很大阻礙;并且闊葉材導管中的侵填體、閉塞紋孔以及紋孔膜上的抽提物的存在，也會阻礙自由水的移動。若木材受載時提供給自由水的能量足夠破壞木材的結構，這種情況下，自由水對木材的結構起到一種減弱作用。試件質點速度的大小，不受或很少受含水率和加載方向的影響，但隨應變率的增加而增加，可知，自由水獲得的能量大小主要受應變率的影響并隨應變率的增加而增加。

實際生產中，可以通過提高熱磨機的轉速提高研磨過程中木材原料的應變率，所以提高熱磨機的轉速可以降低木材原料的抗壓強度，從而減少研磨過程中的能量消耗。Stationwala 等［23-25］研究發(fā)現(xiàn)，提高熱磨機轉速可以降低能量消耗，這與本研究的結果一致。

3 結論

全飽和試件比氣干試件更易解離。

在同一個應變率范圍內，弦向抗壓強度最小，軸向抗壓強度最大。進料時，若能使大部分原料沿著弦向進料，而避免沿著長度方向進料，則會減少研磨過程中的能量消耗。

當應變率在400～1 000 s-1范圍內變化時，軸向的抗壓強度值隨應變率的增加而增大，但增加幅度隨應變率的增加而減小;弦向、徑向的抗壓強度，隨應變率的增加先增大而后減小。熱磨過程中，增大磨盤轉速提高纖維分離過程的應變率，可減少熱磨過程中的能量消耗。

致謝:哈爾濱工業(yè)大學空間碎片高速撞擊研究中心張偉教授、任鵬博士，對試驗順利完成和數(shù)據(jù)處理工作給予幫助，謹此致謝!

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