高雨航 孫秀茹 孫雪林

摘? 要：本文以沙柳作為生物質(zhì)原料，建立沙柳顆粒單向受壓的離散元模型，分析不同粒徑下成型燃料的品質(zhì)和能耗。模擬結(jié)果表明：擠壓過(guò)程中顆粒軌跡隨扭矩發(fā)生變化，扭矩由準(zhǔn)直線狀逐漸變?yōu)椴▌?dòng)增加。粒徑為0.5～2.5mm時(shí)，擠壓過(guò)程需要的壓縮力最大，扭矩值較大，顆粒產(chǎn)生較大的塑性變形，成型后空隙率較小，成型品質(zhì)較好。粒徑為1.5～2.5mm時(shí)，顆粒間粘結(jié)力較小，成型燃料松散，成型品質(zhì)較差。對(duì)整個(gè)擠壓過(guò)程消耗的能量進(jìn)行分析，得到粒徑為1.5～2.5mm時(shí)消耗的能量最多，粒徑次之為0.5～1.5mm;粒徑為0.5～2.5mm時(shí)所需能量最少。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)? 離散元? 致密成型? 粒徑

中圖分類(lèi)號(hào)：S781.29? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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

近年來(lái)，隨著社會(huì)的發(fā)展，能源消耗量逐年增加，且化石能源燃燒釋放的有害氣體對(duì)環(huán)境污染日益加劇，因此，從解決能源短缺和保護(hù)環(huán)境角度出發(fā)，開(kāi)發(fā)和探索新型能源，已成為我國(guó)乃至全世界的重要工作。相比于其他新型能源，生物質(zhì)能從開(kāi)采到燃燒整個(gè)過(guò)程中，無(wú)污染氣體的釋放，是一種典型的可再生能源[1]。沙柳，作為我國(guó)西北部造林防沙樹(shù)種之一，資源量豐富，且具有“平茬復(fù)壯”習(xí)性，是生物質(zhì)燃料的最佳原料[2]。

沙柳細(xì)枝顆粒的力學(xué)性質(zhì)具有非連續(xù)性的特征[3]。粉碎機(jī)粉碎后呈離散狀態(tài)，擠壓成棒狀燃料的粘結(jié)過(guò)程中符合散體力學(xué)的規(guī)律，因此，采用離散元方法研究其致密成型過(guò)程更接近實(shí)際[4]。本文以沙柳為研究對(duì)象，利用計(jì)算機(jī)建立顆粒的單模孔擠壓離散元模型，通過(guò)顆粒間的粘結(jié)效果、變形以及扭矩分析3種粒徑下燃料的成型品質(zhì)和能耗，模擬結(jié)果可以為散粒體固化成型技術(shù)發(fā)展提供新的途徑。

1? 理論基礎(chǔ)

離散單元法（Discrete Element Method， DEM）是Cundall于1971年根據(jù)單元之間的相互作用和牛頓運(yùn)動(dòng)定律，提出的一種散粒體顆粒細(xì)觀力學(xué)分析方法[5]。顆粒模型有2種，分別是軟球模型和硬球模型[6-7]。由于沙柳細(xì)枝顆粒的粘彈特性，致密成型過(guò)程中顆粒間產(chǎn)生接觸力，形成力鏈，在力鏈的作用下使散粒體顆粒固化成成型燃料，因此，顆粒模型選用軟球模型，如圖1所示。采用Hertz-Mindlin（no-slip）接觸模型模擬沙柳顆粒致密成型過(guò)程[8]。

2? 離散元模型

沙柳細(xì)枝顆粒由于內(nèi)部的纖維狀結(jié)構(gòu)，在粉碎后為不規(guī)則的非球體，大致呈現(xiàn)針狀形狀，顆粒模型如圖2所示。沙柳顆粒實(shí)際粉碎后粒徑大小也不盡相同，粒徑不僅對(duì)成型燃料品質(zhì)有影響，而且還會(huì)影響到壓縮過(guò)程中消耗的能量。實(shí)際粉碎后的顆粒需用篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，根據(jù)篩分后的結(jié)果，本文對(duì)0.5～1.5mm、1.5～2.5mm和0.5～2.5mm 三種粒徑的沙柳顆粒進(jìn)行離散元模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，分析不同粒徑下的成型品質(zhì)和能耗。

實(shí)際致密成型過(guò)程中，沙柳細(xì)枝顆粒從儲(chǔ)料倉(cāng)被壓縮到成型腔內(nèi)形成生物質(zhì)燃料。整個(gè)擠壓過(guò)程，沙柳顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)，和進(jìn)料錐面的錐角之間會(huì)產(chǎn)生較大的磨損，影響模具的使用壽命，錐角的大小還對(duì)成型品質(zhì)有一定的影響。當(dāng)錐角的錐度為60°時(shí)，模具磨損較小[9]。因此，本次試驗(yàn)選用60°錐角的模具。參照實(shí)際擠壓過(guò)程沙柳顆粒的運(yùn)動(dòng)位移，采用三維軟件繪制模具，尺寸參數(shù)如圖3（a）所示。保存為IGS格式后導(dǎo)入到離散元軟件中，根據(jù)約束條件建立的顆粒受壓離散元模型如圖3（b）所示。

離散元模型建立后設(shè)置沙柳顆粒和模具的材料參數(shù)和接觸參數(shù)，創(chuàng)建虛擬的顆粒工廠，根據(jù)實(shí)際沙柳顆粒的粒徑范圍，采用隨機(jī)方式生成，顆粒生成完成后，輸出仿真模型。加載面向下運(yùn)動(dòng)，擠壓沙柳顆粒，運(yùn)動(dòng)位移為34mm，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為50s。軟件開(kāi)始模擬后，后處理功能需記錄空隙率、扭矩等數(shù)據(jù)，記錄次數(shù)是每隔1s記錄一次。

3? 結(jié)果與討論

3.1 壓縮力分析

沙柳細(xì)枝顆粒致密成型過(guò)程中壓縮力隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。不同粒徑下壓縮力變化趨勢(shì)幾乎相同，壓縮前期，壓縮力主要消除掉顆粒間空隙，壓縮力值較小，隨著擠壓過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，壓縮力使顆粒間粘結(jié)力增大，產(chǎn)生力鏈，壓縮力值急劇增加。粒徑為1.5～2.5mm時(shí)，擠壓過(guò)程中產(chǎn)生的壓縮力較小，顆粒間產(chǎn)生很小的粘結(jié)力，成型品質(zhì)相對(duì)較差;而粒徑為0.5～2.5mm時(shí)，壓縮力較大，顆粒間粘結(jié)力較大，形成強(qiáng)力鏈，成型效果相對(duì)較好。

3.2 空隙率分析

圖5為不同粒徑的沙柳顆?？障堵首兓闆r。模擬完成后，建立柵格倉(cāng)計(jì)算擠壓過(guò)程不同時(shí)刻顆粒間的空隙率，空隙率反映顆粒間粘結(jié)程度，因此，對(duì)空隙率進(jìn)行分析。粒徑為0.5～2.5mm時(shí)，由于大顆粒間的空隙被小顆粒填充，成型腔內(nèi)燃料的空隙率最小。整個(gè)擠壓過(guò)程中不同粒徑的空隙率幾乎沒(méi)有差異，隨著壓縮進(jìn)行，擠壓力使顆粒間發(fā)生粘結(jié)，空隙率減小。粒徑為0.5～2.5mm時(shí)，相同容積下填充數(shù)量較多，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

如圖6所示沙柳顆粒致密成型過(guò)程中扭矩隨時(shí)間的變化而變化。同粒徑的扭矩變化趨勢(shì)無(wú)顯著性差異，壓縮前期，幾乎沒(méi)有扭矩產(chǎn)生，主要是由于靜止堆積時(shí)顆粒間空隙較大，外載荷消除空隙;而壓縮中后期，顆粒之間相互粘結(jié)形成接觸力，產(chǎn)生強(qiáng)力鏈，在力鏈作用下，顆粒間空隙逐漸減小，顆粒軌跡呈現(xiàn)螺旋狀，扭矩也會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)，顆粒間粘結(jié)作用隨擠壓過(guò)程不斷增加，所以扭矩呈現(xiàn)出波動(dòng)增長(zhǎng)趨勢(shì)。粒徑為0.5～2.5mm時(shí)，扭矩值較大，顆粒間粘結(jié)效果較好，產(chǎn)生較大的塑性變形，成型質(zhì)量相對(duì)較好;而粒徑為1.5～2.5mm時(shí)，扭矩值較小，顆粒產(chǎn)生的塑性變形也較小，成型質(zhì)量相對(duì)較差。

3.4 能耗分析

不同沙柳顆粒粒徑下消耗的總能量如圖7所示。經(jīng)后處理建立柵格倉(cāng)計(jì)算顆粒燃料消耗的能量，得到粒徑為1.5～2.5mm時(shí)消耗的能量為26.05J，相比其他2種粒徑，所耗能量最多，粒徑為0.5～2.5mm時(shí)消耗的能量最少，為3.61J。

4? 結(jié)語(yǔ)

沙柳細(xì)枝顆粒經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后粒度大小有所差異，為分析粒度對(duì)成型燃料品質(zhì)和能耗的影響，采用離散元方法模擬整個(gè)實(shí)際擠壓過(guò)程，得到壓縮過(guò)程中顆粒軌跡隨扭矩發(fā)生變化，扭矩由準(zhǔn)直線狀逐漸變?yōu)椴▌?dòng)增加。粒徑為0.5～2.5mm時(shí)壓縮力最大，擠壓成型后燃料的空隙率最小，成型品質(zhì)較好。粒徑為1.5～2.5mm時(shí)，成型質(zhì)量較差。分析扭矩結(jié)果也與這一結(jié)論相吻合。

通過(guò)分析3種粒徑顆粒壓縮后顆粒的總能量，得到粒徑為1.5～2.5mm時(shí)消耗的能量最多，為26.05J，粒徑為0.5～1.5mm次之，為22.11J，粒徑為0.5～2.5mm時(shí)消耗的能量最少，為3.61J。

參考文獻(xiàn)

[1] 柳恒饒，劉光斌，李林檢，等.響應(yīng)面法分析優(yōu)化晚松生物質(zhì)成型燃料制備工藝[J].林業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，1 （1）：93-99.

[2] 高雨航.基于離散元法的沙柳細(xì)枝顆粒致密成型機(jī)理研究[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學(xué)，2019.

[3] 孫啟新，張仁儉，董玉平.基于ANSYS的秸稈類(lèi)生物質(zhì)冷成型仿真分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40（12）： 130-134.

[4] 劉宏俊，張文毅，紀(jì)要，等.基于離散元法的稻麥周年地區(qū)土壤仿真物理參數(shù)標(biāo)定[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2020，41（12）：153-159.

[5] 曾智偉，馬旭，曹秀龍，等.離散元法在農(nóng)業(yè)工程研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀和展望[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021， 52（4）：1-20.

[6] 程加遠(yuǎn)，任廷志，張子龍，等.基于多體動(dòng)力學(xué)與離散元耦合的慣性圓錐破碎機(jī)動(dòng)態(tài)性能研究[J].振動(dòng)與沖擊，2021，40（8）：98-109.

[7] 劉新泰，高雨航，李震，等.生物質(zhì)致密成型過(guò)程中原料幾何形狀的離散元研究[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)， 2019，40（9）：80-84.

[8] 李震，高雨航，劉彭.沙柳細(xì)枝致密成型過(guò)程中的壓縮方式[J].林業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，3（4）：102-106.

[9] 李震，薛冰，俞國(guó)勝.環(huán)模?？斟F角及進(jìn)料長(zhǎng)度對(duì)?？諒?qiáng)度影響研究[J].飼料工業(yè)，2014，35（1）：23-27.