李南丁 德雪紅 白海洋 翟曉敏 吳桂芳

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.航天科工集團(tuán)第六研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010076）

生物質(zhì)成型顆粒是由具有一定粒度和含水率的木屑或秸稈等農(nóng)林剩余物原料在外力作用下，經(jīng)由環(huán)模成型機(jī)壓縮，制成的具有一定直徑尺寸及密度的顆粒狀物[1-2]。在被壓縮過(guò)程中，生物質(zhì)成型顆粒與其相接觸的環(huán)模成型?？桩a(chǎn)生接觸摩擦，進(jìn)而對(duì)成型?？變?nèi)接觸表面造成一定磨損。當(dāng)成型?？變?nèi)接觸表面磨損量達(dá)到一定值時(shí)，成型?？椎拈L(zhǎng)度和直徑的比值（長(zhǎng)徑比）h/d0下降，影響成型顆粒的質(zhì)量。當(dāng)?？组L(zhǎng)徑比h/d0下降到某一極限時(shí)，成型?？撞荒軌嚎s出合格的成型顆粒，成型機(jī)報(bào)廢[3-8]。

生物質(zhì)成型顆粒圓周表面微觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究是建立成型機(jī)成型?？着c成型顆粒圓周表面之間接觸分形模型、接觸摩擦磨損機(jī)理分析及磨損預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)[9-14]。本文選用以成型模孔直徑d0為6、8 mm的環(huán)模成型機(jī)壓縮而成的生物質(zhì)成型顆粒，采集其圓周表面粗糙形貌數(shù)據(jù)，測(cè)量其直徑、密度及硬度，分析其關(guān)聯(lián)性，并通過(guò)電鏡掃描分析其表面形貌，挖掘生物質(zhì)成型顆粒表面粗糙度參數(shù)與環(huán)模關(guān)鍵部件成型?？组g的規(guī)律，為建立成型顆粒與成型?？字g分形接觸模型，以及精確分析生物質(zhì)成型顆粒表面與成型模具之間力學(xué)接觸模型建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[15-22]。

1 材料與方法

1.1 材料

本研究選用3種生物質(zhì)材料（呼和浩特市周邊的柳樹(shù)和楊樹(shù)等混合木屑、紅松木木屑、草坪草）以制備研究所需的生物質(zhì)成型顆粒（圖1），原料顆粒的顆粒度均為1～3 mm，含水率均值為11%。

圖1 生物質(zhì)成型顆粒樣本（混合木屑，d0=8 mm）Fig.1 Biomass pellet sample (mixed sawdust, d0=8 mm)

1.2 設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備：JB-8C型精密粗糙度儀，廣州市廣精精密儀器有限公司；DHS-10A型快速水分測(cè)定儀，上海力辰邦西儀器科技有限公司；網(wǎng)孔直徑3 mm的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩（GB/T 6003.1—2012 《試驗(yàn)篩 技術(shù)要求和檢驗(yàn)》），新鄉(xiāng)市喜陽(yáng)陽(yáng)篩分機(jī)械制造有限公司；JAEIHAENE型電子稱（精度0.01 g），瑞安市德立商務(wù)電子有限公司；LX-D型邵氏硬度計(jì)，樂(lè)清市艾德堡儀器有限公司；100 mL量筒（精度1 mL），天長(zhǎng)市天滬分析儀器有限公司；游標(biāo)卡尺，無(wú)錫錫工量具有限公司；S-4800 型掃描電鏡，日本Hitachi株式會(huì)社。

1.3 參數(shù)測(cè)定

選用成型?？字睆絛0規(guī)格為6、8 mm的環(huán)模成型機(jī)壓縮制備3 種成型顆粒，并以之為研究對(duì)象，共取600 個(gè)，測(cè)量其直徑d、密度ρ、硬度、含水率。利用粗糙度儀測(cè)量其圓周表面粗糙形貌并提取數(shù)據(jù)，再對(duì)各參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。最后通過(guò)掃描電鏡觀察成型顆粒圓周表面粗糙形貌并進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物質(zhì)成型顆粒表面參數(shù)

隨機(jī)選取直徑為Φ6 mm和Φ8 mm的3 種生物質(zhì)成型顆粒樣本各100 個(gè)，測(cè)定其樣本實(shí)際直徑d、質(zhì)量m和硬度值，根據(jù)直徑d和質(zhì)量m計(jì)算出樣本平均密度值ρ。利用粗糙度儀測(cè)量成型顆粒圓周表面粗糙形貌并提取其數(shù)據(jù)，再根據(jù)實(shí)際直徑d值大小，將100 個(gè)樣本分成10 組，取其各參數(shù)平均值，結(jié)果如表1 和表2 所示。表中各參數(shù)含義：Ra表示評(píng)定輪廓的算術(shù)平均偏差，Rc表示輪廓支撐長(zhǎng)度率，Rz表示微觀不平度十點(diǎn)平均高度，Rsm表示輪廓的平均寬度，Rpc表示波峰數(shù)，Mr2表示粗糙度中心輪廓的最大材料率。

表1 生物質(zhì)成型顆粒圓周表面各參數(shù)平均值（Φ6 mm）Tab.1 Average value of surface morphology parameters for biomass pellets (Φ6 mm)

（續(xù)表1）

表2 生物質(zhì)成型顆粒圓周表面各參數(shù)平均值（Φ8 mm）Tab.2 Average value of surface morphology parameters for biomass pellets (Φ8 mm)

（續(xù)表2）

2.2 生物質(zhì)顆粒直徑與其密度、硬度及表面粗糙參數(shù)的關(guān)系

圖2 和圖3 分別為生物質(zhì)成型顆粒直徑d與密度ρ以及硬度HD之間的關(guān)系圖。3 種成型顆粒密度ρ值以及硬度HD值隨成型顆粒直徑d的增大均呈下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)槌尚蜋C(jī)內(nèi)成型?？讛D壓物料過(guò)程中受物料的摩擦磨損導(dǎo)致其直徑d0增大，成型?？组L(zhǎng)徑比h/d0下降[23-25]，進(jìn)而使得成型顆粒密度ρ、硬度HD下降。

圖2 直徑d與密度ρ關(guān)系Fig.2 Relation between diameter d and density ρ

圖3 直徑d與硬度HD關(guān)系Fig.3 Relation between diameter d and hardness HD

圖4和圖5分別為生物質(zhì)成型顆粒直徑d與圓周表面算術(shù)平均粗糙度參數(shù)Ra、Rc、Rz、Rpc間關(guān)系圖。3種成型顆粒圓周表面的粗糙度參數(shù)Ra、Rc、Rz值隨其直徑d的增大均呈上升趨勢(shì)，而粗糙度參數(shù)Rpc值則隨直徑d的增大均呈下降趨勢(shì)。這主要是因?yàn)槌尚皖w粒密度ρ的下降會(huì)導(dǎo)致顆粒致密狀態(tài)下降，圓周表面形貌不再光滑，使其粗糙度參數(shù)Ra、Rc、Rz值均提高；同時(shí)由于成型?？變?nèi)表面磨損的增加，使內(nèi)表面的波峰被部分磨掉，粗糙度波峰數(shù)Rpc降低，進(jìn)而導(dǎo)致成型顆粒Rpc的下降。

圖4 直徑d與表面粗糙參數(shù)Ra、Rc關(guān)系Fig.4 Change of roughness Ra and Rc with diameter d

圖5 直徑d與表面粗糙參數(shù)Rz、Rpc關(guān)系Fig.5 Change of roughness Rz and Rpc with diameter d

圖6 所示為生物質(zhì)成型顆粒直徑d與粗糙度中心輪廓的最大材料率Mr2和表面粗糙參數(shù)Rsm間的關(guān)系圖。3 種成型顆粒圓周表面的粗糙度中心輪廓最大材料率Mr2值隨成型顆粒直徑d的增大基本維持在85%（當(dāng)d=6 mm時(shí)）和82%（當(dāng)d=8 mm時(shí)）左右，總體處于80%～90%區(qū)間，無(wú)明顯的上升或下降趨勢(shì)。粗糙度中心輪廓的最大材料率Mr2值是建立成型?？着c成型顆粒接觸力學(xué)模型的關(guān)鍵參數(shù)，參數(shù)Mr2的恒定有利于建立成型?？着c成型顆粒分形接觸模型及摩擦磨損的預(yù)測(cè)模型[24-25]。此外，3 種成型顆粒圓周表面的粗糙度輪廓要素的平均寬度Rsm值隨成型顆粒直徑d的增大有較小的上升趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榇植诙炔ǚ鍞?shù)Rpc下降，這符合粗糙形貌特征機(jī)理[16-17]。

圖6 直徑d與表面粗糙參數(shù)Rsm和Mr2 間關(guān)系Fig.6 Change of roughness Rsm and maximum material ratio Mr2 with diameter d

2.3 成型顆粒圓周表面粗糙形貌分析

圖7、圖8和圖9所示為成型?？自讦? mm（混合木屑）和Φ8 mm（紅松木木屑、草坪草）時(shí)3種成型顆粒圓周表面粗糙形貌電鏡放大200倍下的掃描狀態(tài)圖，圖中暗色區(qū)表示顆粒表面較為光滑，白色線條區(qū)表示非光滑表面，白色線條越多表明成型顆粒圓周表面孔隙越多，密度越低，表面越粗糙。從形貌狀態(tài)角度而言，3種材料制備的生物質(zhì)成型顆粒表面形貌質(zhì)量隨著成型顆粒直徑d的增加而下降，進(jìn)而導(dǎo)致成型顆粒密度和硬度均下降。

圖7 Φ6 mm成型顆粒圓周表面粗糙形貌（混合木屑）Fig.7 SEM images of rough surface of Φ6mm pellet(mixed sawdust)

圖8 Φ8 mm成型顆粒圓周表面粗糙形貌（紅松木木屑）Fig.8 SEM images of rough surface of Φ8mm pellet(korean pine sawdust)

圖9 Φ8mm成型顆粒圓周表面粗糙形貌（草坪草）Fig.9 SEM images of rough surface of Φ8mm pellet(turfgrass)

3 結(jié)論

本文選用成型?？字睆絛0為6、8 mm的環(huán)模成型機(jī)壓縮而成的3 種生物質(zhì)成型顆粒為試驗(yàn)樣本，采集其圓周表面粗糙形貌數(shù)據(jù)，測(cè)量其直徑d、密度ρ及硬度HD，分析其關(guān)聯(lián)性，并通過(guò)電鏡掃描分析其表面形貌，得到以下結(jié)論：

1）生物質(zhì)環(huán)模成型機(jī)的成型?？自谂c成型顆粒接觸過(guò)程中，產(chǎn)生摩擦磨損，導(dǎo)致成型?？字睆絛0增加，相應(yīng)的生物質(zhì)物料成型顆粒直徑d變大。成型?？啄Σ聊p程度與生物質(zhì)和?？撞牧?、摩擦?xí)r間等因素相關(guān)。

2）成型顆粒密度ρ值和硬度HD值隨其直徑d的增大呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)槌尚蜋C(jī)成型模孔直徑d0的增大會(huì)降低?？椎拈L(zhǎng)徑比，進(jìn)而使成型顆粒密度變小、質(zhì)量下降。

3）成型顆粒的粗糙度參數(shù)Ra、Rc、Rz值隨其直徑d的增大呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)槌尚湍？字睆絛0的增大會(huì)使成型顆粒密度下降，成型顆粒表面更粗糙。圓周表面的粗糙度中心輪廓的最大材料率Mr2值，隨成型顆粒直徑d的增大，總體保持在80%～90%之間。