沙生灌木颗粒环模常温致密成型微观机制与力学模型研究

Biomass energy is a new type of green energy. Since biomass energy has the characteristics of clean, renewable and zero carbon dioxide emission, the country strongly initiate to generalize the use of it. This issue will carry out ‘Research of desert shrub particles rotating ring die’s compact molding micro-mechanism and mechanical model at normal temperature’. The issue will research the forming particles’ microscopic phase diagram under the conditions of different raw materials’ features and technological parameters, combine with the study of micro-influencing factors such as bridge force, VDW, etc. by stretching and shearing mechanical test, to find out the basic reason of compact molding and to reveal the micro-mechanism of ring die’s biomass compact molding. By using technological means of numerical simulation and experimental research, and researching flow regularity of ring die’s raw material particles, the velocity profile of flow regularity of particles in the wedge-area will be depicted, the distribution regularity of shearing stress produced during material flow will be found out. Furthermore, based on this research, the mechanical model of ring die’s extrusion forming in the wedge area will be established, and deduce the energy consumption formula of ring die’s unit mass. This issue’s completion will have significant scientific value for biomass energy’s development, and it can lay the theoretical foundation for the design of ring die forming machine and the improvement of compact molding technology. In addition, it will provide green development pathway for the vast sand resources’ effective utilization in Midwest Inner Mongolia.

生物质能源是一种新型“绿色”能源，由于其具有清洁、可再生、二氧化碳排放量极低的特点，故国家倡导大力推广使用。本课题拟开展“沙生灌木颗粒环模常温致密成型微观机制与力学模型研究”，通过研究不同原料特性和工艺参数条件下成型颗粒的微观相图，结合拉伸和剪切力学试验研究架桥力和范德华力等微观影响因素，找出致密成型的根本原因，揭示环模生物质致密成型的微观机理，借助于数值模拟和实验研究等技术手段，对环模原料颗粒流动规律进行研究，描绘环模楔形区颗粒流动的速度分布图，构建物料流动过程的剪切应力分布规律，探索并建立环模楔形区挤压成型力学模型，进一步推导环模成型机单位质量的能耗公式。项目的完成将对生物质能源发展具有重要的科学意义，有望给致密成型工艺改进和环模成型机设计奠定理论基础。为内蒙古中西部广袤沙地资源有效利用提供了“绿色”发展途径。

沙生灌木平茬抚育得到的产物，自然状态下堆密度低运输和储运成本高，而通过致密成型可以有效解决这一问题，目前市场上成型设备单位产量能耗高、关键设备的部件寿命低制约这一技术的发展。课题组成员自行设计了柱塞式成型模具在万能材料试验机上进行成型实验，围绕影响产品质量和能耗的温度和水份等关键因素，应用离散元模拟、结合微观SEM图片形貌深入研究作用的机制,揭示成型的机理；同时模拟沙生灌木颗粒环模成型过程，利用正交实验的思想优化相关参数。研究后得到以下结论：（1）沙柳颗粒柱塞成型时可以分为进料预压、黏弹性 、黏塑性、出料松弛，并分别建立各自阶段的模型，各阶段的方程详见项目成果论文4；模拟得到轴向方向颗粒群接触力逐渐增大并最终维持在36.5N，强力链以树状结构向下延伸并最终均匀分布在整个实验棒中，周向方向力链网络得知强力链由边缘部位的10.96N向中心部位6.43N贯穿实验样品，实测样品硬度由中心向外逐渐增大硬度值从93.4HBW增大到148.1HBW，颗粒体系中强力链长度的概率密度分布规律为力链长度大于颗粒直径3倍的占力链总数的较多，长度处于3~10个颗粒粒径的强力链占全部强力链的85%左右。（2）沙柳木质素玻璃态转变温度随着体系含水率的增加呈降低趋势，适当增加水分能够降低木质素的Tg，可促进木质素软化熔融，进而使其在较低温度下发挥粘结作用，木质素分子的扩散能力随温度的升高而变大，但随压力和含水率上升均呈先增后减的趋势，其中在压力 40 MPa、含水率14%时分别达到各自的最大值，此外在含水率14%、压力40 MPa、温度为 380K条件下，水分子与木质素分子可形成氢键，预测其主要来源为水分子与环羟基或非环羟基之间的相互作用。（3）理论分析得知环模最大攫取角等于物料和压辊的摩擦角与物料和环模的摩擦角之和，建立最大压料高度和最大攫取角的函数关系，得到当环模转速26 rad/s、模辊直径比2.36、入料量0.45kg/s、摩擦因数0.4、最小间隙3mm时环模成型机所需功率最小，影响环模成型机功率的主要因素：转速>直径比>最小间隙>摩擦因数>入料量。研究结果表明利用离散元和分子学软件模拟对深入了解致密成型机制粘结机理可行、可信。