不同循環加載方式下原棉壓縮能耗規律分析

李勇 李玉霞 陳圓圓

摘要 為了研究原棉的壓縮能耗變化，利用萬能試驗機循環加載原棉，薄膜壓力傳感器采集原棉的應力-應變規律，分析其能耗損失狀況。結果表明，原棉壓縮環節存在塑性變形和摩擦阻力，其均會引起壓縮能損耗。連續加載原棉，各層能耗呈規律變化;間隔加載原棉，各層的能耗值均呈無規律波動。隨著壓縮量的增加，各層能耗均值呈指數型增加。

關鍵詞 原棉;壓縮;能耗;循環加載;規律

Abstract In order to investigate compression energy consumption of cotton，axial stress was set up through universal test machine on cotton，pressure was collected in pressure sensing system form up ，inter and down layer，its axial pressure were obtained in the compression process.According to the stressstrain hysteretic curve，the relationship between loading form and energy loss of compression was determined.The results showed that compression causes its energy consumption by which plastic deformation of cotton and frictional resistance from between the cotton and cylindrical vessel accompanied.Energy consumption for various layers changed according to certain rules in the continuous loading，energy consumption for various layers were irregular fluctuation in the interval loading. Energy consumption for various layers were growing by exponential order with the increase of compression amount.

Key words Cotton;Compression;Energy consumption;Continuous loading;Laws

棉花是重要的紡織纖維材料，壓縮是其緊密化處理的重要手段之一。棉纖維的形態結構與秸稈集合體、泡沫材料的形態結構相似，所展現出的壓縮力學性能亦相近[1]。

目前，諸多研究者用經典力學理論、模型研究纖維集合材料的壓縮行為，其中黏彈塑性模型、壓力與密度模型是典型力學模型[2-3]。霍麗麗等[4]通過秸稈致密成型過程的應力應變函數，推導出秸稈壓縮能耗計算公式。黃文城等[5]探究農業纖維物料在二次壓縮過程中的比能耗，發現壓縮方向、初始壓縮密度、含水率對壓縮比能耗有影響。徐舒等[6]指出木材是天然的黏彈性高分子材料，在壓載作用下線性變形階段木材吸能很小，非線性變形階段毛細管系統永久性變形、潰陷來耗散做功。Lee等[7]研究纖維集合體壓縮力學性能，提出了隨機排列纖維體（考慮纖維卷曲因素）的壓縮能量理論，并指出纖維段能量隨壓縮應變和泊松比而變，纖維段總能量取決于各纖維段長度和纖維取向密度函數[8]。

在原棉壓縮能耗方面，研究壓縮能耗變化規律尚未研究。筆者以原棉為研究對象，以原棉壓縮的黏彈塑性為依據分析其壓縮力學過程。循環加載原棉，采集并計算其能耗值，分析其能耗變化規律，為原棉生產加工環節提供一定理論指導。

1 試驗部分

1.1 材料與儀器 原料為新疆阿拉爾市新陸中37手摘原棉，原棉提取于新疆新越絲路有限公司。萬能材料試驗機（上海卓技儀器設備有限公司）、FA1104電子天平（上海安亭科學儀器廠）、原裝進口FSR400薄膜壓力傳感器（Interlink Electronics）、有線薄膜壓力傳感軟件（安徽威科電子有線公司）。

1.2 壓縮能量損耗測定

稱取160 g原棉，裝入亞克力圓筒（外徑110 mm，壁厚3 mm，填充高度300 mm）中，在原棉上、中、下3個位置設置1、2、3號薄膜壓力傳感器（1號傳感器采集上層壓力，2號傳感器采集中間壓力，3號傳感器采集下層壓力），如圖1所示。利用萬能試驗機進行壓縮試驗（室內溫度16～22 ℃，相對濕度42%～56%，加載/回復速度100 mm/min），用薄膜壓力傳感器采集原棉壓縮-回復的力值。

圖2為薄膜壓力傳感器采集的原棉應力-應變曲線。原棉壓縮曲線的積分面積定義為壓縮比功wy，回復曲線的積分面積定義為回復比功ws，原棉的壓縮比功與其回復比功的差值定義為壓縮功耗比e（圖2中曲線圍的陰影區域）。

經積分計算，3個薄膜壓力傳感器采集的壓縮比功分別為wy1、wy2和wy3，回復比功分別為ws1、ws2、ws3，壓縮功耗比分別為e1、e2和e3，連續多次壓縮各傳感器能耗指標均值用各標識“—”表示，例如wy1。

1.3 循環加載壓縮試驗

1.3.1 連續壓縮原棉。原棉連續壓縮，每組連續壓縮20次，各組壓縮量依次取100、150、200、250 mm，用1、2、3號薄膜壓力傳感器采集壓縮-回復的力值。

1.3.2 間隔（連續）壓縮原棉。原棉間隔壓縮，每次壓縮間隔30 min（間隔時間段內，原棉由圓筒中取出，靜置），如此反復操作20次，記為1組。各組壓縮量依次取100、150、200、250 mm，用1、2、3號薄膜壓力傳感器采集各次壓縮-回復的力值。

2 理論模型

圖2中原棉的壓縮與回復曲線不重合，存在顯著的變形和回復滯后現象[9]。隨著ε值的增加，原棉的壓力呈拋物線型增加。當ε值為65.9%時，壓縮曲線出現拐點1。定義此拐點1為原棉的屈服點，其屈服點壓力（σs）為0.115 4 MPa。

假設原棉是由材質均質、各向同性的棉纖維束有規律地堆砌而成的，用Nishihara模型來模擬表征原棉的特征，其機械本構模型[10]如圖3所示。圖3中，E1、E2是指彈性元素彈簧的模量，η1、η2是指黏性元件（阻尼器）的黏度系數，V為摩擦元件，σc為Bingham模型的屈服應力，σs為Bingham 模型的瞬時應力，θ是無綱量參數。Nishihara變形由彈性變形ε1、黏彈性變形ε2、黏塑性變形ε3組成，其總應變表達式為ε=ε1+ε2+ε3。

參照Nishihara模型，原棉的壓縮過程以拐點1為分界點，可劃分為2個階段：①黏彈階段（σ≤σs+σc/θ），此階段原棉內部不斷發生纖維間空隙排空、纖維體屈曲和遷移，以黏彈變形（彈性元素E1和黏性單元η1疊加作用）為主，彈性變形（彈性元素E2）伴隨壓縮全程，展現了非線性黏彈性行為;②高級黏彈性階段（σ>σs+σc/θ），此階段黏彈單元的黏度系數η1將為0，原棉的應力快速增加，加速線性蠕變，纖維體受壓發生塑性變形。Nishihara模型轉變為標準線性固體模型。由此可見，壓縮拐點1后原棉存在顯著塑性變形，同時纖維集合體的部分壓縮能量轉變為熱能、聲能耗散。

原棉在圓筒內單軸壓縮，其只能沿著縱向被壓縮，橫向受限無法膨脹，纖維集合體與筒壁之間存在摩擦力。隨著原棉相對密度的增加，其內部壓強愈高，側壁的摩擦力愈大。當纖維緊密接觸時，還要克服纖維體表面能做功，克服外界壓力做功，壓縮緊密后纖維集合體儲存部分壓力做功能量。同時，壓縮期間壓力還要克服纖維間摩擦力做功、體積變形做功[11]。

原棉由上而下單軸壓縮，壓縮推進過程中塑性變形能量耗散與摩擦阻力作用引起原棉壓縮能耗損失，且該能耗損耗并非均勻。

3 結果與分析

3.1 連續壓縮原棉 原棉連續壓縮（壓縮量200 mm）的wy、ws、e值，分別如圖4所示。

圖4（a）中，原棉的wy1值均遠大于wy2、wy3值。首次壓縮后，原棉的wy值趨穩，呈小幅度波動，wy（各次wy值的均值）分別為0.394 0、0.317 4、0.270 5 MJ·m3，各均值分別約為各傳感器首次wy值的57.07%、53.82%、56.64%。比較3路傳感器采集的wy值，發現各次壓縮傳感器采集的wy值均呈wy1>wy2>wy3，表明壓縮階段原棉的能量由上向下遞減，由上向下推進致密。首次壓縮的wy1與wy2、wy2與wy3的差值分別為0.100 7和0.112 1 MJ·m3;此后各次壓縮wy2先趨近于wy3，后趨近于wy1。

圖4（b）中，3路傳感器采集的Ws值均小幅度波動，ws1、ws2、ws3分別為0.244 1、0.148 3和0.212 2 MJ·m3。比較3路傳感器采集的ws值，發現各次壓縮傳感器采集的ws值均呈ws1>ws3>ws2。這表明回復階段原棉上下端受約束回復慢，纖維集合體中部松解程度更快。隨著壓縮次數的增加，原棉內部回復能力趨于接近。

圖4（c）中，3路傳感器采集的壓縮功耗比（e）先降低后小幅波動。比較3路傳感器采集的e值，發現第1次呈e1>e2>e3的規律;第2次呈e2>e1>e3的規律;第3次之后呈e2≥e1>e3的規律。各傳感器采集的e（第3次之后各e值的均值）依次為0.148 3、0.173 7和0.052 1 MJ·m3。連續壓縮期間，原棉施壓端、內部的能耗比最大，末端的能耗比最小。原棉經連續壓縮即可排除纖維之間的大量空隙，不間斷連續壓縮可以促進其內部結構調整致密，使其力學性能不斷趨于穩定。

連續壓縮100、150和250 mm時，原棉的wy、ws、e的變化規律與連續壓縮200 mm時相似。不同壓縮量下wy、ws、e值見圖5。由圖5可知，各壓縮量下，連續壓縮的能耗值呈wy1>wy2>wy3，ws1>ws3>ws2、e2>e1≈e3的規律。隨著壓縮量的增加，連續壓縮的wy、ws、e值均按指數函數規律增加。壓縮量與連續壓縮各路傳感器采集的wy、ws、e間均存在極佳的非線性擬合結果，見表1。

3.2 間隔壓縮原棉 間隔壓縮原棉20次，用3路傳感器采集力值，經積分計算得出wy、ws、e值，如圖6所示。圖6中3路傳感器采集的wy、ws、e數值曲線較為相似，均呈無規律變化。此歸因于間隔時段原棉由圓筒內取出，使原棉的彈性變形得以回復。同時，每一次壓縮均促進了棉纖維在集合體內部的穿插和滑移，壓縮次數越多，原棉內部的致密棉束增多，原棉內部棉束不均勻結點加強，促進了其結構不均勻和抗壓能量波動。

不同壓縮量下間隔壓縮原棉的能耗均值如圖7所示。圖7中，各壓縮量下間隔壓縮的能耗均值呈wy1>wy2>wy3、ws2>ws3>ws1、e1>e2>e3的規律。隨著壓縮量的增加，間隔壓縮的wy、ws、e值均呈指數函數增加。壓縮量與間隔壓縮各路傳感器采集的wy、ws、e間均存在極佳的非線性擬合結果，見表2。

4 結論

（1）利用萬能試驗機壓縮亞克力圓筒內的原棉，薄膜壓力傳感器時時集采其上、中、下3層的力值，獲得其壓縮-回復的力值曲線。分析原棉的壓縮特征，發現原棉壓縮屈服點之后存在塑性變形，且壓縮期間原棉與筒壁間存在摩擦力。塑性變形和摩擦阻力均會引起原棉壓縮能量損耗。

（2）連續加載原棉，對比薄膜壓力傳感器采集的各層能耗值，發現wy1>wy2>wy3、ws1>ws3>ws2、e2≥e1>e3，表明壓縮能量由上向下遞減，回復階段纖維集合體中部松解程度更快，連續壓縮可排空纖維間空隙，促使纖維體致密化。間隔加載原棉，各層的能耗值均呈無規律波動，連續壓縮的間隔期為棉纖維結合體提供了自由松解的時間。

（3）對比不同壓縮量下連續壓縮和間隔壓縮原棉各層的能耗均值，發現隨著壓縮量的增加，各層能耗均值呈指數函數增加，且wy1>wy2>wy3。

參考文獻

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