沙柳細枝顆粒致密成型過程的離散元研究

高雨航 孫秀茹 孫雪林

摘? 要：本文以沙柳作為生物質原料，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和能耗。模擬結果表明：擠壓過程中顆粒軌跡隨扭矩發生變化，扭矩由準直線狀逐漸變為波動增加。粒徑為0.5～2.5mm時，擠壓過程需要的壓縮力最大，扭矩值較大，顆粒產生較大的塑性變形，成型后空隙率較小，成型品質較好。粒徑為1.5～2.5mm時，顆粒間粘結力較小，成型燃料松散，成型品質較差。對整個擠壓過程消耗的能量進行分析，得到粒徑為1.5～2.5mm時消耗的能量最多，粒徑次之為0.5～1.5mm;粒徑為0.5～2.5mm時所需能量最少。

關鍵詞：生物質? 離散元? 致密成型? 粒徑

中圖分類號：S781.29? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：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，隨著社會的發展，能源消耗量逐年增加，且化石能源燃燒釋放的有害氣體對環境污染日益加劇，因此，從解決能源短缺和保護環境角度出發，開發和探索新型能源，已成為我國乃至全世界的重要工作。相比于其他新型能源，生物質能從開采到燃燒整個過程中，無污染氣體的釋放，是一種典型的可再生能源[1]。沙柳，作為我國西北部造林防沙樹種之一，資源量豐富，且具有“平茬復壯”習性，是生物質燃料的最佳原料[2]。

沙柳細枝顆粒的力學性質具有非連續性的特征[3]。粉碎機粉碎后呈離散狀態，擠壓成棒狀燃料的粘結過程中符合散體力學的規律，因此，采用離散元方法研究其致密成型過程更接近實際[4]。本文以沙柳為研究對象，利用計算機建立顆粒的單模孔擠壓離散元模型，通過顆粒間的粘結效果、變形以及扭矩分析3種粒徑下燃料的成型品質和能耗，模擬結果可以為散粒體固化成型技術發展提供新的途徑。

1? 理論基礎

離散單元法（Discrete Element Method， DEM）是Cundall于1971年根據單元之間的相互作用和牛頓運動定律，提出的一種散粒體顆粒細觀力學分析方法[5]。顆粒模型有2種，分別是軟球模型和硬球模型[6-7]。由于沙柳細枝顆粒的粘彈特性，致密成型過程中顆粒間產生接觸力，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程[8]。

2? 離散元模型

沙柳細枝顆粒由于內部的纖維狀結構，在粉碎后為不規則的非球體，大致呈現針狀形狀，顆粒模型如圖2所示。沙柳顆粒實際粉碎后粒徑大小也不盡相同，粒徑不僅對成型燃料品質有影響，而且還會影響到壓縮過程中消耗的能量。實際粉碎后的顆粒需用篩網進行篩分，根據篩分后的結果，本文對0.5～1.5mm、1.5～2.5mm和0.5～2.5mm 三種粒徑的沙柳顆粒進行離散元模擬，根據模擬結果，分析不同粒徑下的成型品質和能耗。

實際致密成型過程中，沙柳細枝顆粒從儲料倉被壓縮到成型腔內形成生物質燃料。整個擠壓過程，沙柳顆粒發生運動，和進料錐面的錐角之間會產生較大的磨損，影響模具的使用壽命，錐角的大小還對成型品質有一定的影響。當錐角的錐度為60°時，模具磨損較小[9]。因此，本次試驗選用60°錐角的模具。參照實際擠壓過程沙柳顆粒的運動位移，采用三維軟件繪制模具，尺寸參數如圖3（a）所示。保存為IGS格式后導入到離散元軟件中，根據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置沙柳顆粒和模具的材料參數和接觸參數，創建虛擬的顆粒工廠，根據實際沙柳顆粒的粒徑范圍，采用隨機方式生成，顆粒生成完成后，輸出仿真模型。加載面向下運動，擠壓沙柳顆粒，運動位移為34mm，運動時間為50s。軟件開始模擬后，后處理功能需記錄空隙率、扭矩等數據，記錄次數是每隔1s記錄一次。

3? 結果與討論

3.1 壓縮力分析

沙柳細枝顆粒致密成型過程中壓縮力隨時間變化曲線如圖4所示。不同粒徑下壓縮力變化趨勢幾乎相同，壓縮前期，壓縮力主要消除掉顆粒間空隙，壓縮力值較小，隨著擠壓過程繼續進行，壓縮力使顆粒間粘結力增大，產生力鏈，壓縮力值急劇增加。粒徑為1.5～2.5mm時，擠壓過程中產生的壓縮力較小，顆粒間產生很小的粘結力，成型品質相對較差;而粒徑為0.5～2.5mm時，壓縮力較大，顆粒間粘結力較大，形成強力鏈，成型效果相對較好。

3.2 空隙率分析

圖5為不同粒徑的沙柳顆粒空隙率變化情況。模擬完成后，建立柵格倉計算擠壓過程不同時刻顆粒間的空隙率，空隙率反映顆粒間粘結程度，因此，對空隙率進行分析。粒徑為0.5～2.5mm時，由于大顆粒間的空隙被小顆粒填充，成型腔內燃料的空隙率最小。整個擠壓過程中不同粒徑的空隙率幾乎沒有差異，隨著壓縮進行，擠壓力使顆粒間發生粘結，空隙率減小。粒徑為0.5～2.5mm時，相同容積下填充數量較多，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程中扭矩隨時間的變化而變化。同粒徑的扭矩變化趨勢無顯著性差異，壓縮前期，幾乎沒有扭矩產生，主要是由于靜止堆積時顆粒間空隙較大，外載荷消除空隙;而壓縮中后期，顆粒之間相互粘結形成接觸力，產生強力鏈，在力鏈作用下，顆粒間空隙逐漸減小，顆粒軌跡呈現螺旋狀，扭矩也會產生波動，顆粒間粘結作用隨擠壓過程不斷增加，所以扭矩呈現出波動增長趨勢。粒徑為0.5～2.5mm時，扭矩值較大，顆粒間粘結效果較好，產生較大的塑性變形，成型質量相對較好;而粒徑為1.5～2.5mm時，扭矩值較小，顆粒產生的塑性變形也較小，成型質量相對較差。

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。經后處理建立柵格倉計算顆粒燃料消耗的能量，得到粒徑為1.5～2.5mm時消耗的能量為26.05J，相比其他2種粒徑，所耗能量最多，粒徑為0.5～2.5mm時消耗的能量最少，為3.61J。

4? 結語

沙柳細枝顆粒經粉碎機粉碎后粒度大小有所差異，為分析粒度對成型燃料品質和能耗的影響，采用離散元方法模擬整個實際擠壓過程，得到壓縮過程中顆粒軌跡隨扭矩發生變化，扭矩由準直線狀逐漸變為波動增加。粒徑為0.5～2.5mm時壓縮力最大，擠壓成型后燃料的空隙率最小，成型品質較好。粒徑為1.5～2.5mm時，成型質量較差。分析扭矩結果也與這一結論相吻合。

通過分析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時消耗的能量最少，為3.61J。

參考文獻

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[3] 孫啟新，張仁儉，董玉平.基于ANSYS的秸稈類生物質冷成型仿真分析[J].農業機械學報，2009，40（12）： 130-134.

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