生物質(zhì)成型顆粒圓周表面形貌分析研究?

李南丁 德雪紅 白海洋 翟曉敏 吳桂芳

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2.航天科工集團第六研究所，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]。在被壓縮過程中，生物質(zhì)成型顆粒與其相接觸的環(huán)模成型模孔產(chǎn)生接觸摩擦，進而對成型模孔內(nèi)接觸表面造成一定磨損。當成型?？變?nèi)接觸表面磨損量達到一定值時，成型?？椎拈L度和直徑的比值（長徑比）h/d0下降，影響成型顆粒的質(zhì)量。當模孔長徑比h/d0下降到某一極限時，成型模孔不能壓縮出合格的成型顆粒，成型機報廢[3-8]。

生物質(zhì)成型顆粒圓周表面微觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究是建立成型機成型模孔與成型顆粒圓周表面之間接觸分形模型、接觸摩擦磨損機理分析及磨損預測的基礎[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)，測量其直徑、密度及硬度，分析其關(guān)聯(lián)性，并通過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)鍵部件成型模孔間的規(guī)律，為建立成型顆粒與成型模孔之間分形接觸模型，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接觸模型建立基礎數(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和楊樹等混合木屑、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 設備

試驗主要設備：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的標準檢驗篩（GB/T 6003.1—2012 《試驗篩 技術(shù)要求和檢驗》），新鄉(xiāng)市喜陽陽篩分機械制造有限公司；JAEIHAENE型電子稱（精度0.01 g），瑞安市德立商務電子有限公司；LX-D型邵氏硬度計，樂清市艾德堡儀器有限公司；100 mL量筒（精度1 mL），天長市天滬分析儀器有限公司；游標卡尺，無錫錫工量具有限公司；S-4800 型掃描電鏡，日本Hitachi株式會社。

1.3 參數(shù)測定

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

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，測定其樣本實際直徑d、質(zhì)量m和硬度值，根據(jù)直徑d和質(zhì)量m計算出樣本平均密度值ρ。利用粗糙度儀測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)實際直徑d值大小，將100 個樣本分成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表示評定輪廓的算術(shù)平均偏差，Rc表示輪廓支撐長度率，Rz表示微觀不平度十點平均高度，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。這主要是因為成型機內(nèi)成型?？讛D壓物料過程中受物料的摩擦磨損導致其直徑d0增大，成型?？组L徑比h/d0下降[23-25]，進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，而粗糙度參數(shù)Rpc值則隨直徑d的增大均呈下降趨勢。這主要是因為成型顆粒密度ρ的下降會導致顆粒致密狀態(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，進而導致成型顆粒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d=6 mm時）和82%（當d=8 mm時）左右，總體處于80%～90%區(qū)間，無明顯的上升或下降趨勢。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測模型[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，這主要是因為粗糙度波峰數(shù)Rpc下降，這符合粗糙形貌特征機理[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，進而導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)模成型機壓縮而成的3 種生物質(zhì)成型顆粒為試驗樣本，采集其圓周表面粗糙形貌數(shù)據(jù)，測量其直徑d、密度ρ及硬度HD，分析其關(guān)聯(lián)性，并通過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)模成型機的成型?？自谂c成型顆粒接觸過程中，產(chǎn)生摩擦磨損，導致成型模孔直徑d0增加，相應的生物質(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)和模孔材料、摩擦時間等因素相關(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，這是因為成型機成型?？字睆絛0的增大會降低?？椎拈L徑比，進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，這是因為成型?？字睆絛0的增大會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。