振动力场作用下生物质致密成型流变特性及减阻行为研究

生物质（秸秆、牧草、灌木等）松散、体积密度低，致密成型是其利用的重要过程，如制备压块饲料、生物质固体成型燃料等。致密成型的原理就是物料在压力的作用下，通过模具型腔挤压成型。在这个过程中，压力需克服物料变形、变形恢复及物料与模具间的摩擦等，导致成型设备普遍存在能耗较大、效率较低及制品成本较高的问题，是制约其推广应用的主要瓶颈。本项目是在前期试验的基础上，将振动力场引入生物质致密成型中，利用振动能减小摩擦、增加物料流动性促进致密，以及可抵消部分成型内应力或使之均化、加速应力松弛的原理，探索生物质在致密成型过程中，减小能耗、提高效率及制品质量的新途径。研究：振动力场对生物质致密成型流变学特性的影响规律；振动力场对生物质与模具壁面摩擦阻力的影响规律；振动力场对生物质致密成型机理及制品质量的影响规律。研究将为探索生物质致密成型节能高效设备的设计理论提供依据，为建立生物质振动压缩动力学理论奠定基础。

农林废弃物、牧草等植物类生物质资源相当丰富，但由于其松散、堆积密度低等特点，收集、运输及储存困难，而解决此问题最有效的办法是通过压缩对其致密成型。但目前致密成型设备普遍存在能耗高、效率低、关键部件磨损严重等问题，严重制约了成型技术及设备的推广应用。针对这一问题，课题提出将振动力场引入到生物质致密成型中，利用振动能减小摩擦、振动有利于压实、加速应力松弛等原理，探索生物质在致密成型过程中，节能高效、提高成品质量的新途径。. 本项目首先研制了振动力场作用下的生物质致密成型试验系统，在此基础上，以玉米秸秆和小麦秸秆为试验物料，采用正交试验等方法，确定了上述物料的较优成型条件。以此为试验参数，对两种物料进行了不加振动与叠加振动力场致密成型的对比试验，分析了振动力场对两种物料致密成型过程中压缩力、应力松弛、成型块物理品质，成型块微观结构及成型机理的影响。得出以下主要结论：.(1) 一个完整的生物质致密成型过程一般可分为预压缩阶段、压缩阶段、推移挤出和回程阶段。研究表明振动力场对压缩阶段影响较为显著。在压缩阶段，压力随压缩密度的增加呈指数形式增加。达到相同的压缩密度，叠加振动能够降低压缩力，即振动起到了降低阻力的作用，且振动参数不同，降阻程度不同。.(2) 压缩活塞叠加振动可以减小生物质致密成型过程中的最大压缩力和压缩能耗，提高成型产品的密度和机械耐久性。.(3) 当活塞达到相同的压缩密度，在所选的振动参数范围内，随着频率和振幅的增加，压缩玉米秸秆的压缩力呈增加趋势，压缩小麦秸秆的压缩力呈先增加后减小的趋势，但致密成型产品的松弛密度和机械耐久性均增加。.(4) 压缩活塞不加振动和叠加不同振幅和频率的振动压缩，其应力松弛模型符合2阶Maxwell模型；振动提高应力松弛速率、降低应力松弛时间、增加物料的流动性，进而减小变形恢复量、降低能耗、提高产品质量；不同参数的振动对应力松弛作用效果不同。.(5) 对加振与不加振压缩得到的两种物料成型块端面进行纤维观察发现，成型块端面形貌均可分为外层和内层。外层密度较内层密度高，且外层的秸秆散粒体呈“直立”姿势，而内层秸秆散粒体呈“平铺”姿势，其成型机理是以散粒体机械镶嵌为主的成型方式。振动力场有助于物料均化、小颗粒在大颗粒间的充填以及内应力的减小，致使成型块品质提高。 研究成果为研发新型节能高效生物质致密成型设备奠定了基础。