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桉树枝丫材压缩特性的试验

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《木材工业杂志》2016年第三期

摘要:

林木枝丫材的压缩收集与运输,对降低收集运输成本、提高运输装载率至关重要。为了对林木压缩收集装置的结构设计提供依据,对桉树枝丫材进行压缩试验,并建立压缩特性模型。结果表明:随着压强的增大,桉树枝丫材的压缩位移和压缩密度增加,体积模量随之增大;理论上最佳压缩密度为169.349kg/m3,最佳压强为0.012MPa。

关键词:

桉树枝丫材;压缩特性;模型;压强;位移;密度;体积模量

桉树是联合国粮农组织推荐的三大速生造林树种(桉、松、杨)之一,也是我国南方最重要的速生商品林树种之一,具有耐干旱瘠薄、适应性广、种植容易、速生高产等特点,被广泛用作人造板生产原料。桉树也是优良的能源树种,每kg桉树木材的燃烧,能产生19.69~22.98MJ热量,具有较高的燃烧值[1]。在当今能源短缺的情况下,发展桉树生物质能源,也是带动区域林业产业发展的途径之一[2],经济和社会意义重大。在林区抚育采伐作业时,会有大量剩余物产生,由于堆积密度小、运输储存占用空间大、成本高,严重制约了林区采伐加工剩余物资源的利用。实现经济便捷地收集及运输,是林业生产作业中急需解决的关键技术问题。压缩密度,是林业生物质压缩装备的重要设计参数[3]。压缩密度过低,无法达到减少运输体积的目的,且松散的枝桠材料亦存在安全隐患;压缩密度过高,则能耗及作业成本增加。为了探究合理的压缩密度,笔者对桉树枝丫材在压缩过程中,各因素(压强,压缩位移,压缩密度,体积模量)之间的关系和规律进行了研究,并通过对数学模型的优化分析,确定最佳压缩密度及最佳压强值,为设计林木枝丫材收集运输压缩装置提供理论依据。

1试验材料与方法

1.1试验材料桉树(Eucalyptusspp.)枝丫材,取自广西钦州,直径10~40mm,含水率52.76%,用台式圆锯机锯成长度小于480mm试材,试材的总质量为45kg,初始密度为121.6kg/m3。

1.2主要装置CMT系列电子万能试验机,压力范围0~50kN。根据试验需要,专门设计并加工了压缩仓和压缩板,如图1所示。压缩仓是由45号钢板焊接组成的长方体结构,内截面尺寸为400mm×500mm,高度为600mm;在压缩仓四壁开有气孔,以便压缩时物料内部空气逸出;压缩板与压缩仓内壁留有2mm的间隙,并在中心位置固定有与试验机压力传感器接触的压杆,以减少压缩板与压缩仓之间的摩擦,确保压缩过程的顺利进行。

1.3试验方法将桉树枝丫材随机排列填满压缩仓,初始高度等同于压缩仓高度600mm。反复3次试验,经称量可知,平均每次装入桉树枝丫的质量为14.5kg。根据预试验结果,压缩速度对于压缩密度的影响比较小,故按常规设定压缩速度50mm/min。试验机自动记录压缩力(F)随压缩位移(l)变化的数据,另存为Excel数据文件,并通过数理统计分析软件SPSS进行统计分析。压缩力(F)、压缩位移(l)为试材压缩试验中实际测量值;压缩密度()通过每次载入试材质量与压缩过程中体积计算而得;体积模量(K)表示试材单位体积产生相对变化量时所需的压力增量,其值越大,则表明试材的可压缩性越低。由于工程装置实际的压缩仓尺寸将远大于试验所用的压缩仓尺寸,故将试验中的压缩力(F)换算为压强p(MPa)作为分析变量。

2试验结果与分析

2.1压强与压缩位移的关系通过试验直接测得试材的自变量压缩力(F)与因变量压缩位移(l)的数据,换算得到压强(p)与压缩位移(l)的关系曲线,如图2所示。由图2可见,在压缩过程中,试材的压缩位移随压强的增加而变大。在初始阶段,压缩位移呈现迅速增加,且压强与压缩位移近似线性关系。该过程主要是以克服枝丫材之间空隙为主,用较小的压强即可获得较大的压缩位移。在达到一定位移量后,桉树枝丫材的压缩位移量增加趋缓,压强主要作用于桉树枝丫材内部孔隙空间的压缩。应用软件SPSS分析,在本试验条件下,初始密度为121.6kg/m³的桉树枝丫材,压强与压缩位移的拟合数学模型。

2.2压强与压缩密度的关系经推导与计算,得出初始密度为121.6kg/m³的桉树枝丫材,在压缩过程中压强与压缩密度关系曲线,如图3所示。桉树枝丫材的压缩密度在初始阶段增加迅速,达到某一值后,增加速度变缓,意味着需要更大的压强来进行压缩。

2.3压缩密度与体积模量的关系在工程中,常用体积模量(K)反映物料抵抗压缩能力的大小。K值越大,说明物料越不易被压缩,当K值→∞时,表示该物料绝对不可压缩。物料种类不同,其K值也不同;同一种物料的K值,随体积和压强的变化而变化。根据美国学者对于物料压缩的研究[4],压缩过程通常可划分为三个阶段。第一阶段:在较低的压强下,物料之间进行重新排列从而达到体积上的缩小,在该过程中虽然存在由于物料之间的摩擦力而导致的能耗,但大多数物料都保留原有的物料特性;第二阶段:物料发生弹性和塑性变形;第三阶段:物料在非常大的压力作用下形成新的压缩密度,在该过程中物料可能达到融点。由本试验结果分析可知,桉树枝丫材压缩过程处于前两个阶段,体积的减小来源于试材之间的重新排列和部分试材内部孔隙结构变化。试材的体积模量随压缩密度增加而变大,即说明桉树枝丫材的可压缩性随压缩密度的加大而逐渐变差,但压缩后的材料没有受到大的破坏和变形,保持了原有的物理特性,符合后续多种加工对物料形态的要求。

2.4最佳压缩密度的确定如图4所示,初期阶段桉树枝丫材的体积模量随压缩密度的增加而增加,而压缩密度大于某一点数值后,体积模量的增加速度明显变快,说明压缩密度与体积模量的曲线上存在拐点。压缩密度超过该点数值后,试材的可压缩性明显变差,即单位体积减少量所需的压缩力明显增加,理论上该点对应的密度值即为最佳压缩密度值,相应的压强值为最佳压强值。最佳压强值可为林木压缩装置的单位载荷提供设计参数。根据《正和反的增量法》提出的理论,将曲率半径看作是过曲线上连续等间隔三点的圆的半径,半径最小的地方即为曲线最弯曲的地方[5],本研究求解压缩密度与体积模量关系曲线中最弯曲的点。在试验数据曲线上依次取三点做一个圆,圆的半径记为nR,则最小的nR所对应的点(n1,n1K)即为曲线中最弯曲点,其中n1所对应数值即为最佳密度值,再通过压强与压缩密度的拟合数学模型,可换算得出最佳压强值。在本试验条件下,桉树枝丫材的压缩密度与体积模量曲线中的拐点为(169.349,0.073)。当压缩位置对应的密度大于该点压缩密度值后,桉树枝丫材的压缩难度明显增加。因此,确定桉树枝丫材的最佳压缩密度值为169.349kg/m3,最佳压强为0.012MPa。通过压强与压缩位移拟合数学模型,得出对应压缩位移为172mm,即达到最佳压缩密度的桉树枝丫材的体积压缩量为28.5%。

3结论

1)通过桉树枝丫材压缩特性的试验和理论分析,构建压强与压缩位移、压缩密度,压缩密度与体积模量的数学模型,根据所需压缩密度的数值,计算压缩装置的单位面积载荷,为林木枝丫材压缩装置的设计提供依据。2)通过对桉树枝丫材的压缩密度及体积模量的数学模型优化分析,在本试验条件下,桉树枝丫材的最佳压缩密度为169.349kg/m3,压缩装置所提供的压缩力至少为0.012MPa。在此条件下对应的体积压缩量为28.5%,压缩后物料可保持原有物理特性,以便进行后续的加工利用。

作者:于航 刘晋浩 单位:东北林业大学 北京林业大学

 

木材工业杂志责任编辑:杨雪    阅读:人次