?。?.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450002；2.河南省科學(xué)院，河南鄭州450008；3.大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院，遼寧大連116026；4.河南省生物質(zhì)能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450008）

　　摘要：對5種秸稈顆粒冷態(tài)壓縮成型過程進(jìn)行開式試驗(yàn)研究，將其壓縮成型過程分為松散、過渡、壓緊和推移4個(gè)階段，回歸了不同階段的壓力方程，采用Matlab軟件計(jì)算出整個(gè)壓縮成型過程中的比能耗值。以小麥秸稈為例，采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，建立了壓縮速度、物料含水率2個(gè)因素與比能耗的數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明，壓縮速度的影響比含水率大，且二者均為負(fù)效應(yīng)。

　　0引言

　　目前,國內(nèi)外秸稈壓縮成型技術(shù)的成型工藝主要分為常溫濕壓成型、熱壓成型、炭化成型和冷態(tài)壓縮成型4種，成型方式分為“閉式”壓縮和“開式”壓縮2種^[1]，[2]，常見的成型設(shè)備主要包括螺旋擠壓式成型機(jī)、活塞沖壓式成型機(jī)和壓輥式顆粒成型機(jī)^[3]。無論哪種壓縮成型技術(shù)，比能耗均是考察壓縮成型工藝設(shè)計(jì)是否合理的重要性能指標(biāo)之一。比能耗是指在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)成型燃料所消耗的能量與該段時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的成型燃料質(zhì)量的比值。壓縮成型所需的能耗主要由2部分組成：克服物料與成型部件內(nèi)壁摩擦所消耗的能量和物料變形所消耗的能量^{[4]，[5]}。

　　壓輥式顆粒成型機(jī)具有能耗低、產(chǎn)量高、原料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而成為當(dāng)前研究和開發(fā)的熱點(diǎn)。但市場上銷售的壓輥式顆粒成型機(jī)的設(shè)計(jì)不盡合理，造成其比能耗較高，大大制約了其工業(yè)化應(yīng)用的程度。為此，本研究采用萬能試驗(yàn)機(jī)和自制的“開式”壓縮成型裝置，對5種秸稈的“開式”顆粒冷態(tài)壓縮過程進(jìn)行比能耗試驗(yàn)，研究壓縮速度、含水率等因素對比能耗的影響規(guī)律，選取最佳壓縮成型參數(shù)，為壓輥式顆粒成型機(jī)的工業(yè)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

　　1試驗(yàn)原料與裝置

　　1.1試驗(yàn)原料

　　試驗(yàn)原料為鄭州市郊區(qū)常見5種秸稈（小麥秸稈、玉米芯、玉米秸稈、稻草和棉花秸稈）。首先采用微型粉碎機(jī)將原料粉碎，清除原料里的雜質(zhì)，然后將原料放入馬弗爐中，在105℃下干燥8h后分類封存。待原料溫度降至室溫時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行配水試驗(yàn)，按照不同含水率將原料分別封存于黑色塑料袋中。

　　1.2試驗(yàn)裝置

　　本試驗(yàn)所用儀器為WDW－50型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)額定壓力為50kN，橫梁移動(dòng)速度為2～200mm/min。針對壓輥式顆粒成型機(jī)的特點(diǎn)，專門設(shè)計(jì)了一套“開式”顆粒壓縮成型試驗(yàn)裝置（圖1）^[6]，其中套筒內(nèi)徑為15mm，模具內(nèi)徑為10mm，模具長徑比為5.2，模具開口錐度為450。

　　試驗(yàn)前先進(jìn)行秸稈原料預(yù)壓處理，使原料填滿套筒。啟動(dòng)萬能試驗(yàn)機(jī)程序，即可自動(dòng)生成每次試驗(yàn)的壓力和活塞位移曲線圖。

　　2試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1壓縮成型特性曲線

　　由試驗(yàn)結(jié)果可知，雖然壓縮成型條件不同，但它們的壓縮成型特性曲線均存在著相同的變化規(guī)律（圖2）。

　　由圖2可知，秸稈顆粒冷態(tài)壓縮成型過程比較復(fù)雜。為便于計(jì)算比能耗數(shù)據(jù)，本研究將壓縮成型特性曲線定義為4個(gè)階段，即松散階段（oa區(qū)間）、過渡階段（ab區(qū)間）、壓緊階段（bc區(qū)間）和推移階段（cd區(qū)間）。在松散階段和過渡階段，物料主要發(fā)生彈性變形，在壓緊階段物料主要發(fā)生塑性變形，在推移階段物料主要發(fā)生彈粘性變形^[7]。

　　2.2比能耗計(jì)算

　　本研究采用壓強(qiáng)和位移構(gòu)成的曲線面積經(jīng)換算后計(jì)算比能耗，壓桿在物料壓縮成型過程中所作的功可按下式近似計(jì)算[8]：

　　比能耗的具體計(jì)算步驟：提取不同壓縮成型條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，按照不同壓縮成型區(qū)間分別進(jìn)行回歸分析，得出每個(gè)區(qū)間的壓強(qiáng)回歸方程，代入式（1）中，采用Matlab軟件計(jì)算出能耗數(shù)值，然后通過式（2）即可得出比能耗。5種秸稈原料在不同壓縮成型條件下的比能耗數(shù)據(jù)見表1。

　　由表1可以看出，雖然同一種秸稈原料在不同壓縮成型條件下的比能耗有所差異，但都存在相同的變化規(guī)律，即當(dāng)原料含水率一定時(shí)，隨著壓縮速度的增加，比能耗逐漸減??；當(dāng)壓縮速度一定時(shí)，隨著含水率的增加，比能耗也相應(yīng)減小。不同秸稈原料的比能耗差異較大，其中稻草比能耗變化范圍最大，玉米芯次之，小麥秸稈、玉米秸稈和棉花秸稈的比能耗比較接近且較小，說明當(dāng)冷態(tài)壓縮成型的工藝參數(shù)（如物料含水率和壓縮速度）在一定范圍變化時(shí)，稻草和玉米芯的適應(yīng)性較差，壓縮成型效果不佳。

　　2.3比能耗回歸模型

　　從5種秸稈顆粒冷態(tài)壓縮成型試驗(yàn)結(jié)果可知，壓縮速度和物料含水率對比能耗的影響較大。為了進(jìn)一步研究壓縮速度和含水率對比能耗的影響程度，現(xiàn)以小麥秸稈為例，采用二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，建立小麥秸稈的比能耗二次回歸模型。

　　2.3.1試驗(yàn)方法

　　試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素水平編碼見表2。

　　2.3.2試驗(yàn)結(jié)果

　　壓縮速度和物料含水率對比能耗影響的結(jié)果見表3。

　　表3中，z0，z1，z2為單因素水平，z1z2，z12，z22為兩因素交互作用水平，yi為響應(yīng)變量。

　　2.3.3回歸系數(shù)計(jì)算

　　2.3.4回歸方程檢驗(yàn)

　　由于設(shè)計(jì)中各因素均經(jīng)無量綱線性編碼處理，且各一次項(xiàng)回歸系數(shù)bj之間，各交互項(xiàng)、平均項(xiàng)的回歸系數(shù)間均是不相關(guān)的，因此可以由回歸系數(shù)絕對值的大小來直接比較各因素對比能耗的影響。本試驗(yàn)中壓縮速度的影響比含水率大，且二者均為負(fù)效應(yīng)。

　　3結(jié)論

　?、俳斩掝w粒冷態(tài)壓縮成型過程可分為松散階段、過渡階段、壓緊階段和推移階段，在松散階段和過渡階段物料主要發(fā)生彈性變形，壓緊階段物料主要發(fā)生塑性變形，推移階段物料主要發(fā)生彈粘性變形。

　?、诋?dāng)同一秸稈原料的含水率（在本試驗(yàn)的研究范圍內(nèi)）一定時(shí)，隨著壓縮速度的增加，比能耗逐漸減小；當(dāng)壓縮速度一定時(shí)，隨著含水率的增加，比能耗也相應(yīng)減小。

　?、墼诒驹囼?yàn)選用的5種秸稈原料中，稻草和玉米芯的比能耗變化范圍最大，說明這2種秸稈原料對工藝參數(shù)變化的適應(yīng)性差，壓縮成型效果不佳。

　　⑤壓縮速度和含水率對“開式”壓縮成型裝置的比能耗有不同的影響，其中壓縮速度的影響比含水率大，且二者均為負(fù)效應(yīng)。