桉樹(shù)枝丫材壓縮特性的試驗(yàn)范文

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《木材工業(yè)雜志》2016年第三期

摘要：

林木枝丫材的壓縮收集與運(yùn)輸，對(duì)降低收集運(yùn)輸成本、提高運(yùn)輸裝載率至關(guān)重要。為了對(duì)林木壓縮收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對(duì)桉樹(shù)枝丫材進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，并建立壓縮特性模型。結(jié)果表明：隨著壓強(qiáng)的增大，桉樹(shù)枝丫材的壓縮位移和壓縮密度增加，體積模量隨之增大；理論上最佳壓縮密度為169.349kg/m3，最佳壓強(qiáng)為0.012MPa。

關(guān)鍵詞：

桉樹(shù)枝丫材；壓縮特性；模型；壓強(qiáng)；位移；密度；體積模量

桉樹(shù)是聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織推薦的三大速生造林樹(shù)種（桉、松、楊）之一，也是我國(guó)南方最重要的速生商品林樹(shù)種之一，具有耐干旱瘠薄、適應(yīng)性廣、種植容易、速生高產(chǎn)等特點(diǎn)，被廣泛用作人造板生產(chǎn)原料。桉樹(shù)也是優(yōu)良的能源樹(shù)種，每kg桉樹(shù)木材的燃燒，能產(chǎn)生19.69～22.98MJ熱量，具有較高的燃燒值[1]。在當(dāng)今能源短缺的情況下，發(fā)展桉樹(shù)生物質(zhì)能源，也是帶動(dòng)區(qū)域林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的途徑之一[2]，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義重大。在林區(qū)撫育采伐作業(yè)時(shí)，會(huì)有大量剩余物產(chǎn)生，由于堆積密度小、運(yùn)輸儲(chǔ)存占用空間大、成本高，嚴(yán)重制約了林區(qū)采伐加工剩余物資源的利用。實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)便捷地收集及運(yùn)輸，是林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。壓縮密度，是林業(yè)生物質(zhì)壓縮裝備的重要設(shè)計(jì)參數(shù)[3]。壓縮密度過(guò)低，無(wú)法達(dá)到減少運(yùn)輸體積的目的，且松散的枝椏材料亦存在安全隱患；壓縮密度過(guò)高，則能耗及作業(yè)成本增加。為了探究合理的壓縮密度，筆者對(duì)桉樹(shù)枝丫材在壓縮過(guò)程中，各因素（壓強(qiáng)，壓縮位移，壓縮密度，體積模量）之間的關(guān)系和規(guī)律進(jìn)行了研究，并通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化分析，確定最佳壓縮密度及最佳壓強(qiáng)值，為設(shè)計(jì)林木枝丫材收集運(yùn)輸壓縮裝置提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料桉樹(shù)（Eucalyptusspp.）枝丫材，取自廣西欽州，直徑10～40mm，含水率52.76%，用臺(tái)式圓鋸機(jī)鋸成長(zhǎng)度小于480mm試材，試材的總質(zhì)量為45kg，初始密度為121.6kg/m3。

1.2主要裝置CMT系列電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，壓力范圍0～50kN。根據(jù)試驗(yàn)需要，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)并加工了壓縮倉(cāng)和壓縮板，如圖1所示。壓縮倉(cāng)是由45號(hào)鋼板焊接組成的長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)截面尺寸為400mm×500mm，高度為600mm；在壓縮倉(cāng)四壁開(kāi)有氣孔，以便壓縮時(shí)物料內(nèi)部空氣逸出；壓縮板與壓縮倉(cāng)內(nèi)壁留有2mm的間隙，并在中心位置固定有與試驗(yàn)機(jī)壓力傳感器接觸的壓桿，以減少壓縮板與壓縮倉(cāng)之間的摩擦，確保壓縮過(guò)程的順利進(jìn)行。

1.3試驗(yàn)方法將桉樹(shù)枝丫材隨機(jī)排列填滿壓縮倉(cāng)，初始高度等同于壓縮倉(cāng)高度600mm。反復(fù)3次試驗(yàn)，經(jīng)稱(chēng)量可知，平均每次裝入桉樹(shù)枝丫的質(zhì)量為14.5kg。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，壓縮速度對(duì)于壓縮密度的影響比較小，故按常規(guī)設(shè)定壓縮速度50mm/min。試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄壓縮力（F）隨壓縮位移（l）變化的數(shù)據(jù)，另存為Excel數(shù)據(jù)文件，并通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。壓縮力（F）、壓縮位移（l）為試材壓縮試驗(yàn)中實(shí)際測(cè)量值；壓縮密度（）通過(guò)每次載入試材質(zhì)量與壓縮過(guò)程中體積計(jì)算而得；體積模量（K）表示試材單位體積產(chǎn)生相對(duì)變化量時(shí)所需的壓力增量，其值越大，則表明試材的可壓縮性越低。由于工程裝置實(shí)際的壓縮倉(cāng)尺寸將遠(yuǎn)大于試驗(yàn)所用的壓縮倉(cāng)尺寸，故將試驗(yàn)中的壓縮力（F）換算為壓強(qiáng)p（MPa）作為分析變量。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1壓強(qiáng)與壓縮位移的關(guān)系通過(guò)試驗(yàn)直接測(cè)得試材的自變量壓縮力（F）與因變量壓縮位移（l）的數(shù)據(jù)，換算得到壓強(qiáng)（p）與壓縮位移（l）的關(guān)系曲線，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，在壓縮過(guò)程中，試材的壓縮位移隨壓強(qiáng)的增加而變大。在初始階段，壓縮位移呈現(xiàn)迅速增加，且壓強(qiáng)與壓縮位移近似線性關(guān)系。該過(guò)程主要是以克服枝丫材之間空隙為主，用較小的壓強(qiáng)即可獲得較大的壓縮位移。在達(dá)到一定位移量后，桉樹(shù)枝丫材的壓縮位移量增加趨緩，壓強(qiáng)主要作用于桉樹(shù)枝丫材內(nèi)部孔隙空間的壓縮。應(yīng)用軟件SPSS分析，在本試驗(yàn)條件下，初始密度為121.6kg/m³的桉樹(shù)枝丫材，壓強(qiáng)與壓縮位移的擬合數(shù)學(xué)模型。

2.2壓強(qiáng)與壓縮密度的關(guān)系經(jīng)推導(dǎo)與計(jì)算，得出初始密度為121.6kg/m³的桉樹(shù)枝丫材，在壓縮過(guò)程中壓強(qiáng)與壓縮密度關(guān)系曲線，如圖3所示。桉樹(shù)枝丫材的壓縮密度在初始階段增加迅速，達(dá)到某一值后，增加速度變緩，意味著需要更大的壓強(qiáng)來(lái)進(jìn)行壓縮。

2.3壓縮密度與體積模量的關(guān)系在工程中，常用體積模量（K）反映物料抵抗壓縮能力的大小。K值越大，說(shuō)明物料越不易被壓縮，當(dāng)K值→∞時(shí)，表示該物料絕對(duì)不可壓縮。物料種類(lèi)不同，其K值也不同；同一種物料的K值，隨體積和壓強(qiáng)的變化而變化。根據(jù)美國(guó)學(xué)者對(duì)于物料壓縮的研究[4]，壓縮過(guò)程通常可劃分為三個(gè)階段。第一階段：在較低的壓強(qiáng)下，物料之間進(jìn)行重新排列從而達(dá)到體積上的縮小，在該過(guò)程中雖然存在由于物料之間的摩擦力而導(dǎo)致的能耗，但大多數(shù)物料都保留原有的物料特性；第二階段：物料發(fā)生彈性和塑性變形；第三階段：物料在非常大的壓力作用下形成新的壓縮密度，在該過(guò)程中物料可能達(dá)到融點(diǎn)。由本試驗(yàn)結(jié)果分析可知，桉樹(shù)枝丫材壓縮過(guò)程處于前兩個(gè)階段，體積的減小來(lái)源于試材之間的重新排列和部分試材內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化。試材的體積模量隨壓縮密度增加而變大，即說(shuō)明桉樹(shù)枝丫材的可壓縮性隨壓縮密度的加大而逐漸變差，但壓縮后的材料沒(méi)有受到大的破壞和變形，保持了原有的物理特性，符合后續(xù)多種加工對(duì)物料形態(tài)的要求。

2.4最佳壓縮密度的確定如圖4所示，初期階段桉樹(shù)枝丫材的體積模量隨壓縮密度的增加而增加，而壓縮密度大于某一點(diǎn)數(shù)值后，體積模量的增加速度明顯變快，說(shuō)明壓縮密度與體積模量的曲線上存在拐點(diǎn)。壓縮密度超過(guò)該點(diǎn)數(shù)值后，試材的可壓縮性明顯變差，即單位體積減少量所需的壓縮力明顯增加，理論上該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的密度值即為最佳壓縮密度值，相應(yīng)的壓強(qiáng)值為最佳壓強(qiáng)值。最佳壓強(qiáng)值可為林木壓縮裝置的單位載荷提供設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)《正和反的增量法》提出的理論，將曲率半徑看作是過(guò)曲線上連續(xù)等間隔三點(diǎn)的圓的半徑，半徑最小的地方即為曲線最彎曲的地方[5]，本研究求解壓縮密度與體積模量關(guān)系曲線中最彎曲的點(diǎn)。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線上依次取三點(diǎn)做一個(gè)圓，圓的半徑記為nR，則最小的nR所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)（n1，n1K）即為曲線中最彎曲點(diǎn)，其中n1所對(duì)應(yīng)數(shù)值即為最佳密度值，再通過(guò)壓強(qiáng)與壓縮密度的擬合數(shù)學(xué)模型，可換算得出最佳壓強(qiáng)值。在本試驗(yàn)條件下，桉樹(shù)枝丫材的壓縮密度與體積模量曲線中的拐點(diǎn)為（169.349，0.073）。當(dāng)壓縮位置對(duì)應(yīng)的密度大于該點(diǎn)壓縮密度值后，桉樹(shù)枝丫材的壓縮難度明顯增加。因此，確定桉樹(shù)枝丫材的最佳壓縮密度值為169.349kg/m3，最佳壓強(qiáng)為0.012MPa。通過(guò)壓強(qiáng)與壓縮位移擬合數(shù)學(xué)模型，得出對(duì)應(yīng)壓縮位移為172mm，即達(dá)到最佳壓縮密度的桉樹(shù)枝丫材的體積壓縮量為28.5%。

3結(jié)論

1）通過(guò)桉樹(shù)枝丫材壓縮特性的試驗(yàn)和理論分析，構(gòu)建壓強(qiáng)與壓縮位移、壓縮密度，壓縮密度與體積模量的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)所需壓縮密度的數(shù)值，計(jì)算壓縮裝置的單位面積載荷，為林木枝丫材壓縮裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2）通過(guò)對(duì)桉樹(shù)枝丫材的壓縮密度及體積模量的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化分析，在本試驗(yàn)條件下，桉樹(shù)枝丫材的最佳壓縮密度為169.349kg/m3，壓縮裝置所提供的壓縮力至少為0.012MPa。在此條件下對(duì)應(yīng)的體積壓縮量為28.5%，壓縮后物料可保持原有物理特性，以便進(jìn)行后續(xù)的加工利用。

作者：于航 劉晉浩 單位：東北林業(yè)大學(xué) 北京林業(yè)大學(xué)