桉樹枝丫材壓縮特性的試驗范文

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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輸，對降低收集運輸成本、提高運輸裝載率至關重要。為了對林木壓縮收集裝置的結構設計提供依據，對桉樹枝丫材進行壓縮試驗，并建立壓縮特性模型。結果表明：隨著壓強的增大，桉樹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，最佳壓強為0.012MPa。

關鍵詞：

桉樹枝丫材；壓縮特性；模型；壓強；位移；密度；體積模量

桉樹是聯合國糧農組織推薦的三大速生造林樹種（桉、松、楊）之一，也是我國南方最重要的速生商品林樹種之一，具有耐干旱瘠薄、適應性廣、種植容易、速生高產等特點，被廣泛用作人造板生產原料。桉樹也是優(yōu)良的能源樹種，每kg桉樹木材的燃燒，能產生19.69～22.98MJ熱量，具有較高的燃燒值[1]。在當今能源短缺的情況下，發(fā)展桉樹生物質能源，也是帶動區(qū)域林業(yè)產業(yè)發(fā)展的途徑之一[2]，經濟和社會意義重大。在林區(qū)撫育采伐作業(yè)時，會有大量剩余物產生，由于堆積密度小、運輸儲存占用空間大、成本高，嚴重制約了林區(qū)采伐加工剩余物資源的利用。實現經濟便捷地收集及運輸，是林業(yè)生產作業(yè)中急需解決的關鍵技術問題。壓縮密度，是林業(yè)生物質壓縮裝備的重要設計參數[3]。壓縮密度過低，無法達到減少運輸體積的目的，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，筆者對桉樹枝丫材在壓縮過程中，各因素（壓強，壓縮位移，壓縮密度，體積模量）之間的關系和規(guī)律進行了研究，并通過對數學模型的優(yōu)化分析，確定最佳壓縮密度及最佳壓強值，為設計林木枝丫材收集運輸壓縮裝置提供理論依據。

1試驗材料與方法

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

1.2主要裝置CMT系列電子萬能試驗機，壓力范圍0～50kN。根據試驗需要，專門設計并加工了壓縮倉和壓縮板，如圖1所示。壓縮倉是由45號鋼板焊接組成的長方體結構，內截面尺寸為400mm×500mm，高度為600mm；在壓縮倉四壁開有氣孔，以便壓縮時物料內部空氣逸出；壓縮板與壓縮倉內壁留有2mm的間隙，并在中心位置固定有與試驗機壓力傳感器接觸的壓桿，以減少壓縮板與壓縮倉之間的摩擦，確保壓縮過程的順利進行。

1.3試驗方法將桉樹枝丫材隨機排列填滿壓縮倉，初始高度等同于壓縮倉高度600mm。反復3次試驗，經稱量可知，平均每次裝入桉樹枝丫的質量為14.5kg。根據預試驗結果，壓縮速度對于壓縮密度的影響比較小，故按常規(guī)設定壓縮速度50mm/min。試驗機自動記錄壓縮力（F）隨壓縮位移（l）變化的數據，另存為Excel數據文件，并通過數理統(tǒng)計分析軟件SPSS進行統(tǒng)計分析。壓縮力（F）、壓縮位移（l）為試材壓縮試驗中實際測量值；壓縮密度（）通過每次載入試材質量與壓縮過程中體積計算而得；體積模量（K）表示試材單位體積產生相對變化量時所需的壓力增量，其值越大，則表明試材的可壓縮性越低。由于工程裝置實際的壓縮倉尺寸將遠大于試驗所用的壓縮倉尺寸，故將試驗中的壓縮力（F）換算為壓強p（MPa）作為分析變量。

2試驗結果與分析

2.1壓強與壓縮位移的關系通過試驗直接測得試材的自變量壓縮力（F）與因變量壓縮位移（l）的數據，換算得到壓強（p）與壓縮位移（l）的關系曲線，如圖2所示。由圖2可見，在壓縮過程中，試材的壓縮位移隨壓強的增加而變大。在初始階段，壓縮位移呈現迅速增加，且壓強與壓縮位移近似線性關系。該過程主要是以克服枝丫材之間空隙為主，用較小的壓強即可獲得較大的壓縮位移。在達到一定位移量后，桉樹枝丫材的壓縮位移量增加趨緩，壓強主要作用于桉樹枝丫材內部孔隙空間的壓縮。應用軟件SPSS分析，在本試驗條件下，初始密度為121.6kg/m³的桉樹枝丫材，壓強與壓縮位移的擬合數學模型。

2.2壓強與壓縮密度的關系經推導與計算，得出初始密度為121.6kg/m³的桉樹枝丫材，在壓縮過程中壓強與壓縮密度關系曲線，如圖3所示。桉樹枝丫材的壓縮密度在初始階段增加迅速，達到某一值后，增加速度變緩，意味著需要更大的壓強來進行壓縮。

2.3壓縮密度與體積模量的關系在工程中，常用體積模量（K）反映物料抵抗壓縮能力的大小。K值越大，說明物料越不易被壓縮，當K值→∞時，表示該物料絕對不可壓縮。物料種類不同，其K值也不同；同一種物料的K值，隨體積和壓強的變化而變化。根據美國學者對于物料壓縮的研究[4]，壓縮過程通常可劃分為三個階段。第一階段：在較低的壓強下，物料之間進行重新排列從而達到體積上的縮小，在該過程中雖然存在由于物料之間的摩擦力而導致的能耗，但大多數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，在該過程中物料可能達到融點。由本試驗結果分析可知，桉樹枝丫材壓縮過程處于前兩個階段，體積的減小來源于試材之間的重新排列和部分試材內部孔隙結構變化。試材的體積模量隨壓縮密度增加而變大，即說明桉樹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數值后，體積模量的增加速度明顯變快，說明壓縮密度與體積模量的曲線上存在拐點。壓縮密度超過該點數值后，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，理論上該點對應的密度值即為最佳壓縮密度值，相應的壓強值為最佳壓強值。最佳壓強值可為林木壓縮裝置的單位載荷提供設計參數。根據《正和反的增量法》提出的理論，將曲率半徑看作是過曲線上連續(xù)等間隔三點的圓的半徑，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系曲線中最彎曲的點。在試驗數據曲線上依次取三點做一個圓，圓的半徑記為nR，則最小的nR所對應的點（n1，n1K）即為曲線中最彎曲點，其中n1所對應數值即為最佳密度值，再通過壓強與壓縮密度的擬合數學模型，可換算得出最佳壓強值。在本試驗條件下，桉樹枝丫材的壓縮密度與體積模量曲線中的拐點為（169.349，0.073）。當壓縮位置對應的密度大于該點壓縮密度值后，桉樹枝丫材的壓縮難度明顯增加。因此，確定桉樹枝丫材的最佳壓縮密度值為169.349kg/m3，最佳壓強為0.012MPa。通過壓強與壓縮位移擬合數學模型，得出對應壓縮位移為172mm，即達到最佳壓縮密度的桉樹枝丫材的體積壓縮量為28.5%。

3結論

1）通過桉樹枝丫材壓縮特性的試驗和理論分析，構建壓強與壓縮位移、壓縮密度，壓縮密度與體積模量的數學模型，根據所需壓縮密度的數值，計算壓縮裝置的單位面積載荷，為林木枝丫材壓縮裝置的設計提供依據。2）通過對桉樹枝丫材的壓縮密度及體積模量的數學模型優(yōu)化分析，在本試驗條件下，桉樹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。在此條件下對應的體積壓縮量為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 北京林業(yè)大學