李勇 李玉霞 陳圓圓

摘要 為了研究原棉的壓縮能耗變化，利用萬能試驗(yàn)機(jī)循環(huán)加載原棉，薄膜壓力傳感器采集原棉的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律，分析其能耗損失狀況。結(jié)果表明，原棉壓縮環(huán)節(jié)存在塑性變形和摩擦阻力，其均會(huì)引起壓縮能損耗。連續(xù)加載原棉，各層能耗呈規(guī)律變化;間隔加載原棉，各層的能耗值均呈無規(guī)律波動(dòng)。隨著壓縮量的增加，各層能耗均值呈指數(shù)型增加。

關(guān)鍵詞 原棉;壓縮;能耗;循環(huán)加載;規(guī)律

Abstract In order to investigate compression energy consumption of cotton，axial stress was set up through universal test machine on cotton，pressure was collected in pressure sensing system form up ，inter and down layer，its axial pressure were obtained in the compression process.According to the stressstrain hysteretic curve，the relationship between loading form and energy loss of compression was determined.The results showed that compression causes its energy consumption by which plastic deformation of cotton and frictional resistance from between the cotton and cylindrical vessel accompanied.Energy consumption for various layers changed according to certain rules in the continuous loading，energy consumption for various layers were irregular fluctuation in the interval loading. Energy consumption for various layers were growing by exponential order with the increase of compression amount.

Key words Cotton;Compression;Energy consumption;Continuous loading;Laws

棉花是重要的紡織纖維材料，壓縮是其緊密化處理的重要手段之一。棉纖維的形態(tài)結(jié)構(gòu)與秸稈集合體、泡沫材料的形態(tài)結(jié)構(gòu)相似，所展現(xiàn)出的壓縮力學(xué)性能亦相近[1]。

目前，諸多研究者用經(jīng)典力學(xué)理論、模型研究纖維集合材料的壓縮行為，其中黏彈塑性模型、壓力與密度模型是典型力學(xué)模型[2-3]?；酐慃惖萚4]通過秸稈致密成型過程的應(yīng)力應(yīng)變函數(shù)，推導(dǎo)出秸稈壓縮能耗計(jì)算公式。黃文城等[5]探究農(nóng)業(yè)纖維物料在二次壓縮過程中的比能耗，發(fā)現(xiàn)壓縮方向、初始?jí)嚎s密度、含水率對(duì)壓縮比能耗有影響。徐舒等[6]指出木材是天然的黏彈性高分子材料，在壓載作用下線性變形階段木材吸能很小，非線性變形階段毛細(xì)管系統(tǒng)永久性變形、潰陷來耗散做功。Lee等[7]研究纖維集合體壓縮力學(xué)性能，提出了隨機(jī)排列纖維體（考慮纖維卷曲因素）的壓縮能量理論，并指出纖維段能量隨壓縮應(yīng)變和泊松比而變，纖維段總能量取決于各纖維段長度和纖維取向密度函數(shù)[8]。

在原棉壓縮能耗方面，研究壓縮能耗變化規(guī)律尚未研究。筆者以原棉為研究對(duì)象，以原棉壓縮的黏彈塑性為依據(jù)分析其壓縮力學(xué)過程。循環(huán)加載原棉，采集并計(jì)算其能耗值，分析其能耗變化規(guī)律，為原棉生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)提供一定理論指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器 原料為新疆阿拉爾市新陸中37手摘原棉，原棉提取于新疆新越絲路有限公司。萬能材料試驗(yàn)機(jī)（上海卓技儀器設(shè)備有限公司）、FA1104電子天平（上海安亭科學(xué)儀器廠）、原裝進(jìn)口FSR400薄膜壓力傳感器（Interlink Electronics）、有線薄膜壓力傳感軟件（安徽威科電子有線公司）。

1.2 壓縮能量損耗測定

稱取160 g原棉，裝入亞克力圓筒（外徑110 mm，壁厚3 mm，填充高度300 mm）中，在原棉上、中、下3個(gè)位置設(shè)置1、2、3號(hào)薄膜壓力傳感器（1號(hào)傳感器采集上層壓力，2號(hào)傳感器采集中間壓力，3號(hào)傳感器采集下層壓力），如圖1所示。利用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)（室內(nèi)溫度16～22 ℃，相對(duì)濕度42%～56%，加載/回復(fù)速度100 mm/min），用薄膜壓力傳感器采集原棉壓縮-回復(fù)的力值。

圖2為薄膜壓力傳感器采集的原棉應(yīng)力-應(yīng)變曲線。原棉壓縮曲線的積分面積定義為壓縮比功wy，回復(fù)曲線的積分面積定義為回復(fù)比功ws，原棉的壓縮比功與其回復(fù)比功的差值定義為壓縮功耗比e（圖2中曲線圍的陰影區(qū)域）。

經(jīng)積分計(jì)算，3個(gè)薄膜壓力傳感器采集的壓縮比功分別為wy1、wy2和wy3，回復(fù)比功分別為ws1、ws2、ws3，壓縮功耗比分別為e1、e2和e3，連續(xù)多次壓縮各傳感器能耗指標(biāo)均值用各標(biāo)識(shí)“—”表示，例如wy1。

1.3 循環(huán)加載壓縮試驗(yàn)

1.3.1 連續(xù)壓縮原棉。原棉連續(xù)壓縮，每組連續(xù)壓縮20次，各組壓縮量依次取100、150、200、250 mm，用1、2、3號(hào)薄膜壓力傳感器采集壓縮-回復(fù)的力值。

1.3.2 間隔（連續(xù)）壓縮原棉。原棉間隔壓縮，每次壓縮間隔30 min（間隔時(shí)間段內(nèi)，原棉由圓筒中取出，靜置），如此反復(fù)操作20次，記為1組。各組壓縮量依次取100、150、200、250 mm，用1、2、3號(hào)薄膜壓力傳感器采集各次壓縮-回復(fù)的力值。

2 理論模型

圖2中原棉的壓縮與回復(fù)曲線不重合，存在顯著的變形和回復(fù)滯后現(xiàn)象[9]。隨著ε值的增加，原棉的壓力呈拋物線型增加。當(dāng)ε值為65.9%時(shí)，壓縮曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)1。定義此拐點(diǎn)1為原棉的屈服點(diǎn)，其屈服點(diǎn)壓力（σs）為0.115 4 MPa。

假設(shè)原棉是由材質(zhì)均質(zhì)、各向同性的棉纖維束有規(guī)律地堆砌而成的，用Nishihara模型來模擬表征原棉的特征，其機(jī)械本構(gòu)模型[10]如圖3所示。圖3中，E1、E2是指彈性元素彈簧的模量，η1、η2是指黏性元件（阻尼器）的黏度系數(shù)，V為摩擦元件，σc為Bingham模型的屈服應(yīng)力，σs為Bingham 模型的瞬時(shí)應(yīng)力，θ是無綱量參數(shù)。Nishihara變形由彈性變形ε1、黏彈性變形ε2、黏塑性變形ε3組成，其總應(yīng)變表達(dá)式為ε=ε1+ε2+ε3。

參照Nishihara模型，原棉的壓縮過程以拐點(diǎn)1為分界點(diǎn)，可劃分為2個(gè)階段：①黏彈階段（σ≤σs+σc/θ），此階段原棉內(nèi)部不斷發(fā)生纖維間空隙排空、纖維體屈曲和遷移，以黏彈變形（彈性元素E1和黏性單元η1疊加作用）為主，彈性變形（彈性元素E2）伴隨壓縮全程，展現(xiàn)了非線性黏彈性行為;②高級(jí)黏彈性階段（σ>σs+σc/θ），此階段黏彈單元的黏度系數(shù)η1將為0，原棉的應(yīng)力快速增加，加速線性蠕變，纖維體受壓發(fā)生塑性變形。Nishihara模型轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)線性固體模型。由此可見，壓縮拐點(diǎn)1后原棉存在顯著塑性變形，同時(shí)纖維集合體的部分壓縮能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、聲能耗散?/p>

原棉在圓筒內(nèi)單軸壓縮，其只能沿著縱向被壓縮，橫向受限無法膨脹，纖維集合體與筒壁之間存在摩擦力。隨著原棉相對(duì)密度的增加，其內(nèi)部壓強(qiáng)愈高，側(cè)壁的摩擦力愈大。當(dāng)纖維緊密接觸時(shí)，還要克服纖維體表面能做功，克服外界壓力做功，壓縮緊密后纖維集合體儲(chǔ)存部分壓力做功能量。同時(shí)，壓縮期間壓力還要克服纖維間摩擦力做功、體積變形做功[11]。

原棉由上而下單軸壓縮，壓縮推進(jìn)過程中塑性變形能量耗散與摩擦阻力作用引起原棉壓縮能耗損失，且該能耗損耗并非均勻。

3 結(jié)果與分析

3.1 連續(xù)壓縮原棉 原棉連續(xù)壓縮（壓縮量200 mm）的wy、ws、e值，分別如圖4所示。

圖4（a）中，原棉的wy1值均遠(yuǎn)大于wy2、wy3值。首次壓縮后，原棉的wy值趨穩(wěn)，呈小幅度波動(dòng)，wy（各次wy值的均值）分別為0.394 0、0.317 4、0.270 5 MJ·m3，各均值分別約為各傳感器首次wy值的57.07%、53.82%、56.64%。比較3路傳感器采集的wy值，發(fā)現(xiàn)各次壓縮傳感器采集的wy值均呈wy1>wy2>wy3，表明壓縮階段原棉的能量由上向下遞減，由上向下推進(jìn)致密。首次壓縮的wy1與wy2、wy2與wy3的差值分別為0.100 7和0.112 1 MJ·m3;此后各次壓縮wy2先趨近于wy3，后趨近于wy1。

圖4（b）中，3路傳感器采集的Ws值均小幅度波動(dòng)，ws1、ws2、ws3分別為0.244 1、0.148 3和0.212 2 MJ·m3。比較3路傳感器采集的ws值，發(fā)現(xiàn)各次壓縮傳感器采集的ws值均呈ws1>ws3>ws2。這表明回復(fù)階段原棉上下端受約束回復(fù)慢，纖維集合體中部松解程度更快。隨著壓縮次數(shù)的增加，原棉內(nèi)部回復(fù)能力趨于接近。

圖4（c）中，3路傳感器采集的壓縮功耗比（e）先降低后小幅波動(dòng)。比較3路傳感器采集的e值，發(fā)現(xiàn)第1次呈e1>e2>e3的規(guī)律;第2次呈e2>e1>e3的規(guī)律;第3次之后呈e2≥e1>e3的規(guī)律。各傳感器采集的e（第3次之后各e值的均值）依次為0.148 3、0.173 7和0.052 1 MJ·m3。連續(xù)壓縮期間，原棉施壓端、內(nèi)部的能耗比最大，末端的能耗比最小。原棉經(jīng)連續(xù)壓縮即可排除纖維之間的大量空隙，不間斷連續(xù)壓縮可以促進(jìn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整致密，使其力學(xué)性能不斷趨于穩(wěn)定。

連續(xù)壓縮100、150和250 mm時(shí)，原棉的wy、ws、e的變化規(guī)律與連續(xù)壓縮200 mm時(shí)相似。不同壓縮量下wy、ws、e值見圖5。由圖5可知，各壓縮量下，連續(xù)壓縮的能耗值呈wy1>wy2>wy3，ws1>ws3>ws2、e2>e1≈e3的規(guī)律。隨著壓縮量的增加，連續(xù)壓縮的wy、ws、e值均按指數(shù)函數(shù)規(guī)律增加。壓縮量與連續(xù)壓縮各路傳感器采集的wy、ws、e間均存在極佳的非線性擬合結(jié)果，見表1。

3.2 間隔壓縮原棉 間隔壓縮原棉20次，用3路傳感器采集力值，經(jīng)積分計(jì)算得出wy、ws、e值，如圖6所示。圖6中3路傳感器采集的wy、ws、e數(shù)值曲線較為相似，均呈無規(guī)律變化。此歸因于間隔時(shí)段原棉由圓筒內(nèi)取出，使原棉的彈性變形得以回復(fù)。同時(shí)，每一次壓縮均促進(jìn)了棉纖維在集合體內(nèi)部的穿插和滑移，壓縮次數(shù)越多，原棉內(nèi)部的致密棉束增多，原棉內(nèi)部棉束不均勻結(jié)點(diǎn)加強(qiáng)，促進(jìn)了其結(jié)構(gòu)不均勻和抗壓能量波動(dòng)。

不同壓縮量下間隔壓縮原棉的能耗均值如圖7所示。圖7中，各壓縮量下間隔壓縮的能耗均值呈wy1>wy2>wy3、ws2>ws3>ws1、e1>e2>e3的規(guī)律。隨著壓縮量的增加，間隔壓縮的wy、ws、e值均呈指數(shù)函數(shù)增加。壓縮量與間隔壓縮各路傳感器采集的wy、ws、e間均存在極佳的非線性擬合結(jié)果，見表2。

4 結(jié)論

（1）利用萬能試驗(yàn)機(jī)壓縮亞克力圓筒內(nèi)的原棉，薄膜壓力傳感器時(shí)時(shí)集采其上、中、下3層的力值，獲得其壓縮-回復(fù)的力值曲線。分析原棉的壓縮特征，發(fā)現(xiàn)原棉壓縮屈服點(diǎn)之后存在塑性變形，且壓縮期間原棉與筒壁間存在摩擦力。塑性變形和摩擦阻力均會(huì)引起原棉壓縮能量損耗。

（2）連續(xù)加載原棉，對(duì)比薄膜壓力傳感器采集的各層能耗值，發(fā)現(xiàn)wy1>wy2>wy3、ws1>ws3>ws2、e2≥e1>e3，表明壓縮能量由上向下遞減，回復(fù)階段纖維集合體中部松解程度更快，連續(xù)壓縮可排空纖維間空隙，促使纖維體致密化。間隔加載原棉，各層的能耗值均呈無規(guī)律波動(dòng)，連續(xù)壓縮的間隔期為棉纖維結(jié)合體提供了自由松解的時(shí)間。

（3）對(duì)比不同壓縮量下連續(xù)壓縮和間隔壓縮原棉各層的能耗均值，發(fā)現(xiàn)隨著壓縮量的增加，各層能耗均值呈指數(shù)函數(shù)增加，且wy1>wy2>wy3。

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