木质粉尘燃爆的爆炸指数理论评估

从燃烧化学反应动力学出发,结合热力学原理以及气体分子动理论,提出了木粉燃爆的动力学理论模型,对木粉燃爆试验的测量数据进行了理论计算。在不同木粉浓度以及不同木粉粒径下,将本模型的计算结果与已有模型的理论计算结果对比。结果表明:本模型的理论结果更接近试验测量结果,最大爆炸压力以及最大压力上升速率理论计算值与试验数据的平均偏差仅为9%。此外,利用本理论模型计算了最大压力上升速率随连续木粉浓度的变化曲线,得到在木粉质量浓度845 g/m3附近,爆炸指数的极大值为14.57 MPa·m/s。爆炸指数大于10 MPa·m/s的木粉质量浓度为330～1 945 g/m3,在此区间,利用本理论模型可以对不同浓度木粉的爆炸指数进行理论估算。研究得到的相关结果对试验测量以及实际生产中的燃爆防控技术均有理论指导意义。     

木粉吸热对木粉爆炸最大压力的影响

在现有的、零星的木粉燃爆理论计算模型中,均没有考虑木粉的吸热效应,导致理论模型计算结果与试验测量数据之间存在较大的偏差。实际上,在木粉燃爆的放热反应中,除气体吸热外,木粉也会参与吸热。基于已有的木粉爆炸试验数据和木粉爆炸最大压力模型,充分考虑木粉吸热对燃爆压力的影响,构建了改进的木粉爆炸最大压力模型,并对已有的试验数据进行数值仿真计算。计算结果表明,在不同木粉质量和不同木粉粒径情况下,改进的模型理论计算值与试验数据更吻合,最小误差仅为1%。与已有的理论模型拟合结果相比,最大爆炸压力的理论值与试验值的吻合度平均提升了13%。理论计算也表明,在木粉爆炸过程中,木粉吸热与气体吸热的比值最高达0.24。因此,在木粉爆炸过程中,木粉吸热是一个不容忽视的重要因素。构建的改进模型可以更准确地计算木粉爆炸最大压力,研究结果对木粉燃爆防控及相关技术研发有重要的理论指导意义。     

不同木粉浓度下爆炸压力的动力学理论模拟

从燃烧动力学、热力学以及气体分子动力学理论出发,推导了木粉燃爆的动力学理论模型,对试验得到的所有木粉浓度的爆炸压力进行了理论仿真计算。与现有模型计算结果相比,试验模型对数据的拟合更好,不同浓度相应的最大爆炸压力理论计算也与试验结果更吻合。此外,利用试验理论模型还可以很好地拟合现有模型没有拟合的3种不同木粉浓度的试验数据,理论计算值与试验值的偏离最低为1%,平均偏离为5%。结果表明:木粉燃爆的最大爆炸压力先随木粉浓度增加而升高,并在中间某一浓度时达到极大值。随着浓度增加,最大爆炸压力反而呈现下降趋势。理论仿真计算结果与试验结果一致,弥补了现有模型存在的理论计算与试验测试不一致的缺陷。     

木质粉尘燃爆的热力学自洽动力学模型

基于热力学定律以及燃烧化学反应动力学,考虑反应生成物所带来的热力学效应和木质粉尘的吸热效应,构建了木质粉尘燃爆的热力学自洽动力学理论模型。利用该模型对不同粒径和不同浓度的木质粉尘燃爆试验数据进行了模拟仿真,并与已有理论模型进行了对比。结果表明,在20 L爆炸球内反应生成物以及木质粉尘的吸热均随温度的升高迅速增加,最大爆炸压力值随之降低;采用本理论模型计算得到的最大爆炸压力与试验测量数据高度吻合,成功解决了已有模型存在的问题。此外,利用本理论模型计算了20 L爆炸球内气体的分子间距。在整个爆炸过程中,气体分子间距与分子直径的比值处于10.6～11.2区间内,即分子间距一直保持在分子直径的10倍以上,满足理想气体模型对气体分子间距的要求,充分证实了本研究所构建理论模型的热力学自洽性。本研究结果对除尘器、加料仓及传输管道泄爆面积的计算,以及相应隔爆装置的选择,对加工设备表面及管道内壁的热传感器和火花探测器的选择均有重要意义,对纤维板生产线中粉尘易爆设备的防爆和减灾技术研发具有理论指导价值。     

纤维板生产线木粉爆炸强度影响因素研究

采用正交试验法研究木粉种类、粒径分布、粉尘浓度和点火延时对木粉爆炸强度(最大爆炸压力、最大压力上升速率和达到最大爆炸压力的时间)的影响。结果表明:木粉种类、粒径分布、粉尘浓度和点火延时对木粉最大爆炸压力存在高度显著性影响,木粉粒径分布对木粉最大爆炸压力的影响程度最大;粒径分布和点火延时对木粉最大爆炸压力上升速率存在高度显著性影响,点火延时对木粉最大爆炸压力上升速率和达到最大爆炸压力的时间的影响程度最大。对于木粉达到最大爆炸压力的时间而言,仅点火延时存在高度显著性影响。此外,4种影响因素之间的交互关系对木粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率的影响较小。     

基于最小二乘法的落叶松木粉粒径数学建模与分析

【目的】建立落叶松木粉粒径与长宽比的数学模型，通过分析数学模型和其二阶导数，揭示木粉长宽比随粒径减小的变化趋势及变化的根本原因，获得最大长宽比对应的粒径，为建立长宽比与力学性能之间的定量关系提供参考。【方法】利用光学显微镜拍摄获得木粉的显微图像，测算获得目标木粉成熟管胞的平均长度、平均宽度以及木粉粒径的大小。通过数字图像处理技术提取单木粉颗粒的矩形度、长宽比：将原始木粉显微图像由 RGB颜色空间转到Lab颜色空间，提取其b分量；对b分量图像用3×3模板进行中值滤波；用K-means算法将去噪后图像聚类为2类，得木粉的二值图像；对二值图像用5×5的结构元素进行先开启后闭合的数学形态学运算；用八连通区域法标记图像中的单木粉颗粒；对标记后图像用目标区域像素点个数统计法计算获得单木粉颗粒的几何面积，用主轴法获得单木粉颗粒的最小外接矩形的长、宽、面积；计算获得单木粉颗粒的长宽比、矩形度数据。采用最小二乘法对木粉粒径与长宽比进行数据拟合，通过分析评判多项式、高斯和傅里叶3种拟合函数后选用高斯方程表达得木粉粒径与木粉长宽比的数学模型，再根据其拟合曲线方程计算得其二阶导数，结合模型的二阶导数和测算得的木粉管胞数据对高斯模型进行分析与讨论。【结果】矩形度不随木粉粒径的减小而变化，均值在0.6～0.8之间。长宽比随粒径减小出现先增大后减小的趋势：木粉粒径在1100～576μm 时，长宽比数值从接近于1开始逐渐增大；木粉粒径为576μm时(与本文目标木粉成熟管胞的平均长度563.82μm接近)，长宽比达到最大数值4.6；木粉粒径在576～30μm时，长宽比逐渐减小；而粒径小于50μm 时(与目标木粉成熟管胞的平均宽度46.498μm接近)，长宽比数值再次趋近于1。【结论】长宽比的变化与管胞破裂密切相关：木粉粒径大于管胞长度时，木粉主要通过纵向断裂使粒径减小；粒径与管胞长度接近时，长宽比较大；粒径小于等于管胞宽度范围内，木粉主要是横向断裂，而长宽比基本不再发生变化且趋近于1。长宽比和冲击强度随粒径减小的变化趋势是一致的，长宽比是影响材料力学性能本质因素之一。     

乙酰化处理对樟子松木材耐光性和热稳定性的影响

【目的】探讨乙酰化处理对人工林木材耐光性和热稳定性的影响,为木材颜色调控技术及高耐光染色木材的研发提供理论依据。【方法】以樟子松木粉为试样,加入乙酸酐和二甲苯溶液,在120℃条件下分别反应5,10,20,40,60 min,测试乙酰化处理时间对木粉增重率的影响;分别称取1 g经不同时间乙酰化处理的木粉和未处理木粉,置于 UV老化试验箱内辐射100 h,利用红外光谱分析 UV辐射前后乙酰化木粉化学官能团的变化,通过热重和扫描电镜分析乙酰化木粉的热稳定性及其形貌变化。【结果】随着乙酰化处理时间的延长,樟子松木粉的增重率呈现先增加后降低的趋势,在处理40 min 时木粉增重率最大;乙酰化木粉在1741 cm －1和1385 cm －1处的CO,C—H特征吸收峰强度均大于原木粉,处理时间40 min 时木粉的吸收峰强度最大;UV 辐射后,乙酰化木粉在1508 cm －1处木质素苯环特征吸收峰强度明显大于原木粉,处理时间40 min 时木粉的吸收峰强度最大,表明木粉经乙酰化处理后光稳定性得到提升;热重分析显示,经乙酰化处理后,木粉热分解所需的温度明显提高,表明乙酰化木粉的热稳定性好于原木粉;扫描电镜分析表明,乙酰化处理可增强木粉微观构造抵抗光劣化的能力。【结论】乙酰化处理能有效抑制樟子松木材的光降解反应并提升其热稳定性。     

超细木粉粒度在线检测系统设计初探

为实现超细木粉的自动化生产,依据木粉粒子的大小、浓度、加工特点及运输速度等因素对其带电性能的影响,设计了木粉粒度在线检测控制系统。该系统主要由静电传感器、模拟量信号采集、信号处理、数据计算处理及传输单元等部分构成。该系统是一种木粉粒度在线实时检测系统,它相比于粉体的离线检测具有实时性、连续性及智能性等重要特点。将该在线系统用于试验验证,得出随木粉粒度的增加检测电压信号逐渐增大,但随木粉粒度的增加,木粉浓度却逐渐减小这一结论。并针对此现象分析木粉粒度大小对其带电量及浓度的影响。研究结果对今后其它粉体的自动化生产及在线检测研究都具有十分重要的意义。     

基于有限元法超细木粉的力学分析

超细木粉属于微纳米木粉,将其填加到复合材料中可使复合材料的性能得到改善。依据超细木粉粒径的大小和木材细胞的结构特点,分析在加工超细木粉过程中必须进行细胞的破壁力计算,并以针叶材细胞的微观结构为受力分析依据,建立单一细胞受力模型。用四根铰接桁架杆单元来模拟细胞外壁,用两根交叉铰接桁架杆来模拟细胞内压力,即用六根桁架杆单元结构模拟单一针叶材细胞。对单一细胞模型外施均布载荷分析各杆单元的受力、变形及压溃情况,利用结构力学和有限元法分别对单一细胞和多细胞状态下进行模拟受力分析。将其结果作为设计超细木粉机加工刀具的理论依据。     

基于遗传算法的超细木粉图像分割研究

图像分割技术能够将木粉图像与背景区分出来,获得清晰精确的木粉轮廓,其效果的好坏直接影响到最终木粉尺寸的检测结果。本文介绍了模拟自然界生物进化过程而形成的遗传算法,在经过初始化种群、计算适应度值、精英选择、交叉等一系列步骤后,对超细木粉图像进行分割;采用Canny算法求取图像边缘,最终获得清晰的木粉轮廓图像,为后续的木粉大小、目数检测提供了必要的技术支持。     

用人工神经网络构建多形地位指数模型

以马尾松人工林132株优势木树干解析数据为训练样本,用145块标准地优势木平均高数据为检验样本,把林分年龄和地位指数或优势木平均高作为输入变量,将优势木平均高或地位指数作为输出变量,通过构建人工神经网络逆模型的途径,分别建立了多形地位指数曲线式和计算式模型。结果表明,多形地位指数曲线式的总体拟合精度为99.64％,总体预测精度达96％以上,比传统技术构建的多形地位指数模型能较真实地模拟各地位级的多形曲线;多形地位指数计算式的总体拟合精度为98.81％,用于计算地位指数,省去用迭代法计算地位指数的工作量。基于BP神经网络模型多形地位指数模型,对马尾松人工林地位指数测定提供指导作用,可为森林立地质量评价提供理论依据。     

超细木粉原料粉碎机的设计

介绍了一种超细木粉加工设备的总体布置及工作原理,阐述了该设备筛箱的出料机构设计。应用粉碎力学原理估算木粉粒径,根据粒径要求进行参数选择与动力学设计,并用试验结果验证理论分析的正确性。     

长白落叶松解析木数据参数化3-PG模型

【目的】验证解析木数据参数化3-PG模型的可行性,利用解析木数据标定的模型预测长白落叶松人工林生长变化,为扩展参数化3-PG模型数据源提供依据,为模型数据选择提供参考。【方法】以孟家岗林场长白落叶松人工林为研究对象,基于2019年解析木数据模拟胸径连续观测数据,结合相关公式计算叶、干、根生物量和蓄积量。根据参数敏感性分析结果,采用直接计算、参考文献、迭代拟合和默认参数等方法对3-PG模型进行参数化,利用密度试验林和固定样地数据对模型输出进行精度验证,并对模型输出与地面观测值进行回归分析。【结果】验证结果表明,模型拟合精度很高（P<0.01,n=138）,可以较好反映解析木样地中林分生长变化。胸径、叶干生物量比、干生物量、总生物量和蓄积量的决定系数（R²）在0.95以上,根生物量拟合精度略低（R²=0.88）。密度试验林数据（n=140）和固定样地数据（n=87）与模型输出之间具有较高相关性,各计算量的R²在0.81～0.97之间（P<0.01）。敏感性分析结果表明,当胸径为20 cm时,叶与干生物量分配比（p...     

支持向量机参数优化方法在木质粉尘火花探测中的应用

为提高木质粉尘火花检测的准确性,利用基于支持向量机(SVM)的物质分类方法检测木质粉尘火花。选取马尾松和杨木粉尘为研究对象,将两种粉尘分组点燃试验,获取火花和灰分的高光谱图像,提取感兴趣区域(region of interest,ROI)内的发光度数据进行预处理。利用感兴趣区域内的数据建立SVM分类模型,分别利用网格搜索法(GS)、遗传算法(GA)以及粒子群算法(PSO)对两类树种的SVM分类模型进行参数优化,并将三种参数优选方法的分类预测准确率进行对比。结果表明,三种优化方法均能够很好地检测两种树种的木粉火花,其中网格搜索法检测准确率明显高于其余两种,更适于木质粉尘火花探测,这为人造板生产过程中能够高效检测木质粉尘火花提供了一定的理论依据。     

不同材料增强苄基化木粉复合材料的制备

研究了球磨胡桑木粉苄基化改性后的增重率与材料热塑性以及力学性能的关系。随着增重率的增加,即胡桑木粉苄基化反应程度的提高,产物的热塑性变好,但材料的拉伸强度和弯曲强度增加到一定程度后,反而随着增重率的增加而下降。以胡桑木粉苄基化产物为基体,分别以球磨胡桑木粉、蒙脱土为增强材料进行共混制备复合材料,探讨增强材料与木粉苄基化产物基体的质量比对复合材料力学性能的影响。试验结果表明,复合材料的力学性能优于胡桑木粉苄基化产物,其拉伸强度和弯曲强度随增强材料质量分数的增加而先增加后降低。     

β-环糊精/木粉接枝共聚物对Pb2+的吸附动力学和热力学研究

以柠檬酸为交联剂,利用酯化交联工艺将功能主体分子β-环糊精接枝到杨木木粉表面制备β-环糊精/木粉(β-CD/WF)接枝共聚物,并用红外光谱仪、热重分析仪和酚酞探针分子技术进行表征.以Pb2+为吸附质,β-环糊精/木粉接枝共聚物为吸附剂,系统探讨接触时间、pH值、Pb2+初始浓度对吸附效果的影响.采用准一级动力学方程、准二级动力学方程、颗粒内扩散模型、Langmuir吸附等温方程、Freundlich吸附等温线方程对试验数据进行拟合.结果表明:β-环糊精不仅被接枝于木粉表面而且可以体现出包合活性;在298 K时,β-环糊精/木粉接枝共聚物对Pb2+吸附平衡的接触时间为30 min,适宜pH值范围为4～8,平衡吸附量随Pb2+的初始质量浓度增加而增加;Pb2+的吸附过程符合准二级动力学方程,即以化学吸附为主,颗粒内扩散不是唯一的吸附速率控制步骤;吸附符合Langmuir吸附等温模型,说明Pb2+的吸附属于单分子层吸附;吸附的吉布斯自由能变为负值,熵变和焓变分别为54.45 J/(mol·K)和13.75 k J/mol,即该吸附是能自发进行的吸热过程.     

超细木粉的加工原理与运动分析

通过对超细木粉的形态分析,提出了超细木粉颗粒的粒径范围为600～1 500目;介绍了超细木粉加工设备的结构与原理,分析了制备超细木粉的粉碎过程及粉碎力,以及超细木粉的制备方法及所采用的设备对粉体产品的粒度大小、粉体形状及分散性等的影响。提出采用高速旋转搅拌式磨削粉碎方法,将粉碎设备与粉体分级设备连为一体,对未达到加工目数要求的颗粒进行循环式加工,提高了加工效率;在分级装置的不同位置安放两个转速不同的离心风机形成不规则的气流流场,能减少木粉收集时的颗粒团聚,提高了粒度分布的均匀性和木粉质量。     

亚纳米木粉低能耗的形成机理

通过对亚纳米木粉形成过程的分析,由细胞壁厚的几何尺寸定量计算亚纳米木纤维在低能耗形成过程中细胞变化的相关数学参数,定性地解释亚纳米木纤维在低能耗形成过程中细胞尺寸变化的数学关系。结果表明,可以由微观变化解释木材亚纳米木纤维尺寸的变化原因,并以试验结果的照片分析来验证此理论。     

改性木粉/碱木质素在橡胶中的应用研究

为提高木材附加值及制浆造纸废液中碱木质素的利用率,以木粉、碱木质素为填料,未硫化胎面橡胶为基体,采用橡胶机械混炼-硫化工艺制备了生物质/橡胶复合材料。研究了Si69改性木粉与碱木质素的不同配比对复合材料理化性能的影响,并对复合材料的力学性能、硫化性能、门尼黏度、微观界面和动态力学性能进行了表征。结果表明:改性木粉与碱木质素作为填料制备的橡胶复合材料,其物理性可满足工业用橡胶板国家标准GB 5574—2008使用要求。当改性木粉与碱木质素质量比为2∶1时,复合材料拉伸强度最大,为4.6 MPa;当改性木粉与碱木质素质量比为1∶2时,断裂伸长率最高,为778%。复合材料的门尼黏度以及硫化时间随碱木质素含量的增多而增大。加入碱木质素降低了复合材料的动态储能模量,且加入过多的碱木质素导致复合材料的玻璃化转变温度升高,而玻璃化温度的升高使得橡胶的最低工作温度升高。     

109型分配阀迟滞试验研究

基于列车电空制动机的联调实验台,开展了分配阀的迟滞现象试验分析。采集了几组迟滞试验数据,利用二次多项式曲线拟合的方法对数据进行分析和处理,并从拟合后的曲线和函数关系式可以初步判断制动、缓解和保压时的压力差值与目标压力值的变化关系,为分配阀的设计及使用提供一定的理论和试验数据支持。