木薯秸稈沖擊韌性研究

李夢林 王 濤 黃志剛 閆 梅

（1.北京工商大學材料與機械工程學院，北京 100048；2.海南大學機電工程學院，海南 ?？?570228；3.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081）

木薯是大戟科木薯屬植物，呈灌木狀，原產于亞馬遜河流域，中國木薯的主產區為廣西、廣東、海南、云南、福建。它是世界三大薯類之一，有“淀粉之王”、“地下糧食”、“能源作物”之稱［1］。木薯用途廣泛，可制成變性淀粉等應用于化工、淀粉、酒精、醫療、食品等行業。木薯秸稈主要用于生產肥料、沼氣、乙醇、飼料、栽培食用菌的培養基料等［2］。隨著木薯的戰略地位不斷提升，其利用率隨之不斷提高。在可再生能源方面木薯起著重要作用，要充分利用木薯秸稈，有必要研究其收割與粉碎力學特征，目前中國有學者進行了相關研究。如王濤等［3－5］研究了木薯的拉伸強度、壓縮強度等力學特性；陳丹萍［6］研究了挖拔式木薯收獲機的挖掘部件；張意松等［7］對中國的木薯收獲機采挖原理和結構進行了設計；孫佑攀［8］對挖拔式木薯收獲機及其夾持輸送機構進行了研究設計；薛忠等［9］研制了4UMS-390Ⅱ型木薯收獲機。但迄今未見研究木薯秸稈沖擊韌性的相關文獻，本研究擬考察木薯秸稈沖擊韌性的指標影響因素及沖擊能量，擬為木薯秸稈切割機和粉碎機的設計研發提供理論基礎，為設計出更節能經濟的木薯收獲機和秸稈粉碎機提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 材料的采集與處理

木薯秸稈于2013年12月22日取自?？谑忻捞m區海南大學實驗田，選擇生長正常、健壯、直徑中等、成熟期的木薯若干株。分別根據各組試驗的影響因素把木薯秸稈處理成長約300mm符合相應要求的試樣。為防止試驗中偶然因素的影響，每組試驗準備兩個試樣，并進行編號為1、2、……、15、16。同時設計一個沖擊能量和沖擊韌性隨含水率變化的單因素變量試驗，對該組木薯秸稈試樣編號為沖/上①、沖/上②、沖/上③、沖/上④、沖/下①、沖/下②、沖/下③、沖/下④。

1.2 試驗設備

木材萬能試驗機：MW-4型，濟南試驗機廠。

1.3 試驗方法

單因素試驗中只選取放置時間為變量，分別研究木薯秸稈上部和下部沖擊韌性和沖擊能量隨含水率變化的規律。在單因素的基礎上，選取木薯秸稈的品種、含水率、沖擊碰撞部位作為主要影響因素，研究對木薯秸稈的沖擊韌性指標的因素影響。根據考察的因素及水平來安排試驗，結果選用L16（42×29）正交表，安排三因素混合水平的正交試驗。選用秸稈沖斷時擺錘上升的高度作為試驗測量指標。試驗的影響因素為品種、含水率、碰撞部位。木薯秸稈的品種為華南6號、華南7號、華南9號、華南10號；由于試驗設備有限，無法對木薯秸稈的含水率進行精確的測量，故本試驗中的含水率以試樣在通風干燥的實驗室放置的天數為衡量標準，放置的天數越多，含水率越小。試驗以剛從試驗田取回的木薯秸稈為放置0d的試樣。碰撞部位分為上部和下部。

1.4 測試與計算方法

沖擊試驗機有擺錘、機身、支座、度盤、指針等幾部分組成。試驗時，將木薯秸稈試樣安放于試驗機的支座上，舉起擺錘使它自由下落將試樣沖斷。若擺錘重力為G（N），沖擊中擺錘的質心高度由H0（cm）變為H1（cm），勢能的變化為G（H0－H1），它等于沖斷試樣所消耗的功W（J），由于試驗機擺錘的擺長與度盤指針示數成正比，比例i＝9，故沖擊試樣吸收的功AK（J）為

式中的H0和H1可通過度盤得知。

試樣的沖擊韌性為

式中：

aK——沖擊韌性，J/cm2；

AK——沖擊試樣吸收的功，J；

A0——試樣沖斷處的橫截面積，cm2；

D——木薯秸稈的外徑，mm；

d——木薯秸稈的內徑，mm［10］。

2 結果與分析

2.1 單因素試驗

木薯秸稈上部和下部的沖擊能量和沖擊韌性隨含水率變化的單因素變量試驗結果見圖1、2。

由圖1、2可知：① 木薯秸稈下部的平均沖擊能量和沖擊韌性均大于上部的。原因是根部結構組織更加細密，抗沖擊的能力更強。② 木薯秸稈上部的沖擊能量和沖擊韌性隨含水率的減小變化不大，沖擊能量在4.617 43J附近波動，沖擊韌性在2.569 65J/cm2附近波動；下部的沖擊能量和沖擊韌性隨含水率的減小先增大后減小，沖擊能量從7.926 9J上升到15.853 8J后下降到4.359 8J，沖擊韌性從2.926 9J/cm2上升到4.693 1J/cm2后下降到1.846 7J/cm2。原因是含水率越小，秸稈木質結構越堅硬，抗沖擊能力更強。

圖1 沖擊能量隨放置時間的變化Figure 1 Impact energy along with the change of placed time

圖2 沖擊韌性隨放置時間的變化Figure 2 Impact toughness along with the change of placed time

2.2 正交試驗

根據正交試驗表中設計的試驗順序依次進行各組試驗。試驗因素水平表見表1，試驗方案與結果見表2。

表1 因素水平表Table 1 Test factor in the level of the table

由表2可知：① 對木薯秸稈沖擊能量影響的主要因素次序為A＞B＞C，最優水平組合為A1B4C1，即品種為SC6、放置時間12d、碰撞部位為上部。② 對木薯秸稈沖擊韌性影響的主要因素次序為A＞B＞C，最優水平組合為A1B1C2，即品種為SC6、放置時間0d、碰撞部位為下部。

表2 試驗方案和結果Table 2 Test program and results

2.3 驗證實驗

分別以試驗因素組合為A1B4C1和A1B1C2進行驗證實驗，結果表明組合A1B4C1的沖擊能量為0.702 73J，沖擊韌性為1.093 2J/cm2；組合 A1B1C2沖擊能量為0.947 44J，沖擊韌性為0.942 6J/cm2。可以看出，組合A1B4C1的沖擊能量最小，組合A1B1C2沖擊韌性最小。研究具有可行性。

3 結論

通過正交試驗，綜合評價木薯秸稈的沖擊韌性和沖擊能量的影響因素及影響程度。試驗數據顯示品種對木薯秸稈的沖擊能量和沖擊韌性影響最大，含水率次之，碰撞部位最小；當木薯品種為SC6、含水率為放置12d、碰撞部位為上部時沖擊能量最?。划斊贩N為SC6、含水率為放置0d、碰撞部位為下部時沖擊韌性最小。同時表明，木薯秸稈沖擊能量和沖擊韌性由下至上逐步增強。

該試驗研究得出了不同因素對沖擊能量和沖擊韌性的影響，以及不同因素共同影響下沖擊能量值和沖擊韌性值。通過對木薯秸稈沖擊韌性的測定及規律性研究，進一步對木薯秸稈的力學特性參數進行了補充，研究結果可為木薯秸稈切割機和粉碎機的設計研發提供理論基礎，同時，還能為綜合考慮所設計的機器的實用性和經濟性提供有益參考。

本試驗主要對木薯秸稈沖擊韌性的力學特性的規律性進行了研究，對其機理研究不夠，下一步將對木薯秸稈組織內部進行系統、深入的機理研究。

1 文玉萍.我國木薯產業的發展趨勢與市場分析［J］.熱帶農業科學，2014，34（5）：81～85.

2 陳漢東.木薯秸稈綜合利用技術應用淺析［J］.廣西農業機械化，2011（5）：26～28.

3 閆梅，王濤，李夢林.木薯秸稈力學特性測試儀設計與試驗［J］.中國農機化學報，2013，34（4）：78～82.

4 楊望，楊堅，鄭曉婷，等.木薯力學特性測試［J］.農業工程學報，2011（S2）：50～54.

5 閆梅，王濤，李夢林.木薯塊根切割力學特性研究［J］.食品與機械，2013，29（4）：88～91.

6 陳丹萍.挖拔式木薯收獲機挖掘部件研究［D］.海口：海南大學，2012.

7 張意松，黃暉，崔振德.國內木薯收獲機采挖原理和結構設計［J］.熱帶農業工程，2012（5）：17～20.

8 孫佑攀.挖拔式木薯收獲機及其夾持輸送機構的研究［D］.?？冢汉Ｄ洗髮W，2012.

9 薛忠，黃暉，李明，等.4UMS-390Ⅱ型木薯收獲機的研制［J］.農機化研究，2010（8）：79～81，85.

10 劉鴻文，呂榮坤.材料力學實驗［M］.第二版.北京：高等教育出版社，2002.