甘蔗尾莖力學(xué)特性試驗(yàn)

羅菊川，區(qū)穎剛，劉慶庭

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州　510642)

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甘蔗尾莖力學(xué)特性試驗(yàn)

羅菊川，區(qū)穎剛，劉慶庭

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510642)

摘要：為獲取甘蔗尾部莖稈的力學(xué)特性參數(shù)，利用精密型微控電子萬能試驗(yàn)機(jī)對蔗尾生長點(diǎn)以下1～3節(jié)莖稈的拉伸、壓縮力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明：蔗尾節(jié)位對抗拉、抗壓強(qiáng)度的影響極其顯著，抗拉、抗壓強(qiáng)度由中部向尾部頂端生長點(diǎn)方向顯著減??；蔗尾生長點(diǎn)以下1～3節(jié)抗拉強(qiáng)度平均值分別為1.44、2.87、4.72MPa，拉伸彈性模量平均值分別為22.02、27.60、37.09MPa。各節(jié)莖稈直徑與抗拉強(qiáng)度呈二次函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著直徑的增大，抗拉強(qiáng)度減小?？箟簭?qiáng)度平均值分別為4.04、5.22、 6.66MPa；壓縮彈性模量平均值分別為23.93 、25.37、24.12MPa；各節(jié)莖稈直徑與最大壓縮載荷之間呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，隨著直徑的增大，最大壓縮載荷增大。試驗(yàn)結(jié)果為甘蔗收獲斷尾機(jī)械的設(shè)計(jì)及建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：甘蔗尾莖；力學(xué)特性；抗拉強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度

0引言

甘蔗作為我國主要的糖料作物，蔗糖產(chǎn)量占我國食糖總產(chǎn)量的90%以上，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位[1-2]；但目前我國食糖生產(chǎn)成本過高，蔗糖產(chǎn)業(yè)的國際競爭力十分低下，主要原因是耗時(shí)最長、最艱苦、占甘蔗生產(chǎn)成本比例最高的甘蔗收獲環(huán)節(jié)基本上還是人工作業(yè)，而斷尾除葉技術(shù)是制約甘蔗收獲機(jī)械發(fā)展的瓶頸[3]。目前，國內(nèi)設(shè)計(jì)人員一般僅根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算進(jìn)行斷尾機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研制[4-7]，沒有結(jié)合蔗尾的力學(xué)特性進(jìn)行研究，斷尾機(jī)構(gòu)難以達(dá)到理想的效果。國外學(xué)者通過試驗(yàn)比較了不同品種的甘蔗梢頭部的硬度、抗折力、抗折能、破碎力和破碎能與直徑尺寸變化的關(guān)系，以及青葉葉鞘的抗拉強(qiáng)度，為切梢裝置的設(shè)計(jì)提供依據(jù)[8-9]。國內(nèi)研究者對甘蔗莖稈不同部位的抗彎強(qiáng)度、切割力進(jìn)行了研究[10-12]。甘蔗不同部位力學(xué)性能差異很大，研究蔗莖尾部的力學(xué)特性，可為甘蔗斷尾及加工機(jī)械的設(shè)計(jì)開發(fā)、建立虛擬蔗尾模型[13]進(jìn)行斷尾動(dòng)力學(xué)仿真及有限元分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前，還未見對甘蔗尾部進(jìn)行拉伸、壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)研究的報(bào)導(dǎo)。整莖試驗(yàn)?zāi)軌蛴行Эs短前期樣本準(zhǔn)備時(shí)間，較準(zhǔn)確獲得莖稈自然狀態(tài)下承受外載荷而產(chǎn)生屈服和破壞的力學(xué)參數(shù)[14]。本文采用整莖拉伸、壓縮的試驗(yàn)方法測定蔗尾莖稈生長點(diǎn)以下1～3節(jié)的拉伸、壓縮強(qiáng)度和拉伸、壓縮彈性模量，并進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

1拉伸試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)采用拉壓傳感器量程為2 500N的WD-E精密型微控電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，配套全數(shù)字化GT-M200系列電腦測控系統(tǒng)。試驗(yàn)采用根據(jù)甘蔗尾部的性能特點(diǎn)自行設(shè)計(jì)的專用夾具。

試驗(yàn)材料采自廣東省廣前糖業(yè)發(fā)展有限公司前進(jìn)農(nóng)場種植的成熟期的粵糖159。由于甘蔗尾梢部分被相互重疊的青葉緊密包裹，生長點(diǎn)以下1～3節(jié)節(jié)間長度很短，節(jié)間直徑變化較大，生長點(diǎn)以下第1節(jié)部分相當(dāng)脆弱。為了測得第1節(jié)的拉伸彈性模量和抗拉強(qiáng)度，需要穩(wěn)固裝夾第1節(jié)，避免滑移和被夾頭夾壞的情況，試樣剪去頂部葉片，剝除包裹尾梢部分的葉鞘，保留最頂部包裹生長點(diǎn)以下第1節(jié)部分的葉鞘。試驗(yàn)樣本總長160mm，保持所要測試的節(jié)位處于中間位置，兩端裝夾長度分別為60mm，中間40mm為樣本標(biāo)距。

為避免甘蔗尾梢部在夾緊的過程中發(fā)生滑移和破壞，試驗(yàn)樣本裝夾部分周圍纏繞橡膠、砂紙，用醫(yī)用膠布固緊。拉伸速率設(shè)定為10mm/min，加載至試樣破壞，測量斷面的2個(gè)方向上的直徑，取平均值作為直徑。對于樣本在夾頭根部拉斷或在夾頭內(nèi)部破壞的試驗(yàn)結(jié)果均不采用。

1.2試驗(yàn)結(jié)果

圖1為不同樣本甘蔗尾梢部分生長點(diǎn)以下第1～3節(jié)的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。由圖1可知：甘蔗尾梢第1節(jié)應(yīng)力與應(yīng)變呈近似直線關(guān)系，隨著節(jié)位的增大，逐步呈現(xiàn)非線性關(guān)系，達(dá)到最大載荷后突然斷裂，拉斷之前產(chǎn)生一定的變形，斷面整齊，表現(xiàn)出一定的脆性。對樣本試驗(yàn)曲線，根據(jù)最小二乘法原理，對其進(jìn)行擬合，擬合曲線關(guān)系式以最優(yōu)效果而定，求取蔗莖斷裂點(diǎn)之前平均值為該樣本的彈性模量。

圖1　蔗尾拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

蔗莖頂端生長點(diǎn)以下1～3節(jié)的整莖縱向拉伸試驗(yàn)共45個(gè)有效試樣，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。第1、2、3節(jié)抗拉強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.44MPa和0.16MPa、2.87MPa和0.43MPa、4.72MPa和0.24MPa；第1、2、3節(jié)拉伸彈性模量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為22.02MPa和2.32MPa、27.60MPa和2.37MPa、37.09MPa和3.75MPa。抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量都隨著節(jié)位值的增大而增大，第3節(jié)抗拉強(qiáng)度約是第2節(jié)的1.64倍，第2節(jié)抗拉強(qiáng)度約是第1節(jié)的1.99倍。

圖2　整莖拉伸試驗(yàn)結(jié)果

1.3結(jié)果分析

將蔗尾莖稈1～3各節(jié)直徑與抗拉強(qiáng)度進(jìn)行曲線擬合，擬合方程和決定系數(shù)如圖3所示。擬合結(jié)果表明：蔗尾生長點(diǎn)以下1～3節(jié)莖稈的抗彎強(qiáng)度隨直徑的增大而減?。坏?、2節(jié)直徑與抗彎強(qiáng)度呈較強(qiáng)的二次函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系(見圖3)，而第3節(jié)則呈弱負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　 (b)　　　　　　　　　　　　　　　 　　 　(c)

運(yùn)用SPSS16.0軟件進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明：顯著性水平sig值為0<0.05，表明在95%的置信區(qū)間內(nèi)，節(jié)位對抗拉強(qiáng)度的影響極其顯著。這主要是由甘蔗莖稈自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定的，蔗莖的抗拉強(qiáng)度不僅與莖稈內(nèi)幾乎平行于軸向排列的維管束數(shù)量、木質(zhì)化程度有關(guān)，還與基本組織內(nèi)貯藏的糖分(液體)以及基本組織與維管束之間結(jié)合的緊密程度有關(guān)[11]。甘蔗進(jìn)入成熟期后，梢頭部的含糖量和含水率之間呈負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)γ =-0.94[15]，說明越靠近頂端生長點(diǎn)部位，含水率越高，蔗莖維管束木質(zhì)化程度越低，基本組織和維管束之間的結(jié)合強(qiáng)度越低，抗拉強(qiáng)度越小。

2壓縮試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)方法與設(shè)備

試驗(yàn)采用與拉伸試驗(yàn)相同的電子式萬能試驗(yàn)機(jī)，用平面壓頭進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)材料為成熟期的臺(tái)糖22，采自廣東省廣前糖業(yè)發(fā)展有限公司前進(jìn)農(nóng)場。截取甘蔗尾部莖稈生長點(diǎn)以下1～3節(jié)節(jié)間部分制作試驗(yàn)樣本，由于受限于甘蔗尾梢的節(jié)間長度，試樣長取20mm，兩端磨平，兩個(gè)端面與軸線垂直。下壓頭固定不動(dòng)，上壓頭以5mm/min的速率緩慢向下加載，達(dá)到破壞極限后停止加載，分別測定蔗尾莖稈生長點(diǎn)以下1～3節(jié)的壓縮性能。

2.2試驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示：試樣在壓縮載荷作用下隨著壓應(yīng)力的增大逐步達(dá)到破壞極限，壓應(yīng)力迅速下降，試樣被壓裂。曲線初期階段有一小段應(yīng)力變化不大而應(yīng)變較大的情況，可認(rèn)為是壓頭與試樣的逐漸適應(yīng)過程，利用曲線計(jì)算彈性模量時(shí)將這部分?jǐn)?shù)據(jù)去除，選取曲線上達(dá)到壓縮破壞極限點(diǎn)之前的近似直線部分；根據(jù)最小二乘法原理，進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得出每個(gè)試樣的彈性模量，取其平均彈性模量。

壓縮試驗(yàn)有效試樣共65個(gè)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。第1、2、3節(jié)抗壓強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.04MPa和0.21MPa、5.22MPa和0.30MPa、6.66MPa和0.24MPa；第1、2、3節(jié)壓縮彈性模量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為23.93MPa和2.35MPa、25.37MPa和2.23MPa、24.12MPa和1.59MPa。第3節(jié)抗壓強(qiáng)度約是第2節(jié)的1.28倍，第2節(jié)抗壓強(qiáng)度約是第1節(jié)的1.29倍。

運(yùn)用SPSS16.0軟件進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明：顯著性水平sig值為0<0.05，表明在95%的置信區(qū)間內(nèi)，節(jié)位對抗壓強(qiáng)度的影響極其顯著。將蔗尾生長點(diǎn)以下第1、2、3節(jié)莖稈直徑與最大壓縮載荷進(jìn)行曲線回歸擬合，擬合結(jié)果表明冪函數(shù)關(guān)系具有較好的擬合優(yōu)度，擬合方程和決定系數(shù)如圖6所示。蔗尾生長點(diǎn)以下第1、2、3節(jié)莖稈直徑與最大壓縮載荷之間呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系。

3結(jié)論

1)蔗尾節(jié)位對抗拉、抗壓強(qiáng)度的影響極其顯著，抗拉、抗壓強(qiáng)度由中部向尾部頂端生長點(diǎn)方向顯著減小。

2)蔗尾生長點(diǎn)以下1～3節(jié)抗拉強(qiáng)度平均值分別為1.44、2.87、4.72MPa；拉伸彈性模量平均值分別為22.02、27.60、37.09MPa；各節(jié)莖稈直徑與抗拉強(qiáng)度呈二次函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，隨著直徑的增大，抗拉強(qiáng)度減小。

3)蔗尾生長點(diǎn)以下1～3節(jié)抗壓強(qiáng)度平均值分別為4.04、5.22 、6.66MPa；壓縮彈性模量平均值分別為23.93 、25.37、24.12MPa；各節(jié)莖稈直徑與最大壓縮載荷之間呈冪函數(shù)正相關(guān)關(guān)系，隨著直徑的增大，最大壓縮載荷增大。

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Experiment on Mechanical Properties of Sugarcane Tail Stalk

Luo Juchuan, Ou Yinggang, Liu Qingting

( Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：In order to obtain the mechanical characteristic parameters of sugarcane tail stalk, tensile and compression tests were conducted in the accurate micro-controlled electronic universal testing machine. The results indicated that sugarcane tail node had extremely significant effects on the tensile strength and the compressive strength which decreased from the middle to the tail apical growing points, the results also showed that the average values of tensile strength of 1～3 nodes below the tail apical growing points were 1.44，2.87，4.72MPa,respectively, and their average values of tensile modulus of elasticity were 22.02，27.60，37.09MPa, respectively；It was quadratic function negative correlation between the diameter and the tensile strength of each nodes in the tail, and the tensile strength decreases with the increase of diameter; their average values of compressive strength were 4.04，5.22，6.66MPa, respectively, average values of compression modulus of elasticity were 23.93，25.37，24.12MPa, respectively, it was power function positive correlation between the diameter and the maximum compression load of each nodes in the tail,and with the increase of diameter, the maximum compression load increases. The conclusions provide the theoretical foundation to design tail-breaking mechanism of sugarcane harvester and establish mathematical model for dynamic simulation.

Key words：sugarcane tail stalk； mechanical properties； tensile strength； compression strength

文章編號：1003-188X(2016)07-0220-04

中圖分類號：S225.5+3；S220.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：羅菊川(1975-)，女，廣東梅州人，講師，博士，(E-mail)juchuanluo@163.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51405163)

收稿日期：2015-09-29