植物根-土復合體原位剪切試驗裝置的設計與分析

劉 薇，杜文亮，蘇 禹，劉 靜

(內蒙古農業大學 a.機電工程學院；b.生態學院，呼和浩特 010018)

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植物根-土復合體原位剪切試驗裝置的設計與分析

劉 薇a，杜文亮a，蘇 禹b，劉 靜b

(內蒙古農業大學 a.機電工程學院；b.生態學院，呼和浩特 010018)

針對植物根-土復合體室內剪切試驗時產生土體振動而導致試驗精度不高的問題，在分析實際試驗過程的基礎上，提出了更接近實際剪切狀況的野外現場原位試驗方案，設計了一種植物根-土復合體原位剪切試驗裝置，采用電動拉桿帶動專用卡具進行剪切，通過數據采集系統測出剪應力與剪切位移。制成的剪切試驗裝置主要由機架、固定卡具、拉拽機構和數據采集系統組成。受力分析及試驗表明：該裝置滿足使用要求，為今后各類根-土復合體原位剪切試驗裝置的應用提供了參考。

植物；根-土復合體；原位剪切；剪切裝置

0 引言

內蒙古中西部是我國土壤侵蝕極為嚴重的地區，其侵蝕特點是冬春大風和夏季雨水擊濺交替作用下的風水復合侵蝕。近年來,由于過度開發，導致植被破壞、地表裸露，地下開采造成的采空塌陷等現象不斷加劇，土壤侵蝕嚴重[1-2]。生態環境保護和生態恢復已經納入我國可持續發展戰略的主要內容，利用生物技術及生物措施代替或部分代替工程措施已成為近年來保護生態環境的重要手段。在生物措施中，植物措施已被廣泛應用到保護生態環境的各個領域。在防風固沙、固土護坡、保持水土及防治土壤侵蝕方面，植物地上部分可以減緩過境風速，減少風蝕；枝冠截流，降低雨滴動能，減少雨水對地面產生的擊濺侵蝕及形成的徑流侵蝕等。而植物地下部分—根系，可通過其本身不同的形態，錯綜復雜地穿插于土壤之間，通過根系自身的抗拉力及形成根系—土壤復合體之間的粘結力和摩擦力，起到固持土壤、提高土壤抗沖、抗蝕的作用。為探究植物對于土壤抗剪性的影響，很多學者將試驗材料采集回實驗室，在大型直剪儀進行剪切試驗，導致土體振動，影響試驗數據精度。為了在野外現場進行原位試驗，使試驗結果更接近實際情況，需設計一種植物根-土復合體原位剪切試驗裝置，簡稱剪切裝置[1]。

1 設計要求及方案

1.1 設計要求

根-土復合體(簡稱復合體)，是指將根系與土壤視為一體。植物根-土復合體原位剪切試驗是指在野外試驗現場，對復合體不擾動或基本不擾動的情況下，對復合體進行剪切試驗來測得復合體抗剪強度、黏聚力及內摩擦角等物理力學性質指標，從而使得試驗結果接近實際情況[3]。

試驗前，在野外試驗現場，將復合體植于橫向一分為二的空PVC管內，豎直埋在土壤中培育。圖1為植物根-土復合體斷面示意圖。剪切試驗時，將PVC管外土壤在盡量不擾動復合體的前提下，清理出放置剪切裝置的空間，使上、下PVC管分別被專用卡具固定，在拉拽作用下，帶動上PVC管橫移。通過力與位移傳感器分別測出其剪應力與對應的剪切位移，繪制力-位移關系曲線。

主要設計參數為：

根體管徑/mm：200

剪力范圍/N：0～3 000

剪切位移/ mm：0～200

進給速度/ mm·s-1：5

外形尺寸/ mm：長<1 500 寬<1 500 高<400

整機質量/kg：<30

數據采集方式：實時自動記錄并存儲

所設計剪切裝置應滿足以下要求：

1)設計專用卡具，下卡具固定住下PVC管，上卡具和上PVC管在拉拽機構的帶動下進行剪切；需使PVC管受力均勻，防止其嚴重變形甚至損壞，影響試驗結果。

2)為保證勻速拉拽，應選擇合適的電動拉拽方式，電壓為24V。

3)因植物種植的株距、行距都為1m，故對剪切裝置的最大外形尺寸有一定要求，應在保證試驗目的的前提下，盡量減小剪切裝置的外形尺寸。

4)為了方便操作，剪切裝置質量應保證在20～30kg范圍內，需選擇合適的加工材料，使剪切裝置既能完成試驗目的，又可方便操作。

5)人工采集數據加大了操作人員的工作量，也大大加長了每組試驗所需的時間。為解決這一問題，需采用實時自動記錄并存儲數據的方式，簡化試驗過程。

1、7.根-土復合體 2.上PVC管 3.上卡具 4.剪切面 5.下卡具 6.下PVC管

1.2 總體設計

根據具體設計要求，設計植物根-土復合體原位剪切試驗裝置結構示意，如圖2所示。

測量時，電動拉桿作用于固定在上卡具的壓力傳感器上，拉力作用到上卡具；上卡具固定種植復合體的上PVC管，下卡具固定下PVC管，壓力傳感器通過作用在上卡具的力讀出拉力數據，位移傳感器讀出上卡具的位移數據；通過數據采集系統將本組試驗數據存儲在計算機中。

剪切裝置主要分為4部分，分別為機架、固定卡具、拉拽機構和數據采集系統。固定卡具主要分為上卡具和下卡具兩部分，通過作用在上卡具的力和位移實時讀出數據，下卡具起到固定作用。拉拽機構主要是電動拉桿與壓力傳感器及上卡具之間的連接。數據采集系統主要由壓力傳感器、位移傳感器、Arduino MEGA2560 R3主控板及計算機等組成。

其主要技術參數：

外形尺寸(長×寬×高)/mm：1 240×420×98

拉力范圍/N：0～3 000

拉力精度/N：0.05

位移范圍/mm：0～200

位移精度/mm：0. 1

進給速度/mm·s-1：5

整機質量/kg：25

1.電動拉桿 2.機架 3.壓力傳感器 4.下PVC管 5.下卡具 6.導軌 7.位移傳感器 8.上PVC管 9.上卡具 10.數據采集系統

2 關鍵部件設計

2.1 卡具設計

固定卡具由2個上卡具及2個下卡具共同組成。上、下卡具結構示意圖，如圖3所示。卡具的弧面設計能使卡具與PVC管充分貼合，且受力均勻，防止PVC管變形或損壞，對復合體的剪切起到重要作用。另外,上卡具與壓力傳感器連接處，考慮到受力的影響，采用梯形臺的設計方法。

2.2 拉拽機構的選擇

拉拽方式分為手動與電動兩種，手動方式的主要優點是操作簡單；電動方式的主要優點是能勻速進給，使測得的數值更為精確。

所選電動拉桿主要技術參數如下：

型號：LX600

額定功率/W：≤55

電壓/V：24

行程/mm：200

速度/mm·s-1：5

負載力/N：3 000

最小安裝距/mm：375

最大安裝距/mm：575

圖3 上、下卡具結構示意圖

2.3 數據采集方式

設計要求是測出復合體的剪應力與剪切位移，由于沒有同時測力和位移的傳感器，因此分別選擇壓力傳感器和位移傳感器。根據設計需求及傳感器的特點，選擇了S型稱重傳感器和拉繩位移傳感器。

兩種傳感器均與Arduino MEGA2560 R3主控板相連，電動拉桿工作時，壓力傳感器與位移傳感器的數據反饋至主控板;主控板與計算機相連，通過計算機安裝軟件IDE實時讀取傳感器的數據,并可根據需要，將數據保存。

3 整體結構受力分析

為了檢測剪切裝置總體設計是否合理，其剛度和強度是否滿足使用要求，針對剪切裝置總體結構進行受力分析，得出最大應力云圖和最大位移云圖。

采用的受力分析軟件為Ansys Workbench。Workbench是ANSYS公司提出的協同仿真環境，解決企業產品研發過程中CAE軟件的異構問題。

材料選擇低合金結構鋼，根據所選擇的的材料進行網格劃分，網格劃分結果如圖4所示。

圖4 網格劃分結果

選擇應力和位移作為分析類型，設置重力，并對下卡具進行固定約束，在上卡具上添加面載荷1 000N,約束和加載結果如圖5所示。

圖5 邊界條件和載荷

求解結果等效應力云圖如圖6所示，等效位移云圖如圖7所示。

圖6 等效應力云圖

圖7 等效位移云圖

從等效應力云圖中看出:最大應力為44.199MPa，應不超過材料的強度極限。其表達式為

σ≤σlim/S

式中 σ—最大應力(MPa)；

σlim—極限應力(MPa)；

S—設計安全系數。

查表可得，極限應力σlim=260MPa；設計安全系數S=3[4]。帶入數據，可求得出σ=44.199MPa≤86.67MPa。故此設計符合強度計算準則，滿足強度要求。

從等效位移云圖中看出:最大位移發生部位為上卡具后半段及連接件上，最大位移為0.075mm，即在載荷作用下產生的彈性形變量y，小于或等于機器工作性能所允許的極限值[y](取0.1mm)。其表達式為

y≤[y]

帶入數據，可求得y=0.075mm≤0.1mm。故此設計符合剛度計算準則，滿足剛度要求。

4 試驗及結果

為了檢測和提高剪切裝置的準確性和穩定性，多次試驗，為將來大型野外試驗提供依據。

4.1 試驗設備及材料

剪切裝置，沙土，檸條(一年生)，PVC管(根體管徑200mm)。

4.2 試驗方式

先將PVC管外部土壤清理，騰出放置剪切裝置的空間。剪切裝置從PVC管上端放入，將剪切面置于剪切裝置上、下卡具間隙內，調整絲杠上的手擰螺母，使上、下卡具分別夾緊上、下PVC管。接通數據采集系統電源，連接計算機，開始采集數據；打開電動拉桿開關，剪切裝置開始剪切，待數據采集完畢，關閉電動拉桿開關；將本組試驗數據存儲于計算機，數據復制到Excel中處理，繪制關系曲線。第1次試驗前，需調整電位器的數據先對壓力傳感器調0。

4.3 試驗結果

剪切裝置的力-位移關系曲線，如圖8所示。開始剪切時，隨著剪切位移的增加，所需剪應力快速增大，在剪切位移為4mm左右時，剪應力達到最大值160N；之后剪應力開始減小，在剪切位移為7～85mm左右時，剪應力趨于穩定值110N；在剪切位移為86mm左右時，剪應力有小幅度減小，趨于穩定值85N直到試驗結束。

圖8 位移-力關系曲線

5 結論

1)剪切裝置能夠實現植物根-土復合體原位剪切試驗，所測得的數據可實時自動記錄并存儲，并得到力-位移關系曲線。

2)剪應力、剪切位移測量范圍及精度滿足使用要求；剪切裝置在最大應力下的強度、剛度均滿足使用要求。

3)試驗結果存在波動情況，建議進一步改善，提高剪切裝置的穩定性。

[1] 苑淑娟.4種植物單根抗拉力學特性的研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學,2010.

[2] 姚喜軍.4種植物根系提高土體抗剪強度有效性研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學,2009.

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Design and Analysis of a Plant Root Soil Composite in Situ Shear Test Devices

Liu Weia, Du Wenlianga, Su Yub, Liu Jingb

(a.College of Mechanical and Electrical Engineering；b.College of Ecology, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Plant root soil complex indoor shear test on the generated soil vibration and lead to the problem of testing accuracy is not high in the analysis based on the actual test, the more close to the actual situation in the shear field in situ test scheme, design a plant root - soil complex fit in-situ shear test device, using electric pull rod drives the special fixture for shear, shear stress and shear displacement can be tested through the data acquisition system.Shear test device is made mainly by the rack fixture, pulling mechanism and data acquisition systems. By means of force analysis and experiment, it is indicated that the device meets the application requirements, and provides reference for the application of the in-situ shear test device of various types of root soil composite in the future.

plant; root-soil composite; in situ shear; shear device

2016-01-31

國家自然科學基金項目(51364034)

劉 薇(1991-)，女，內蒙古呼倫貝爾人，碩士研究生， (E-mail) 366615595@qq.com。

杜文亮(1957-)，男，內蒙古達拉特旗人，教授，博士生導師，(E-mail)duwl5711@vip.imau.edu.cn。

S223.2

A

1003-188X(2017)01-0082-05