芝麻莖稈及蒴果力學特性試驗研究

張 寧,王東偉,尚書旗,劉建強,蘇 鑫

(青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

芝麻是我國的主要油料作物之一,營養價值極高。我國芝麻種植區域分布較廣,主要分布在河南、安徽、湖北等地,受各地氣候、環境等多種因素的影響,種植品種有春芝麻、夏芝麻和秋芝麻3種,有直播、間作、套種等多種種植方式[1-2]。

芝麻的收獲環節在芝麻生產中占有重要的地位,直接影響了芝麻的產量及芝麻產品的后續深加工過程[2]。目前,我國芝麻主產區的收獲機械化程度較低,絕大多數采用人工進行收割,勞動強度大,收獲時間長[2]。由于芝麻莖稈粗壯,單個植株上的蒴果成熟度不一致,成熟期蒴果易炸莢,因此在收獲過程中損失率大。為提高芝麻機械化收獲水平,降低芝麻收獲的損失率,對芝麻莖稈和蒴果開展力學特性試驗分析,測定適收期莖稈和蒴果含水率,探究莖稈的剪切特性及不同節位蒴果與莖稈連接處的拉伸特性,并分析試驗結果,為芝麻聯合收獲提供數據參考。

1 芝麻莖稈和蒴果含水率測定

1.1 芝麻莖稈含水率測定

選取鄭太芝1號芝麻莖稈10根,將莖稈制備成10cm的樣本,利用電子天平秤重,然后放入恒溫干燥箱中烘干;烘干10h后靜置冷卻至常溫后稱重,測定芝麻莖稈的含水率。試驗如圖1所示。

圖1 芝麻莖稈含水率測定

式中m1—芝麻莖稈烘干前質量(g);

m2—芝麻莖稈烘干后質量(g)。

試驗時,測得收獲時期芝麻莖稈的平均含水率為36.8%。

1.2 芝麻蒴果含水率測定

選取適收期鄭太芝1號植株生長良好的芝麻蒴果,長度范圍20～30cm,寬度范圍為10～15mm。用電子天平稱量芝麻蒴果烘干前的質量,利用鹵素燈水分測試儀測出適收期蒴果含水率。試驗如圖2所示。

圖2 芝麻蒴果含水率測定

試驗測得芝麻蒴果的平均含水率為14.5%。

2 芝麻莖稈剪切特性試驗

剪切強度是測量莖稈物理特性的重要參數之一,收獲時莖稈主要受到割刀的剪切作用,因此需要測定莖稈在剪切過程中的抗剪強度和最大剪切力以確定切割的最佳狀態[4]。

芝麻莖稈的成分主要包括纖維素、木質素和蛋白質等。與小麥、玉米等作物不同,芝麻莖稈粗壯,外層有較厚的纖維層,纖維層厚度為2mm左右,韌性較強,莖稈中部為莖稈芯,其橫截面可近似為帶圓角的正方形[4-5],邊長a=10～20mm。芝麻橫截面示意圖如圖3所示。

圖3 芝麻莖稈橫截面示意圖

芝麻莖稈實際為不規則形狀,將莖稈的橫截面近似為帶圓弧的正方形,與圓形橫截面不同,芝麻莖稈不同的方向表現出不同的力學特性,所以莖稈切割方向對剪切力的影響較大[4]。圖4為不同切割方向芝麻莖稈的受力情況。

圖4 不同切割方向芝麻莖稈的受力情況

2.1 試驗材料

選用鄭太芝1號處于收獲期的莖稈30株,在自然條件下,選取生長良好、無倒伏折損的芝麻主莖稈。采集試驗樣本時,莖稈切割的離地高度為25cm,與地面水平切斷,莖稈邊長范圍15～25mm,含水率為16.6%～23.8%。將采集的莖稈樣本制備成長度為10cm的剪切試樣,分為兩組,對試樣進行編號,每組試樣進行3次試驗。

2.2 試驗方法

利用萬能試驗機對制備的芝麻莖稈樣本進行剪切試驗。因為莖稈的橫截面呈現不規則的正方形,剪切時與切割刀形成不同的切割傾角。剪切試驗分為兩組進行,考慮切割傾角和加載速率兩個試驗因素,一組設定切割傾角為90°,二組設定切割傾角為45°,每組進行3次試驗。將制備試驗樣本放置在安裝好的夾具上,確保刀片的切割位置位于莖稈的中點,將切割刀調整至合適位置,啟動系統,使用配套的剪切程序進行測試。設定起始位移為40mm,起始力為0.2N,切割加載速率分別為30、40、50mm/min,對莖稈進行剪切試驗(見圖5),并記錄試驗數據,分析試驗結果。

圖5 芝麻莖稈剪切試驗

2.3 試驗結果與分析

試驗中,剪切系統自動繪制載荷—位移曲線,并記錄最大剪切力(N)和剪切強度(MPa),如圖6所示。

圖6 芝麻莖稈剪切力—位移曲線

分析圖6可知:試驗開始后,當鋸齒式割刀對試驗樣本施加載荷時,剪切系統開始采集數據并繪制剪切力—位移曲線。開始階段,隨著位移量的不斷增加,剪切力也在不斷增長,增長近似于線性關系,莖稈的變形量不斷加大,剪切力不斷增加,此階段屬于壓縮過程;當載荷達到一定程度后,開始剪切過程,芝麻莖稈在割刀的作用下開始破裂,當載荷達到最高值時,莖稈的上層纖維素表皮為剪斷,隨后載荷有小范圍的減小。這是因為當韌性較強、厚度較厚的上層表皮剪斷后,開始剪切莖稈內部的莖稈芯,莖稈芯的剪切強度要小于上表皮的強度,所以載荷會呈現減小的現象。當莖稈芯被剪斷后,開始剪切莖稈下層纖維素表皮,載荷又迅速加大,直到芝麻莖稈被完全剪斷,載荷消失,剪切試驗結束。

相同切割傾角的情況下,分析加載速率分別為30、40、50mm/min的莖稈剪切力—位移曲線關系。試驗結果顯示:相同的切割傾角下,不同加載速度對莖稈剪切強度和剪切力的影響較為明顯[6-7],加載速度為40mm/min所測定出的結果最優,因此40mm/min的加載速度為最合適的切割速度。

在加載速率相同的情況下,分析切割傾角分別為45°和90°的剪切力—位移曲線。對比分析可知:不同切割傾角的莖稈,在切割速度相同的情況下,載荷—位移曲線的變化規律相似,剪切力為先增加后達到峰值,此時為最大載荷;之后小范圍減小,隨后增加直至消失。在相同的切割速度下,切割傾角為45°的莖稈的剪切強度和最大載荷都高于切割傾角為90°的莖稈切割。這是因為橫截面近似為正方形的莖稈,當沿正方形對角線切割時的上層纖維層表皮與割刀的接觸面積小,根據計算公式τ=Fmax/A,可知剪切強度增大[7]。

由表1可看出:莖稈的最大剪切力為567.87N,最大剪切強度為5.16MPa。芝麻莖稈的剪切強度和最大剪切力的數值要大于小麥等谷物,這是因為芝麻的莖稈粗壯,橫截面呈現不規則的正方形形狀,剪切時受力不均勻,同時莖稈表皮的纖維層較厚,存在很大的韌性,因此數值較大。

表1 芝麻莖稈剪切試驗結果

3 芝麻蒴果拉伸特性試驗

芝麻植株高度1 500～2 000mm,最底部蒴果的生長高度在離地400～600mm左右,蒴果從底莢位置開始生長一直延續到莖稈頂端。芝麻果軸長度為1 400～1 800mm,每株芝麻平均有30個蒴果節位,按照結蒴能力可分為上部節位(20節位以上)、中部節位(8～20節位)和下部節位(8節位以下),3個部位的節位間距呈現增長的趨勢。其中,上部節位平均節距為28mm,中部節位平均節距為35mm,下部節位節距較長,平均間距為90mm,每個節位結有4個芝麻蒴果[3]。

3.1 試驗材料

選取鄭太芝1號芝麻品種,選取生長良好、莖稈無折彎、蒴果無掉落的芝麻,果軸平均長度1 678.3mm,平均每株蒴果109.0個。試驗制備時,隨機選取上部、中部、下部節位與蒴果連接處的莖稈作為試驗樣本,以蒴果的生長節位點為基準,在節位點兩端各取20mm處截斷,樣本長度為40mm。為方便夾持和測試,試驗樣本只保留同一節位的一個蒴果,去除多余節位的蒴果和葉片,將樣品分成3組,分別進行編號。

3.2 試驗方法

將夾具安裝在萬能試驗機的試驗平臺上,按照芝麻的生長方向將樣本夾持固定在夾具上,上端夾具夾持芝麻蒴果的底部,下端夾具夾持芝麻莖稈。為避免蒴果開裂和莖稈破裂,在試驗樣本夾持位置處纏繞一圈醫用膠帶[8-9],將試樣調整至合適的夾持位置,啟動電子萬能試驗機,使用配套的拉伸程序進行測試。以20mm/min的拉伸速率對蒴果和莖稈進行拉伸試驗,記錄試驗數據,分析試驗結果,過程如圖7所示。

圖7 芝麻蒴果拉伸試驗

3.3 試驗結論與分析

分別對芝麻上部節位、中部節位、下部節位的蒴果樣本進行拉伸試驗,得到拉力—位移曲線(見圖8),并記錄最大拉力(N)和芝麻蒴果的抗拉強度(MPa)。

圖8 芝麻蒴果拉力—位移曲線

由圖8可看出:當拉伸試驗開始時,由于夾具夾持樣本時沒有完全張緊,此時拉伸試驗處于不穩定的狀態;隨著拉伸位移的不斷增加,載荷在不斷增加,蒴果與莖稈連接處發生形變,同時伴有應力產生,此時載荷與位移關系可近似看作線性關系[10-11];當載荷加載到拉伸最大載荷時,蒴果與莖稈分離,試驗樣本被拉斷,載荷消失。

表2數據結果顯示:芝麻上部節位蒴果與莖稈連接處的最大拉力為18.52N,連接處的抗拉強度最大為4.79MPa;中部節位蒴果與莖稈連接處的最大拉力為16.36N,連接處的抗拉強度最大為4. 07 MPa;下部節位蒴果與莖稈連接處的最大拉力為11.73N,連接處的抗拉強度最大為2.65MPa。芝麻蒴果的拉伸試驗受成熟度的影響較大,芝麻在收獲時期,3個節位的蒴果成熟度相差較大,下部節位的蒴果已完全成熟,中部節位的蒴果基本成熟,上部節位的蒴果處于乳熟后期,含水率自下而上逐漸增加,因此上部節位蒴果的最大拉力和抗拉強度都要大于下部節位蒴果的最大拉力和抗拉強度。

表2 芝麻蒴果拉伸試驗結果

4 結論

1)莖稈剪切試驗中,莖稈的剪切力先增加后達到峰值,此時為最大載荷,之后小范圍減小,隨后增加直至消失;相同的切割速度下,切割傾角為45°的莖稈的剪切強度和最大載荷都高于切割傾角為90°的莖稈切割;試驗測得切割莖稈時的最大剪切力為567.87N,最大剪切強度為5.16MPa;加載速率為40mm/min時,莖稈的剪切效果最佳。

2)蒴果拉伸試驗中,芝麻上部節位蒴果與莖稈連接處的最大拉力為18.5N,連接處的抗拉強度最大為4.79MPa;中部節位蒴果與莖稈連接處的最大拉力為16.3N,連接處的抗拉強度最大為3.77MPa;下部節位蒴果與莖稈連接處的最大拉力為11.7N,連接處的抗拉強度最大為2.65MPa。上部節位蒴果的成熟度比下部節位蒴果的成熟度低,含水率高,因此抗拉強度較大。