煙稈彎曲和拉伸力學特性初探

韓 碩,劉 園,吳 疆,李 倩,劉 流,李連豪,胡 兵,馬留威,張 振,劉炳旭,朱晨輝,黃會男

(1.河南農業大學 機電工程學院,鄭州 450000;2.河南省煙草公司南陽市公司,河南 南陽 473061)

0 引言

據統計,我國每年有200萬t以上的煙稈需要處理[1-2],對于煙稈的處理質量影響著下一茬作物的種植以及土地質量的保持[3-5]。煙稈中有較多的病蟲害,所以并不適合粉碎還田[2-3,6],很多地區還在采用人工拔除的方式來處理煙稈。目前煙稈處理也應用部分拔稈設備,但大部分設備功能設計缺乏對煙稈力學特性的分析,功能單一或整體效率較低[7],研究煙稈力學特性對拔稈裝置的設計具有較強的指導意義。

目前,國內已經有多項關于各類農作物秸稈力學特性的研究[8-11],對于煙稈基本力學的關注也不在少數,如尚蕾等[12]為設計機械化取苗機構,試驗探究了煙草育苗期的力學性能;李軍政等[1]通過SPSS軟件建立了煙稈壓縮彎曲的壓力方程;冉惠文等[13]對打頂期煙草莖稈的力學性能進行分析,為煙草打頂機設計提供了理論支持。但目前對于煙稈彎曲和拉伸力學性能仍缺乏討論,煙稈彎曲和拉伸力學性能能夠決定機械化拔稈方式的選擇將直接影響機械作業質量。

本文以河南省內鄉縣試驗基地煙稈為研究對象,采用數據自動采集的方法,探析煙稈彎曲和拉伸力學性能。研究結果為我國煙稈機械化進程提供一定的參考。

1 試驗材料與裝置

1.1 試驗材料

樣本選用內鄉縣試驗基地煙稈,煙草品種為云煙87,選擇長勢良好的成熟煙株,在煙葉采收之后將整株煙稈連根拔出帶回試驗室,采樣時間為9月下旬。經測定,整株煙稈含水率為78.6%。

1.2 試驗裝置

采用長春機械科學研究所出品的微機控制全數字電子萬能材料試驗機(WDW-C6-3型,加載規格為300 kN)、電子天平(SF-400A型,精度0.1 g)以及游標卡尺、米尺、木工鋸等。

1.3 試驗方法

1.3.1 彎曲力學特性

將煙稈的根部截去,從底部開始,依次截取5個試樣,取編號為01～05,每個試樣長250 mm。本次彎曲試驗采用三點彎曲法[14],三點彎曲法裝載更加簡潔且能滿足本試驗要求。試驗裝置的支撐架及壓頭均為圓柱形,其曲率半徑均為7.5 mm,兩支撐架間距為100 mm,以20 mm/min的速度加載壓力,期間記錄載荷變化,試驗裝置如圖1所示。

圖1 煙稈彎曲試驗

1.3.2 拉伸力學特性

同樣將煙稈從根部以上截取5段,每段250 mm,將截斷后的煙稈豎直從中間劈開,得到拉伸試樣,將試樣夾持在萬能試驗機的拉伸試驗臺上,夾持部分約為100 mm,以20 mm/min的速度進行加載,直到試樣斷裂,每一段都有2個試樣,取擬合結果較好的作為試驗結果,試驗過程如圖2所示。

圖2 煙稈拉伸試驗

2 結果與分析

2.1 彎曲特性初探

2.1.1 力的大小隨形變量的變化

依照上述試驗方案進行試驗,得出各組彎曲力與變形量關系數據,將數據處理后,得出01～05段試樣彎曲力-變形量關系曲線,如圖3～7所示。

圖3 01段彎曲力-變形關系曲線

圖4 02段彎曲力-變形關系曲線

圖5 03段彎曲力-變形關系曲線

圖6 04段彎曲力-變形關系曲線

分析五組試驗可知,01段(圖3)的彎曲破壞載荷達到了1.54 kN,遠超其他段的破壞載荷,05段(圖7)的彎曲破壞載荷為0.41 kN,為最小彎曲破壞載荷。這是由于靠近根部的秸稈已經出現了木質化,所以在彎曲試驗中可以抵抗更大的力。

圖7 05段彎曲力-變形關系曲線

通過觀察發現,在進行彎曲試驗的過程中存在著以下明顯的4個變化階段,以圖6為例,有較為明顯的特征。

1)在力達到0.31 kN之前,力與變形的關系基本呈現線性,為彈性階段。此時并未真正對試樣材料進行破壞,卸去壓力,試樣將會恢復到原來的狀態。

2)隨著形變量的增大,力急劇下降,出現波動,此階段為屈服階段,0.31 kN為最大屈服極限。

3)屈服階段后,煙稈恢復部分抵抗變形的能力,形變量隨著力的增大穩步提升,這一階段為材料的強化階段。

4)直到0.55 kN時力達到了最大值,煙稈結構完全被破壞,此時力的大小為強度極限載荷。隨后煙稈失去抵抗變形的能力,隨著變形量的增加,力逐漸降低。

這是在煙稈彎曲試驗中力變化的4個階段,在這5個曲線關系中均有體現。

2.1.2 最大破壞載荷隨高度的變化

由圖8分析可知,隨著煙稈高度的不斷升高,煙稈破壞所需要的力也越來越小。這不僅與半徑的不斷縮小有關,還與秸稈的木質化程度有關,煙稈越高的地方,木質化程度越低,木質密度也相對較小,所以更容易被破壞。

圖8 最大破壞載荷隨高度的變化

2.2 拉伸特性初探

2.2.1 0～250 mm(01)段拉伸力-變形關系

本段煙稈(圖9)所承受的最大拉力為2.62 kN,在所有分段中所能承受的拉力最大。如圖9所示,煙稈在施加拉力后隨著形變量的增大,力呈線性增長,直到斷裂,力急劇下降。力增長過程中變形不明顯。

圖9 01段拉伸力-變形關系曲線

2.2.2 250～500 mm(02)段拉伸力-變形關系

本段煙稈(圖10)所能承受的最大拉力為1.71 kN,在拉伸過程中,力隨著形變量的增大線性增長,但當形變量到達3.02 mm后,有明顯的屈服現象產生,力有輕微的下降,隨后繼續增長,當達到1.71 kN后煙稈開始斷裂,力緩慢下降,直至結束。

圖10 02段拉伸力-變形關系曲

2.2.3 500～750 mm(03)段拉伸力-變形關系

本段煙稈(圖11)所能承受的最大拉力為1.49 kN,在拉伸過程中力與形變量線性關系,直至力達到1.49 kN時煙稈開始斷裂,隨后力隨形變量的增長緩慢下降。

圖11 03段拉伸力-變形關系曲線

2.2.4 750～1 000 mm(04)段拉伸力-變形關系

本段煙稈(圖12)所能承受的最大拉力為1.51 kN,拉伸過程中力線性增長,當形變量達到4.49 mm時力達到最大值。

圖12 04段拉伸力-變形關系曲

2.2.5 1 000～1 250 mm(05)段拉伸力-變形關系

本段煙稈(圖13)所能承受的最大拉力為0.81 kN,在拉伸過程中,力隨形變量的增大呈線性增長,當力達到0.81 kN時,煙稈斷裂,力急劇下降。

圖13 05段拉伸力-變形關系曲線

3 結論

本文通過對收獲期煙稈進行彎曲和拉伸力學試驗,得到5個不同高度處力與形變量的關系曲線。在彎曲試驗中,通過觀察彎曲力與形變量的關系曲線,可以發現力的變化存在4個階段,分別是彈性階段、屈服階段、強化階段、局部變形階段。破壞所需要的最大載荷為1.54 kN,最小載荷為0.41 kN;在拉伸試驗中，通過觀察拉斷1/2煙稈處所形成力與形變量的關系曲線,發現在拉伸過程中力基本呈線性增長,破壞所需的最大載荷為2.62 kN,最小載荷為0.81 kN。本文初步探析煙稈彎曲和拉伸力學特性,可為煙稈拔除機械的設計提供一定的理論參考。