煙稈彎曲與壓縮特性試驗

陳 魁

（湖南農(nóng)業(yè)大學 工學院，湖南 長沙 410000）

我國每年煙稈的產(chǎn)量達到200多萬t，煙稈是一種非常有用的工業(yè)原料，可以用來加工成高密度纖維板、活性炭，或者用于造紙和提取化學原料等。由于人工拔稈的效率低、成本大，不能批量及時拔除、收集煙稈，使得煙稈的工業(yè)利用非常有限。隨著農(nóng)村勞動人口減少和老齡化程度加重，開發(fā)煙作業(yè)機械的任務(wù)非常緊迫。目前我國主要對小麥、甘蔗、蘆竹、牧草、水稻、玉米、苧麻、油菜稈、苗木、棉稈、芒草莖稈等農(nóng)作物莖稈的力學特性進行了一定的研究，而對煙稈的物理特性的研究非常少。本文通過測定煙稈的彎曲力學特性、壓縮力學特性，為煙草拔稈機、煙稈切碎機設(shè)計合理的拔稈方式、切割方式和切割刀具提供理論依據(jù)和基本技術(shù)參數(shù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試樣選取2011年8月下旬在湖南農(nóng)業(yè)大學煙草基地收割的煙稈。選取無表皮損傷和明顯的組織缺陷的120根健壯的煙稈（煙葉已收獲），進行測試。試件要求通直和無蟲害。收割時煙稈的含水率范圍為61.35%～69.82%，在此含水率范圍進行試驗。

1.2 試樣的制做

鋸掉試件的結(jié)隔部份，測量煙稈外徑，并編號。參照木材和竹材物理力學性質(zhì)試驗方法制作試驗試樣。壓縮試樣，規(guī)格20mm×d（煙稈外徑×長度）；彎曲試樣，規(guī)格160mm×d（長×長度）。經(jīng)測定所選煙稈試樣的含水率為61.8%～67.4%，試驗空氣濕度為42%、環(huán)境溫度為30℃。

1.3 試驗設(shè)備

微機控制電子萬能試驗（SANS-CMT6104），該機加載最大值10KN；該系統(tǒng)由試驗機主機、計算機控制系統(tǒng)和RG控制器三部分組成，在試驗運行過程中能動態(tài)顯示試樣應(yīng)力一應(yīng)變曲線、試樣所受載荷值和變形值等試驗狀態(tài)和試驗結(jié)果。除此之外還有游標卡尺、直尺、普通鋼鋸。

2 試驗方法與分析

2.1 彎曲試驗方法

彎曲試驗測定方法，將煙稈試樣放在支座上，調(diào)整支撐架跨度為60mm，并采用三點彎曲法加載試樣，預(yù)加載荷10N（確保壓頭與煙稈試樣密切接觸），以10mm/min的速度加載，直至煙稈斷裂。

2.2 彎曲試驗結(jié)果與分析

圖1 不同直徑的煙稈同一位置試樣段的最大抗彎力-平均直徑變化曲線

圖1為不同直徑的煙稈同一位置試樣段的最大抗彎力與平均直徑關(guān)系的試驗結(jié)果，橫坐標為試樣的平均直徑值，縱坐標為煙稈在彎曲過程中的最大抗彎力，從上往下四條曲線依次對應(yīng)的是不同直徑煙稈由基部（煙稈根部）起50～150mm，150～250mm，250～350mm和350～450mm四段試樣的試驗結(jié)果曲線。由圖1可知：①不同煙稈直徑的同一位置的試樣，隨著煙稈直徑的增加，各試樣同一位置的最大抗彎力幾乎也隨著增大；②每一個試樣離煙稈基部（煙稈根部）越近，最大抗彎力越大，離煙稈基部越遠，最大抗彎力越小。

圖2為同一直徑的煙稈各試樣段的最大抗彎力與離煙稈根部的位移變化的試驗結(jié)果，橫坐標為試樣離煙稈根部的位移，縱坐標為煙稈在彎曲過程中的最大抗彎力。由圖2可知：①隨著煙稈平均直徑的增大，其同一位置的試樣的最大抗彎力逐漸增大。②不同平均直徑煙稈從基部（煙稈根部）到尾部（煙稈頂部），最大抗彎力都呈減小趨勢，即越靠近基部最大抗彎力越大，越靠近尾部最大抗彎力越小。③所有試樣中，最大抗彎力為1668.51N，最小抗彎力為471.95N，同一根煙稈中最大抗力差為683.19N，最小抗彎力差為40.77N。

參照俞淇，丁劍平等的輪胎簾線/橡膠復(fù)合材料彈性常數(shù)的測試研究的計算方法可計算出抗彎模量、最大抗彎強度，抗彎模量平均值64.74MPa，標準差為3.49MPa；最大抗彎強度平均值 40.77MPa，標準差1.33MPa。

2.2 壓縮試驗方法與分析

（1）壓縮試驗方法。為試樣在壓縮過程中更穩(wěn)定，煙稈試樣長度取為60mm，，為了防止在壓縮的過程中試樣失穩(wěn)，從而影響試驗結(jié)，將試樣兩端磨平。預(yù)加載荷10N，加載速度為10mm/min，保證試驗初始階段壓頭與試樣端面充分接觸。試驗夾具采用試驗機配套專用壓縮夾具。

（2）試驗結(jié)果與分析。

圖3 同一根煙稈不同試樣段壓縮力-應(yīng)變曲線

圖3為同一根煙稈6個試樣段的壓縮應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系曲線圖。圖3表明：①煙稈首先慢慢被壓緊，這一過程為線性范圍變化，隨后荷載加載至最大荷載時，煙稈被壓潰至壓密階段，直至煙稈壁破裂；②煙稈越粗大，煙稈的最大抗壓強度越大。

由表1可知，各試樣段煙稈的最大抗壓力值為2366.87N，最小抗壓力值為1158.7N，最大應(yīng)變值為16.09mm，平均抗壓應(yīng)力值為1744.68N，平均應(yīng)變值為10.4mm。通過計算可以算出各煙稈在壓縮過程中的彈性模量，表2為煙稈6個試樣試驗結(jié)果，彈性模量平均值為10.41MPa.,標準差為4.53MPa（由于試樣所取煙稈或所取煙稈的部位不同，使得試樣各組織存在較大的差異）。

表1 不同直徑煙稈各試樣的壓縮試驗結(jié)果

表2 煙稈壓縮試驗結(jié)果

3 結(jié)語

（1）煙稈抗彎模量平均值 64.74 MPa，標準差為3.49MPa；最大抗彎力平均值40.77 MPa，標準差1.33 MPa；壓縮彈性模量平均值為10.41MPa,標準差為4.53MPa。

（2）通過對煙稈沿不同位置彎曲和壓縮性能指標的變化規(guī)律，得出煙稈的最大抗彎力為1668.51N，最大抗壓力為2366.87N，最大應(yīng)變值為16.09mm。在設(shè)計煙稈拔稈、切割、粉碎和夾持機構(gòu)時，要根據(jù)最大值來確定設(shè)計參數(shù)。

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