玉米苞葉力學性能與剝離試驗

解福祥，宋　健，霍洪鵬， 侯欣欣

(1.濰坊學院 機電與車輛工程學院，山東 濰坊　261061；2.山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島　266590)

0　引言

根據玉米果穗含水率的不同，玉米聯合收獲工藝分為脫粒和不脫粒兩種形式[1-3]。脫粒收獲包括摘穗、割臺、剝皮、脫粒、排雜、籽粒回收和莖稈鋪放或粉碎[4-6]；不脫粒收獲包括摘穗、割臺、剝皮、果穗回收和莖稈鋪放及粉碎[7-8]。以上兩種形式皆是適合我國玉米生產體系的機械化工藝，但普遍存在玉米與苞葉不易分離的技術難題。國內高校及科研院所針對玉米果穗剝皮的運動過程進行了仿真研究和試驗臺試驗研究[9-10]，并對玉米苞葉的物理力學性能進行了試驗研究[11-12]。

通過以上文獻分析可知：目前針對玉米苞葉剝離機構的研究大多是仿真分析和試驗研究，而對苞葉剝離的力學性能未進行系統的分析，且針對苞葉剝離的機理研究報道還不多。苞葉剝離機理和苞葉的物理力學特性、苞葉剝離元件的作用機理等方面密切相關，是苞葉剝離技術研究中需要重點解決的關鍵技術。為此，本文采用理論建模分析、基礎力學試驗和剝離試驗等方法深入研究玉米苞葉的力學性能、剝離形式和剝離的作用機理，為研制出性能更優良的苞葉剝離裝置提供依據。

1　苞葉剝離機理分析

玉米果穗主要由苞葉、玉米果實和玉米蒂等組成，如圖1(a)所示。根據田間采樣調查發現，玉米果穗外部苞葉大多為7層，由外到內依次為1、2、3、4、5、6、7層。玉米果實上生長玉米粒，玉米蒂將玉米果穗與莖稈相連。

苞葉剝離主要有順向剝離、逆向剝離和橫向剝離3種形式。順向剝離是沿著苞葉的生長方向進行剝離，如圖1(b)所示；逆向剝離是與苞葉的生長方向相反進行剝離，如圖1(c)所示；橫向剝離是沿著苞葉與果實垂直的方向進行剝離，如圖1(d)所示。

順向剝離時，苞葉順向剝離力F的計算公式為

(1)

其中，G為苞葉自身的重力(N)；f為玉米蒂與苞葉之間的粘連力(N)；α為苞葉剝離力與水平方向的夾角；β為苞葉粘連力與水平方向的夾角。在此種狀態下，苞葉剝離裝置中剝離輥剝離條件為φ>F。

逆向剝離時，苞葉逆向剝離力F′的計算公式為

(2)

其中，α′為苞葉剝離力與水平方向的夾角；β′為苞葉粘連力與水平方向的夾角。在此種狀態下，苞葉剝離裝置中剝離輥剝離條件為：φ>F′。

橫向剝離時，苞葉橫向剝離力F”的計算公式為

F″=f″+G

(3)

在此種狀態下，苞葉剝離裝置中剝離輥剝離條件為：φ>F″。

1. 苞葉　2玉米果實　3.玉米蒂

2　試驗

2.1　試驗材料

試驗樣品采集自山東省濰坊市濰坊學院試驗田，品種為“先玉335”，種植行距400mm，株距200mm。種植時間為2015年6月，收獲時間為2015年10月。根據纖維復合材料測試標準[13]，并結合玉米苞葉的生長特點，在采集樣本后同時采集試驗用試樣。根據田間調查、測量和查閱文獻可知：每個玉米苞葉共分為7層，每一層苞葉共剪出3個樣品。在玉米苞葉中心線的兩側沿著苞葉纖維的生長方向各采樣1片長150 mm、弦長為10 mm的樣條，分別作為縱向拉伸試驗和沖擊剪切試驗的樣條，在玉米苞葉的基部垂直于纖維方向采樣寬為20 mm的圓弧狀的樣條作為橫向拉伸試驗的樣條。

2.2　試驗設備

1)力學測試和含水率測試儀器。力學性能試驗儀器采用溫州市方圓儀器有限公司生產的YG028萬能材料試驗機；試驗機的傳感器選用美國VISHAY公司生產的STC-50Kg拉壓傳感器，量程為500N；全數字化電腦測控系統，可以同步輸出力-位移曲線和試驗數據；測試含水率的設備為上海博迅實業有限公司生產的DZF-6050型真空干燥箱和美國Ohaus公司生產的電子天平，精度0.000 1g。

2)拉伸試驗夾具。拉伸試驗主要進行縱向拉伸試驗和橫向拉伸試驗：縱向拉伸試驗主要測試玉米苞葉樣品在沿著纖維生長方向的拉力作用下的抗拉強度；橫向拉伸試驗主要測試玉米苞葉樣品在垂直于纖維生長方向的拉力作用下的抗拉強度。根據玉米苞葉的性能特點設計了專用夾具，主要由連接件、固定板、壓板和夾緊組件等組成，如圖2所示。固定板和壓板上安裝有橡膠墊，夾緊組件由螺栓連接手柄和支撐桿組成。試樣放入夾具中與橡膠墊接觸，通過螺栓連接手柄將壓板擰緊，能夠保證樣品夾緊同時又不破壞玉米苞葉的組織結構。

1.連接件　2.固定板　3.夾緊組件　4.壓板

3)沖擊剪切試驗夾具。沖擊剪切試驗主要測試玉米苞葉樣品的抗剪切強度。專用沖擊剪切夾具主要由上連接件、上模架、沖頭、模孔架、下模架和下連接件等組成，如圖3所示。

1.上連接件　2.上模架　3.沖頭　4.模孔架　5.下模架 　6.下連接件

沖頭直徑為4mm，頂端平面端面無倒角，沖頭與模孔間隙小于0.05mm。沖頭固定在上模架上，模孔座固定在下模架上，上模與下模架通過導柱來限位。試樣放置在模孔座上，沖頭在壓力作用下沿模孔邊沿對苞葉試樣造成剪切破壞。

2.3　試驗方法

玉米苞葉物理力學性能試驗主要包括縱向拉伸試驗、橫向拉伸試驗和沖擊剪切試驗。試驗分3次進行，每次試驗采集50株玉米，每株玉米按照順序采集7層的苞葉樣本，實時測試含水率。每層苞葉分別測量縱向抗拉強度、橫向抗拉強度和沖擊剪切強度。每次試驗中每層苞葉相應的3個強度值，均是取50組試驗的平均值。根據試驗結果分析每層苞葉和苞葉含水率對于相應的強度值的影響規律，得出苞葉破壞的基本強度，分析玉米苞葉在這幾種外載荷作用下的破壞形式。

2.4　數據采集與處理

縱向拉伸試驗玉米苞葉破壞后，記錄苞葉縱向拉伸破壞過程并輸出力-位移曲線，讀取縱向拉伸苞葉試樣斷裂時最大力F1max；橫向拉伸試驗玉米苞葉破壞后，記錄苞葉橫向拉伸破壞過程并輸出力-位移曲線；讀取橫向拉伸苞葉試樣斷裂時最大力F2max。由于沖擊剪切試驗考慮到沖頭在向下滑動過程中受到模架導柱的摩擦力，剪切試驗首先在沒有玉米苞葉試樣的情況下進行空行程試驗，測試沖頭在空行程中受到的摩擦力；然后，裝上苞葉試樣在相同的起始位置進行沖擊剪切試驗；沖擊剪切破壞后，記錄位移λ1處的摩擦力f和最大破壞力F3max。苞葉沖擊剪切破壞測試的最大力為F3max-f。彈性模量E計算公式為[13-15]

(4)

其中，σ為玉米苞葉的強度(MPa)；ΔW為試樣的伸長量(m)；W為試樣的長度(m)。

2.5　試驗結果與分析

2.5.1含水率

縱向拉伸時，1～7層的苞葉含水率依次為11.26%、8.81%、6.74%、7.02%、6.44%、6.4%和1.42%；橫向拉伸時，1～7層的苞葉含水率依次為9.97%、9.48%、11.59%、8.21%、6.74%、11.17%和7.89%；沖擊剪切時，1～7層的苞葉含水率依次為5.58%、5.15%、5.24%、4.84%、4.94%、8.26%和5.49%；苞葉剝離時，1～7層的苞葉的含水率依次為15.43%、15.94%、16.26%、10.22%、12.22%、9.93%和11.11%。

含水率與試驗指標相關性檢驗結果如表1所示。由表1可知：縱向拉伸時顯著值為0.021<0.05，相關性不顯著，縱向拉力和抗拉強度與含水率無關；橫向拉伸時顯著值為0.489>0.05，相關性顯著，縱向拉力和抗拉強度與含水率有關；沖擊剪切時顯著值為0.073>0.05，相關性顯著，沖擊剪切和剪切強度與含水率有關。順向剝離顯著值為0.033<0.05，逆向剝離顯著值為0.064>0.05，橫向剝離顯著值為0.046<0.05。在3種苞葉剝離形式下，逆向剝離雖然顯著值大于0.05，但是相差不大。綜合3種剝離形式可知，苞葉剝離試驗與含水率無關。

表1　含水率與試驗指標相關性檢驗結果

2.5.2縱向拉伸和橫向拉伸

拉伸試驗結果如圖4所示。縱向拉伸和橫向拉伸時，由外層到內層的苞葉的拉伸力和抗拉強度逐漸減小，說明苞葉的拉伸力和抗拉強度與苞葉的厚度有關。玉米最外層的苞葉厚度最大，所受拉伸力和抗拉強度最大。縱向拉伸試驗結果表明：1～7層苞葉縱向拉伸力依次為75.39、69.99、56.77、42.54、34.46、35.32、32.09N；1～7層苞葉縱向抗拉強度依次為1.51、1.4、1.14、0.85、0.69、0.7、0.64MPa。橫向拉伸試驗結果表明：1～7層苞葉橫向拉力依次為8.67、7.26、5.87、5.17、5.02、4.6、3.75N；1～7層苞葉橫向抗拉強度依次為0.17、0.15、0.12、0.10、0.10、0.09、0.07MPa。

圖4　拉伸和沖擊剪切試驗結果

試驗結果表明：縱向拉伸試驗得到的拉伸力和抗拉強度是橫向拉伸試驗的6～10倍；1～7層苞葉彈性模量分別為3.97、2.64、1.81、1.49、1.21、1.42、1.36MPa。

2.5.3沖擊剪切

根據萬能試驗機的性能要求，確定了玉米苞葉3個沖擊速度進行試驗，沖擊速度分別選取10、20、30mm/min等3個水平，結果如圖7所示。沖擊速度10mm/min試驗結果表明：苞葉由外到內7層的剪切力依次為53.57、70.09、53.15、62.28、52.83、80.28、68.19N。沖擊速度20mm/min試驗結果表明：苞葉由外到內7層的剪切力依次為59.38、58.24、60.89、43.36、46.09、47.96、33N。沖擊速度30mm/min試驗結果表明：苞葉由外到內1～7層的剪切力依次為30.57、24.56、25.27、22.25、18.36、30.04、20.89N。根據以上3個水平的試驗結果，沖擊速度越大，苞葉受到的沖擊剪切力越小。為了更準確地研究玉米苞葉的剪切力，根據萬能試驗機使用參數說明，確定沖擊速度為10mm/min。

沖擊剪切單因素方差分析結果如表2所示。其顯著值為0<0.05，各水平之間有顯著性差異。試驗結果表明：1～7層苞葉沖擊剪切力依次為53.57、70.09、53.15、62.28、52.83、80.28、68.19N；沖擊剪切強度依次為14.51、27.63、18.08、25.17、3.32、19.84、31.18MPa。

表2　沖擊剪切力單因素方差分析結果

3　苞葉剝離試驗

3.1　試驗設備、材料與方法

苞葉剝離試驗設備及夾具與苞葉拉伸試驗相同。試驗材料選用整株玉米果穗且具有7層苞葉的無蟲害的樣品。通過萬能試驗機測試苞葉順向剝離、逆向剝離和橫向剝離3種形式的苞葉剝離力，從而確定苞葉剝離準則。每次試驗田間采樣50株，分3次進行。

3.2　試驗結果及分析

苞葉剝離試驗結果如圖5所示。

圖5　苞葉剝離試驗結果

由圖5可知：苞葉剝離的3種形式中，順向苞葉剝離力最大，橫向次之，逆向最小。通過試驗分析可知：苞葉剝離過程中，剝離力的大小與苞葉的厚度、寬度和含水率等無關，與苞葉和玉米蒂的粘連力有關。順向剝離試驗結果表明：1～7層苞葉順向剝離力依次為104.09、120.27、106.93、87.14、103.41、66.13、53.83N。逆向剝離試驗結果表明：1～7層苞葉逆向剝離力依次為30.25、38.43、33.96、31.18、24.57、20.69、28.27N。橫向剝離試驗結果表明：1～7層苞葉橫向剝離力依次為53.41、59.99、49.31、40.16、24.95、36.15、34.37N。順向苞葉剝離力約為逆向苞葉剝離力的2～4倍。

4　結論

1) 苞葉剝離主要有順向剝離、逆向剝離和橫向剝離3種剝離形式，針對苞葉剝離進行了機理分析，得出苞葉剝離準則。順向剝離準則為φ>F，逆向剝離準則為φ>F′，橫向剝離準則為φ>F"。

2) 苞葉力學性能試驗結果表明：縱向拉伸試驗的拉伸力和抗拉強度是橫向拉伸試驗的6～10倍。1～7層苞葉縱向抗拉強度依次為1.51、1.4、1.14、0.85、0.69、0.71、0.64MPa；橫向抗拉強度依次為0.17、0.15、0.12、0.10、0.10、0.09、0.07MPa；沖擊剪切強度依次為14.51、27.63、18.08、25.17、3.32、19.84、31.18MPa；1～7層苞葉彈性模量分別為3.97、2.64、1.81、1.49、1.21、1.42、1.36MPa。

3)苞葉剝離試驗結果表明：1～7層苞葉順向剝離力依次為104.09、120.27、106.93、87.14、103.41、66.13、53.83N；逆向剝離力依次為30.25、38.43、33.96、31.18、24.57、20.69、28.27N；橫向剝離力依次為53.41、59.99、49.31、40.16、24.95、36.15、34.37N；順向苞葉剝離力約為逆向苞葉剝離力的2～4倍。