馬鈴薯成熟期秧蔓的機械物理特性參數研究

辛青青,呂釗欽,張萬枝,劉理民,程祥勛

(山東農業大學 機械與電子工程學院,山東 泰安 271018)

0 引言

近年來,我國馬鈴薯生產快速發展,產地覆蓋我國大部分省區市,年種植面積567萬hm2左右,總產量保持在9 000萬t以上[1]。 馬鈴薯莖葉單產約18～55.95t/hm2,年產量約1.2～1.8億t,以可轉化率30%和青貯產品得率1∶0.4計算,可產青貯飼料1 440萬t[2]。馬鈴薯的秧藤和薯渣可以經過青貯處理作為牲畜飼料,具有很高的回收利用價值[2]。

合理高效的利用馬鈴薯秧蔓會帶來一定的社會經濟效益,而高效收獲馬鈴薯秧將成為馬鈴薯收獲機械化的重點之一。因此,研究馬鈴薯秧的力學特性對馬鈴薯殺秧機、割秧機、殘膜收獲機和切割機等農用機械的設計和優化具有重要的指導意義。

馬鈴薯秧的力學特性指標包括剪切、壓縮、彎曲和拉伸,針對不同的應用目的,需要測定不同的力學指標。近年來,農作物主莖的力學特性研究受到普遍重視,相關研究也日益增多。國內專家胡良龍對馬鈴薯收獲期藤蔓主莖的機械特性進行了研究,揭示了主莖含水率、剪切強度和機械碎蔓作業質量的內在關系[3]。辛杰利用萬能試驗機及拉伸試驗對成熟期大蒜主莖抗拉強度、擠壓強度、起拔力等力學特性進行測試,研究了主莖直莖、含水率、加載速度對大蒜主莖拉斷力的影響[4]。高天浩利用萬能試驗機針對秋伐期桑條剪切、壓縮、彎曲、拉伸,研究了取樣位置、直徑及品種對桑條力學特性的影響[5]。

本文以馬鈴薯秧主莖為研究對象,采用微機控制電子萬能試驗機試驗并記錄生成馬鈴薯秧在剪切、拉伸、彎曲和壓縮試驗的過程中“應力-應變”關系曲線及“載荷-位移”關系曲線,相關力學性能參數通過彈性力學及材料力學研究內容獲得[6-8],從而確定材料模型所需參數的具體數值,為馬鈴薯殺秧機和馬鈴薯秧收獲機械的割刀設計和有限元仿真優化設計提供理論支持。

1 馬鈴薯秧蔓材料的研究

馬鈴薯屬茄科茄屬, 于3月或9月播種,播種后3個月左右就可以成熟,馬鈴薯秧主莖由外向內主要由表皮層、韌皮纖維組織、木質部和維管束組成,其橫截面如圖1所示。

其主莖的力學性能主要由木質部和纖維組織承擔。對馬鈴薯秧進行剪切試驗研究,重點研究馬鈴薯秧主莖根部的力學性能。馬鈴薯秧主莖沿軸向的力學特性與沿徑向的力學特性不同,即在互相垂直的兩個方向上具有不同的力學特性,表現為各向異性;而在垂直于軸向方向的平面內,各方向力學特性相同,表現為各向同性。這樣的材料稱為橫觀各向同性材料,是正交各向異性材料的一種特殊情況[9]。

圖1 馬鈴薯主莖的截面圖Fig.1 The cross section of mian stem of potato seeding

2 試驗材料與方法

2.1 試樣采集

馬鈴薯秧樣本取自山東省泰安市農業科學研究院馬鈴薯種植基地。以中薯8號為試驗對象,3月初栽,6月上中旬收獲,一年兩季種植,種植模式為單壟單行種植,人工起壟,壟距為700mm,株距為250mm。本次試驗材料取樣時間為2018年6月11日,從貼近地面的馬鈴薯秧的根部剪斷,取樣采用五點取樣法,共采集樣本200株。取樣后在基地去除部分分枝、枝葉,留下主莖稈和側莖稈,用保鮮膜包起來,降低水分蒸發量,回到實驗室后去除側莖,留下主莖作為試驗樣本。用干燥法測得馬鈴薯秧主莖的平均含水率為88.75%。

2.2 試驗儀器

試驗設備主要包括微機控制式電子萬能試驗機(見圖2),水分烘干箱(見圖3),以及電子天平、剪刀、游標卡尺及直尺等工具。每一個樣本的“應力-應變”關系曲線及“載荷-位移”關系可由計算機記錄試驗數據以描點方式畫出。

圖2 微機控制式電子萬能試驗機Fig.2 The microcomputer controlled electronic universal testing machine

圖3 水分烘干箱Fig.3 The moisture drying box

2.3 試驗方法

2.3.1 剪切試驗

馬鈴薯秧剪切試驗的試樣長度為100mm,試驗之前先用游標卡尺測量試樣擬剪切位置的直徑,以便計算剪切位置的橫截面積。將試樣置于V型定位塊上,控制萬能試驗機的切刀切割速度為10mm/min;在同樣條件下,改變樣本,重復試驗50次,計算機記錄并生成每個試樣剪切試驗的“應力-應變”關系曲線及“載荷-位移”關系曲線。馬鈴薯秧的剪切試驗如圖4所示。

圖4 馬鈴薯秧的剪切試驗Fig.4 The shear test of potato seedings

2.3.2 拉伸試驗

馬鈴薯秧拉伸試驗的試樣長度為200mm,用波紋式拉伸夾具夾緊試樣的上下兩端,試樣兩端用白布條制作保護措施,兩端各夾持長度為30mm,計算機控制萬能試驗機夾具的拉伸速度為10mm/min;在同樣條件下,改變樣本,重復試驗50次,計算機記錄下每個試樣拉伸的“應力-應變”關系曲線及“載荷-位移”關系曲線。馬鈴薯秧的拉伸試驗如圖5所示。

圖5 馬鈴薯秧的拉伸試驗Fig.5 The tensile test of potato seedings

2.3.3 彎曲試驗

彎曲試驗采用三點彎曲方法測定,方法如圖6所示。

圖6 三點彎曲方法原理圖Fig.6 The three point bending method schematic diagram

馬鈴薯秧彎曲試驗試樣長度200mm,跨距80mm,兩端外延長60mm,采用專用的三點彎曲試驗裝置及壓頭,計算機控制萬能試驗機的夾具的下降速度為10mm/min;在同樣條件下,改變樣本,重復試驗50次,計算機自動記錄相關數據,并生成每個試樣彎曲的“應力-應變”關系曲線及“載荷-位移”關系曲線。馬鈴薯秧的彎曲試驗如圖7所示。

圖7 馬鈴薯秧的彎曲試驗Fig.7 The bending test of potato seedings

2.3.4 壓縮試驗

馬鈴薯秧壓縮試驗分為徑向壓縮和軸向壓縮。在分別進行軸向壓縮和徑向壓縮時,取試樣長度為20mm,將試樣置于球面滑動支座中心位置,計算機控制萬能試驗機的夾具的下降速度為10mm/min;在同樣條件下,改變樣本,各自重復試驗25次,計算機記錄并生成每個試樣的“應力-應變”關系曲線及“載荷-位移”關系曲線。馬鈴薯秧的壓縮試驗如圖8所示。

圖8 馬鈴薯秧的壓縮試驗Fig.8 The compression test of potato seedings

3 結果與分析

3.1 同性面橫向剪切強度

5個試驗數據為1組,計算其直徑、最大剪切力和剪切強度的平均值,50次試驗共計10組數據,馬鈴薯秧的剪切試驗結果如表1所示。

單位直徑最大剪切力按照公式計算,即

式中Pj—單位直徑最大剪切力(N);

Fjmax—最大剪切力(N);

dm—每個試樣的直徑(mm)。

剪切強度按照公式計算,即

式中σj—剪切強度(MPa)。

經計算,得到馬鈴薯秧的最大剪切力的平均值為8.891N,剪切強度為0.819MPa。

3.2 軸向拉伸彈性模量

5個試驗數據為1組,計算其直徑、彈性模量和抗拉強度的平均值,50次試驗共計10組數據。馬鈴薯秧的剪切試驗結果如表2所示。

表2 馬鈴薯秧的拉伸試驗結果Table 2 Tensile test results of potato seedlings

抗拉強度按照公式計算,即

式中σl—抗拉強度(MPa);

Flmax—最大拉伸力(N);

w—馬鈴薯秧拉伸試樣的寬度(mm);

u—馬鈴薯秧拉伸試樣的厚度(mm)。

經計算,得到馬鈴薯秧的軸向抗拉強度的平均值為2.073MPa。

3.3 抗彎強度

按照試驗方案將試樣放置于三點彎曲試驗裝置,采集系統調零,進行試驗,試驗數據由試驗軟件自動采集,并將5次試驗作為一組計算馬鈴薯秧的直徑、彎剪彈性模量的平均值,計算50次試驗共10組試驗數據。馬鈴薯秧的彎曲試驗結果如表3所示。

表3 馬鈴薯秧的彎曲試驗結果Table 3 Bending test results of potato seedlings

抗彎強度按照公式計算,即

式中σw—抗彎強度(MPa);

Fwmax—最大彎曲力(N);

lw—制作間距(mm)。

經計算,得到馬鈴薯秧的抗彎強度的平均值為11.872MPa。

3.4 壓縮抗壓強度

壓縮試驗中的5個試驗數據為1組,計算其直徑和抗壓強度的平均值,50次試驗共計10組數據。馬鈴薯秧的壓縮試驗結果如表4所示。

表4 馬鈴薯秧的徑向壓縮試驗結果Table 4 Results of radial compression test for potato seedlings

徑向抗壓強度按照公式計算,即

式中σjy—徑向抗壓強度(MPa);

Fjymax—最大徑向壓力(N);

ljy—馬鈴薯秧徑向壓縮試樣長度(mm);

Δdm—馬鈴薯秧沿負載方向的變形量(mm)。

經計算,得到馬鈴薯秧的徑向抗壓強度的平均值為1.674MPa。馬鈴薯秧的軸向壓縮試驗結果如表5所示。

軸向抗壓強度按照公式計算,即

式中σzy—軸向抗壓強度(MPa);

Fzymax—最大軸向壓力(N)。

經計算,得到馬鈴薯秧的軸向抗壓強度的平均值為5.75MPa。

表5 馬鈴薯秧的軸向壓縮試驗結果Table 5 Results of axial compression test for potato seedlings

4 結論

1) 為了優化馬鈴薯秧切割機構的結構及應用有限元軟件模擬仿真切割過程的割刀和馬鈴薯秧的應力變化情況,以成熟期品種中薯8號馬鈴薯的薯秧主莖為試驗材料,在微機控制電子萬能試驗機上對馬鈴薯秧進行了剪切、拉伸、壓縮和彎曲試驗,并通過相關公式計算得到馬鈴薯秧的力學性能參數。

2) 通過試驗,并查閱文獻,采用材料力學中相關公式計算得到其剪切強度為0.819MPa,軸向抗拉強度為2.073MPa,抗彎強度為11.872MPa,徑向抗壓強度為1.674MPa,軸向抗壓強度為5.75MPa。

3) 試驗結果為建立馬鈴薯秧蔓的力學模型并進行馬鈴薯秧蔓的有限元模擬仿真提供了參數,為馬鈴薯秧回收機械切割秧蔓的過程進行有限元模擬仿真提供了理論支持,對馬鈴薯秧回收機械切割裝置的結構設計及割刀的優化設計等具有一定的參考和指導意義。