葵花莖稈力學特性試驗研究

楊 錚,王 芳,張智勇,王洪明,劉鵬偉,賈昭炎

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院,呼和浩特 010018)

0 引言

我國葵花的種植面積非常大,居于世界第6位,種植面積達到100萬hm2,每年的產(chǎn)量更是高達250萬t。我國葵花的種植區(qū)域主要集中在華北地區(qū)的內(nèi)蒙古、山西、河北,西北區(qū)域的新疆、寧夏,以及東北的遼寧、黑龍江等地[1]。葵花的種子可以食用,也可以用來榨油;花、花盤等可以制藥;莖稈可以作為制造鉀肥的原料,其含有豐富的纖維素,也可以用來造紙、制作家具板和隔音板等,還可用作燃料[2-3]。各部分經(jīng)濟價值極高。由于葵花的收獲機械及莖稈的加工機械需要以莖稈為工作對象,因此對葵花莖稈力學特性的分析尤為重要。

國內(nèi)外許多學者對于玉米、小麥、大麻、棉桿等農(nóng)作物莖稈進行了研究,分析了力學特性及模型的建立[4-11],但對于葵花莖稈的研究相對較少。為此,以葵花莖稈為試驗對象,利用微機控制電子萬能試驗機對葵花莖稈的彎曲、剪切及葵花莖稈皮的拉伸力學特性進行了試驗研究,為研發(fā)葵花收獲機械及葵花莖稈加工機械提供試驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 葵花莖稈的物理機械特性

葵花莖稈的性質(zhì)(纖維形態(tài)與化學成分)在很大程度上決定了莖稈的物理機械性能,研究葵花莖稈的力學特性,首先要了解和分析莖稈本身的特性。葵花是菊科作物,是一年生的高大草本植物,其莖稈筆直、粗壯且纖維素含量很高,主要由木質(zhì)部、表皮和髓質(zhì)部組成,體積所占比例分別為8%、2%、90%,如圖1所示。

圖1 葵花莖稈橫截面圖Fig.1 Cross section diagram of sunflower stalk structure

木質(zhì)部的厚度平均在2mm左右,要厚于一般的草本植物,木質(zhì)部的密度為0.3～0.35 g/cm3。葵花莖稈各部位的密度存在細微差異,且自根向頂部密度稍有降低,原因在于植物生長由根部向梢部輸送營養(yǎng)物質(zhì),梢部有了充足的營養(yǎng)才會繼續(xù)向上生長,因而莖稈梢部營養(yǎng)元素的密度大;其表皮組織致密,存在蠟等弱介質(zhì)層;髓質(zhì)部呈海綿狀,是多孔的、軟又輕的物質(zhì),有較強的吸水性。將葵花莖稈剔除髓質(zhì)部,其莖稈密度約為0.369g/cm3;正常保留髓質(zhì)部的莖稈密度為0.186g/cm3,遠低于剔除髓質(zhì)部的葵花莖稈[12-13]。

葵花莖稈的木質(zhì)部發(fā)達且纖維含量很高,纖維形態(tài)可與木材相比,這種草本植物的木質(zhì)化程度非常高,其木質(zhì)部承載了主要的機械強度[14]。葵花莖稈的各部分組織結(jié)構(gòu)和化學成分皆不相同,由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因,其莖稈在不同方向必然會出現(xiàn)不同的機械強度特性,即各向異性。因此,需要對莖稈每一部分的力學特性進行試驗研究。

1.2 試驗材料的選取與測量

試驗所用的葵花莖稈于2017年10月采自內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學農(nóng)場,放置在通風處,長時間風干。葵花品種為美葵363,株高在2 000～2 400 mm范圍內(nèi)。試樣選擇生長良好、莖稈通直、無病蟲害、表皮無開裂的葵花植株,并將整根莖稈分為5部分,從莖稈底部起每400mm為一部分,分別為下部、中下部、中部、中上部和上部。

采用游標卡尺測量試樣直徑,選取3個不同的位置測量,取平均值。采用DYSF-8000W全自動水分測定儀測定莖稈含水率,參考木材含水率測定方法[15]。為保證所測數(shù)據(jù)及時準確,在試驗前進行葵花莖稈的含水率測定,保證試驗所用莖稈含水率極為接近,最終選擇含水率在9.3%～13.9%的葵花莖稈。

按式(1)計算葵花莖稈含水率,即

(1)

式中W—葵花莖稈含水率;

m0—試樣干燥前質(zhì)量(g);

m1—試樣干燥后質(zhì)量(g)。

1.3 試驗設(shè)備

葵花莖稈力學特性試驗采用ZD/WDW-20A型微機控制電子萬能材料試驗機(最大載荷20kN,加載速度范圍1～500mm/min),對試驗力、位移量、試驗狀態(tài)等可以進行實時檢測顯示,并具有試驗力、位移峰值保持功能。該儀器主要用于測定各種材料在拉伸、壓縮、彎曲、剪切狀態(tài)下的力學性能及有關(guān)物理參數(shù)。

1.4 力學特性試驗

1.4.1 葵花莖稈彎曲試驗

1)試樣制備。利用手鋸在每一部份中取長度為240mm的莖稈作為彎曲試樣,如圖2所示。

圖2 葵花莖稈彎曲試驗試樣Fig.2 Bending test sample of sunflower stalk

2)試驗方法。分別以加載速度(100、200、300、400、500mm/min)和取樣位置(上部、中上部、中部、中下部、下部)為試驗因素進行單因素試驗。為減小誤差,設(shè)置3組重復組。將制備好的彎曲試驗式樣放置在彎曲試驗裝置上的底座與壓頭之間,保持跨距為80mm,如圖3所示。

圖3 葵花莖稈彎曲試驗裝置Fig.3 Bending test device of sunflower stalk

1.4.2 葵花莖稈剪切試驗

1)試樣制備。試樣與葵花莖稈彎曲試樣相同,均為長度240mm的莖稈。由于葵花莖稈上部有些彎曲,所以要選取比較筆直的部位。

2)試驗方法。分別以加載速度(100、200、300、400、500mm/min)和取樣位置(上部、中上部、中部、中下部、下部)為試驗因素進行單因素試驗。為減小誤差,設(shè)置3組重復組。將莖稈放置在剪切裝置上,如圖4所示。

圖4 葵花莖稈剪切試驗裝置Fig.4 Cutting test device of sunflower stalk

1.4.3 葵花莖稈皮拉伸試驗

葵花莖稈的整桿拉伸試驗中,莖稈的夾持過程出現(xiàn)打滑和莖稈的開裂問題。由于葵花莖稈皮在拉伸過程中承受絕大部分的載荷,因此以拉伸應力為試驗指標進行葵花莖稈皮的拉伸試驗。

應力計算公式為

(2)

式中σ—葵花莖稈拉伸應力(Pa);

b—葵花莖稈皮寬(mm);

t—葵花莖稈皮厚(mm)。

1)試樣制備。用小刀將莖稈破開,去除內(nèi)部髓芯,然后將莖稈皮制作成長100mm、寬15mm的矩形,用小刀將中間位置削成寬度為2mm左右,如圖5所示。

圖5 葵花莖稈皮拉伸試驗試樣Fig.5 Tensile test sample of sunflower stalk skin

2)試驗方法。分別以加載速度(100、200、300、400、500mm/min)和取樣位置(上部、中上部、中部、中下部、下部)為試驗因素進行單因素試驗。為減小誤差,設(shè)置3組重復組。將試樣放置在拉伸裝置上并夾緊,如圖6所示。

圖6 葵花莖稈皮拉伸試驗裝置Fig.6 Tensile test device for sunflower stalk skin

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 葵花莖稈彎曲試驗結(jié)果與分析

以取樣位置為中部、加載速度為500mm/min為例,結(jié)合試驗現(xiàn)象分析彎曲過程,彎曲特性曲線如圖7所示。由圖7可以看出:隨著位移的增加,壓頭在向下移動,葵花莖稈被沿著徑向壓縮,彎曲力成線性增長,且斜率也在增大,在位移達到8.49mm時達到峰值374.1N;峰值過后,壓頭繼續(xù)向下移動,彎曲力隨著位移的增加逐漸減小,此時莖稈兩端開始翹起并有莖稈表皮開裂的現(xiàn)象出現(xiàn),原因是在彎曲力減小的過程出現(xiàn)波動;試驗在彎曲力減小的趨勢變得平穩(wěn)后結(jié)束。

圖7 彎曲特性曲線Fig.7 Curve of bending characteristic

中部葵花莖稈在不同加載速度下的彎曲力峰值如圖8所示。由圖8可以看出:隨著加載速度的增加,彎曲力峰值呈線性增長趨勢。由于葵花莖稈屬于粘彈性體,當加載速度增加時,莖稈對壓頭的反力也在增大。

圖8 彎曲力-加載速度曲線Fig.8 Bending force - loading speed curve

葵花莖稈不同位置在300mm/min的加載速度下的彎曲力最大峰值如圖9所示。由圖9可以看出:越接近莖稈根部最大彎曲力越大,原因是越靠近根部、莖稈直徑越大、莖稈木質(zhì)化程度越高、抗彎曲能力越強。

圖9 彎曲力-取樣位置曲線Fig.9 Bending force-sampling position curve

2.2 葵花莖稈剪切試驗結(jié)果與分析

以取樣位置為中上部、加載速度為500mm/min為例,結(jié)合試驗現(xiàn)象分析剪切過程,剪切特性曲線如圖10所示。由圖10可以看出:隨著位移的增加,剪切力呈線性增長,在這一過程中莖稈被擠壓,當載荷達到一定值的時候才開始剪切,位移達到13.2mm時為最大剪切力峰值228.2N;之后,隨著位移的增加,剪切力在逐漸減小,直到試驗結(jié)束。

圖10 剪切特性曲線Fig.10 Cutting characteristic curve

中上部葵花莖稈在不同加載速度下的剪切力峰值如圖11所示。由圖11可以看出:隨著加載速度的增大,剪切力峰值減小。剪切速度的增大導致刀具對莖稈壓縮時間的縮減,使得刀具更快速的進入到剪切階段,最終導致剪切力的減小。

圖11 剪切力-加載速度曲線Fig.11 Cutting force-loading speed curve

不同取樣位置在300mm/min加載速度下的剪切力峰值如圖12所示。由圖12可以看出:上部、中上部、中部葵花莖稈的剪切力峰值遞增,但變化不是很大;中下部以及中部葵花莖稈的剪切力峰值明顯比上面3個部位大得多。這是因為不同的取樣位置直徑不同,纖維素含量及木質(zhì)化程度都存在差異,越靠近根部其直徑越大、纖維素含量越高、木質(zhì)化程度越高。

圖12 剪切力-取樣位置曲線Fig.12 Cutting force - sampling position curve

2.3 葵花莖稈皮拉伸試驗結(jié)果與分析

以取樣位置為中部、加載速度為300mm/min葵花莖稈皮拉伸試驗為例,分析拉伸過程,拉伸特性曲線如圖3所示。由圖13可以看出:拉伸過程的前半段拉力隨著位移的增加呈線性增長,當位移達到2.15mm的時候拉力達到最大值264.95N,此時的試樣伴隨著一聲脆響而斷裂;在峰值過后,拉力瞬間減小并且保持在8.91N左右,直至試驗結(jié)束。

圖13 拉伸特性曲線Fig.13 Tensile characteristic curve

中部葵花莖稈皮在不同加載速度下的拉伸應力峰值如圖14所示。由圖14可以看出:隨著加載速度的增加拉伸應力呈減小大的趨勢。由于葵花莖稈中含有大量的木纖維,而纖維具有一定的柔韌性,因此出現(xiàn)了加載速度越大拉伸應力越小的現(xiàn)象。

圖14 拉伸應力-加載速度曲線Fig.14 Tensile stress - loading speed curve

不同取樣位置的葵花莖稈在300mm/min加載速度下的拉伸應力峰值如圖15所示。

圖15 拉伸應力-取樣位置曲線Fig.15 Tensile stress - sampling position curve

由圖15可以看出:取樣位置越接近根部拉伸應力越大,葵花莖稈越靠近根部莖稈皮越厚,其所含的木質(zhì)纖維也越多,導致拉伸應力越大。

3 結(jié)論

1)當取樣位置一定時,彎曲力峰值隨著加載速度的增加而逐漸增加;當加載速度保持不變時,取樣位置越接近根部彎曲力峰值越大。

2)當取樣位置一定時,剪切力峰值隨著加載速度的增加而逐漸減小:當加載速度保持不變時,取樣位置越接近根部剪切力峰值越大。

3)當取樣位置一定時,拉伸應力峰值隨著加載速度的增加而逐漸減小:當加載速度保持不變時,取樣位置越接近根部拉伸應力峰值越大。