“桂糖44號”甘蔗蔗葉抗拉強度試驗研究

林澤鋒，陸靜平，鄧 鵬，肖 威

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

甘蔗一般分為糖蔗、果蔗、飼料甘蔗以及能源甘蔗等幾類，以糖蔗和果蔗為主，糖蔗產量占80%以上。甘蔗是蔗糖工業的主要原料，也可用于提煉乙醇而成為可替代能源。全世界有100多個國家和地區種植和出產甘蔗，其中以巴西、印度、泰國以及中國的產量最高。由于甘蔗適于生長在熱帶以及亞熱帶等地區，我國甘蔗種植主要分布于南方地區。廣西、廣東、云南、海南以及江西五個省（區）甘蔗種植面積占全國種植面積的96%，其中廣西甘蔗種植面積約為874.8千公頃，占全國甘蔗種植面積的64%，是名副其實的甘蔗種植基地。目前甘蔗收獲機械化程度僅為3%，嚴重阻礙甘蔗產業的發展[1-3]。根據《國務院關于加快推進農業機械化裝備機械產業轉型升級的指導意見》（國發[2018]42號）文件作出的指示，要求到2025年，我國甘蔗機械化收獲率提高至30%。在甘蔗收獲中，剝葉是最耗時的環節，也是制約甘蔗收獲機械化的主要因素之一。

課題組研究的剝葉技術主要對蔗葉進行夾持與拉扯，因此對蔗葉的力學特性測試十分必要。目前學者對甘蔗莖稈的性能做過一些研究，劉慶庭等對甘蔗莖稈進行了扭轉、拉伸、壓縮等試驗，得到莖稈的相關力學性能參數[4]。相較之下，蔗葉的力學性能卻很少人關注。鄭勇等對“粵糖00-236”甘蔗蔗葉進行過拉伸試驗，但其選取的蔗葉試樣較枯黃[5]。另外，不同品種系列的蔗葉特性有所區別。通過電子萬能試驗機對“桂糖44號”甘蔗蔗葉進行力學拉伸試驗，得出蔗葉的抗拉強度，便于對甘蔗剝葉設備等甘蔗收獲機械的設計與優化。

1 試驗儀器

本次試驗的儀器主要有：電子萬能試驗機（深圳三思縱橫科技有限公司）及直尺、游標卡尺、剪刀、透明膠帶、泡沫膠帶等工具，相關參數見表1。

表1 電子萬能試驗機參數

2 試驗試樣

選擇“桂糖44號”甘蔗品種進行實驗，種植地點位于廣西壯族自治區南寧市廣西大學東校園甘蔗試驗田。試驗采用隨機等距取樣法選擇生長良好的10株甘蔗。甘蔗剝葉中枯黃的蔗葉較為容易剝離，而青葉的去除較為困難。因此，本次試驗主要針對青葉進行力學拉伸試驗。在每株甘蔗的上部靠近斷梢處的位置取一片完好的蔗葉作為初始試驗材料，如圖1所示。

圖1 蔗葉示意圖

甘蔗蔗葉呈細長狀，長度約為1300 mm，最大寬度位于中間部位，約為40~60 mm，從靠近莖稈的一頭（前部）到葉尖部位（后部），寬度先變大而后逐漸變細。因此，靠近葉尖部位的蔗葉性能和其他位置差異較大。項目組所研究的甘蔗剝葉機，對蔗葉中部的力學特性較為關注。在制作試樣時選擇蔗葉中部作為材料，具體的操作是以蔗葉前部和葉鞘分割位置為基準，往中部量600 mm處作為測試點，以該測試點為中心取150 mm長度的蔗葉段作為蔗葉試樣材料。為了加厚試樣兩端使夾具夾緊和保護試樣，將試樣材料用剪刀剪開分成葉片和葉中脈，用泡沫膠與透明膠包住試樣兩端。得到的葉片拉伸試樣如圖2所示。

圖2 蔗葉葉片拉伸試樣

3 試驗方法

利用電子萬能試驗機（型號UTM5105X）做甘蔗葉片、葉中脈的力學拉伸試驗，采集數據及試驗之前使用游標卡尺對試樣寬度、厚度進行測量。為了保證試驗的準確性，電子萬能試驗機的加載速度設定為5 mm/min。試驗現場如圖3所示。

圖3 蔗葉拉伸試驗

4 試驗結果

4.1 蔗葉葉片抗拉強度測試結果

蔗葉葉片十個試樣拉伸試驗結果見表2。從表中可推出蔗葉葉片抗拉強度最大值為38.3704 MPa，最小值為19.8974 MPa，抗拉強度的平均值為26.35 MPa，標準偏差為5.87 MPa。

表2 蔗葉葉片拉伸試驗數據

4.2 蔗葉葉中脈抗拉強度測試結果

十個蔗葉葉中脈拉伸試驗樣品的測試結果見表3。從表中可以推出蔗葉葉中脈抗拉強度最大值為51.7714 MPa，最小值為24.3357 MPa，抗拉強度的平均值為37.19 MPa，標準偏差為7.00 MPa。

表3 蔗葉葉中脈拉伸試驗數據

5 結束語

本次試驗對“桂糖44號”甘蔗的蔗葉進行了力學拉伸試驗，求得蔗葉葉片平均抗拉強度為26.35 MPa；蔗葉中脈抗拉強度的平均值為37.19 MPa。由于葉片和葉中脈在生物特性與結構不同，導致葉片與葉中脈的抗拉強度存在差異，課題組研究的剝葉技術要求剝葉過程中必須確保拉扯蔗葉從葉鞘處脫離莖稈，而不是在蔗葉的中部被拉斷，本次試驗的結果可作為研究剝葉技術的理論依據，同時試樣采用統計學方法隨機取樣，具備一定的代表性。