煙稈彎曲和拉伸力學(xué)特性初探

韓 碩,劉 園,吳 疆,李 倩,劉 流,李連豪,胡 兵,馬留威,張 振,劉炳旭,朱晨輝,黃會男

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,鄭州 450000;2.河南省煙草公司南陽市公司,河南 南陽 473061)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計,我國每年有200萬t以上的煙稈需要處理[1-2],對于煙稈的處理質(zhì)量影響著下一茬作物的種植以及土地質(zhì)量的保持[3-5]。煙稈中有較多的病蟲害,所以并不適合粉碎還田[2-3,6],很多地區(qū)還在采用人工拔除的方式來處理煙稈。目前煙稈處理也應(yīng)用部分拔稈設(shè)備,但大部分設(shè)備功能設(shè)計缺乏對煙稈力學(xué)特性的分析,功能單一或整體效率較低[7],研究煙稈力學(xué)特性對拔稈裝置的設(shè)計具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

目前,國內(nèi)已經(jīng)有多項關(guān)于各類農(nóng)作物秸稈力學(xué)特性的研究[8-11],對于煙稈基本力學(xué)的關(guān)注也不在少數(shù),如尚蕾等[12]為設(shè)計機(jī)械化取苗機(jī)構(gòu),試驗探究了煙草育苗期的力學(xué)性能;李軍政等[1]通過SPSS軟件建立了煙稈壓縮彎曲的壓力方程;冉惠文等[13]對打頂期煙草莖稈的力學(xué)性能進(jìn)行分析,為煙草打頂機(jī)設(shè)計提供了理論支持。但目前對于煙稈彎曲和拉伸力學(xué)性能仍缺乏討論,煙稈彎曲和拉伸力學(xué)性能能夠決定機(jī)械化拔稈方式的選擇將直接影響機(jī)械作業(yè)質(zhì)量。

本文以河南省內(nèi)鄉(xiāng)縣試驗基地?zé)煻挒檠芯繉ο?采用數(shù)據(jù)自動采集的方法,探析煙稈彎曲和拉伸力學(xué)性能。研究結(jié)果為我國煙稈機(jī)械化進(jìn)程提供一定的參考。

1 試驗材料與裝置

1.1 試驗材料

樣本選用內(nèi)鄉(xiāng)縣試驗基地?zé)煻?煙草品種為云煙87,選擇長勢良好的成熟煙株,在煙葉采收之后將整株煙稈連根拔出帶回試驗室,采樣時間為9月下旬。經(jīng)測定,整株煙稈含水率為78.6%。

1.2 試驗裝置

采用長春機(jī)械科學(xué)研究所出品的微機(jī)控制全數(shù)字電子萬能材料試驗機(jī)(WDW-C6-3型,加載規(guī)格為300 kN)、電子天平(SF-400A型,精度0.1 g)以及游標(biāo)卡尺、米尺、木工鋸等。

1.3 試驗方法

1.3.1 彎曲力學(xué)特性

將煙稈的根部截去,從底部開始,依次截取5個試樣,取編號為01～05,每個試樣長250 mm。本次彎曲試驗采用三點彎曲法[14],三點彎曲法裝載更加簡潔且能滿足本試驗要求。試驗裝置的支撐架及壓頭均為圓柱形,其曲率半徑均為7.5 mm,兩支撐架間距為100 mm,以20 mm/min的速度加載壓力,期間記錄載荷變化,試驗裝置如圖1所示。

圖1 煙稈彎曲試驗

1.3.2 拉伸力學(xué)特性

同樣將煙稈從根部以上截取5段,每段250 mm,將截斷后的煙稈豎直從中間劈開,得到拉伸試樣,將試樣夾持在萬能試驗機(jī)的拉伸試驗臺上,夾持部分約為100 mm,以20 mm/min的速度進(jìn)行加載,直到試樣斷裂,每一段都有2個試樣,取擬合結(jié)果較好的作為試驗結(jié)果,試驗過程如圖2所示。

圖2 煙稈拉伸試驗

2 結(jié)果與分析

2.1 彎曲特性初探

2.1.1 力的大小隨形變量的變化

依照上述試驗方案進(jìn)行試驗,得出各組彎曲力與變形量關(guān)系數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)處理后,得出01～05段試樣彎曲力-變形量關(guān)系曲線,如圖3～7所示。

圖3 01段彎曲力-變形關(guān)系曲線

圖4 02段彎曲力-變形關(guān)系曲線

圖5 03段彎曲力-變形關(guān)系曲線

圖6 04段彎曲力-變形關(guān)系曲線

分析五組試驗可知,01段(圖3)的彎曲破壞載荷達(dá)到了1.54 kN,遠(yuǎn)超其他段的破壞載荷,05段(圖7)的彎曲破壞載荷為0.41 kN,為最小彎曲破壞載荷。這是由于靠近根部的秸稈已經(jīng)出現(xiàn)了木質(zhì)化,所以在彎曲試驗中可以抵抗更大的力。

圖7 05段彎曲力-變形關(guān)系曲線

通過觀察發(fā)現(xiàn),在進(jìn)行彎曲試驗的過程中存在著以下明顯的4個變化階段,以圖6為例,有較為明顯的特征。

1)在力達(dá)到0.31 kN之前,力與變形的關(guān)系基本呈現(xiàn)線性,為彈性階段。此時并未真正對試樣材料進(jìn)行破壞,卸去壓力,試樣將會恢復(fù)到原來的狀態(tài)。

2)隨著形變量的增大,力急劇下降,出現(xiàn)波動,此階段為屈服階段,0.31 kN為最大屈服極限。

3)屈服階段后,煙稈恢復(fù)部分抵抗變形的能力,形變量隨著力的增大穩(wěn)步提升,這一階段為材料的強(qiáng)化階段。

4)直到0.55 kN時力達(dá)到了最大值,煙稈結(jié)構(gòu)完全被破壞,此時力的大小為強(qiáng)度極限載荷。隨后煙稈失去抵抗變形的能力,隨著變形量的增加,力逐漸降低。

這是在煙稈彎曲試驗中力變化的4個階段,在這5個曲線關(guān)系中均有體現(xiàn)。

2.1.2 最大破壞載荷隨高度的變化

由圖8分析可知,隨著煙稈高度的不斷升高,煙稈破壞所需要的力也越來越小。這不僅與半徑的不斷縮小有關(guān),還與秸稈的木質(zhì)化程度有關(guān),煙稈越高的地方,木質(zhì)化程度越低,木質(zhì)密度也相對較小,所以更容易被破壞。

圖8 最大破壞載荷隨高度的變化

2.2 拉伸特性初探

2.2.1 0～250 mm(01)段拉伸力-變形關(guān)系

本段煙稈(圖9)所承受的最大拉力為2.62 kN,在所有分段中所能承受的拉力最大。如圖9所示,煙稈在施加拉力后隨著形變量的增大,力呈線性增長,直到斷裂,力急劇下降。力增長過程中變形不明顯。

圖9 01段拉伸力-變形關(guān)系曲線

2.2.2 250～500 mm(02)段拉伸力-變形關(guān)系

本段煙稈(圖10)所能承受的最大拉力為1.71 kN,在拉伸過程中,力隨著形變量的增大線性增長,但當(dāng)形變量到達(dá)3.02 mm后,有明顯的屈服現(xiàn)象產(chǎn)生,力有輕微的下降,隨后繼續(xù)增長,當(dāng)達(dá)到1.71 kN后煙稈開始斷裂,力緩慢下降,直至結(jié)束。

圖10 02段拉伸力-變形關(guān)系曲

2.2.3 500～750 mm(03)段拉伸力-變形關(guān)系

本段煙稈(圖11)所能承受的最大拉力為1.49 kN,在拉伸過程中力與形變量線性關(guān)系,直至力達(dá)到1.49 kN時煙稈開始斷裂,隨后力隨形變量的增長緩慢下降。

圖11 03段拉伸力-變形關(guān)系曲線

2.2.4 750～1 000 mm(04)段拉伸力-變形關(guān)系

本段煙稈(圖12)所能承受的最大拉力為1.51 kN,拉伸過程中力線性增長,當(dāng)形變量達(dá)到4.49 mm時力達(dá)到最大值。

圖12 04段拉伸力-變形關(guān)系曲

2.2.5 1 000～1 250 mm(05)段拉伸力-變形關(guān)系

本段煙稈(圖13)所能承受的最大拉力為0.81 kN,在拉伸過程中,力隨形變量的增大呈線性增長,當(dāng)力達(dá)到0.81 kN時,煙稈斷裂,力急劇下降。

圖13 05段拉伸力-變形關(guān)系曲線

3 結(jié)論

本文通過對收獲期煙稈進(jìn)行彎曲和拉伸力學(xué)試驗,得到5個不同高度處力與形變量的關(guān)系曲線。在彎曲試驗中,通過觀察彎曲力與形變量的關(guān)系曲線,可以發(fā)現(xiàn)力的變化存在4個階段,分別是彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、局部變形階段。破壞所需要的最大載荷為1.54 kN,最小載荷為0.41 kN;在拉伸試驗中，通過觀察拉斷1/2煙稈處所形成力與形變量的關(guān)系曲線,發(fā)現(xiàn)在拉伸過程中力基本呈線性增長,破壞所需的最大載荷為2.62 kN,最小載荷為0.81 kN。本文初步探析煙稈彎曲和拉伸力學(xué)特性,可為煙稈拔除機(jī)械的設(shè)計提供一定的理論參考。