收獲期棉稈底部莖稈力學(xué)特性測試研究

沈茂,張國忠,夏俊芳,周勇,許綺川

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430070)

收獲期棉稈底部莖稈力學(xué)特性測試研究

沈茂,張國忠,夏俊芳,周勇,許綺川

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院,湖北武漢 430070)

棉稈是一種重要的可再生生物質(zhì)能源,開展棉稈的機(jī)械回收具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。利用RGM-3005微機(jī)控制全數(shù)字化電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)收獲期棉稈底部不同段位莖稈進(jìn)行了拉伸、壓縮和彎曲試驗(yàn),獲得棉稈最大破壞應(yīng)力、彈性模量等機(jī)械物理特性參數(shù),試驗(yàn)用棉稈平均含水率25%。測試結(jié)果表明,其底部莖稈最大抗拉強(qiáng)度為59 Mpa,彈性模量≤240 M pa;最大抗壓強(qiáng)度為18 Mpa,彈性模量≤770 M pa;最大抗彎強(qiáng)度為50 Mpa,彈性模量≤280 M pa。所獲收獲期棉稈底部莖稈力學(xué)特性參數(shù),可為棉稈收獲機(jī)械的起拔方式和起拔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

生物力學(xué);棉稈;收獲機(jī)械

棉花是我國的主要經(jīng)濟(jì)作物之一,棉花收獲后遺留田間的棉稈,是一種重要的可再生生物質(zhì)能源[1]。目前對(duì)棉稈的處理方式都是以焚燒和掩埋為主,不僅浪費(fèi)資源,而且污染環(huán)境。棉稈可作為反芻家畜的飼料,也可用于造紙、制板、食用菌培養(yǎng)、環(huán)保材料、化學(xué)制品、秸稈炭、建筑材料等[2～4]。充分利用棉花秸稈資源,提高棉花秸稈的綜合利用效果,具有很好的發(fā)展前景和經(jīng)濟(jì)效益。目前,我國棉柴廣泛采用人工拔取收獲,收獲率極低,嚴(yán)重限制了棉柴的綜合利用。國內(nèi)已有部分單位開展棉稈收獲機(jī)械的研究[5],但實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在收獲效率較低,漏拔率和拔斷率較高,不能實(shí)現(xiàn)收獲集堆捆扎聯(lián)合作業(yè)等問題,對(duì)棉稈的生物力學(xué)特性也缺乏研究。本項(xiàng)目對(duì)田間棉稈開展了拉伸、壓縮、彎曲試驗(yàn),獲得了棉稈的力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律及其破壞形式,可為棉柴收獲機(jī)械的起拔方式和起拔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考[6]。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 材料

試驗(yàn)所用棉稈均采自華中農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場棉花試驗(yàn)基地,棉田株距350 mm,行距1 m,株高在800～1300 mm,莖部直徑95～215 mm,按照莖稈筆直、粗細(xì)變化均勻的原則,對(duì)取樣棉柴進(jìn)行了選擇[7]。采用干燥法測得試驗(yàn)用棉稈含水率25%。由于棉稈收獲機(jī)械常夾持棉稈地表以上0～200 mm段,以將棉稈拔出地表,因此試樣確定為棉稈地表以上0～200 mm段。

1.2 設(shè)備

棉稈拉伸、壓縮和彎曲試驗(yàn)設(shè)備均采用RGM-3005微機(jī)控制全數(shù)字化電子萬能材料試驗(yàn)機(jī),所用夾具為試驗(yàn)機(jī)配套夾具。該試驗(yàn)機(jī)可測最大載荷為5 kN,可用于測定各種材料在拉伸、壓縮、彎曲、剪切等狀態(tài)下的力學(xué)性能,配備不同夾具亦可做撕裂、剝離、穿刺等試驗(yàn)。

2 拉伸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

拉伸試驗(yàn)如圖1所示。試樣確定為棉稈地表以上0～100 mm段和100～200 mm段。分別測量試樣兩端、中間互相垂直方向上的直徑,取六次測量的平均值作為棉稈的直徑。將試樣分為兩組,每組取樣5個(gè)。受拉伸試驗(yàn)夾具夾持范圍限制,拉伸試驗(yàn)棉稈取樣橫截面積都在150 mm2以下。取標(biāo)距為30 mm,預(yù)加載荷10 N,加載速度20 mm?min-1,得到了棉稈拉伸時(shí)拉伸載荷與棉稈位移之間的關(guān)系曲線,如圖2所示。

圖1 棉稈拉伸試驗(yàn)Fig.1 Tensile test of cotton stalk

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)表明,棉稈地表以上 0～100 mm段和100～200 mm段拉伸規(guī)律相似,且近似呈線性關(guān)系。當(dāng)試驗(yàn)載荷增大到極限值時(shí),棉稈會(huì)突然斷裂,斷裂形式基本為沿棉稈中部橫截面斷裂、斜截面斷裂等。

圖2 載荷與位移關(guān)系曲線Fig.2 Curve of the relationship between load and displacement

棉稈0～200 mm部位拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,棉稈底部最大抗拉強(qiáng)度為59 Mpa,彈性模量≤240 Mpa;其中棉稈0～100 mm段部平均抗拉強(qiáng)度37.22Mpa、彈性模量130 Mpa;棉稈 100～200 mm段平均抗拉強(qiáng)度27.26 Mpa、彈性模量140 Mpa。

3 壓縮試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

考慮到壓縮過程中棉稈的穩(wěn)定性,將棉稈試樣長度取為50 mm,并將試樣兩端磨平,防止在壓縮的過程中棉稈失穩(wěn),造成試驗(yàn)失敗。取樣部位為棉稈根部以上0～50 mm段和50～100 mm段。該試驗(yàn)將棉稈分為兩組,每6個(gè)試樣為一組,加載速度為10 mm?min-1的,預(yù)加載荷10 N,保證試驗(yàn)初始階段壓頭與試樣端面充分接觸[8]。試驗(yàn)夾具采用試驗(yàn)機(jī)配套專用壓縮夾具。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3和圖 4為棉稈根部及上部在 10 mm?min-1的加載速度下,壓縮載荷與棉稈位移之間的關(guān)系曲線。

圖3 棉稈0～50mm段載荷位移曲線Fig.3 Load-displacement curve in 0～50 mm

圖4 棉稈50～100mm段載荷位移曲線Fig.4 Load-displacement curve in 50～100 mm

載荷位移曲線表明,加載初始階段,棉稈所受壓縮載荷與棉稈位移基本呈線性關(guān)系,當(dāng)試驗(yàn)載荷增加到某一極限值時(shí),棉稈會(huì)突然發(fā)生破壞。棉稈0～100 mm部位壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明,棉稈底部最大抗壓強(qiáng)度18 Mpa,彈性模量≤770 Mpa;棉稈根部0～50 mm段平均抗壓強(qiáng)度為10.33 Mpa、彈性模量為320 Mpa;棉稈根部50～100 mm段平均抗壓強(qiáng)度12.57 Mpa、彈性模量390 Mpa。

4 彎曲試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

棉稈彎曲試驗(yàn)如圖5所示。彎曲試驗(yàn)原理采用三點(diǎn)彎曲法,試驗(yàn)取樣部位為根部以上0～100 mm樣段和100～200 mm樣段,加載速度為10 mm?min-1,跨度為40 mm[9]。

圖5 棉稈彎曲試驗(yàn)Fig.5 Bending test of cotton stalk

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

棉稈根部彎曲載荷位移曲線如圖6所示。試驗(yàn)表明棉稈所受載荷與位移起初都是呈線性關(guān)系,隨著位移的增加,載荷的增長速度逐漸減小直至不再增加,棉稈抗彎強(qiáng)度達(dá)到極限,棉稈下側(cè)面發(fā)生折斷,載荷急劇變小。

圖6 載荷撓度曲線Fig.6 Load-deflection curve

棉稈根部0～200 mm段彎曲試驗(yàn)結(jié)果,棉稈最大抗彎強(qiáng)度為50 Mpa,彈性模量≤280 Mpa;棉稈根部0～100 mm段平均彎曲強(qiáng)度41.22 Mpa、彈性模量120 Mpa;棉稈根部100～200 mm段平均彎曲強(qiáng)度37.17 Mpa、彈性模量180 Mpa。

5 結(jié)論與討論

1)測得收獲期棉稈底部莖稈拉伸最大抗拉強(qiáng)度為59 Mpa,彈性模量≤240 Mpa;壓縮最大抗壓強(qiáng)度為18 Mpa,彈性模量≤770 Mpa;彎曲最大抗彎強(qiáng)度為50 Mpa,彈性模量≤280 Mpa。

2)棉稈含水率是影響棉稈彈性模量和強(qiáng)度的重要因素[10],不同含水率的棉稈力學(xué)性能差異明顯,需要開展對(duì)對(duì)不同含水率的棉稈參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究,以找出棉稈適合機(jī)械收獲的最佳含水率。

[1]沈茂,張國忠,周勇,等.我國棉柴機(jī)械收獲技術(shù)現(xiàn)狀綜述 [J].農(nóng)機(jī)化研究,2009(5):1-5.

[2]吳杰.新疆棉花秸稈利用現(xiàn)狀分析和探討[J].中國棉花,2006,33(2):9-11.

[3]李金霞,卞科,許斌.棉稈資源特性及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 [J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2007(1):46-49.

[4]沈朝中,高登東,肖致遠(yuǎn).淺析棉稈開發(fā)前景 [J].中國棉花,2006(10):24.

[5]賈健.拔棉柴機(jī)的設(shè)計(jì)研究 [J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,25(3):268-269.

[6]蘇工兵,劉儉英,王樹才,等.苧麻莖稈木質(zhì)部力學(xué)性能試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(5):62-64.

[7]廖宜濤,廖慶喜,田波平,等.收割期蘆竹底部莖稈機(jī)械物理特性參數(shù)的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2007,23(4):124-126.

[8]王艷云,蘇萍.棉稈壓縮力學(xué)特性的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2006(6):171-172.

[9]劉慶庭,區(qū)穎剛,袁納新.甘蔗莖在彎曲載荷下的破壞[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004,20(3):6-9.

[10]吳杰,黃勇,王艷云,等.棉稈軸向壓縮特性的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2004(4):148-149.

Research on the Mechanical Properties of the Bottom of Cotton Stalk at Harvest Time

SHEN Mao,ZHANGGuo-zhong,XIA Jun-fang,et al.
(College of Engineering and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan Hubei 430070,China)

The cotton stalk left over in the field after harvest is an important source of renewable biomass energy.There＇s significant socio-economic value in carrying out the mechanization for the recyling of cotton stalk.RGM-3005 microcomputer-controlled all-digital electronic universal material testing machine was used to carry out tensile,compression and bending experiments about different parts of the bottom of cotton stalk at harvest time.The mechanical and physical characteristic parameters such as the maximum failure stress and elastic modulus was obtained.the average moisture content of cotton stalks in the experiments is 25%.Test results show,the maximum tensile strength of the bottom of cotton stalk is 59 M pa,elastic modulus≤240 Mpa;the ultimate compressive strength is 18 Mpa,elastic modulus≤770 Mpa,the maximum bending strength is 50 M pa,elastic modulus≤280 Mpa.The mechanical property parameters obtained in this research can provide theoretical basis and technical parameters for the design of pulling method and pulling mechanism of cotton stalk harvesting machine,and also has important guiding significance for the design of high-efficiency cotton stalk harvesting machine with low leakage rate and breaking rate while pulling out.

Biomechanics;Cotton stalk;Harvesting machine

S562

A

1671-8151(2010)01-0049-03

2009-10-10

2009-11-18

沈茂(1983-),男(漢),河北邯鄲人,碩士研究生,主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械方面的研究。

張國忠,副教授,碩士生導(dǎo)師。Tel: 13202087422;E-mail:zhanggz@mail.hzau.edu.cn

農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)科技跨越計(jì)劃項(xiàng)目 (2007-18);華中農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目 (52204-06076)

(編輯:趙赟)