甘蔗葉鞘破壞與剝離方式試驗(yàn)與分析

牟向偉 ，區(qū)穎剛 ，王美美 ，宋鍵銘 ，馮加模，李躍金

(1 廣西師范大學(xué) 電子工程學(xué)院，廣西 桂林 541004;2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642)

甘蔗葉主要由葉片和葉鞘組成，葉片呈披散狀容易剝落，而葉鞘緊抱莖稈，剝離困難［1］，研究蔗葉的結(jié)構(gòu)和破壞特性對(duì)剝?nèi)~機(jī)械設(shè)計(jì)和剝?nèi)~機(jī)理研究至關(guān)重要.國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)其破壞特性和破壞方式進(jìn)行了研究，宮部芳照等［2］采用對(duì)蔗葉施加單個(gè)方向拉力的方法測(cè)試將蔗葉拉扯下來(lái)的力，認(rèn)為造成蔗葉機(jī)械破壞不僅僅靠拉力作用，而是多個(gè)力的作用.Paulo 等［3］采用對(duì)蔗葉施加軸向摩擦力的辦法測(cè)試了蔗葉破壞的摩擦力，結(jié)果表明蔗葉破壞的摩擦力為315 N.高夢(mèng)祥等［4］測(cè)試了玉米葉子與秸稈的連接力，認(rèn)為莖葉連接力與葉子所處莖稈部位及含水率密切相關(guān).蔗葉在剝?nèi)~元件作用下的主要破壞方式有塊狀脫落和絲狀脫落等形式［5-8］.現(xiàn)有文獻(xiàn)研究鮮有區(qū)分葉片與葉鞘的破壞形式，也鮮見(jiàn)將結(jié)構(gòu)特性和破壞特性結(jié)合起來(lái)進(jìn)行合理的剝離形式分析.本研究分析了葉鞘形態(tài)、結(jié)構(gòu)并結(jié)合物理力學(xué)性能試驗(yàn)提出了葉鞘的基本破壞強(qiáng)度和破壞形式，提出了符合葉鞘生長(zhǎng)性狀、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度特性的破壞和剝離方式，并給出了葉鞘剝離的判斷準(zhǔn)則.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 甘蔗品種 參試甘蔗品種為“新臺(tái)糖-16”，采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)寧西基地，種植行距1 200 mm、株距200 mm.按照五點(diǎn)法［9］采樣，每個(gè)點(diǎn)位隨機(jī)取10株甘蔗，共50 株.采樣甘蔗葉鞘包裹完整，參數(shù)如表1 所示.

表1 采樣甘蔗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)1)Tab.1 Statistical data of sampling sugarcane mm

1.1.2 設(shè)備 廣州市廣材試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的WDE-500 精密型電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，采用美國(guó)VISHAY 公司生產(chǎn)的STC-50 型拉伸傳感器，量程500 N、非線性＜0.02%、滯后＜0.02%.參考文獻(xiàn)［3］自行設(shè)計(jì)了甘蔗莖稈固定裝置，其中，壓力傳感器采用日本NIDEC-SHIMP 公司生產(chǎn)的FGP-50 型數(shù)顯壓力傳感器，量程500 N、精度±0.2%F.S.

試驗(yàn)裝置及測(cè)力位置如圖1 所示，甘蔗莖稈6用夾具7 固定后垂直掛接在拉伸傳感器8 下端.甘蔗莖稈徑向被2 個(gè)彈性?shī)A持塊3 夾持.其中一塊作用在葉鞘5 上，另一塊則接觸莖稈.彈性?shī)A持塊分別固定在壓力傳感器1 和預(yù)緊螺栓4 上，通過(guò)固定支架2 整體安裝在試驗(yàn)機(jī)底座上.為了真實(shí)模擬葉鞘的破壞情況，彈性?shī)A持塊3 的材料和結(jié)構(gòu)與所設(shè)計(jì)的彈性齒滾筒式剝?nèi)~樣機(jī)［10］的彈性齒剝?nèi)~元件一致，由聚氨酯材料制作，邵氏硬度為85 HA，其與甘蔗葉鞘接觸面尺寸為寬30 mm、厚10 mm.調(diào)節(jié)預(yù)緊螺栓可以調(diào)整甘蔗莖稈受到的徑向壓力，通過(guò)壓力傳感器1 輸出徑向壓力值Nx，加載過(guò)程拉伸傳感器8 記錄軸向拉力Fx，如圖1b 所示.

圖1 摩擦破壞試驗(yàn)裝置及測(cè)力位置Fig.1 Friction testing devices and the measuring location

1.2 甘蔗葉的形態(tài)結(jié)構(gòu)和特性

1.2.1 甘蔗葉的形態(tài)結(jié)構(gòu) 甘蔗葉主要包括葉鞘和葉片2 個(gè)部分.葉鞘自莖節(jié)處長(zhǎng)出，兩邊緣復(fù)疊緊抱莖呈管狀，葉片與葉鞘頂部連接，懸掛在莖稈外成披散狀(圖2)［11］.從形態(tài)和實(shí)際剝?nèi)~經(jīng)驗(yàn)分析，通過(guò)機(jī)械作用比較容易將葉片從葉鞘的連接處分離下來(lái).葉鞘的破壞與剝離則相對(duì)困難，是影響剝?nèi)~效果的主要因素.因此有必要對(duì)葉鞘的結(jié)構(gòu)和破壞特性進(jìn)行研究，以獲得較為合理的剝離方式.

圖2 甘蔗葉形態(tài)Fig.2 Form of sugarcane leaf

葉鞘主要由上表皮、下表皮、維管束和薄壁組織等組成，維管束沿葉鞘縱向作輻射式成行排列，主維管束之間分布著次維管束，其周?chē)鷩@著薄壁組織［12］，如圖3 所示.

圖3 甘蔗葉鞘結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of sugarcane leaf sheath

1.2.2 甘蔗葉鞘的強(qiáng)度特性 生物材料屬于正交各項(xiàng)異性材料，有5 個(gè)基本強(qiáng)度值［13］，如圖4 所示.

圖4 甘蔗葉鞘基本強(qiáng)度值Fig.4 Fundamental strength of sugarcane leaf sheath

在機(jī)械剝?nèi)~過(guò)程中，甘蔗葉鞘在莖稈的支撐作用下受到剝?nèi)~元件的作用，主要破壞作用有拉伸和剪切，因此確定了與葉鞘破壞直接相關(guān)的3 個(gè)強(qiáng)度值作為判斷葉鞘破壞的基本強(qiáng)度，具體分別為縱向拉伸強(qiáng)度X、橫向拉伸強(qiáng)度Y 和剪切強(qiáng)度S.只要葉鞘主方向上的任何一個(gè)應(yīng)力分量達(dá)到相應(yīng)的基本強(qiáng)度值，材料便破壞，即

式中，σ1max表示縱向拉伸強(qiáng)度，σ2max表示橫向拉伸強(qiáng)度，τ12max表示剪切強(qiáng)度.

1.3 方法

1.3.1 葉鞘個(gè)體在外載荷作用下的破壞試驗(yàn) 利用自行設(shè)計(jì)的葉鞘夾具在WDE-500 精密型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試了“新臺(tái)糖-16”品種甘蔗葉鞘個(gè)體的3 個(gè)基本破壞強(qiáng)度并分析了葉鞘在縱向拉伸、橫向拉伸和沖擊剪切作用下的破壞形式.

1.3.2 整體包裹莖稈的葉鞘在徑向力作用下的摩擦破壞試驗(yàn) 剝?nèi)~過(guò)程中葉鞘在莖稈的支撐下受到剝?nèi)~元件的擠壓、刮擦和挑撥等作用，造成葉鞘拉伸和剪切破壞.通過(guò)靜態(tài)摩擦破壞的方式來(lái)模擬葉鞘整體在真實(shí)情況下的破壞過(guò)程.

測(cè)試原理:如圖5a 所示，對(duì)甘蔗莖稈施加的徑向壓力Nx設(shè)為定值N0.試驗(yàn)樣品在軸向拉力Fx作用下由靜止到勻速運(yùn)動(dòng)，在N0作用下受到摩擦力f1和f2.如圖5b 所示，f1和f2隨Fx增大.葉鞘破壞瞬間，F(xiàn)x達(dá)到最大值Fmax，此時(shí)彈性?shī)A持塊與葉鞘之間的摩擦力為靜摩擦力f1max，另一側(cè)f2為動(dòng)摩擦力，f1max即為造成葉鞘破壞的摩擦力，葉鞘對(duì)莖稈的整體包裹性能被破壞后，葉鞘與莖稈之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，f1max降為某一滑動(dòng)摩擦力f，F(xiàn)x也由Fmax下降到某一定的值F 后趨于平穩(wěn).根據(jù)平衡理論得出f1max:

圖5 測(cè)試原理圖Fig.5 Schematic diagram of testing theory

式中，μ2表示甘蔗莖稈與彈性剝?nèi)~元件的動(dòng)摩擦系數(shù)，f2=μ2N0，μ2=0.45，m 表示甘蔗葉鞘和莖稈質(zhì)量，g 表示重力加速度.

試驗(yàn)設(shè)計(jì):徑向壓力N0取150、200 和250 N 共3 個(gè)水平，在±10 N 的范圍內(nèi)調(diào)整，視為定值.每株甘蔗分別在根部、中部和尾部截取3 段莖稈，每段莖稈留有1 片完整的葉鞘.試驗(yàn)機(jī)速度為10 mm/min.

每個(gè)樣本先施加150 N 的徑向壓力，加載后如果葉鞘破壞，則該樣本的試驗(yàn)結(jié)束;如果葉鞘未被破壞，則返回初始位置再施加200 N 的徑向壓力，以此類(lèi)推，直至葉鞘破壞.記錄N0和Fmax值.

試驗(yàn)指標(biāo)為葉鞘破壞時(shí)的摩擦力f1max和葉鞘破壞率.葉鞘破壞率為在給定的徑向壓力作用下破壞的葉鞘數(shù)量與試驗(yàn)樣本的總數(shù)量的比值.

2 結(jié)果與分析

2.1 甘蔗葉鞘在外載荷作用下的破壞強(qiáng)度和形式

試驗(yàn)結(jié)果表明:所測(cè)試的甘蔗葉鞘，最大縱向抗拉強(qiáng)度為(28.19±6.91)MPa，最大橫向抗拉強(qiáng)度為(0.90±0.34)MPa 和最大剪切強(qiáng)度為(7.13±1.66)MPa.3 個(gè)強(qiáng)度值之間均具有顯著性差異，表現(xiàn)出正交各向異性的材料特點(diǎn).

接近根部的為干枯葉鞘，各節(jié)段葉鞘的縱向抗拉強(qiáng)度、橫向抗拉強(qiáng)度和沖擊剪切強(qiáng)度值均處于最小值范圍中;接近尾部的為青濕葉鞘，各節(jié)段對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度值顯著地高于干枯葉鞘的相應(yīng)值.

縱向拉伸的主要破壞形式為維管束產(chǎn)生縱向應(yīng)變導(dǎo)致脆性斷裂;橫向拉伸的主要破壞形式是薄壁組織受拉伸作用后沿著維管束的方向撕裂破壞;沖擊剪切的主要破壞形式為維管束與薄壁組織出現(xiàn)剪切變形導(dǎo)致葉鞘破壞.

2.2 甘蔗葉鞘在徑向壓力下的破壞摩擦力

表2 結(jié)果表明，在相同徑向壓力作用下，尾部葉鞘的破壞摩擦力最大，中部葉鞘的破壞摩擦力略低，根部葉鞘的破壞摩擦力最小.

表2 不同部位葉鞘破壞的摩擦力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)1)Tab.2 Statistical data of friction required by leaf sheath damage of varions parts

圖6 表明，根部葉鞘在150 N 徑向壓力作用下破壞率達(dá)到80%以上，中部葉鞘在200 N 徑向壓力作用下破壞率到達(dá)了80%以上，尾部葉鞘在250 N 徑向壓力作用下達(dá)到80%以上.徑向壓力為250 N 時(shí)，綜合破壞率為92.7%，此時(shí)葉鞘破壞的最大摩擦力為218.30 N.

圖6 不同徑向壓力下各部位葉鞘的破壞率Fig.6 Damage rate of leaf sheath of varions parts under different radial pressure

結(jié)合葉鞘的破壞形式進(jìn)行分析，圖7 為葉鞘3個(gè)位置比較有代表性的破壞形式.

首先，葉鞘的破壞形式具有共同點(diǎn).在軸向摩擦力作用下，葉鞘內(nèi)圍繞纖維管束的薄壁組織首先被破壞，葉鞘沿著纖維方向產(chǎn)生裂紋，隨后破裂的葉鞘部分被推擠變形，并初步脫離莖稈.

其次，3 個(gè)位置的葉鞘的破壞形式也有區(qū)別.

1)處于莖稈根部的葉鞘沿纖維方向產(chǎn)生的裂紋貫穿整個(gè)葉鞘，葉鞘整體被破壞并脫離莖稈，如圖7a所示.主要原因是根部葉鞘處在生長(zhǎng)末期，已枯黃開(kāi)裂，易于破壞.2)處于莖稈中部的葉鞘沿纖維方向產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度僅為葉鞘長(zhǎng)度的1/2 左右，葉鞘只有上半部分被破壞并初步脫離莖稈，如圖7b 所示.這部分葉鞘內(nèi)部組織相對(duì)完整，整體破壞強(qiáng)度居中.3)處于莖稈尾部的葉鞘沿纖維方向產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度最短，只有小部分被破壞，整體并未脫離莖稈，如圖7c所示.此類(lèi)葉鞘仍處在生長(zhǎng)期，內(nèi)部組織飽滿且對(duì)莖稈包裹緊實(shí).只有在摩擦力作用處才出現(xiàn)裂紋，沒(méi)有貫穿.此時(shí)的葉鞘整體破壞強(qiáng)度最大，最難破壞，是葉鞘剝離最難的部分.

圖7 甘蔗葉鞘破壞形式Fig.7 Damage form of sugarcane leaf sheath

3 討論與結(jié)論

3.1 葉鞘破壞方式

葉鞘個(gè)體破壞的基本強(qiáng)度值為

試驗(yàn)中將葉鞘樣本兩端固定，對(duì)葉鞘個(gè)體分別施加縱向、橫向拉伸和垂直剪切作用力，實(shí)現(xiàn)葉鞘破壞.維管束起到單向纖維的作用，決定了葉鞘個(gè)體的縱向抗破壞強(qiáng)度，縱向拉伸難以直接造成葉鞘的破壞;薄壁組織的強(qiáng)度值遠(yuǎn)低于維管束的，橫向拉伸造成薄壁組織撕裂，最容易破壞葉鞘.由此，橫向拉伸破壞是最容易實(shí)現(xiàn)的破壞方式.

試驗(yàn)3 對(duì)整體包裹莖稈的葉鞘施加軸向摩擦力f1進(jìn)行破壞，葉鞘在莖稈的支撐和連接作用下抵抗破壞.軸向摩擦力達(dá)到218.30 N 時(shí)，葉鞘破壞率均達(dá)到80%以上.

從作用力形式看軸向摩擦力與試驗(yàn)2 中縱向拉伸作用力形式接近.但是試驗(yàn)3 中并未實(shí)現(xiàn)葉鞘整體的維管束拉斷破壞，而只是出現(xiàn)薄壁組織撕裂破壞，存在以下幾方面的原因:

1)葉鞘作為一個(gè)整體緊實(shí)包裹莖稈，且與莖稈緊密連接，其整體抵抗破壞的能力較拉伸試驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)樣條有較大的提高.2)縱向拉伸時(shí)葉鞘樣本是兩端固定同時(shí)受力，而摩擦破壞時(shí)，葉鞘只有一端受到摩擦力作用，在摩擦力作用下，接觸端的葉鞘收縮翹起，進(jìn)一步在葉鞘與彈性?shī)A持塊接觸的兩個(gè)邊緣出現(xiàn)沿纖維方向撕裂，撕裂后的葉鞘在摩擦作用力下被推擠破壞.3)對(duì)于中部和尾部的葉鞘撕裂并未貫穿整個(gè)葉鞘，這說(shuō)明軸向作用力難以造成其整體破壞，同時(shí)葉鞘與莖節(jié)在鞘基處的連接作用，阻礙了葉鞘的完全剝離.

3.2 葉鞘剝離方式

實(shí)現(xiàn)葉鞘完全剝離至少需要完成2 個(gè)步驟.

1)對(duì)葉鞘施加垂直于纖維方向的作用力進(jìn)行橫向拉伸破壞，實(shí)現(xiàn)葉鞘沿纖維方向的撕裂.2)葉鞘撕裂破壞后，對(duì)葉鞘施加持續(xù)的軸向作用力，對(duì)葉鞘產(chǎn)生軸向的刮擦和推擠作用，進(jìn)一步可在莖稈的連接處將葉鞘撕扯下來(lái)，實(shí)現(xiàn)完全剝離.

因此，設(shè)計(jì)剝?nèi)~機(jī)械時(shí)應(yīng)重點(diǎn)保證剝?nèi)~元件可以沿著莖稈圓周方向和軸線方向運(yùn)動(dòng)，可以施加持續(xù)的橫向和軸向作用力，完成對(duì)葉鞘的橫向撕裂破壞、軸向刮擦和撕扯剝離［14］.

3.3 葉鞘剝離判定標(biāo)準(zhǔn)

葉鞘剝離的判定標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該同時(shí)滿足在垂直于葉鞘纖維方向施加的應(yīng)力σ2不小于最大橫向抗拉強(qiáng)度σ2max，軸向應(yīng)力σ1不小于葉鞘與莖稈連接抵抗撕扯最大強(qiáng)度σtmax，即，

對(duì)于“新臺(tái)糖-16”品種的甘蔗，σ2max=0.90 MPa，甘蔗葉拉力試驗(yàn)［7］結(jié)果表明，當(dāng)拉力方向與葉鞘方向呈∠45 角時(shí)，最大撕扯力為36.4 N，得出軸向撕扯最大強(qiáng)度σtmax=0.78 MPa.

［1］中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):下冊(cè)［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007:1112-1113.

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