木薯秸稈沖擊韌性研究

李夢林 王 濤 黃志剛 閆 梅

（1.北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048；2.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228；3.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

木薯是大戟科木薯屬植物，呈灌木狀，原產(chǎn)于亞馬遜河流域，中國木薯的主產(chǎn)區(qū)為廣西、廣東、海南、云南、福建。它是世界三大薯類之一，有“淀粉之王”、“地下糧食”、“能源作物”之稱［1］。木薯用途廣泛，可制成變性淀粉等應(yīng)用于化工、淀粉、酒精、醫(yī)療、食品等行業(yè)。木薯秸稈主要用于生產(chǎn)肥料、沼氣、乙醇、飼料、栽培食用菌的培養(yǎng)基料等［2］。隨著木薯的戰(zhàn)略地位不斷提升，其利用率隨之不斷提高。在可再生能源方面木薯起著重要作用，要充分利用木薯秸稈，有必要研究其收割與粉碎力學(xué)特征，目前中國有學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。如王濤等［3－5］研究了木薯的拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度等力學(xué)特性；陳丹萍［6］研究了挖拔式木薯收獲機(jī)的挖掘部件；張意松等［7］對中國的木薯收獲機(jī)采挖原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)；孫佑攀［8］對挖拔式木薯收獲機(jī)及其夾持輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)；薛忠等［9］研制了4UMS-390Ⅱ型木薯收獲機(jī)。但迄今未見研究木薯秸稈沖擊韌性的相關(guān)文獻(xiàn)，本研究擬考察木薯秸稈沖擊韌性的指標(biāo)影響因素及沖擊能量，擬為木薯秸稈切割機(jī)和粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)提供理論基礎(chǔ)，為設(shè)計(jì)出更節(jié)能經(jīng)濟(jì)的木薯收獲機(jī)和秸稈粉碎機(jī)提供有益參考。

1 材料與方法

1.1 材料的采集與處理

木薯秸稈于2013年12月22日取自?？谑忻捞m區(qū)海南大學(xué)實(shí)驗(yàn)田，選擇生長正常、健壯、直徑中等、成熟期的木薯若干株。分別根據(jù)各組試驗(yàn)的影響因素把木薯秸稈處理成長約300mm符合相應(yīng)要求的試樣。為防止試驗(yàn)中偶然因素的影響，每組試驗(yàn)準(zhǔn)備兩個試樣，并進(jìn)行編號為1、2、……、15、16。同時設(shè)計(jì)一個沖擊能量和沖擊韌性隨含水率變化的單因素變量試驗(yàn)，對該組木薯秸稈試樣編號為沖/上①、沖/上②、沖/上③、沖/上④、沖/下①、沖/下②、沖/下③、沖/下④。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

木材萬能試驗(yàn)機(jī)：MW-4型，濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠。

1.3 試驗(yàn)方法

單因素試驗(yàn)中只選取放置時間為變量，分別研究木薯秸稈上部和下部沖擊韌性和沖擊能量隨含水率變化的規(guī)律。在單因素的基礎(chǔ)上，選取木薯秸稈的品種、含水率、沖擊碰撞部位作為主要影響因素，研究對木薯秸稈的沖擊韌性指標(biāo)的因素影響。根據(jù)考察的因素及水平來安排試驗(yàn)，結(jié)果選用L16（42×29）正交表，安排三因素混合水平的正交試驗(yàn)。選用秸稈沖斷時擺錘上升的高度作為試驗(yàn)測量指標(biāo)。試驗(yàn)的影響因素為品種、含水率、碰撞部位。木薯秸稈的品種為華南6號、華南7號、華南9號、華南10號；由于試驗(yàn)設(shè)備有限，無法對木薯秸稈的含水率進(jìn)行精確的測量，故本試驗(yàn)中的含水率以試樣在通風(fēng)干燥的實(shí)驗(yàn)室放置的天數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，放置的天數(shù)越多，含水率越小。試驗(yàn)以剛從試驗(yàn)田取回的木薯秸稈為放置0d的試樣。碰撞部位分為上部和下部。

1.4 測試與計(jì)算方法

沖擊試驗(yàn)機(jī)有擺錘、機(jī)身、支座、度盤、指針等幾部分組成。試驗(yàn)時，將木薯秸稈試樣安放于試驗(yàn)機(jī)的支座上，舉起擺錘使它自由下落將試樣沖斷。若擺錘重力為G（N），沖擊中擺錘的質(zhì)心高度由H0（cm）變?yōu)镠1（cm），勢能的變化為G（H0－H1），它等于沖斷試樣所消耗的功W（J），由于試驗(yàn)機(jī)擺錘的擺長與度盤指針示數(shù)成正比，比例i＝9，故沖擊試樣吸收的功AK（J）為

式中的H0和H1可通過度盤得知。

試樣的沖擊韌性為

式中：

aK——沖擊韌性，J/cm2；

AK——沖擊試樣吸收的功，J；

A0——試樣沖斷處的橫截面積，cm2；

D——木薯秸稈的外徑，mm；

d——木薯秸稈的內(nèi)徑，mm［10］。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)

木薯秸稈上部和下部的沖擊能量和沖擊韌性隨含水率變化的單因素變量試驗(yàn)結(jié)果見圖1、2。

由圖1、2可知：① 木薯秸稈下部的平均沖擊能量和沖擊韌性均大于上部的。原因是根部結(jié)構(gòu)組織更加細(xì)密，抗沖擊的能力更強(qiáng)。② 木薯秸稈上部的沖擊能量和沖擊韌性隨含水率的減小變化不大，沖擊能量在4.617 43J附近波動，沖擊韌性在2.569 65J/cm2附近波動；下部的沖擊能量和沖擊韌性隨含水率的減小先增大后減小，沖擊能量從7.926 9J上升到15.853 8J后下降到4.359 8J，沖擊韌性從2.926 9J/cm2上升到4.693 1J/cm2后下降到1.846 7J/cm2。原因是含水率越小，秸稈木質(zhì)結(jié)構(gòu)越堅(jiān)硬，抗沖擊能力更強(qiáng)。

圖1 沖擊能量隨放置時間的變化Figure 1 Impact energy along with the change of placed time

圖2 沖擊韌性隨放置時間的變化Figure 2 Impact toughness along with the change of placed time

2.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)表中設(shè)計(jì)的試驗(yàn)順序依次進(jìn)行各組試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平表見表1，試驗(yàn)方案與結(jié)果見表2。

表1 因素水平表Table 1 Test factor in the level of the table

由表2可知：① 對木薯秸稈沖擊能量影響的主要因素次序?yàn)锳＞B＞C，最優(yōu)水平組合為A1B4C1，即品種為SC6、放置時間12d、碰撞部位為上部。② 對木薯秸稈沖擊韌性影響的主要因素次序?yàn)锳＞B＞C，最優(yōu)水平組合為A1B1C2，即品種為SC6、放置時間0d、碰撞部位為下部。

表2 試驗(yàn)方案和結(jié)果Table 2 Test program and results

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

分別以試驗(yàn)因素組合為A1B4C1和A1B1C2進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明組合A1B4C1的沖擊能量為0.702 73J，沖擊韌性為1.093 2J/cm2；組合 A1B1C2沖擊能量為0.947 44J，沖擊韌性為0.942 6J/cm2?？梢钥闯?，組合A1B4C1的沖擊能量最小，組合A1B1C2沖擊韌性最小。研究具有可行性。

3 結(jié)論

通過正交試驗(yàn)，綜合評價木薯秸稈的沖擊韌性和沖擊能量的影響因素及影響程度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示品種對木薯秸稈的沖擊能量和沖擊韌性影響最大，含水率次之，碰撞部位最??；當(dāng)木薯品種為SC6、含水率為放置12d、碰撞部位為上部時沖擊能量最??；當(dāng)品種為SC6、含水率為放置0d、碰撞部位為下部時沖擊韌性最小。同時表明，木薯秸稈沖擊能量和沖擊韌性由下至上逐步增強(qiáng)。

該試驗(yàn)研究得出了不同因素對沖擊能量和沖擊韌性的影響，以及不同因素共同影響下沖擊能量值和沖擊韌性值。通過對木薯秸稈沖擊韌性的測定及規(guī)律性研究，進(jìn)一步對木薯秸稈的力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行了補(bǔ)充，研究結(jié)果可為木薯秸稈切割機(jī)和粉碎機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)提供理論基礎(chǔ)，同時，還能為綜合考慮所設(shè)計(jì)的機(jī)器的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性提供有益參考。

本試驗(yàn)主要對木薯秸稈沖擊韌性的力學(xué)特性的規(guī)律性進(jìn)行了研究，對其機(jī)理研究不夠，下一步將對木薯秸稈組織內(nèi)部進(jìn)行系統(tǒng)、深入的機(jī)理研究。

1 文玉萍.我國木薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢與市場分析［J］.熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，34（5）：81～85.

2 陳漢東.木薯秸稈綜合利用技術(shù)應(yīng)用淺析［J］.廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械化，2011（5）：26～28.

3 閆梅，王濤，李夢林.木薯秸稈力學(xué)特性測試儀設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2013，34（4）：78～82.

4 楊望，楊堅(jiān)，鄭曉婷，等.木薯力學(xué)特性測試［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011（S2）：50～54.

5 閆梅，王濤，李夢林.木薯塊根切割力學(xué)特性研究［J］.食品與機(jī)械，2013，29（4）：88～91.

6 陳丹萍.挖拔式木薯收獲機(jī)挖掘部件研究［D］.?？冢汉Ｄ洗髮W(xué)，2012.

7 張意松，黃暉，崔振德.國內(nèi)木薯收獲機(jī)采挖原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.熱帶農(nóng)業(yè)工程，2012（5）：17～20.

8 孫佑攀.挖拔式木薯收獲機(jī)及其夾持輸送機(jī)構(gòu)的研究［D］.?？冢汉Ｄ洗髮W(xué)，2012.

9 薛忠，黃暉，李明，等.4UMS-390Ⅱ型木薯收獲機(jī)的研制［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2010（8）：79～81，85.

10 劉鴻文，呂榮坤.材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)［M］.第二版.北京：高等教育出版社，2002.