水稻芽種和玉米芽種力學(xué)特性的研究—基于材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)

付昌云，衣淑娟，李志全，楊國(guó)印，李皓瑩，陶桂香

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶　163319)

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水稻芽種和玉米芽種力學(xué)特性的研究
—基于材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)

付昌云，衣淑娟，李志全，楊國(guó)印，李皓瑩，陶桂香

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319)

摘要：為了充分利用現(xiàn)有的材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)，首先利用該試驗(yàn)臺(tái)完成了低碳鋼的拉伸試驗(yàn)，獲得了低碳鋼的彈性極限為432MPa，屈服極限為371MPa，強(qiáng)度極限為497Mpa；其次，利用該試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了水稻芽種正面壓縮試驗(yàn)和玉米芽種側(cè)面的壓縮試驗(yàn)，獲得了水稻芽種的硬度和極限強(qiáng)度及玉米芽種側(cè)面所能承受外載的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：水稻芽種和玉米芽種受到壓縮時(shí)的力學(xué)性能相似，在極限范圍內(nèi)所能承受的外力隨位移的增加而增加，當(dāng)超過(guò)極限范圍時(shí)，所能承受的外力急速下降；水稻芽種正面壓縮和玉米芽種側(cè)面壓縮的極限強(qiáng)度分別為0.014 1MPa和0.025MPa。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)；農(nóng)業(yè)物料；力學(xué)特性；芽種

0引言

材料的力學(xué)性能測(cè)定不僅僅包括狹義的材料即工程材料，如低碳鋼、鑄鐵、混凝土等等，同時(shí)也包括廣義的材料，如農(nóng)業(yè)物料、生產(chǎn)原料等。在農(nóng)機(jī)研究領(lǐng)域“農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝相結(jié)合”原則的指導(dǎo)下，人們對(duì)于農(nóng)業(yè)物料力學(xué)性能的理論和應(yīng)用研究也越來(lái)越廣泛。例如，很多農(nóng)業(yè)機(jī)械人員想要研制一種新的機(jī)型或改進(jìn)一種新的機(jī)構(gòu)，其中“損傷率”已經(jīng)成為衡量一臺(tái)機(jī)器性能的一個(gè)重要指標(biāo)，這樣農(nóng)業(yè)物料力學(xué)性能的測(cè)定變得必不可少[1-6]。但是，目前國(guó)內(nèi)大部分高校的材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)主要是WdW-3100微機(jī)電子式萬(wàn)能試驗(yàn)臺(tái)[7-8]，主要用于完成低碳鋼和鑄鐵的軸向拉伸和壓縮實(shí)驗(yàn)[9-12]。為了充分發(fā)揮現(xiàn)有的材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的功能，本文在完成了傳統(tǒng)的低碳鋼拉伸試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以農(nóng)業(yè)物料中的典型作物—水稻和玉米為例，利用該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)水稻芽種和玉米芽種進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，獲得了水稻芽種和玉米芽種的力學(xué)特性，為該試驗(yàn)臺(tái)的廣泛應(yīng)用提供了借鑒。

1材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)介紹

1.1設(shè)備構(gòu)成

該試驗(yàn)機(jī)由3部分組成，如圖1所示。①加力部分:主要由主機(jī)部分、壓縮附具部分、楔形拉伸附具部分及彎扭附具部分等組成。其中，主機(jī)部分由導(dǎo)向立柱、上橫梁、中橫梁、下橫梁和工作臺(tái)組成。②測(cè)力部分:主要由主機(jī)工作臺(tái)下的交流伺服電機(jī)、交流伺服系統(tǒng)及減速系統(tǒng)構(gòu)成動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。③處理部分：主要由插卡式控制器、PC機(jī)和打印機(jī)構(gòu)成試驗(yàn)機(jī)的控制與數(shù)據(jù)處理及打印系統(tǒng)。

圖1　WdW-3100微機(jī)電子式萬(wàn)能試驗(yàn)

1.2工作原理

該試驗(yàn)臺(tái)為框架式結(jié)構(gòu)，試件的拉伸工作區(qū)在中橫梁的上部，壓縮工作區(qū)在中橫梁下部。其中，拉伸工作區(qū)安裝了固定試件的夾具，能夠?qū)崿F(xiàn)用手動(dòng)的方式夾緊和松開(kāi)試樣；夾具一側(cè)安裝在框架的頂部上橫梁處，另外一側(cè)安裝在中橫梁的上部。壓縮工作區(qū)安裝有固定試件的平臺(tái)，平臺(tái)一側(cè)安裝在框架的底部下橫梁處，另外一側(cè)安裝在中橫梁的下部。上、下橫梁不能移動(dòng)，為固定式；而中橫梁能夠進(jìn)行上下移動(dòng)，電機(jī)與減速系統(tǒng)相連接。工作時(shí)，由電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，在絲杠的帶動(dòng)下，框架中的中橫梁發(fā)生移動(dòng)，完成試驗(yàn)過(guò)程的加載和卸載，實(shí)現(xiàn)試件的拉伸和壓縮。另外，該試驗(yàn)臺(tái)還配有負(fù)荷傳感器、限位開(kāi)關(guān)、電源指示燈及急停開(kāi)關(guān)等。其中，負(fù)荷傳感器安裝在中橫梁的上部，能夠?qū)⒓拥皆嚰械妮d荷通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信號(hào)輸出到電腦軟件中去，方便記錄載荷；限位開(kāi)關(guān)能夠防止在試驗(yàn)過(guò)程中橫梁移動(dòng)過(guò)大，而部件發(fā)生碰撞，即拉伸卸載的過(guò)程如果中橫梁向下行進(jìn)距離過(guò)長(zhǎng)，就有可能碰到壓縮部件。電源指示燈、急停開(kāi)關(guān)都是為了保證在試驗(yàn)過(guò)程中的安全性。

1.3設(shè)備特點(diǎn)

1)能夠完成恒力加載及恒速加載等加載方式。

2)能夠?qū)崟r(shí)記錄試驗(yàn)過(guò)程的外載荷、試件變形及位移，并繪制成曲線，獲得力與位移曲線。

3)該試驗(yàn)臺(tái)采用框架式結(jié)構(gòu)，是一臺(tái)電子技術(shù)與機(jī)械傳動(dòng)相結(jié)合的新型試驗(yàn)機(jī)，對(duì)載荷、變形、位移的測(cè)量和控制有較高的精度和靈敏度。其通過(guò)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)可獲得載荷—變形曲線，還可以實(shí)現(xiàn)控制、檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化；可以實(shí)現(xiàn)等速加載、等速變形、等速位移的自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)；能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料的拉伸或壓縮試驗(yàn)等試驗(yàn)項(xiàng)目；可實(shí)現(xiàn)載荷測(cè)量、試樣變形測(cè)量和活動(dòng)橫梁的位移測(cè)量。其中，載荷測(cè)量利用應(yīng)變式拉應(yīng)力傳感器、試樣變形測(cè)量，利用應(yīng)變式引伸計(jì)、活動(dòng)橫梁的位移測(cè)量是利用絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并經(jīng)過(guò) A/ D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字顯示。

2材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用

2.1低碳鋼拉伸極限強(qiáng)度的測(cè)定

2.1.1試驗(yàn)材料及方法

低碳鋼，圓形截面，L0=5d0，試件如圖2所示。

試驗(yàn)前，要對(duì)試件的兩端和中間部分的橫截面積進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)位置測(cè)量3次，取平均值；并且在測(cè)量的時(shí)候要采用不同方位測(cè)量，取最小平均值作為橫截面面積。其次，將上橫梁處的試件夾具手動(dòng)打開(kāi)，將測(cè)量好的試件放到指定部位，手動(dòng)夾緊。接下來(lái)啟動(dòng)電機(jī)，慢慢移動(dòng)中橫梁，使其上側(cè)夾具接近試件，對(duì)正后，停止中橫梁，再一次手動(dòng)加緊下端夾具。檢查無(wú)誤后，重新啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，打開(kāi)電腦軟件，在軟件中完成所需的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相關(guān)內(nèi)容的填寫，如試件的材料、形狀、尺寸等。這時(shí)使試驗(yàn)臺(tái)與電腦相連接，準(zhǔn)備試驗(yàn)。試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)，加少許載荷(試件發(fā)生彈性變形范圍內(nèi))后完成一次卸載，使其受力歸零，一方面檢查試驗(yàn)機(jī)是否工作正常，另一方面校核其殘余應(yīng)力；最后，再重新啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，開(kāi)始慢慢加載，在加載的過(guò)程，注意觀察軟件中所繪制的力與位移曲線的變化規(guī)律，同時(shí)觀察試件受力后的形狀改變，試驗(yàn)完成后，打印輸出。

L0.計(jì)算長(zhǎng)度　L.工作段長(zhǎng)度　d0.原直徑

2.1.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

低碳鋼拉伸時(shí)力與位移變化規(guī)律曲線如圖3所示。由圖3可知：低碳鋼在拉伸時(shí)要經(jīng)歷幾個(gè)階段，即彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、頸縮階段。其中，彈性極限載荷為32.55kN，變形為5.75mm；屈服極限載荷為28kN，變形為11.5mm；強(qiáng)度極限載荷為37.56kN，變形為31.5mm。根據(jù)試驗(yàn)前測(cè)得的幾何尺寸及低碳鋼拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力公式[13]，進(jìn)而獲得了此批低碳鋼的彈性極限載荷為432MPa，屈服極限載荷為371MPa，強(qiáng)度極限載荷為497MPa。

圖3　低碳鋼拉伸時(shí)力與位移曲線

2.2水稻芽種發(fā)芽率的測(cè)定

2.2.1指標(biāo)的計(jì)算[14-17]

發(fā)芽率為

2.2.2試驗(yàn)材料及方法

長(zhǎng)粒水稻品種:墾鑒3號(hào)、稻花香、龍洋16；短粒水稻品種：龍粳26、墾鑒稻6、空育131、墾稻12作為試驗(yàn)材料。 在水稻芽種含水率為23%條件下，將芽種分為10組，每組100粒，對(duì)稻種分別施加10、15、20、25、30、35、40、45N的壓力，放在與原來(lái)相同環(huán)境下；用原來(lái)相同的方法催芽，觀察催芽情況，查出沒(méi)有繼續(xù)發(fā)芽的水稻數(shù)量，3次重復(fù)，取平均值。

2.2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

水稻芽種所受力對(duì)發(fā)芽率的影響曲線如圖4所示。由圖4可知：水稻芽種所受壓力對(duì)7個(gè)品種芽種發(fā)芽率的影響規(guī)律相似，均隨壓力的增加而變小。當(dāng)?shù)痉N所受外力不大于20N時(shí)，7個(gè)品種的芽種均能夠繼續(xù)發(fā)芽的百分率為100%，即稻種沒(méi)有受到損傷，完全能夠繼續(xù)發(fā)芽；當(dāng)?shù)痉N所受外力大于20N，但不超過(guò)26N時(shí)，有一部分稻種不能繼續(xù)發(fā)芽，即有的稻種受到損傷，其發(fā)芽率下降，但其所占比率較小，7個(gè)品種的芽種發(fā)芽率范圍為82%～98%；當(dāng)?shù)痉N所受外力大于30N，稻種發(fā)芽率隨著所受外力的增加下降，且下降的幅度較大；當(dāng)?shù)痉N所受外力為40N時(shí)，稻種的發(fā)芽率為17%～26%；當(dāng)?shù)痉N所受外力為45N時(shí)，7個(gè)品種的芽種發(fā)芽率范圍為6%～15%。由此可見(jiàn)，稻種的極限載荷為20N。

圖4　稻種所受壓力對(duì)發(fā)芽率的影響曲線

2.3玉米芽種極限強(qiáng)度的測(cè)定

2.3.1試驗(yàn)材料及方法

玉米品種為德美亞1號(hào)。在玉米芽種芽長(zhǎng)度為1mm，含水率為30%條件下，測(cè)定受壓區(qū)橫截面積，并將玉米芽種放置于試驗(yàn)臺(tái)壓縮工作區(qū)平臺(tái)處；啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)定一定速率開(kāi)始對(duì)水稻芽種正面進(jìn)行施加壓力[18-22]；帶試驗(yàn)完成后，打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.3.2玉米芽種極限強(qiáng)度計(jì)算

極限強(qiáng)度為

(1)

式中FN—受壓時(shí)的極限載荷(N)；

A—玉米芽種的受壓面積(m2)。

σ—應(yīng)力(Pa)。

2.3.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

在玉米芽種含水率為30%、恒速的條件下，對(duì)玉米種子側(cè)面進(jìn)行施加壓力獲得的力與位移曲線如圖5所示。由圖5可知：玉米芽種側(cè)面在受到壓力后，所承受的壓力隨位移的增加先增加而后減少；當(dāng)玉米受力在極限強(qiáng)度內(nèi)，所承受的壓力隨位移的增加而增加；當(dāng)玉米受力超過(guò)極限強(qiáng)度后，所承受的能力開(kāi)始下降，并且下降的幅度比較大。圖5數(shù)據(jù)顯示玉米在上述條件下所承受的最大載荷為92N，當(dāng)外載超過(guò)92N時(shí)，玉米的承受能力開(kāi)始下降，且幅度較大，說(shuō)明此時(shí)玉米芽種開(kāi)始受到損傷?？梢?jiàn)，玉米側(cè)面所能承受的極限載荷為92N。

根據(jù)上述結(jié)果，通過(guò)測(cè)定獲得玉米芽種側(cè)面橫截面積為3.73×10-3m2，根據(jù)式(1)獲得了玉米芽種的極限為0.025MPa。

圖5　玉米芽種側(cè)壓時(shí)力與位移曲

2.4水稻芽種極限強(qiáng)度的測(cè)定

2.4.1試驗(yàn)材料及方法

水稻品種為龍洋16號(hào)。在水稻芽種芽長(zhǎng)度為1mm、含水率為23.15%條件下，測(cè)定受壓區(qū)橫截面積，并將水稻芽種放置于試驗(yàn)臺(tái)壓縮工作區(qū)平臺(tái)處；啟動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)定一定速率開(kāi)始對(duì)水稻芽種正面進(jìn)行施加壓力[23]；試驗(yàn)完成后，打印實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

2.4.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通過(guò)材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)獲得了水稻芽種在一定速率條件下的受力與位移曲線如圖6所示。由圖6可知：水稻芽種在受到壓力后，所承受的壓力隨位移的增加先增加而后減少，在增加的過(guò)程中有一定的波動(dòng)；當(dāng)水稻芽種受力在強(qiáng)度極限范圍內(nèi)，所承受的壓力隨位移的增加而增加；當(dāng)水稻芽種受力超過(guò)強(qiáng)度極限后，所承受的能力開(kāi)始下降，并且下降的幅度比較大。從曲線圖可知：水稻芽種在壓縮過(guò)程開(kāi)始稻種所受到的外力隨位移呈線性增加，在增加的過(guò)程有一定的波動(dòng)，線性增加后稻種進(jìn)入屈服階段，但屈服階段不是特別明顯，維持時(shí)間較短；然后進(jìn)入了強(qiáng)化階段，達(dá)到了強(qiáng)度極限。圖6數(shù)據(jù)顯示水稻芽種在上述條件下進(jìn)入屈服時(shí)所承受的外載荷為24N，所承受的極限最大載荷為37N。當(dāng)外載超過(guò)37N時(shí)，水稻芽種的承受能力開(kāi)始下降，且幅度較大，說(shuō)明此時(shí)水稻芽種開(kāi)始受到損傷?？梢?jiàn)，水稻芽種所能承受的極限載荷為37N。

根據(jù)上述結(jié)果，結(jié)合測(cè)定獲得水稻芽種受壓橫截面積為2.62×10-3m2，水稻芽種的屈服極限為0.009 2MPa，強(qiáng)度極限為0.014 1MPa。

圖6　水稻芽種壓縮測(cè)試圖

3結(jié)論

1)利用材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)低碳鋼進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得了低碳鋼拉伸過(guò)程中的力與位移曲線，得到了低碳鋼拉伸過(guò)程中所承受外力與位移的變化規(guī)律，進(jìn)而獲得了低碳鋼的彈性極限為432MPa，屈服極限為371MPa，強(qiáng)度極限為497MPa。

2)利用材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)水稻芽種和玉米芽種分別進(jìn)行了正面和側(cè)面的壓縮試驗(yàn)，獲得了水稻芽種發(fā)芽率、水稻芽種正面壓縮過(guò)程及玉米芽種側(cè)面壓縮所能承受外載的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：水稻芽種和玉米芽種在受到壓縮過(guò)程所表現(xiàn)的力學(xué)特性相似，即在極限范圍內(nèi)所受的外載隨位移的增加而增加；當(dāng)超過(guò)極限范圍時(shí)，所能承受的外載開(kāi)始急速下降。

3)通過(guò)該材料力學(xué)試驗(yàn)臺(tái)的研究獲得了水稻芽種正面壓縮和玉米芽種側(cè)面壓縮的極限強(qiáng)度分別為0.014 1MPa和0.025MPa。

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Research on the Mechanical Properties of Agricultural Materials Based on the Material Mechanics Test Rig

Fu Changyun，Yi Shujuan， Li Zhiquan，Yang Guoyin，Li Haoying，Tao Guixiang

(College of Engineering,Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319，China)

Abstract：In order to make full use of existing equipment, in this paper, the tensile test of the low carbon steel was completed by the test bench, and the force and displacement curves of the low carbon steel were obtained,the change law of the external force and displacement in the process of low carbon steel was obtained, and the elastic limit of low carbon steel was 432MPa, the yield limit was 371MPa, the strength limit was 497Mpa. Secondly,the compression test of the rice bud seed and the lateral compression test of the seed of maize were carried out in the text. The hardness of the rice seed and the change of the lateral load on the lateral load of the corn germ were obtained. The results showed that The mechanical properties of the rice and maize seeds were similar to those of the maize.When the seed of rice and maize were compressed, the external force in the limit can be increased with the increase of the displacement, when the limit is exceeded, the external force that is able to withstand the rapid fall.The ultimate strength of the lateral compression of the positive compression and the lateral compression of the rice bud was 20N and 0.025MPa respectively.

Key words：material mechanics test bed; agricultural materials; mechanical properties; seed

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0219-05

中圖分類號(hào)：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：付昌云(1994-)，男，河北承德人，本科生，(E-mail)1721822560@qq.com。通訊作者：衣淑娟(1965-)，女，山東棲霞人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)yishujuan_2005@126.com。

基金項(xiàng)目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(201510223005)；“十二五”國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2014BAD06B01)；黑龍江省科學(xué)基金項(xiàng)目(E2015033)

收稿日期：2015-07-23