甘蔗尾莖力學特性試驗

羅菊川，區(qū)穎剛，劉慶庭

(華南農(nóng)業(yè)大學 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州　510642)

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甘蔗尾莖力學特性試驗

羅菊川，區(qū)穎剛，劉慶庭

(華南農(nóng)業(yè)大學 南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州510642)

摘要：為獲取甘蔗尾部莖稈的力學特性參數(shù)，利用精密型微控電子萬能試驗機對蔗尾生長點以下1～3節(jié)莖稈的拉伸、壓縮力學性能進行試驗。結(jié)果表明：蔗尾節(jié)位對抗拉、抗壓強度的影響極其顯著，抗拉、抗壓強度由中部向尾部頂端生長點方向顯著減?。徽嵛采L點以下1～3節(jié)抗拉強度平均值分別為1.44、2.87、4.72MPa，拉伸彈性模量平均值分別為22.02、27.60、37.09MPa。各節(jié)莖稈直徑與抗拉強度呈二次函數(shù)負相關關系，隨著直徑的增大，抗拉強度減小。抗壓強度平均值分別為4.04、5.22、 6.66MPa；壓縮彈性模量平均值分別為23.93 、25.37、24.12MPa；各節(jié)莖稈直徑與最大壓縮載荷之間呈冪函數(shù)正相關關系，隨著直徑的增大，最大壓縮載荷增大。試驗結(jié)果為甘蔗收獲斷尾機械的設計及建立數(shù)學模型進行動力學仿真提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：甘蔗尾莖；力學特性；抗拉強度；抗壓強度

0引言

甘蔗作為我國主要的糖料作物，蔗糖產(chǎn)量占我國食糖總產(chǎn)量的90%以上，在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中占有重要的地位[1-2]；但目前我國食糖生產(chǎn)成本過高，蔗糖產(chǎn)業(yè)的國際競爭力十分低下，主要原因是耗時最長、最艱苦、占甘蔗生產(chǎn)成本比例最高的甘蔗收獲環(huán)節(jié)基本上還是人工作業(yè)，而斷尾除葉技術是制約甘蔗收獲機械發(fā)展的瓶頸[3]。目前，國內(nèi)設計人員一般僅根據(jù)經(jīng)驗估算進行斷尾機構的設計研制[4-7]，沒有結(jié)合蔗尾的力學特性進行研究，斷尾機構難以達到理想的效果。國外學者通過試驗比較了不同品種的甘蔗梢頭部的硬度、抗折力、抗折能、破碎力和破碎能與直徑尺寸變化的關系，以及青葉葉鞘的抗拉強度，為切梢裝置的設計提供依據(jù)[8-9]。國內(nèi)研究者對甘蔗莖稈不同部位的抗彎強度、切割力進行了研究[10-12]。甘蔗不同部位力學性能差異很大，研究蔗莖尾部的力學特性，可為甘蔗斷尾及加工機械的設計開發(fā)、建立虛擬蔗尾模型[13]進行斷尾動力學仿真及有限元分析提供基礎數(shù)據(jù)。目前，還未見對甘蔗尾部進行拉伸、壓縮力學性能試驗研究的報導。整莖試驗能夠有效縮短前期樣本準備時間，較準確獲得莖稈自然狀態(tài)下承受外載荷而產(chǎn)生屈服和破壞的力學參數(shù)[14]。本文采用整莖拉伸、壓縮的試驗方法測定蔗尾莖稈生長點以下1～3節(jié)的拉伸、壓縮強度和拉伸、壓縮彈性模量，并進行了相應的分析。

1拉伸試驗

1.1試驗設備與方法

試驗采用拉壓傳感器量程為2 500N的WD-E精密型微控電子式萬能試驗機，配套全數(shù)字化GT-M200系列電腦測控系統(tǒng)。試驗采用根據(jù)甘蔗尾部的性能特點自行設計的專用夾具。

試驗材料采自廣東省廣前糖業(yè)發(fā)展有限公司前進農(nóng)場種植的成熟期的粵糖159。由于甘蔗尾梢部分被相互重疊的青葉緊密包裹，生長點以下1～3節(jié)節(jié)間長度很短，節(jié)間直徑變化較大，生長點以下第1節(jié)部分相當脆弱。為了測得第1節(jié)的拉伸彈性模量和抗拉強度，需要穩(wěn)固裝夾第1節(jié)，避免滑移和被夾頭夾壞的情況，試樣剪去頂部葉片，剝除包裹尾梢部分的葉鞘，保留最頂部包裹生長點以下第1節(jié)部分的葉鞘。試驗樣本總長160mm，保持所要測試的節(jié)位處于中間位置，兩端裝夾長度分別為60mm，中間40mm為樣本標距。

為避免甘蔗尾梢部在夾緊的過程中發(fā)生滑移和破壞，試驗樣本裝夾部分周圍纏繞橡膠、砂紙，用醫(yī)用膠布固緊。拉伸速率設定為10mm/min，加載至試樣破壞，測量斷面的2個方向上的直徑，取平均值作為直徑。對于樣本在夾頭根部拉斷或在夾頭內(nèi)部破壞的試驗結(jié)果均不采用。

1.2試驗結(jié)果

圖1為不同樣本甘蔗尾梢部分生長點以下第1～3節(jié)的應力—應變曲線。由圖1可知：甘蔗尾梢第1節(jié)應力與應變呈近似直線關系，隨著節(jié)位的增大，逐步呈現(xiàn)非線性關系，達到最大載荷后突然斷裂，拉斷之前產(chǎn)生一定的變形，斷面整齊，表現(xiàn)出一定的脆性。對樣本試驗曲線，根據(jù)最小二乘法原理，對其進行擬合，擬合曲線關系式以最優(yōu)效果而定，求取蔗莖斷裂點之前平均值為該樣本的彈性模量。

圖1　蔗尾拉伸應力—應變曲線圖

蔗莖頂端生長點以下1～3節(jié)的整莖縱向拉伸試驗共45個有效試樣，試驗結(jié)果如圖2所示。第1、2、3節(jié)抗拉強度平均值和標準差分別為1.44MPa和0.16MPa、2.87MPa和0.43MPa、4.72MPa和0.24MPa；第1、2、3節(jié)拉伸彈性模量平均值和標準差分別為22.02MPa和2.32MPa、27.60MPa和2.37MPa、37.09MPa和3.75MPa。抗拉強度和拉伸彈性模量都隨著節(jié)位值的增大而增大，第3節(jié)抗拉強度約是第2節(jié)的1.64倍，第2節(jié)抗拉強度約是第1節(jié)的1.99倍。

圖2　整莖拉伸試驗結(jié)果

1.3結(jié)果分析

將蔗尾莖稈1～3各節(jié)直徑與抗拉強度進行曲線擬合，擬合方程和決定系數(shù)如圖3所示。擬合結(jié)果表明：蔗尾生長點以下1～3節(jié)莖稈的抗彎強度隨直徑的增大而減小；第1、2節(jié)直徑與抗彎強度呈較強的二次函數(shù)負相關關系(見圖3)，而第3節(jié)則呈弱負相關關系。

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運用SPSS16.0軟件進行方差分析，結(jié)果表明：顯著性水平sig值為0<0.05，表明在95%的置信區(qū)間內(nèi)，節(jié)位對抗拉強度的影響極其顯著。這主要是由甘蔗莖稈自身的結(jié)構特點決定的，蔗莖的抗拉強度不僅與莖稈內(nèi)幾乎平行于軸向排列的維管束數(shù)量、木質(zhì)化程度有關，還與基本組織內(nèi)貯藏的糖分(液體)以及基本組織與維管束之間結(jié)合的緊密程度有關[11]。甘蔗進入成熟期后，梢頭部的含糖量和含水率之間呈負相關性，相關系數(shù)γ =-0.94[15]，說明越靠近頂端生長點部位，含水率越高，蔗莖維管束木質(zhì)化程度越低，基本組織和維管束之間的結(jié)合強度越低，抗拉強度越小。

2壓縮試驗

2.1試驗方法與設備

試驗采用與拉伸試驗相同的電子式萬能試驗機，用平面壓頭進行試驗。試驗材料為成熟期的臺糖22，采自廣東省廣前糖業(yè)發(fā)展有限公司前進農(nóng)場。截取甘蔗尾部莖稈生長點以下1～3節(jié)節(jié)間部分制作試驗樣本，由于受限于甘蔗尾梢的節(jié)間長度，試樣長取20mm，兩端磨平，兩個端面與軸線垂直。下壓頭固定不動，上壓頭以5mm/min的速率緩慢向下加載，達到破壞極限后停止加載，分別測定蔗尾莖稈生長點以下1～3節(jié)的壓縮性能。

2.2試驗結(jié)果

如圖4所示：試樣在壓縮載荷作用下隨著壓應力的增大逐步達到破壞極限，壓應力迅速下降，試樣被壓裂。曲線初期階段有一小段應力變化不大而應變較大的情況，可認為是壓頭與試樣的逐漸適應過程，利用曲線計算彈性模量時將這部分數(shù)據(jù)去除，選取曲線上達到壓縮破壞極限點之前的近似直線部分；根據(jù)最小二乘法原理，進行多項式擬合，得出每個試樣的彈性模量，取其平均彈性模量。

壓縮試驗有效試樣共65個，試驗結(jié)果如圖5所示。第1、2、3節(jié)抗壓強度平均值和標準差分別為4.04MPa和0.21MPa、5.22MPa和0.30MPa、6.66MPa和0.24MPa；第1、2、3節(jié)壓縮彈性模量平均值和標準差分別為23.93MPa和2.35MPa、25.37MPa和2.23MPa、24.12MPa和1.59MPa。第3節(jié)抗壓強度約是第2節(jié)的1.28倍，第2節(jié)抗壓強度約是第1節(jié)的1.29倍。

運用SPSS16.0軟件進行方差分析，結(jié)果表明：顯著性水平sig值為0<0.05，表明在95%的置信區(qū)間內(nèi)，節(jié)位對抗壓強度的影響極其顯著。將蔗尾生長點以下第1、2、3節(jié)莖稈直徑與最大壓縮載荷進行曲線回歸擬合，擬合結(jié)果表明冪函數(shù)關系具有較好的擬合優(yōu)度，擬合方程和決定系數(shù)如圖6所示。蔗尾生長點以下第1、2、3節(jié)莖稈直徑與最大壓縮載荷之間呈冪函數(shù)正相關關系。

3結(jié)論

1)蔗尾節(jié)位對抗拉、抗壓強度的影響極其顯著，抗拉、抗壓強度由中部向尾部頂端生長點方向顯著減小。

2)蔗尾生長點以下1～3節(jié)抗拉強度平均值分別為1.44、2.87、4.72MPa；拉伸彈性模量平均值分別為22.02、27.60、37.09MPa；各節(jié)莖稈直徑與抗拉強度呈二次函數(shù)正相關關系，隨著直徑的增大，抗拉強度減小。

3)蔗尾生長點以下1～3節(jié)抗壓強度平均值分別為4.04、5.22 、6.66MPa；壓縮彈性模量平均值分別為23.93 、25.37、24.12MPa；各節(jié)莖稈直徑與最大壓縮載荷之間呈冪函數(shù)正相關關系，隨著直徑的增大，最大壓縮載荷增大。

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Experiment on Mechanical Properties of Sugarcane Tail Stalk

Luo Juchuan, Ou Yinggang, Liu Qingting

( Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：In order to obtain the mechanical characteristic parameters of sugarcane tail stalk, tensile and compression tests were conducted in the accurate micro-controlled electronic universal testing machine. The results indicated that sugarcane tail node had extremely significant effects on the tensile strength and the compressive strength which decreased from the middle to the tail apical growing points, the results also showed that the average values of tensile strength of 1～3 nodes below the tail apical growing points were 1.44，2.87，4.72MPa,respectively, and their average values of tensile modulus of elasticity were 22.02，27.60，37.09MPa, respectively；It was quadratic function negative correlation between the diameter and the tensile strength of each nodes in the tail, and the tensile strength decreases with the increase of diameter; their average values of compressive strength were 4.04，5.22，6.66MPa, respectively, average values of compression modulus of elasticity were 23.93，25.37，24.12MPa, respectively, it was power function positive correlation between the diameter and the maximum compression load of each nodes in the tail,and with the increase of diameter, the maximum compression load increases. The conclusions provide the theoretical foundation to design tail-breaking mechanism of sugarcane harvester and establish mathematical model for dynamic simulation.

Key words：sugarcane tail stalk； mechanical properties； tensile strength； compression strength

文章編號：1003-188X(2016)07-0220-04

中圖分類號：S225.5+3；S220.2

文獻標識碼：A

作者簡介：羅菊川(1975-)，女，廣東梅州人，講師，博士，(E-mail)juchuanluo@163.com。

基金項目：國家自然科學青年科學基金項目(51405163)

收稿日期：2015-09-29