大豆秸稈剪切力學(xué)特性的研究

陳杰，張黎驊，譚濤

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) a.食品學(xué)院；b.機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625014)

大豆秸稈剪切力學(xué)特性的研究

陳杰a，張黎驊b*，譚濤b

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) a.食品學(xué)院；b.機(jī)電學(xué)院，四川 雅安 625014)

在微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)大豆秸稈的剪切力學(xué)特性進(jìn)行研究。以大豆秸稈含水率、剪切角度和刀刃角作為影響因素，采用隸屬度的綜合評(píng)分法對(duì)抗剪強(qiáng)度和比能綜合評(píng)分，建立二次多項(xiàng)式回歸模型，并用響應(yīng)面法對(duì)剪切工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：剪切角度對(duì)大豆秸稈剪切效果的影響程度最大，刀刃角的影響最小，大豆秸稈剪切的最佳條件為秸稈含水率 25%、剪切角度60°、刀刃角45°，在該條件下對(duì)大豆秸稈進(jìn)行剪切，得到最大綜合分為0.969。

大豆秸稈；剪切力學(xué)特性；響應(yīng)面法；優(yōu)化

中國(guó)每年農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約6.9×108t，大豆秸稈約占5%[1]。目前，大豆的深松耕整地、精密播種、中耕除草等機(jī)械化生產(chǎn)水平較高[2–4]，但收獲環(huán)節(jié)的機(jī)械化尚不成熟，收割機(jī)存在功耗大、割刀易磨損、割臺(tái)易損壞等問題[5–6]，有必要進(jìn)一步研究大豆秸稈的剪切特性，改進(jìn)大豆收割機(jī)的性能，加快大豆收割和加工設(shè)備的研發(fā)。

張開飛等[7]考察了不同加載速度對(duì)大豆秸稈不同部位剪切、彎曲力學(xué)特性的影響，結(jié)果表明：相同加載速度下，根部的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力比中部和頂部的大；加載速度越大，所需剪切力越小，彎曲力越大。閆以勛等[8]分別研究了慣性矩、彈性模量和抗彎剛度沿節(jié)間的變化以及大豆莖稈的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性的關(guān)系，結(jié)果表明，莖稈中部節(jié)間彈性模量最低，抗彎剛度呈線性降低，莖稈底部節(jié)間所需的剪切力、抗彎剛度較大，能承受較大的彎曲力。

筆者利用微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對(duì)同一品種、相同距地高度的大豆秸稈的剪切力學(xué)特性進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，對(duì)剪切后秸稈的顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，進(jìn)一步以含水率、剪切角度及刀刃角為影響因素，以剪切應(yīng)力和比能為目標(biāo)值進(jìn)行響應(yīng)面Box–Benhnken試驗(yàn)，得出了最佳工藝參數(shù)，旨在為大豆收獲和秸稈利用設(shè)備的研發(fā)和改進(jìn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

選取100根長(zhǎng)勢(shì)一致、直徑相近的成熟大豆秸稈，去除根部和側(cè)枝后，在平齊土壤表面和距地表100 mm處分別切斷，留下長(zhǎng)度為100 mm的大豆秸稈，作為試材，參照文獻(xiàn)[9]方法測(cè)定秸稈含水率。

1.2 方法

1.2.1 剪切應(yīng)力和比能測(cè)定及綜合分計(jì)算

采用WDW–05型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)前，將自制刀具安裝在拉伸試驗(yàn)夾頭上，并將試樣橫置并夾緊，調(diào)節(jié)刀具刀刃和秸稈間間隙，使得空行程盡量小，但又不相互接觸。在MaxTest系統(tǒng)中設(shè)置加載速度為5 mm/min，在1.5～2 min破壞試樣[10]，采用不同刃角的刀片、用不同的剪切角度對(duì)不同含水率的大豆秸稈進(jìn)行剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)停止后，得到試驗(yàn)曲線，保存數(shù)據(jù)。重復(fù)試驗(yàn)。參照文獻(xiàn)[11–13]計(jì)算剪切應(yīng)力和比能。運(yùn)用隸屬度的綜合評(píng)分法[14]，將剪切應(yīng)力和比能進(jìn)行加權(quán)，得秸稈剪切工藝的綜合分S[15]。綜合評(píng)分時(shí)，剪切應(yīng)力和比能的權(quán)重均為0.5。

1.2.2 剪切大豆秸稈的顯微結(jié)構(gòu)觀察

采用尼康Eclipse E200雙目生物顯微鏡，觀察秸稈剪切面的顯微結(jié)構(gòu)。

1.2.3 單因素試驗(yàn)

分別考察剪切角度(0°、15°、30°、45°、60°)，刀刃角(10°、25°、40°、55°、70°)，秸稈含水率(5%、25、40%、55%、70%)對(duì)剪切應(yīng)力的影響。每?jī)?yōu)化 1個(gè)因素后所得到的優(yōu)化水平應(yīng)用于下一因素的優(yōu)化中，各水平重復(fù) 3 次。

1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取秸稈含水率(x1)、剪切角度(x2)及刀刃角(x3)為影響因素，剪切應(yīng)力和比能為目標(biāo)值，運(yùn)用響應(yīng)面Box–Benhnken設(shè)計(jì)理論[16]進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)因素及水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素及水平Table 1 Factors and levels in response surface test

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)試驗(yàn)所得的最大剪切力、秸稈直徑以及剪切力–位移曲線，計(jì)算出剪切應(yīng)力τ；根據(jù)剪切力–位移曲線圖，用Origin軟件進(jìn)行積分計(jì)算，得到試驗(yàn)剪切功耗，計(jì)算出試驗(yàn)比能；利用Design Expert軟件建立二次回歸模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆秸稈剪切試驗(yàn)曲線及莖稈顯微結(jié)構(gòu)

大豆秸稈經(jīng)剪切，得到剪切力–位移曲線，如圖1所示。

圖1 大豆秸稈剪切力與位移曲線Fig.1 Shearing force versus displacement curve of soybean straw

大豆秸稈剪切過程可分為3個(gè)階段：第1階段，刀具接觸秸稈到秸稈維管束外部，剪切力隨著剪切位移逐漸增大，此時(shí)刀具所剪切的表層結(jié)構(gòu)依次為表皮、皮層、維管束(圖2)，與皮層臨近的維管束密度較高，排列緊密，細(xì)胞壁逐漸加厚，使得剪切力越來越大；第2階段，刀具剪切秸稈中間組織，剪切力迅速下降并小幅波動(dòng)，此時(shí)維管束密度較低，其細(xì)胞排列相對(duì)維管柱外部疏松，但維管束中穿插有髓和髓射線，當(dāng)?shù)毒咔懈钏韬退枭渚€時(shí)，阻力相對(duì)較大，所以刀具所受阻力會(huì)小幅波動(dòng)；第3階段，刀具剪切秸稈另一端外表皮直至秸稈完全斷裂，此時(shí)剪切力逐漸上升后突然下降，其剪切順序依次為維管束、皮層、表皮，隨著維管束密度的不斷增加，剪切力也不斷增大，直至外表皮被剪斷，刀具無阻力，剪切力迅速降低。

圖2 大豆秸稈橫切面的顯微結(jié)構(gòu)Fig.2 Cross–sectional microstructure of soybean straw

由此可見，維管束是影響剪切力的主要因素，是大豆秸稈抵抗剪切、彎曲變形和破壞的內(nèi)在原因。維管束密度越高，維管束鞘越發(fā)達(dá)，構(gòu)成機(jī)械組織和維管束鞘的纖維細(xì)胞壁也越厚，莖稈的強(qiáng)度和剛度越好。

2.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 剪切角度對(duì)剪切應(yīng)力的影響

當(dāng)?shù)度薪菫?0°，秸稈含水率為20%，剪切角度分別為0°、20°、40°、60°、80°時(shí)，剪切應(yīng)力分別為23.907、25.643、19.384、22.765、30.046 MPa。隨著剪切角度的增大，剪切應(yīng)力先增大后減小，而后再增大；當(dāng)剪切角度為40°時(shí)，剪切應(yīng)力最小。綜合考慮，選取剪切角0°、30°、60°作響應(yīng)面試驗(yàn)為宜。

2.2.2 刀刃角對(duì)剪切應(yīng)力的影響

當(dāng)剪切角度為40°，秸稈含水率為20%，刀刃角為10°、25°、40°、55°、70°時(shí)，剪切應(yīng)力分別為27.034、20.065、17.405、21.074、29.406 MPa。當(dāng)?shù)度薪菫?0°時(shí)，剪切應(yīng)力最小。綜合考慮，刀刃角取整，選取20°、40°、60°作響應(yīng)面試驗(yàn)為宜。

2.2.3 秸稈含水率對(duì)剪切應(yīng)力的影響

當(dāng)剪切角度為40°，刀刃角為40°，秸稈含水率為5%、25%、40%、55%、70%時(shí)，剪切應(yīng)力分別為29.327、24.181、18.376、23.967、27.302 MPa。當(dāng)秸稈含水率為40%時(shí)，剪切應(yīng)力最小。綜合考慮，選取秸稈含水率25%、40%、55%作響應(yīng)面試驗(yàn)為宜。

2.3 秸稈剪切優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上，根據(jù)Box–Benhnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，采用3因素3水平，以剪切應(yīng)力和比能作為響應(yīng)值，進(jìn)行17組試驗(yàn)，并對(duì)響應(yīng)值進(jìn)行綜合評(píng)分，結(jié)果列于表2。

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及綜合評(píng)分Table 2 Results of response surface test and comprehensive score

采用Design–Expert 8.0數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)表2中的響應(yīng)值與各因素進(jìn)行回歸擬合，得到綜合分S對(duì)秸稈含水率x1、剪切角度x2和刀刃角x3編碼值的完整二次多項(xiàng)回歸方程。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析的結(jié)果列于表3。

表3 回歸模型方差分析結(jié)果Table 3 Variance analysis for the regression model

由表3可知，模型P=0.002 1<0.01，表明回歸模型影響極顯著；失擬項(xiàng)P=0.824 2>0.05，表明失擬不顯著，誤差較小；決定系數(shù)R2=0.935 6，進(jìn)一步表明該模型擬合優(yōu)度較好，可以用來對(duì)大豆秸稈的剪切力學(xué)特性進(jìn)行分析?；貧w方程系數(shù)的顯著性分析結(jié)果表明，模型的一次項(xiàng)秸稈含水率x1(P=0.0074<0.01)、剪切角度x2(P=0.000 7<0.01)影響極顯著，刀刃角x3(P=0.018 4<0.05)影響顯著；二次項(xiàng)x22(P=0.015 6< 0.05)、x32(P=0.011 1<0.05)影響顯著，而x12影響不顯著；交互項(xiàng)x1x3(P=0.002 8<0.01)影響極顯著，其余交互項(xiàng)影響不顯著。由方差分析結(jié)果表明，剪切角度對(duì)大豆秸稈剪切效果的影響程度最大，刀刃角的影響最小。

2.4 大豆秸稈剪切最優(yōu)條件的確定及模型驗(yàn)證

用Design–Expert 8.0 軟件對(duì)回歸方程模型進(jìn)行優(yōu)化，得到大豆秸稈剪切工藝最優(yōu)方案為：秸稈含水率25%，剪切角度60°，刀刃角44.99°，此條件下綜合分高達(dá)0.977。

為驗(yàn)證模型的可靠性，采用上述最優(yōu)工藝參數(shù)(秸稈含水率25%、剪切角度60°、刀刃角45°)進(jìn)行3次試驗(yàn)，綜合分平均值為0.969，與理論預(yù)測(cè)值(0.977)基本吻合，因此，利用響應(yīng)面法得到的秸稈剪切最優(yōu)工藝參數(shù)較為真實(shí)可靠。

3 結(jié)論

根據(jù)響應(yīng)面Box–Benhnken設(shè)計(jì)進(jìn)行大豆秸稈剪切的試驗(yàn)表明，剪切角度對(duì)大豆秸稈剪切效果的影響最大，秸稈含水率的影響次之，刀刃角的影響最小。

響應(yīng)面法分析表明，秸稈含水率和刀刃角的交互作用對(duì)綜合分指標(biāo)影響顯著，而其他因素交互作用不顯著。

建立大豆秸稈剪切工藝的綜合分與秸稈含水率、剪切角度、刀刃角的二次多項(xiàng)式回歸模型，得到了最佳工藝參數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，含水率為25%，剪切角度為60°，刀刃角為45°，此時(shí)得到綜合分為0.969，和理論預(yù)測(cè)值基本吻合，表明模型可信度較高。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Study on shearing properties of soybean straw

CHEN Jiea, ZHANG Lihuab*, TAN Taob
(a.College of Food Science；b.College of Mechanical and Electrical Engineering, Sichuan Agricultural University, Ya’an, Sichuan 625014, China)

The shearing properties of soybean straw were studied by using microcomputer controlled electron universal testing machine.The effect of the straw moisture content, the shear angle and the cutting edge angle on the shear strength and specific energy were scored by using the comprehensive evaluation of the membership-degree method.The quadratic polynomial regression model was established to optimize the shearing parameters by response surface methodology.The results showed that shear angle had most significant effect on the shearing properties, while the cutting edge angle had the least effect.The optimal conditions to shear the soybean straw were the straw moisture content of 25%, the shear angle of 60°, and the cutting edge angle of 45°, under which the comprehensive score was 0.969.

soybean straw; shearing properties; response surface methodology; optimization

O39

：A

：1007-1032(2017)01-0098-05

2016–07–11

2016–11–07

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)科技項(xiàng)目(201203096)

陳杰(1992—)，女，四川宜賓人，碩士研究生，主要從事糧油精深加工理論與技術(shù)研究，1067697577@qq.com；*通信作者，張黎驊，博士，教授，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械與裝備研究，zhanglihua69@126.com