北方煙草缽苗的物理及剪切力學(xué)特性研究

董 欣，邵 菲，楊 波，那明君

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

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北方煙草缽苗的物理及剪切力學(xué)特性研究

董 欣，邵 菲，楊 波，那明君

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計煙草缽苗移栽機(jī)的關(guān)鍵部件，通過對移栽期北方煙草缽苗的測定，利用數(shù)理統(tǒng)計方法分析移栽期煙草缽苗的物理特性，得出煙草缽苗主要物理特性指標(biāo)值的變化區(qū)間及分布頻率。通過剪切試驗(yàn)對移栽期煙草缽苗莖稈的不同部位剪切載荷、抗剪強(qiáng)度及剪切功耗進(jìn)行測試分析，得出煙草缽苗莖稈剪切部位對剪切破壞載荷及剪切功耗均存在顯著影響(α=0.05)，在距煙草缽苗缽體表面5～10mm處剪切破壞載荷和剪切功耗最大，抗剪強(qiáng)度均值為(1.10±0.12)MPa，試驗(yàn)可為北方煙草缽苗移栽部件的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

煙草缽苗；物理特性；剪切載荷；功耗；抗剪強(qiáng)度

0 引言

煙草是以育苗移栽方式為主的作物，我國近年煙葉種植面積穩(wěn)定在133.3萬hm2左右，但移栽機(jī)械化水平相對較低。人工移栽以大量的畜力、人工等傳統(tǒng)落后的生產(chǎn)工具和生產(chǎn)方式為主，不適用于規(guī)模種植模式[1-2]；機(jī)械化移栽可以提高煙草幼苗質(zhì)量，降低育苗成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，特別是可以大大降低農(nóng)民的勞動強(qiáng)度，對爭取更多的春耕時間，大幅度提高農(nóng)作物的種植效率具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[3-5]。

煙草缽苗的基本物理力學(xué)參數(shù)是其移栽機(jī)械設(shè)計與開發(fā)的基礎(chǔ)。如果移栽機(jī)械關(guān)鍵部件設(shè)計不當(dāng)，移栽過程中易對煙草缽苗造成機(jī)械損傷，影響煙苗移栽后的質(zhì)量及成活率[6-7]。目前，關(guān)于煙草缽苗莖稈力學(xué)特性的研究報導(dǎo)不多：尚蕾等[8]對煙苗進(jìn)行缽苗拔取及煙苗莖稈拉伸、壓縮、彎曲和剪切力學(xué)試驗(yàn)，獲取了煙苗拔取力、煙苗莖稈抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及煙苗莖稈彈性模量；惠東志[9]對煙苗抗拉斷力與取苗力進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出單株煙苗抗拉斷力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拔取力；肖名濤[10]等對不同品種的煙草缽苗的拉斷力、拔苗力及剪切特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出煙苗拔苗力遠(yuǎn)小于移栽期缽苗的拉斷力。但針對北方煙草缽苗莖稈不同部位剪切的破壞載荷及功耗影響規(guī)律的研究報導(dǎo)不多，且移栽機(jī)設(shè)計充分考慮煙草缽苗物理力學(xué)特性的研究尤為重要。為此，以北方移栽期煙草缽苗為研究對象，通過對其幾何物理特性參數(shù)的測定，探究移栽期幾何尺寸分布的規(guī)律；通過煙草缽苗莖稈不同位置剪切力學(xué)性能測定，獲得其剪切破壞載荷、剪切功耗和抗剪強(qiáng)度，旨在為北方煙草缽苗移栽機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

煙草缽苗的物理力學(xué)試驗(yàn)于2015年5月在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)材料煙草缽苗采自黑龍江省肇東市五站鎮(zhèn)煙站，品種“龍江911”，苗齡60天；試驗(yàn)對象為總體長勢均勻、含水率一致的煙草缽苗及其莖稈。其育苗方式為托盤營養(yǎng)缽，育苗缽盤選用東北煙區(qū)常用的標(biāo)準(zhǔn)通用穴盤，其幾何尺寸(長×寬)565 mm×325mm，規(guī)格為每行12株，每列10株，穴盤缽孔形狀圓臺形，規(guī)格(上口徑×下底徑×高)Φ40mm×Φ12mm×40mm，穴孔體積23.28cm3。依據(jù)GB/T1931-2009[11]測定含水率均值，莖稈(87.28±1.63)%，營養(yǎng)缽(33.84±5.35)%。為避免含水率對試驗(yàn)結(jié)果的影響，試樣采集當(dāng)天完成試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)主要設(shè)備為WDW-5型電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)、數(shù)顯游標(biāo)卡尺、卷尺、電熱鼓風(fēng)干燥箱及電子天平等。此外，還包括自制剪切試驗(yàn)夾具，試驗(yàn)機(jī)設(shè)備參數(shù)如表1所示。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集利用自主研制的C-LM4多通道拉壓力量儀，測試系統(tǒng)如圖1所示。通過傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給C-LM4多通道拉壓力測量儀，C-LM4多通道拉壓力測量儀將該電信號放大轉(zhuǎn)換成可顯示的數(shù)字信號，USB數(shù)據(jù)線將數(shù)字信號傳至電腦實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)采集、顯示和記錄。

表1 試驗(yàn)儀器及設(shè)備參數(shù)

1.PC1 2.C-LM4多通道拉壓力測量儀 3.WDW電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī) 4.拉壓力傳感器 5.試驗(yàn)夾具 6.主機(jī)箱 7.PC2

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 煙草缽苗幾何物理特性的測定

考慮煙草缽苗移栽機(jī)的設(shè)計要求，選擇煙草缽苗植株高度H、寬度B、單株質(zhì)量及距煙苗缽體表面5、10、20、30mm高處的莖稈直徑和含水率等參數(shù)作為幾何特征評價指標(biāo)，隨機(jī)采樣50個，分別測量每個樣本的基本幾何特性，用數(shù)理統(tǒng)計方法分析預(yù)測其變化區(qū)間及分布規(guī)律。煙草缽苗幾何模型如圖2所示。

1.煙苗 2.缽體

1.3.2 煙草缽苗莖稈不同部位的剪切特性試驗(yàn)

目前，煙草缽苗莖稈剪切力學(xué)性能的試驗(yàn)方法還沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，論文參考其它材料相關(guān)的力學(xué)試驗(yàn)，在電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī)上采用單因素重復(fù)試驗(yàn)的方法，以一定的加載速率，測定煙苗莖稈在剪切加載條件下不同生長部位試樣產(chǎn)生破壞的載荷、功耗和抗剪強(qiáng)度。

從待測的煙草缽苗中隨機(jī)取樣，自缽苗缽體表面向上取40mm長剪斷缽苗，去葉處理制成缽苗莖稈剪切試樣，測量試樣直徑。

按著對試樣分別距缽體表面5、10、20、30mm處設(shè)計4水平單因素試驗(yàn)，對缽苗莖稈試樣直徑和力學(xué)特性參數(shù)分別進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)處理，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取5次結(jié)果均值作為試驗(yàn)結(jié)果，試樣20個。試驗(yàn)時，將剪切夾具置于試驗(yàn)機(jī)上，煙苗莖稈試樣置于自制剪切夾具上，如圖3所示。試驗(yàn)機(jī)以10mm/min均勻速率加載試驗(yàn)[12-13]，觀察試驗(yàn)過程并通過測試系統(tǒng)實(shí)時記錄剪切位移-載荷數(shù)據(jù)，記錄產(chǎn)生剪切破壞載荷和最大破壞載荷。

1. 試樣 2.動刀片 3.靜刀片 4.支架

煙苗莖稈剪切強(qiáng)度根據(jù)試驗(yàn)記錄的剪切位移-載荷數(shù)據(jù)，則有

式中 τ—剪切強(qiáng)度(MPa)；

Pmax—煙苗莖稈剪切破壞載荷(N)；

d—煙苗莖稈橫截面積直徑(mm2)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 煙草缽苗幾何物理特性

2.1.1 煙苗基本物理特性

煙草缽苗基本物理特征評價指標(biāo)統(tǒng)計分析結(jié)果如表2所示。根據(jù)樣本參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差可預(yù)測出煙草缽苗幾何物理特征評價指標(biāo)的變化區(qū)間[14]。煙草缽苗自然狀態(tài)下的高度為[115.7，188.3]mm，寬度為[80.8，182.0]mm，單株重為[15.0，17.8]g，距缽苗缽體上表面5mm處莖稈直徑為[3.45，4.39]mm，含水率為[84.02，90.54]%。

表2 煙草缽苗基本物理特性參數(shù)

煙草缽苗高度、寬度、距缽體上表面5mm處莖稈直徑3個參數(shù)的概率分布直方圖如圖4所示。

(a) 煙草缽苗高度

(b) 煙草缽苗寬度

(c) 缽苗距缽體5mm處莖稈直徑

由圖4(a)知，煙草缽苗高度主要分布在[135，175]mm，占總樣本數(shù)的80%，約有92%的煙草缽苗高度小于等于175mm。由圖4(b)知：煙草缽苗寬度主要分布在[100，160]mm，占總樣本數(shù)74%，約有88%的煙草缽苗寬度小于等于160mm。由圖4(c)知：煙草缽苗莖稈直徑主要分布在[3.55，4.30]mm，占樣本總數(shù)90%，約有96%的煙草缽苗莖稈直徑小于等于4.30mm。

2.1.2 煙苗莖稈不同部位的含水率

對采集的煙草缽苗去葉，隨機(jī)抽取較為均勻的莖稈，對距缽體上表面5、10、20、30mm處的各部位用游標(biāo)卡尺分別測量莖稈直徑，從50株測量樣品中取10株用烘干法分別測量不同生長部位的含水率，結(jié)果如表3所示。

煙草缽苗莖稈不同生長部位的特征有差異，靠近煙苗莖稈下部的直徑大于上部，莖稈下部含水率高于上部。由此表明在同一株煙苗莖稈中，從試樣的底部到上部直徑呈逐漸減小、含水率呈逐漸降低的變化趨勢。

表3 煙草缽苗莖稈不同部位直徑和含水率均值

Table3 Tobacco pot seedling average diameter and moisture content at different parts

2.2 剪切部位對煙苗莖稈剪切載荷的影響

試驗(yàn)中，試樣的變形范圍0～5mm，加載速度10mm/min，初始載荷5N。在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上，利用自制剪切夾具，采用自主設(shè)計的測試軟件依次對距缽體上表面5、10、20、30mm處的煙草缽苗莖稈進(jìn)行剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中，隨著剪切位移逐漸增大，在剪切試樣的位移-載荷曲線上可以觀察到曲線出現(xiàn)鋸齒波動點(diǎn)，由此可獲得煙草缽苗莖稈不同部位產(chǎn)生剪切破壞的載荷，計算得出不同剪切部位5次重復(fù)試驗(yàn)產(chǎn)生剪切破壞的載荷統(tǒng)計指標(biāo)，如表4所示。

表4 不同部位煙苗莖稈產(chǎn)生剪切破壞的載荷

圖5為煙草缽苗莖稈試樣剪切部位與剪切最大破壞載荷的關(guān)系曲線。由圖5可知：在加載速度保持不變的情況下，剪切部位對煙苗莖稈產(chǎn)生剪切最大破壞載荷具有較大的影響。隨著剪切位置逐漸遠(yuǎn)離煙苗莖稈的底部，煙苗莖稈被剪時產(chǎn)生的最大破壞載荷呈先緩慢增大后明顯減小趨勢，剪切最大破壞載荷在距離莖稈底部5～10mm處取得最大值26.3N，即取得較好抗剪切力。經(jīng)方差分析得出：在顯著性水平α=0.05的情況下，煙苗莖稈剪切部位對試樣剪切產(chǎn)生的最大破壞載荷影響差異顯著。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用Excel處理得出剪切位移-載荷曲線，如圖6所示。由圖6可知：煙苗莖桿剪切力隨位移呈先上升后下降的變化趨勢。

圖5 剪切部位-最大破壞載荷

圖6 剪切位移-載荷曲線

在試樣加載剪切初始階段，剪切位移-載荷曲線基本呈線性變化，載荷隨剪切位移的增大而緩慢升高，不同剪切部位的剪切位移-載荷增加速率基本一致；但彈性階段4個剪切部位的位移不同，遠(yuǎn)離莖稈底部的位置彈性范圍較小，此時莖稈在剪切力的作用下首先發(fā)生彈性變形。這是因?yàn)闊煵堇徝缜o稈的剪切曲線規(guī)律與該材料的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，煙苗莖稈自底部向上直徑逐漸減小，彈性變形范圍縮小。隨后剪切載荷隨剪切位移的加大逐漸增大，剪切位移-載荷曲線呈非線性變化，曲線出現(xiàn)鋸齒波動，這是因?yàn)殡S剪切力的增大，莖稈表皮出現(xiàn)裂紋，結(jié)構(gòu)逐漸被破壞；隨著位移繼續(xù)增加，剪切載荷上升速率逐漸降低，被剪切部位內(nèi)凹，載荷逐漸增加至峰值，該值為剪切過程中最大剪切破壞載荷，莖稈芯部被破壞。煙苗莖稈芯部組織被破壞后，曲線呈非線性下降趨勢，剪切力逐漸減小直至剪切位移達(dá)到極限莖桿被剪斷，如圖7所示。

2.3 剪切部位對煙苗莖稈剪切功耗的影響

由剪切位移-載荷數(shù)據(jù)，利用MatLab軟件按公式編程獲得剪切位移-功耗曲線，如圖8所示。

式中 W—剪切功耗(J)；

F—載荷(N)；

Δh——位移(mm)。

由圖7可知：在加載速度保持不變的情況下，煙草缽苗莖稈的剪切功耗隨剪切位移的增大呈逐漸增大趨勢。在剪切初始階段，不同部位剪切功耗變化曲線基本相同，對應(yīng)剪切載荷曲線為彈性階段部分，當(dāng)距缽體表面5mm處的煙苗莖稈剪切位移均值達(dá)(2.28±0.33)mm左右時，煙苗莖稈從表皮開始被破壞，剪切功耗曲線上升速率也逐漸增大，直到煙苗莖稈被剪斷。

圖7 剪切位移-功耗曲線

由煙苗莖稈產(chǎn)生剪切破壞的位移得到其對應(yīng)的剪切破壞功耗，不同部位5次重復(fù)試驗(yàn)產(chǎn)生剪切破壞的剪切功耗統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。

表5 不同部位煙苗莖稈產(chǎn)生剪切破壞的功耗

圖8為煙苗莖稈產(chǎn)生剪切破壞時剪切部位與剪切功耗的關(guān)系曲線。由圖8知：功耗曲線與剪切載荷曲線的規(guī)律近似相同，隨剪切部位逐漸遠(yuǎn)離莖稈底部，產(chǎn)生剪切破壞的剪切功耗變化趨勢為先緩慢增大后明顯減小，在距煙苗莖稈底部5～10mm處剪切功耗值最大。方差分析可知：在顯著性水平α=0.05的情況下，煙苗莖稈不同剪切部位產(chǎn)生剪切破壞的剪切功耗存在顯著性差異。

圖8 剪切部位-功耗關(guān)系曲線

2.4 剪切部位對煙苗莖稈抗剪強(qiáng)度的影響

煙草缽苗莖稈不同部位抗剪強(qiáng)度統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。由表6可知：煙苗莖桿抗剪強(qiáng)度隨剪切部位逐漸遠(yuǎn)離莖稈底部其變化波動不大。經(jīng)方差分析表明：在顯著性水平α=0.05的情況下，煙草缽苗莖稈不同剪切部位的抗剪強(qiáng)度差異不顯著。

表6 煙苗莖稈不同部位抗剪強(qiáng)度

3 結(jié)論

1)北方移栽期煙草缽苗高度、寬度、莖稈直徑、單株質(zhì)量和含水率分別為(152±18.1)mm、(131.4±25.3)mm、(3.92±0.24)mm、(16.4±0.7)g和(87.28±1.63)%。

2)煙草缽苗莖稈剪切部位對產(chǎn)生剪切破壞載荷、剪切功耗、剪切強(qiáng)度均存在顯著影響(α=0.05)。

3)移栽期北方煙草缽苗莖稈取樣部位在距缽體表面5～10mm處剪切破載荷、剪切功耗及剪切強(qiáng)度值均為最大，抗剪強(qiáng)度均值為(1.10±0.12)MPa。為了避免煙苗受到損傷，取苗移栽的拔取夾持部位應(yīng)選取莖稈距缽體表面5～10mm處。

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Physical and Shear Mechanical Characteristics of Tobacco Seedlings in Northern China

Dong Xin，Shao Fei，Yang Bo，Na Mingjun

(Engineering College, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

In order to further optimize design the key components of tobacco seedling transplanting machine through the determination of northern tobacco seedlings during transplanting period. Analyzing the geometrical and physical characteristics of tobacco seedlings by mathematical statistics and obtain the variation range of the main geometrical characteristic index value and the frequency distribution of the tobacco seedlings. Through the experiment and analysis of shear stress, shear strength and power consumption of different parts of tobacco seedlings stem in the transplanting period，it is significant that the tobacco seedling stem cutting position influence the load on the shear failure、shear strength and shear strength of power(α=0.05).The shear failure load, shear power and shear strength at the tobacco bowl surface 5～10mm are the largest，and average value of shear strength is(1.10±0.12)MPa. The experiment results provide a scientific basis for the design of the transplanting parts of the tobacco seedlings in northern China.

tobacco seedlings; mechanics characteristic; shear load; power consumption; shear strength

2016-04-12

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)與開發(fā)計劃項(xiàng)目(GC13B604)

董 欣(1962-)，女，吉林德惠人，教授，(E-mail)Dongxin@neau.edu.cn。

S183;S563.9

A

1003-188X(2017)05-0181-06