甘薯成熟期秧蔓的機(jī)械物理特性參數(shù)研究

鄭文秀，呂釗欽,2，鹿 瑤，魏樂樂，劉正鐸，蔡玉虎

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018；2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗室，山東 泰安 271018)

0 引言

甘薯起源于南美洲熱帶地區(qū)，又稱紅薯、地瓜、番薯、紅笤等，不僅可以加工成多種類型的食品，而且是重要的輕工業(yè)原料及新型的能源用料[1-3]。甘薯是長藤蔓作物，其秧蔓產(chǎn)量高、生長茂盛，并貼地生長，覆蓋整壟，且行與行之間的莖秧匍匐纏繞嚴(yán)重，不易分開[4-5]。因此，收獲甘薯時首先需要清除秧蔓，否則后續(xù)的甘薯收獲機(jī)械挖掘工作無法開展[6]。目前，國外甘薯秧蔓的處理主要以秧蔓直接粉碎還田為主，以收集運(yùn)出作飼料為輔。我國機(jī)械化處理甘薯秧蔓也是主要采用秧蔓直接粉碎還田技術(shù)，但現(xiàn)有的甘薯去蔓機(jī)仍然存在很大的局限性，工作阻力大、能量消耗高、留茬長度長、粉碎合格率低及傷薯率高等問題一直以來都未得到有效的解決，嚴(yán)重制約著該項技術(shù)的應(yīng)用和推廣[7-10]。

成熟期甘薯秧蔓的機(jī)械力學(xué)性能是影響甘薯秧處理回收機(jī)主要作業(yè)指標(biāo)的重要因素，如秧蔓回收率、粉碎長度合格率及壟頂留茬高度等。因此，研究甘薯秧蔓的機(jī)械力學(xué)性能對甘薯秧處理回收機(jī)切割裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及作業(yè)參數(shù)確定等具有一定的指導(dǎo)和實(shí)際意義。由于缺乏對甘薯秧蔓力學(xué)性質(zhì)試驗研究，甘薯秧處理回收機(jī)切割部件的參數(shù)選擇與設(shè)計沒有可靠理論依據(jù)，僅限于經(jīng)驗估測。研究甘薯秧蔓的力學(xué)特性是建立甘薯秧蔓材料模型和秧蔓在各種載荷下本構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)。

近年來，農(nóng)作物莖稈的力學(xué)特性研究受到普遍重視，相關(guān)研究也日益增多。國內(nèi)專家胡良龍對甘薯收獲期藤蔓莖稈的機(jī)械特性進(jìn)行了研究，揭示了莖稈含水率、剪切強(qiáng)度和機(jī)械碎蔓作業(yè)質(zhì)量的內(nèi)在關(guān)系[11]。陳超科等對高粱秸稈進(jìn)行壓縮、彎曲等試驗測試，發(fā)現(xiàn)高粱秸稈有節(jié)處和無節(jié)處的力學(xué)性能有差別[12]。閆以勛等對大豆莖稈的微觀結(jié)構(gòu)與莖稈的力學(xué)特性關(guān)系進(jìn)行了研究[13]。馬征等利用物性測定儀對收獲期的油菜莖稈進(jìn)行了彈性力學(xué)特性試驗[14]。盧強(qiáng)等對秧草莖稈的質(zhì)量、抗剪切力和拉伸力進(jìn)行了實(shí)驗，揭示了直徑大小與拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律[15]。張西良等研究了黃瓜藤秸稈的力學(xué)特性與纖維結(jié)構(gòu)[16]。但是，針對秧蔓類莖稈的力學(xué)特性參數(shù)研究還不多見。本文以甘薯秧莖稈為研究對象，采用試驗測定方法測得甘薯秧的拉伸、壓縮和彎剪彈性模量，其他力學(xué)性能參數(shù)通過材料力學(xué)及彈性力學(xué)理論方法獲得[17-19]，從而確定材料模型所需參數(shù)，并進(jìn)行相應(yīng)的分析，為開發(fā)和改進(jìn)甘薯秧切割粉碎回收機(jī)械提供理論支持。

1 甘薯秧蔓材料的研究

1.1 結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)

甘薯是一年生植物，甘薯秧莖稈由外向內(nèi)主要由青皮、韌皮纖維組織和薄壁組織組成。莖稈的力學(xué)性能主要由表皮和韌皮纖維組織承擔(dān)，韌皮纖維組織以內(nèi)是疏松的薄壁組織，主要起貯存和輸送養(yǎng)分及水分的作用。對甘薯秧進(jìn)行切割研究，重點(diǎn)研究甘薯秧根部力學(xué)性能，必須建立相應(yīng)的材料模型。對甘薯秧蔓生理特征的研究結(jié)果表明：甘薯秧沿纖維方向的力學(xué)特性與沿橫向的力學(xué)特性不同，即在互相垂直的兩個方向上具有不同的力學(xué)特性，表現(xiàn)為各向異性；而在垂直于纖維方向的平面內(nèi)，各方向力學(xué)特性相同，表現(xiàn)為各向同性。這樣的材料稱為橫觀各向同性材料，是正交各向異性材料的一種特殊情況[20]。因此，將甘薯秧看作橫觀各向同性材料模型。

1.2 確定材料的本構(gòu)

本構(gòu)關(guān)系是反映材料固有特性的關(guān)系式[21]。通過前面分析，將甘薯秧莖稈看作橫觀各向同性材料。橫觀各向同性材料常數(shù)的本構(gòu)關(guān)系矩陣為

2 試驗材料與方法

2.1 試樣采集

甘薯秧樣本取自山東農(nóng)業(yè)大學(xué)甘薯種植基地。以商薯19號為試驗對象，5月初栽，10月中下旬收獲，一年一季種植，種植模式為單壟單行種植，機(jī)械起壟，壟距為900mm，株距為250mm。本次試驗材料取樣時間為2016年10月20日，從距離地面2cm 的根管處剪斷，取樣后在實(shí)驗室去除分枝、枝葉，留下主莖稈部分作為試驗對象。用干燥法測得甘薯秧莖稈的平均含水率為78.2%。

2.2 試驗儀器

試驗設(shè)備主要包括：微機(jī)控制電子式萬能試驗機(jī)(WDW-5E型，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司，其力傳感器和位移傳感器精度分別在±1%以內(nèi))，游標(biāo)卡尺，直尺等測量工具。應(yīng)力-應(yīng)變及載荷-位移關(guān)系可由計算機(jī)自動以描點(diǎn)方式記錄，各點(diǎn)坐標(biāo)及結(jié)構(gòu)參數(shù)均可由指定文件讀出。

2.3 試驗方法

2.3.1 拉伸試驗

甘薯秧拉伸試驗的試樣長度為200mm，用波紋式拉伸夾頭夾緊試樣的上下兩端，試樣兩端各夾持30mm長，加載速度為10mm/min，用戶參數(shù)選擇試件的直徑、長度，試驗重復(fù)10次。計算機(jī)記錄下每個試件拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖1所示。

圖1 甘薯秧的拉伸試驗

2.3.2 壓縮試驗

甘薯秧壓縮試驗試樣應(yīng)通直，并且兩端必須保持平齊，徑向壓縮試驗以試件長半軸為橫軸，短半軸為縱軸進(jìn)行壓縮，取試樣長度20mm。將試樣置于球面滑動支座中心位置，施加速度為5m/min，試驗重復(fù)10次。試驗獲得每個試件壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。

圖2 甘薯秧的壓縮試驗

2.3.3 彎曲試驗

甘薯秧的彎曲試驗采用三點(diǎn)彎曲方法測定[24]，如圖3所示。

圖3 三點(diǎn)彎曲

甘薯秧彎曲試驗試樣長度100mm，跨距40mm，兩端外延長30mm。采用專用的三點(diǎn)彎曲試驗裝置及壓頭，在微控電子萬能試驗機(jī)上施加速度為10mm/min，用戶參數(shù)設(shè)定試件長度和試件跨度，試驗重復(fù)10次，微機(jī)自動記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗獲得每個試件彎曲的載荷-位移曲線，如圖4所示。

缺鈣發(fā)生原因：通常在土壤酸度較大（pH較低）的情況下易導(dǎo)致缺鈣。柑橘對鈣的需求量較大，但由于在柑橘生產(chǎn)中常施石灰、過磷酸鈣、鈣鎂磷肥及噴含鈣的肥料、農(nóng)藥等，使得柑橘園缺鈣的現(xiàn)象并不多見。僅山坡地，或土質(zhì)差、土壤有機(jī)質(zhì)含量低時，鈣素易流失，會導(dǎo)致土壤缺鈣。其次，大量施用生理酸性的化肥，易使土壤酸化，并加速鈣的流失。另外，在干旱年份土壤水分不足時，氮和其他鹽離子（如鉀）濃度相應(yīng)提高，影響根系對鈣的吸收，也會發(fā)生暫時缺鈣。近年發(fā)現(xiàn)柑橘裂果趨勢越來越嚴(yán)重，與土壤營養(yǎng)失衡密切相關(guān)，土壤過量的磷和鉀是造成柑橘缺鈣裂果的主要原因。

圖4 甘薯秧的彎曲試驗

3 結(jié)果與分析

3.1 甘薯秧蔓的軸向拉伸彈性模量Ez

按照試驗方案將拉伸試樣放置于夾持部件，采集系統(tǒng)調(diào)零，試驗數(shù)據(jù)由試驗軟件自動采集，得到“應(yīng)力-應(yīng)變”曲線。圖5為甘薯秧蔓10個試件拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖5 甘薯秧拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖5可以看出：甘薯秧試樣隨著拉伸載荷的逐步增加而達(dá)到破壞極限。在試驗過程中，開始預(yù)緊階段有小部分滑移，其余曲線近似成線性關(guān)系。依據(jù)最小二乘法原理，對每次拉伸試驗所得的曲線中近似線性部分的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析，得出甘薯秧拉伸時應(yīng)力與應(yīng)變的一元線性關(guān)系。同時，得到每個試樣的拉伸彈性模量，去除最大值和最小值，將其余數(shù)據(jù)記錄于表1中。表1為8個試件拉伸試驗結(jié)果，彈性模量平均值為179.77MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為54.04 MPa。

表1 甘薯秧拉伸試驗結(jié)果

3.2 甘薯秧蔓的徑向壓縮彈性模量Ex和Ey

按照試驗方案將壓縮試樣放置于壓縮部件，采集系統(tǒng)調(diào)零，進(jìn)行試驗，試驗數(shù)據(jù)由試驗軟件自動采集，得到“應(yīng)力-應(yīng)變”曲線。圖6為甘薯秧蔓10個試件壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖6 甘薯秧壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線

由圖6可以看出：甘薯秧試樣隨著壓縮載荷的逐步增加，試件抵抗逐漸增大，在試驗過程中，試樣水分被逐漸壓縮擠出。依據(jù)最小二乘法原理，對每次壓縮試驗所得的曲線中近似線性部分的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸分析，得出甘薯秧壓縮時應(yīng)力與應(yīng)變的一元線性關(guān)系。同時，得到每個試樣的壓縮彈性模量，去除最大值和最小值，將其余數(shù)據(jù)記錄于表2中。表2為8個試件壓縮試驗結(jié)果，彈性模量平均值為15.34MPa，標(biāo)準(zhǔn)為8.37MPa。

表2 甘薯秧壓縮試驗結(jié)果

3.3 甘薯秧蔓的彎剪彈性模量Gxz和Gyz

按照試驗方案將試樣放置于三點(diǎn)彎曲試驗裝置，采集系統(tǒng)調(diào)零，進(jìn)行試驗，試驗數(shù)據(jù)由試驗軟件自動采集，得到“載荷-位移”曲線。圖7為甘薯秧蔓10個試件彎曲載荷—位移曲線。

圖7 甘薯秧彎曲載荷—位移曲線

根據(jù)試驗記錄的載荷與位移關(guān)系，可以計算出彎剪模量。取各曲線線性關(guān)系良好段落的最大點(diǎn)作為載荷，最大載荷對應(yīng)的位移為試件中點(diǎn)的彎曲撓度，根據(jù)相關(guān)公式得到試件的彎曲剪切模量，去除最大值和最小值記錄于表3中。表3為8個試件彎曲試驗結(jié)果，彎剪彈性模量平均值為71.79MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為34.11MPa。

表3 甘薯秧彎曲試驗結(jié)果

3.4 同性面橫向剪切模量Gxy

3.5 同性面泊松比uxy

3.6 甘薯秧蔓異性面泊松比uxz、uyz

4 結(jié)論

1)通過力學(xué)性能試驗得到“商薯19號”甘薯秧材料彈性常數(shù)，其拉伸彈性模量為179.77 MPa，壓縮彈性模量為15.34 MPa，彎剪彈性模量為71.79MPa。運(yùn)用材料力學(xué)及彈性力學(xué)理論，確定同性面橫向剪切模量為6.00MPa，同性面泊松比為0.28，異性面泊松比為0.03，為建立甘薯秧蔓的有限元模型進(jìn)行甘薯秧蔓的切割研究提供了理論依據(jù)。

2)甘薯秧的軸向拉伸彈性模量與徑向壓縮彈性模量存在顯著差異，甘薯秧表現(xiàn)為各向異性彈性材料模型。試驗結(jié)果為建立甘薯秧蔓的力學(xué)模型進(jìn)行甘薯秧蔓的切割研究提供了理論依據(jù)，對甘薯秧處理回收機(jī)切割裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及作業(yè)參數(shù)確定等具有一定的指導(dǎo)和實(shí)際意義。

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AbstractID:1003-188X(2018)06-0173-EA

Abstract： In order to provide mechanical property parameters for the design of sweet potato vine cutter and for the dynamic analysis of cutting process, this paper used the ShangShu No.19 sweet potato vine in harvesting period as the test material, carried out the tensile、compression and bending tests of sweet potato vine through the WDW-5 micro controlled electronic universal testing machine. The results show that the tensile elastic modulus is 179.77 MPa, the compressive elastic modulus is 15.34 MPa, and the bending shear modulus is 71.79 MPa. By using elastic mechanics and material mechanics theory, the transverse shear modulus of isotropic plane is 6.00MPa, the Poisson’s ratio of isotropic plane is 0.28, and the Poisson's ratio of anisotropic plane is 0.03.The results showed that there was a distinct difference between transverse tensile elastic modulus and radial compressive elastic modulus of sweet potato vine, so sweet potato vine is considered to be anisotropic material, when establishing the mechanical model, the anisotropic constitutive relations should be adopted. The results provide a theoretical basis for the establishment of the sweet potato vine finite element model and it is of great guidance and practical significance to the related structure design of the cutting parts of sweet potato vine crushing and returning machine.

Keywords： sweet potato vine； mechanical property; elastic modulus