中部煙葉主脈的力學(xué)特性試驗

仝振偉 張秀麗 鄒彩虹 侯朝朋 吳亞文

摘要：以中煙100的中部煙葉主脈為試驗對象，在1 000 N微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗，測得主脈拉伸力-變形曲線，以及主脈拉伸的最大載荷、拉伸強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)指標(biāo)。結(jié)果表明：在不同的加載速度下，中部煙葉主脈拉伸力-變形曲線與斷口類型有3種情況，分別是平齊狀、凹凸?fàn)詈碗A梯狀;中部欠熟煙葉主脈拉伸的平均最大載荷為136.4 N，平均拉伸強(qiáng)度為2.06 MPa，平均彈性模量為39.65 MPa;中部成熟煙葉主脈的平均最大載荷為131.0 N，平均拉伸強(qiáng)度為1.85 MPa，平均彈性模量為34.41 MPa;對中部和下部煙葉主脈的力學(xué)性能進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示，中部煙葉采收需要更大的力。試驗結(jié)果為中部煙葉采收和煙草采收機(jī)械的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：中部煙葉;主脈;力學(xué)特性;拉伸強(qiáng)度;彈性模量

中圖分類號： S225.99文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）21-0270-03

收稿日期：2018-08-06

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：31501213）;河南省科技攻關(guān)項目（編號：102102210535）;河南省博士后科研一等資助項目（編號：2012046）。

作者簡介：仝振偉（1992—），男，河南鹿邑人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。E-mail：tongzhenwei917@163.com。

通信作者：張秀麗，博士，副教授，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)研究。E-mail：zhangxiuli619@126.com。

根據(jù)煙葉在莖稈上的位置不同，通常將煙葉分為下部葉、中部葉和上部葉[1]。由于不同部位煙葉的生長周期與采收時間不同，導(dǎo)致不同部位的煙葉主脈具有不同的力學(xué)特性[2]，在主脈的拉伸強(qiáng)度、彈性模量等方面具有差異。在煙葉采收過程中，主脈是主要受力點，所以煙葉主脈的力學(xué)特性研究對發(fā)展煙葉采收機(jī)械、減小煙葉損傷率具有重要意義[3-5]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對小麥秸稈、玉米秸稈、牧草莖稈、苧麻莖稈等植物莖稈的拉伸特性、剪切特性等力學(xué)特性進(jìn)行了研究[6]，并對力學(xué)特性對植物倒伏的影響做了研究[7-9]。呂宗迎等設(shè)計了小麥莖稈力學(xué)特性測試系統(tǒng)，并對小麥莖稈的強(qiáng)度、抗倒伏性等進(jìn)行研究[10-11];王帥等對玉米鮮秸稈的彎曲、壓縮等力學(xué)特性進(jìn)行了研究[12];武翠卿等對玉米秸稈自干后的彎曲強(qiáng)度、內(nèi)芯的彈性模量等力學(xué)特性進(jìn)行了研究[13];趙春花等對4個不同品種的豆禾牧草莖稈的抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等力學(xué)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，豆禾牧草的抗拉強(qiáng)度與其直徑之間呈冪函數(shù)負(fù)相關(guān)關(guān)系，莖稈抗剪切強(qiáng)度均隨直徑增大有減小的趨勢[14-15];張秀麗等研究了下部煙葉成熟度、含水量對主脈力學(xué)特性的影響[16];尚蕾等對移栽期煙草缽苗進(jìn)行了力學(xué)特性研究，為托盤內(nèi)煙苗的拔取提供了依據(jù)[17]。本研究通過對中煙100的中部煙葉不同時期主脈拉伸的最大載荷、拉伸強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)特性進(jìn)行了試驗分析，并與下部煙葉主脈的力學(xué)特性進(jìn)行對比，為中部煙葉的采收時間以及不同部位煙葉采收施力大小提供了理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1材料與儀器

試驗煙草品種為中煙100，種植于河南省許昌市禹州市小呂鄉(xiāng)羅莊全程機(jī)械化示范點。試驗田質(zhì)地為壤土，土壤肥力中等。根據(jù)中部煙采收的原則[18-19]，以移栽后葉齡作為成熟度標(biāo)準(zhǔn)，參考煙葉的生長情況，分別于2017年7月23日（移栽后73 d，70%成熟度，葉面黃綠色，7成黃，主脈變白2/3以上，茸毛部分脫落，莖葉夾角為銳角）、2017年8月1日（移栽后80 d，80%成熟度，葉面落黃8成左右，主脈全白發(fā)亮，支脈變白，茸毛大部分脫落，葉尖葉緣下垂）[20-22]在田間選取生長良好、無病蟲害的中部第7張煙葉的主脈為研究對象。

試驗所用儀器為直尺、游標(biāo)卡尺、濟(jì)南耐爾試驗機(jī)有限公司制造的WDW-1E微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)、自制煙葉主脈裝夾裝置等。

1.2試驗方法

通過自制的煙葉主脈裝夾用裝置，利用濟(jì)南耐爾試驗機(jī)有限公司制造的WDW-1E微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)對選取的中部煙葉主脈進(jìn)行力學(xué)性能拉伸試驗。在選取樣品時盡量保證主脈橫截面尺寸大致相同，去除煙葉的葉肉和支脈等部分，只剩余主脈部分，將主脈從煙基處開始量取180 mm，剪斷，去除過程中要防止主脈受損。試驗時，將煙葉主脈兩端分別用自制煙葉主脈裝夾裝置裝夾50 mm，使煙葉主脈保持垂直。試驗載荷由載荷傳感器傳遞，可測出煙葉主脈被拉斷時的最大抗拉力。位移通過光電編碼器傳遞，應(yīng)變通過機(jī)器的應(yīng)變單元傳遞，用直尺和游標(biāo)卡尺測量試樣的原始尺寸，將試樣的參數(shù)輸入計算機(jī)，選取測定的不同直徑的試樣要保證其形態(tài)一致性，長度相同且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其直徑。隨著載荷增加，斷裂處在試樣主脈中間位置時，抗拉試驗為成功。試驗中，調(diào)整上拉頭移動速度，實現(xiàn)不同的加載速度。計算斷裂位置橫截面積，計算彈性模量。

2結(jié)果與分析

2.1主脈拉伸力-變形曲線分析

分別選擇欠熟和成熟煙葉主脈，每種加載速度取10個樣本，應(yīng)用“1.2”節(jié)所述試驗方法對中部煙葉主脈進(jìn)行拉伸試驗。在不同加載速度下有2種情況，如圖1所示。

在拉伸試驗機(jī)的上拉頭以固定速度500 mm/min進(jìn)行拉伸加載時，中部煙葉主脈的拉伸力-變形曲線如圖1-a所示，可以看出，在500 mm/min的加載速度下，拉伸力-變形曲線可分為5個階段。第1階段（a→b），在上拉頭的作用下，試樣被提起，自制煙葉主脈夾具與試驗機(jī)固定端間隙被消除。第2階段（b→c），在該階段內(nèi)，試樣在夾具內(nèi)少許滑移，試樣被拉直。第3階段（c→d），在該階段內(nèi)，試樣處于彈性階段，拉伸力與變形近似呈線性變化，為線性失效階段，其中d點對應(yīng)的為最大屈服載荷。第4階段（d→e），隨變形不斷增大，主脈內(nèi)組織開始斷裂，拉伸力-變形曲線呈微彎狀態(tài)，為非線性失效階段，在曲線最高點試樣斷裂，材料失效。第5階段（e→f），試樣斷裂，載荷卸載。

在拉伸試驗機(jī)的上拉頭以固定速度200 mm/min進(jìn)行拉伸加載時，中部煙葉主脈的拉伸力-變形曲線如圖1-b所示，可以看出，在200 mm/min的加載速度下，拉伸力-變形曲線可分為5個階段，其中試樣在度過非線性變形階段開始斷裂時，可以看到由于試樣部分?jǐn)嗔?，出現(xiàn)了卸載緩慢的e→e′階段。

在拉伸試驗機(jī)的上拉頭以固定速度100 mm/min進(jìn)行拉伸加載時，中部煙葉主脈的拉伸力-變形曲線如圖1-c所示，可以看出，在100 mm/min的加載速度下，拉伸力-變形曲線可分為6個階段，其中在非線性失效階段出現(xiàn)2個峰值，觀察分析可知，在試樣拉伸過程中在同一部位發(fā)生了2次斷裂。

2.2加載速度對中部煙葉主脈拉伸的影響

如圖2所示，在不同加載速度下，中部煙葉的主脈在拉伸時斷口呈現(xiàn)不同的形狀。在500 mm/min加載速度下，主脈斷口平齊，符合圖1-a變化曲線。在200 mm/min加載速度下，主脈外圍韌皮部先斷裂，主脈韌皮部與木質(zhì)部分離，主脈斷口呈凹凸?fàn)?，符合圖1-b變化曲線。在100 mm/min加載速度下，主脈分2次斷裂，斷口呈階梯狀，符合圖1-c變化曲線。

2.3中部與下部成熟煙葉的主脈力學(xué)特性對比

對中部成熟煙葉主脈進(jìn)行拉伸試驗，由表1可知，中部成熟煙葉主脈拉伸最大載荷為95.4～149.3 N，其平均值為1310 N;拉伸強(qiáng)度為1.22～2.29 MPa，其平均值為1.85 MPa;彈性模量為28.82～36.92 MPa，其平均值為34.41 MPa。

中部成熟煙葉主脈與下部成熟煙葉主脈的拉伸強(qiáng)度和彈性模量對比如圖3、圖4所示。下部成熟煙葉主脈的拉伸強(qiáng)度平均值為1.79 MPa，小于中部成熟煙葉主脈的拉伸強(qiáng)度;下部成熟煙葉主脈的彈性模量平均值為26.01 MPa，小于中部成熟煙葉主脈的彈性模量。觀察中部和下部成熟煙葉主脈發(fā)現(xiàn)，下部成熟煙葉主脈在尖部1/2～1/3處彎曲，中部成熟煙葉主脈在尖處1/3以上處稍彎曲，且煙葉主脈是由下往上逐漸變粗的。說明中部煙葉主脈發(fā)生一定彈性變形的應(yīng)力大于下部煙葉;中部煙葉在用煙草采收機(jī)械進(jìn)行采收時，采收刀所需施加力大于下部煙葉，同一臺煙草采收機(jī)械在進(jìn)行采收時，中部煙葉所需轉(zhuǎn)速大于下部煙葉。

2.4中部欠熟與成熟煙葉的主脈力學(xué)特性對比

中部欠熟煙葉主脈拉伸試驗結(jié)果如表2所示，中部欠熟煙葉主脈拉伸最大載荷為93.4～152.4 N，其平均值為

136.4 N;拉伸強(qiáng)度為1.29～2.55 MPa，其平均值為

2.06 MPa;彈性模量為29.47～46.69 MPa，其平均值為39.65 MPa。中部欠熟煙葉主脈與中部成熟煙葉主脈的彈性模量對比如圖5所示，可見，中部成熟煙葉主脈的平均彈性模量小于中部欠熟煙葉主脈的彈性模量，說明中部煙葉適宜在成熟時采收。

3結(jié)論

中部煙葉主脈拉伸力-變形曲線有3種類型。當(dāng)加載速度為500 mm/min時?主脈一次性斷裂?對應(yīng)斷口平齊; 當(dāng)加載速度為200 mm/min時，主脈韌皮部與木質(zhì)部分離，韌皮部先斷裂，主脈內(nèi)木質(zhì)部后端斷裂，主脈斷口呈凹凸?fàn)睿瑢?yīng)的主脈拉伸力-變形曲線出現(xiàn)2次卸載;當(dāng)加載速度為100 mm/min 時，主脈由中間木質(zhì)部分成2部分依次斷裂，主脈斷口呈階梯狀，對應(yīng)的主脈拉伸力-變形曲線出現(xiàn)2次峰值。

中部欠熟與成熟煙葉主脈拉伸試驗得出，中部欠熟煙葉平均彈性模量為39.65 MPa，中部成熟煙葉平均彈性模量為34.41 MPa。對比下部煙葉主脈的力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)，中部煙葉主脈的拉伸強(qiáng)度、彈性模量均大于下部。在用同一采收機(jī)械打葉過程中，中部煙葉所需的力大于下部煙葉，即采收刀轉(zhuǎn)速要大于下部煙葉。研究結(jié)果為設(shè)計合適的采收刀施加力、減小煙葉碎片率、提高大片率提供了理論依據(jù)。

對比中部煙葉不同成熟度的煙葉主脈的彈性模量發(fā)現(xiàn)，成熟期的中部煙葉主脈的彈性模量、拉伸強(qiáng)度均小于欠熟期，說明中部煙葉在成熟期采收可以節(jié)省采收機(jī)動力，減少對煙葉的損傷。

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