馬鈴薯成熟期秧蔓的機(jī)械物理特性參數(shù)研究

辛青青,呂釗欽,張萬(wàn)枝,劉理民,程祥勛

(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)

0 引言

近年來(lái),我國(guó)馬鈴薯生產(chǎn)快速發(fā)展,產(chǎn)地覆蓋我國(guó)大部分省區(qū)市,年種植面積567萬(wàn)hm2左右,總產(chǎn)量保持在9 000萬(wàn)t以上[1]。 馬鈴薯莖葉單產(chǎn)約18～55.95t/hm2,年產(chǎn)量約1.2～1.8億t,以可轉(zhuǎn)化率30%和青貯產(chǎn)品得率1∶0.4計(jì)算,可產(chǎn)青貯飼料1 440萬(wàn)t[2]。馬鈴薯的秧藤和薯渣可以經(jīng)過(guò)青貯處理作為牲畜飼料,具有很高的回收利用價(jià)值[2]。

合理高效的利用馬鈴薯秧蔓會(huì)帶來(lái)一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,而高效收獲馬鈴薯秧將成為馬鈴薯收獲機(jī)械化的重點(diǎn)之一。因此,研究馬鈴薯秧的力學(xué)特性對(duì)馬鈴薯殺秧機(jī)、割秧機(jī)、殘膜收獲機(jī)和切割機(jī)等農(nóng)用機(jī)械的設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)意義。

馬鈴薯秧的力學(xué)特性指標(biāo)包括剪切、壓縮、彎曲和拉伸,針對(duì)不同的應(yīng)用目的,需要測(cè)定不同的力學(xué)指標(biāo)。近年來(lái),農(nóng)作物主莖的力學(xué)特性研究受到普遍重視,相關(guān)研究也日益增多。國(guó)內(nèi)專(zhuān)家胡良龍對(duì)馬鈴薯收獲期藤蔓主莖的機(jī)械特性進(jìn)行了研究,揭示了主莖含水率、剪切強(qiáng)度和機(jī)械碎蔓作業(yè)質(zhì)量的內(nèi)在關(guān)系[3]。辛杰利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)及拉伸試驗(yàn)對(duì)成熟期大蒜主莖抗拉強(qiáng)度、擠壓強(qiáng)度、起拔力等力學(xué)特性進(jìn)行測(cè)試,研究了主莖直莖、含水率、加載速度對(duì)大蒜主莖拉斷力的影響[4]。高天浩利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)針對(duì)秋伐期桑條剪切、壓縮、彎曲、拉伸,研究了取樣位置、直徑及品種對(duì)桑條力學(xué)特性的影響[5]。

本文以馬鈴薯秧主莖為研究對(duì)象,采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)并記錄生成馬鈴薯秧在剪切、拉伸、彎曲和壓縮試驗(yàn)的過(guò)程中“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系曲線(xiàn)及“載荷-位移”關(guān)系曲線(xiàn),相關(guān)力學(xué)性能參數(shù)通過(guò)彈性力學(xué)及材料力學(xué)研究?jī)?nèi)容獲得[6-8],從而確定材料模型所需參數(shù)的具體數(shù)值,為馬鈴薯殺秧機(jī)和馬鈴薯秧收獲機(jī)械的割刀設(shè)計(jì)和有限元仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支持。

1 馬鈴薯秧蔓材料的研究

馬鈴薯屬茄科茄屬, 于3月或9月播種,播種后3個(gè)月左右就可以成熟,馬鈴薯秧主莖由外向內(nèi)主要由表皮層、韌皮纖維組織、木質(zhì)部和維管束組成,其橫截面如圖1所示。

其主莖的力學(xué)性能主要由木質(zhì)部和纖維組織承擔(dān)。對(duì)馬鈴薯秧進(jìn)行剪切試驗(yàn)研究,重點(diǎn)研究馬鈴薯秧主莖根部的力學(xué)性能。馬鈴薯秧主莖沿軸向的力學(xué)特性與沿徑向的力學(xué)特性不同,即在互相垂直的兩個(gè)方向上具有不同的力學(xué)特性,表現(xiàn)為各向異性;而在垂直于軸向方向的平面內(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(chēng)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[9]。

圖1 馬鈴薯主莖的截面圖Fig.1 The cross section of mian stem of potato seeding

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試樣采集

馬鈴薯秧樣本取自山東省泰安市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院馬鈴薯種植基地。以中薯8號(hào)為試驗(yàn)對(duì)象,3月初栽,6月上中旬收獲,一年兩季種植,種植模式為單壟單行種植,人工起壟,壟距為700mm,株距為250mm。本次試驗(yàn)材料取樣時(shí)間為2018年6月11日,從貼近地面的馬鈴薯秧的根部剪斷,取樣采用五點(diǎn)取樣法,共采集樣本200株。取樣后在基地去除部分分枝、枝葉,留下主莖稈和側(cè)莖稈,用保鮮膜包起來(lái),降低水分蒸發(fā)量,回到實(shí)驗(yàn)室后去除側(cè)莖,留下主莖作為試驗(yàn)樣本。用干燥法測(cè)得馬鈴薯秧主莖的平均含水率為88.75%。

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)設(shè)備主要包括微機(jī)控制式電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖2),水分烘干箱(見(jiàn)圖3),以及電子天平、剪刀、游標(biāo)卡尺及直尺等工具。每一個(gè)樣本的“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系曲線(xiàn)及“載荷-位移”關(guān)系可由計(jì)算機(jī)記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)以描點(diǎn)方式畫(huà)出。

圖2 微機(jī)控制式電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Fig.2 The microcomputer controlled electronic universal testing machine

圖3 水分烘干箱Fig.3 The moisture drying box

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 剪切試驗(yàn)

馬鈴薯秧剪切試驗(yàn)的試樣長(zhǎng)度為100mm,試驗(yàn)之前先用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣擬剪切位置的直徑,以便計(jì)算剪切位置的橫截面積。將試樣置于V型定位塊上,控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的切刀切割速度為10mm/min;在同樣條件下,改變樣本,重復(fù)試驗(yàn)50次,計(jì)算機(jī)記錄并生成每個(gè)試樣剪切試驗(yàn)的“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系曲線(xiàn)及“載荷-位移”關(guān)系曲線(xiàn)。馬鈴薯秧的剪切試驗(yàn)如圖4所示。

圖4 馬鈴薯秧的剪切試驗(yàn)Fig.4 The shear test of potato seedings

2.3.2 拉伸試驗(yàn)

馬鈴薯秧拉伸試驗(yàn)的試樣長(zhǎng)度為200mm,用波紋式拉伸夾具夾緊試樣的上下兩端,試樣兩端用白布條制作保護(hù)措施,兩端各夾持長(zhǎng)度為30mm,計(jì)算機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)夾具的拉伸速度為10mm/min;在同樣條件下,改變樣本,重復(fù)試驗(yàn)50次,計(jì)算機(jī)記錄下每個(gè)試樣拉伸的“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系曲線(xiàn)及“載荷-位移”關(guān)系曲線(xiàn)。馬鈴薯秧的拉伸試驗(yàn)如圖5所示。

圖5 馬鈴薯秧的拉伸試驗(yàn)Fig.5 The tensile test of potato seedings

2.3.3 彎曲試驗(yàn)

彎曲試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲方法測(cè)定,方法如圖6所示。

圖6 三點(diǎn)彎曲方法原理圖Fig.6 The three point bending method schematic diagram

馬鈴薯秧彎曲試驗(yàn)試樣長(zhǎng)度200mm,跨距80mm,兩端外延長(zhǎng)60mm,采用專(zhuān)用的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置及壓頭,計(jì)算機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾具的下降速度為10mm/min;在同樣條件下,改變樣本,重復(fù)試驗(yàn)50次,計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄相關(guān)數(shù)據(jù),并生成每個(gè)試樣彎曲的“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系曲線(xiàn)及“載荷-位移”關(guān)系曲線(xiàn)。馬鈴薯秧的彎曲試驗(yàn)如圖7所示。

圖7 馬鈴薯秧的彎曲試驗(yàn)Fig.7 The bending test of potato seedings

2.3.4 壓縮試驗(yàn)

馬鈴薯秧壓縮試驗(yàn)分為徑向壓縮和軸向壓縮。在分別進(jìn)行軸向壓縮和徑向壓縮時(shí),取試樣長(zhǎng)度為20mm,將試樣置于球面滑動(dòng)支座中心位置,計(jì)算機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾具的下降速度為10mm/min;在同樣條件下,改變樣本,各自重復(fù)試驗(yàn)25次,計(jì)算機(jī)記錄并生成每個(gè)試樣的“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系曲線(xiàn)及“載荷-位移”關(guān)系曲線(xiàn)。馬鈴薯秧的壓縮試驗(yàn)如圖8所示。

圖8 馬鈴薯秧的壓縮試驗(yàn)Fig.8 The compression test of potato seedings

3 結(jié)果與分析

3.1 同性面橫向剪切強(qiáng)度

5個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為1組,計(jì)算其直徑、最大剪切力和剪切強(qiáng)度的平均值,50次試驗(yàn)共計(jì)10組數(shù)據(jù),馬鈴薯秧的剪切試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

單位直徑最大剪切力按照公式計(jì)算,即

式中Pj—單位直徑最大剪切力(N);

Fjmax—最大剪切力(N);

dm—每個(gè)試樣的直徑(mm)。

剪切強(qiáng)度按照公式計(jì)算,即

式中σj—剪切強(qiáng)度(MPa)。

經(jīng)計(jì)算,得到馬鈴薯秧的最大剪切力的平均值為8.891N,剪切強(qiáng)度為0.819MPa。

3.2 軸向拉伸彈性模量

5個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為1組,計(jì)算其直徑、彈性模量和抗拉強(qiáng)度的平均值,50次試驗(yàn)共計(jì)10組數(shù)據(jù)。馬鈴薯秧的剪切試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 馬鈴薯秧的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Tensile test results of potato seedlings

抗拉強(qiáng)度按照公式計(jì)算,即

式中σl—抗拉強(qiáng)度(MPa);

Flmax—最大拉伸力(N);

w—馬鈴薯秧拉伸試樣的寬度(mm);

u—馬鈴薯秧拉伸試樣的厚度(mm)。

經(jīng)計(jì)算,得到馬鈴薯秧的軸向抗拉強(qiáng)度的平均值為2.073MPa。

3.3 抗彎強(qiáng)度

按照試驗(yàn)方案將試樣放置于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置,采集系統(tǒng)調(diào)零,進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)由試驗(yàn)軟件自動(dòng)采集,并將5次試驗(yàn)作為一組計(jì)算馬鈴薯秧的直徑、彎剪彈性模量的平均值,計(jì)算50次試驗(yàn)共10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。馬鈴薯秧的彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 馬鈴薯秧的彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Bending test results of potato seedlings

抗彎強(qiáng)度按照公式計(jì)算,即

式中σw—抗彎強(qiáng)度(MPa);

Fwmax—最大彎曲力(N);

lw—制作間距(mm)。

經(jīng)計(jì)算,得到馬鈴薯秧的抗彎強(qiáng)度的平均值為11.872MPa。

3.4 壓縮抗壓強(qiáng)度

壓縮試驗(yàn)中的5個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為1組,計(jì)算其直徑和抗壓強(qiáng)度的平均值,50次試驗(yàn)共計(jì)10組數(shù)據(jù)。馬鈴薯秧的壓縮試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 馬鈴薯秧的徑向壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Results of radial compression test for potato seedlings

徑向抗壓強(qiáng)度按照公式計(jì)算,即

式中σjy—徑向抗壓強(qiáng)度(MPa);

Fjymax—最大徑向壓力(N);

ljy—馬鈴薯秧徑向壓縮試樣長(zhǎng)度(mm);

Δdm—馬鈴薯秧沿負(fù)載方向的變形量(mm)。

經(jīng)計(jì)算,得到馬鈴薯秧的徑向抗壓強(qiáng)度的平均值為1.674MPa。馬鈴薯秧的軸向壓縮試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

軸向抗壓強(qiáng)度按照公式計(jì)算,即

式中σzy—軸向抗壓強(qiáng)度(MPa);

Fzymax—最大軸向壓力(N)。

經(jīng)計(jì)算,得到馬鈴薯秧的軸向抗壓強(qiáng)度的平均值為5.75MPa。

表5 馬鈴薯秧的軸向壓縮試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of axial compression test for potato seedlings

4 結(jié)論

1) 為了優(yōu)化馬鈴薯秧切割機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用有限元軟件模擬仿真切割過(guò)程的割刀和馬鈴薯秧的應(yīng)力變化情況,以成熟期品種中薯8號(hào)馬鈴薯的薯秧主莖為試驗(yàn)材料,在微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)馬鈴薯秧進(jìn)行了剪切、拉伸、壓縮和彎曲試驗(yàn),并通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算得到馬鈴薯秧的力學(xué)性能參數(shù)。

2) 通過(guò)試驗(yàn),并查閱文獻(xiàn),采用材料力學(xué)中相關(guān)公式計(jì)算得到其剪切強(qiáng)度為0.819MPa,軸向抗拉強(qiáng)度為2.073MPa,抗彎強(qiáng)度為11.872MPa,徑向抗壓強(qiáng)度為1.674MPa,軸向抗壓強(qiáng)度為5.75MPa。

3) 試驗(yàn)結(jié)果為建立馬鈴薯秧蔓的力學(xué)模型并進(jìn)行馬鈴薯秧蔓的有限元模擬仿真提供了參數(shù),為馬鈴薯秧回收機(jī)械切割秧蔓的過(guò)程進(jìn)行有限元模擬仿真提供了理論支持,對(duì)馬鈴薯秧回收機(jī)械切割裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及割刀的優(yōu)化設(shè)計(jì)等具有一定的參考和指導(dǎo)意義。