不同含水率對羅布麻力學(xué)特性及剝麻效果的影響

摘"要：【目的】""研究不同含水率對羅布麻力學(xué)特性以及剝麻效果的影響，分析羅布麻莖稈基本力學(xué)參數(shù)及不同含水率時力學(xué)參數(shù)的變化，并選取適合剝麻和除雜的含水率，為提高機械剝麻過程中的麻皮質(zhì)量、降低除雜難度提供有效參數(shù)支持。

【方法】""以新疆尉犁縣所產(chǎn)的羅布麻莖稈作為試驗對象，設(shè)計羅布麻的莖稈、木質(zhì)部和韌皮部進行力學(xué)特性試驗，分別對比含水率為19.31%、38.52%和54.68%的羅布麻莖稈進行拉伸、壓縮和彎曲試驗，測得力學(xué)參數(shù)，分別進行剝麻試驗，分析剝麻效果。

【結(jié)果】""一般待加工羅布麻含水率為6.86%，其羅布麻莖稈韌皮部的最大抗拉載荷為72.00 N；羅布麻莖稈和木質(zhì)部的拉伸彈性模量分別為389.38、348.07 MPa，抗壓強度分別為1.10、1.27 MPa，抗彎強度為65.75、60.12N。不同含水率的羅布麻力學(xué)特性呈一定的規(guī)律性。

【結(jié)論】""獲得了不同含水率的羅布麻力學(xué)參數(shù)，對比剝麻試驗，綜合剝麻效果和除雜效果，含水率在38.52%左右的羅布麻莖稈剝麻效果較好。

關(guān)鍵詞：""羅布麻；含水率；力學(xué)特性；除雜；剝麻

中圖分類號："S563.7""""文獻標志碼："A""""文章編號："1001-4330（2024）11-2797-10

0"引 言

【研究意義】羅布麻屬夾竹桃科，是一種多年野生草本韌皮纖維作物，主要生長在鹽堿、沙荒地區(qū)。我國羅布麻在新疆、甘肅、吉林等?。▍^(qū)）廣泛分布。羅布麻纖維作為韌皮纖維植物，纖維含量高，纖維強度大［1］。羅布麻纖維具有絲的光澤、麻的挺括、絨的展性、棉的柔軟，具有抑菌、防臭、防霉的優(yōu)點，可純紡或與棉等纖維混紡等，在紡織業(yè)具有較高的商業(yè)應(yīng)用價值［2］。在實際的生產(chǎn)中，剝麻存在含雜率高、麻雜分離難、剝麻長度短等問題?，F(xiàn)有的手工剝麻雖然含雜率低、剝麻質(zhì)量較好，但效率很低。而現(xiàn)有的剝麻機雖然效率較高，但剝出的麻皮長度較短，質(zhì)量不高，且除雜效果一般，含雜率較高［3］。羅布麻性質(zhì)特異，分離過程較為復(fù)雜，因此研究機械剝麻對不同含水率羅布麻的力學(xué)特性以及剝麻效果，對提高機械剝麻質(zhì)量有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】有文獻對苧麻等其他植物的力學(xué)特性試驗進行研究［4］，通過開展羅布麻力學(xué)特性及其含水率影響的研究，進行力學(xué)特性試驗得到一系列力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)機械機構(gòu)設(shè)計研究提供參數(shù)支持。

【本研究切入點】

目前對于羅布麻力學(xué)特性的研究還少見報道，特別是羅布麻含水率對其力學(xué)特性和剝麻以及除雜效果的影響研究較少。需研究不同含水率對羅布麻力學(xué)特性以及剝麻效果的影響，對比不同含水率剝麻效果，篩選一個相對適合剝麻和除雜的含水率?！緮M解決的關(guān)鍵問題】設(shè)置不同含水率的羅布麻進行力學(xué)特性以及剝麻試驗，對比結(jié)果分析，提出相對適合剝麻和除雜的含水率，提高機械剝麻過程中的麻皮質(zhì)量，同時降低除雜難度；通過力學(xué)特性試驗獲取羅布麻基本力學(xué)參數(shù)，為羅布麻的機械剝?nèi)∫约敖５忍峁┗緟?shù)支撐。

1"材料與方法

1.1"材 料

1.1.1"羅布麻

用加工的羅布麻較為干燥，羅布麻莖稈由內(nèi)至外依次為髓部、木質(zhì)部和韌皮部［5］，內(nèi)部中空，故可將羅布麻莖稈視作由韌皮部和木質(zhì)部復(fù)合而成的空心圓柱體結(jié)構(gòu)［6］。圖1

選用新疆尉犁縣提供的羅布麻原桿，無病蟲害，去除根、葉、梢、花和分枝，選擇自根部10 cm處通直且粗細均勻的莖稈作為試樣［7］。進行拉伸、壓縮和彎曲試驗時，參考其它麻類力學(xué)特性試驗文獻，分別參照拉伸、壓縮試驗以及夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗的標準，分別制備試件，含水率測定采用木材含水率測定。拉伸試驗時，木質(zhì)部和莖稈試樣長度制為100～120 mm，韌皮部試樣長度制為40～60 mm；進行壓縮試驗時，木質(zhì)部和莖稈試樣長度制為60 mm左右；彎曲試驗時，木質(zhì)部和莖稈試樣長度制為80 mm左右［8］。

1.1.2"設(shè) 備

試驗在新疆大學(xué)智能制造現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)學(xué)院進行，試驗所需的儀器有：電子萬能生物材料試驗機、電熱鼓風(fēng)干燥箱、電子天平、格尺、游標卡尺等。圖2

1.2"方 法

1.2.1"羅布麻莖稈含水率的測定

取莖稈樣品，在電子天平中稱重，記錄為M1，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥，調(diào)整干燥箱溫度為108℃，在此溫度下烘至恒重記錄為M2，即每間隔10 min稱重1次，先后2次重量差不超過后1次重量的0.05%，并記錄，由（1）式計算得羅布麻莖稈含水率［9］。圖3

W="M2"M1"×100%. （1）

式中，W為羅布麻莖稈含水率；M1為羅布麻莖稈烘干前質(zhì)量（g）；M2為羅布麻莖稈烘干后質(zhì)量（g）。

測得一般待加工羅布麻莖稈的含水率為6.86%，通過對羅布麻莖稈進行加濕，分別測得19.31%、38.52%和54.68%的羅布麻莖稈，后續(xù)將進行4種不同含水率的羅布麻莖稈力學(xué)特性試驗并對比。

1.2.2"拉伸試驗設(shè)計

拉伸試驗在電子萬能生物材料試驗機上進行。使用夾具加緊試樣兩端，使試樣豎直，在韌皮部進行拉伸試驗時，需特殊制作試驗試樣使夾具能加緊試樣，將韌皮部上下兩端纏繞在木質(zhì)塊上并固定。加載速度為5 mm/min［10］。韌皮部、木質(zhì)部和莖稈分別進行5組有效拉伸試驗，記錄載荷—位移曲線，可對近似直線部分進行觀察，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)由（2）式和（3）式計算試樣的拉伸彈性模量和抗拉強度［11］。圖4

E="σ"ε"."（2）

σ1="F1"S"."（3）

S=π×（"D"2"2）. （4）

式中，E為材料彈性模量（MPa）；σ為材料應(yīng)力（MPa）；ε為材料應(yīng)變；σ1為材料抗拉強度（MPa）；F1為材料所受最大拉伸載荷（N）；S為材料橫截面積（mm2）；D為材料外徑。

1.2.3"壓縮試驗設(shè)計

壓縮試驗在電子萬能生物材料試驗機上進行。試驗時采用圓盤式壓縮壓塊，試驗試樣放在壓縮壓塊中心［12］，加載速度為5 mm/min。木質(zhì)部和莖稈各進行5組有效壓縮試驗，記錄載荷—位移曲線，可對近似直線部分進行觀察，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)由（5）式計算試樣的抗壓強度［13］。圖5

P="F2"A"."（5）

式中，P為材料的抗壓強度，MPa；F2為材料所受最大壓縮載荷，N；A為材料受力點橫截面積，mm2。"

關(guān)于A的確定，文獻［14］（6）式如下。

A="D1+D2+D3-d1-d2-d3"3"×l."（6）

式中，D1、D2、D3為材料任意一端不同位置3次測量的外徑（mm）；d1、d2、d3為材料任意一端不同位置3次測量的內(nèi)徑（mm）；l為材料長度（mm）。圖5

1.2.4"彎曲試驗

彎曲試驗在電子萬能生物材料試驗機上進行。試樣放置于彎曲試驗兩支座之間，跨距為60 mm，加載壓頭向下施加載荷，加載速度為4 mm/min［15］，采用三點彎曲的方法。木質(zhì)部和莖稈各進行5組有效彎曲試驗，記錄載荷—位移曲線，可對近似直線部分進行觀察，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)由（7）式計算試樣的抗彎強度［16］。圖6

σ2="F3DL"8I"."（7）

式中，σ2為材料的抗彎強度（MPa）；F3為材料的最大彎曲載荷（N）；D為材料的平均外徑（mm）；L為標距（mm）；I為慣性矩（mm4）。

其中標距L取60 mm，關(guān)于I有（8）式。

I="π"64"［D4-d4］."（8）

式中，d為材料的平均內(nèi)徑（mm）。

2"結(jié)果與分析

2.1"不同含水率下拉伸試驗

研究表明，對一般待加工的羅布麻即含水率為6.86%的羅布麻進行拉伸試驗，韌皮部、木質(zhì)部和莖稈各選5組有效試驗，羅布麻的拉伸載荷-位移曲線，剛開始的載荷-位移曲線呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。

莖稈的拉伸載荷最大值為836.537 N，最小值為611.505 N，平均值為739.06 N，抗拉強度的最大值為38.50 MPa，最小值為28.36 MPa，平均值為33.46 MPa，拉伸彈性模量的最大值為491.85 MPa，最小值為248.63 MPa，平均值為389.38 MPa；木質(zhì)部的拉伸載荷最大值為494.798 N，最小值為327.943 N，平均值為430.58 N，抗拉強度的最大值為22.09 MPa，最小值為17.97 MPa，平均值為20.7 MPa，拉伸彈性模量的最大值為466.18 MPa，最小值為284.47 MPa，平均值為348.07 MPa；韌皮部的拉伸載荷最大值為103.357 N，最小值為54.692 N，平均值為72.00 N。"

按照同樣的方法分別對含水率為19.31%，38.52%和54.68%的莖稈進行拉伸試驗，每個試驗。表1～3，圖7

各選5組有效試驗，進行對比，得到不同含水率彈性模量。圖8

2.2"壓縮試驗

研究表明，對一般待加工的羅布麻即含水率為6.86%的羅布麻進行壓縮試驗，木質(zhì)部和莖稈各選5組有效試驗，呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。

莖稈的壓縮載荷最大值為398.260N，最小值為113.197N，平均值為226.75N，抗壓強度最大值為1.95MPa，最小值為0.52MPa，平均值為1.10MPa；木質(zhì)部的壓縮載荷最大值為479.085N，最小值為170.344N，平均值為294.45N，抗壓強度最大值為2.17MPa，最小值為0.80MPa，平均值為1.27MPa。

分別對含水率為19.31%，38.52%和54.68%的莖稈進行壓縮試驗，每個試驗各選5組有效試驗進行對比，得到不同含水率抗壓強度。表4～5，圖9～10

2.4"剝麻對比試驗

研究表明，含水率為6.86%的羅布麻莖稈經(jīng)過剝麻后，韌皮部的斷裂較大，木質(zhì)部碎裂明顯，且碎塊較小不利于后續(xù)除雜，剝麻效果不理想；含水率為19.31%的羅布麻莖稈經(jīng)過剝麻后，韌皮部的斷裂較小，保存較為完整，木質(zhì)部碎塊較大，剝麻效果較好；含水率為38.52%的羅布麻莖稈經(jīng)過剝麻后，韌皮部保存最為完整，基本無斷裂，木質(zhì)部與韌皮部脫離明顯，且木質(zhì)部碎塊較大且完整，有利于后續(xù)除雜，剝麻效果最好；含水率為54.68%的羅布麻莖稈經(jīng)過剝麻后，韌皮部有較大碎塊，木質(zhì)部碎裂不明顯，且韌皮部和木質(zhì)部粘連在一起，不利于后續(xù)除雜，剝麻效果不理想。圖13

3"討 論"""3.1

計算出莖稈和木質(zhì)部的抗拉強度、拉伸彈性模量［17］等，開始的載荷-位移曲線呈現(xiàn)近似線性關(guān)系［18］，現(xiàn)階段的剝麻機主要采用碎莖制麻法［19］，由壓麻裝置和剝麻裝置對喂入的羅布麻進行碾壓和打麻等操作，主要部件為成對的光輥和打麻輥［20］。試驗研究測得了一般用來加工的羅

布麻含水率為6.86%，對其進行力學(xué)特性試驗，試驗結(jié)果表明，其莖稈拉伸彈性模量平均值為389.38 MPa，抗壓強度平均值為1.10 MPa，抗彎強度平均值為65.75 MPa；木質(zhì)部拉伸彈性模量平均值為348.07 MPa，抗壓強度平均值為1.27 MPa，抗彎強度平均值為60.12 MPa；韌皮部拉伸載荷平均值為72.00 N。獲得的參數(shù)可為繼續(xù)研究羅布麻提供參照，同時為羅布麻剝麻機的機械機構(gòu)設(shè)計提供了有效參數(shù)。

3.2

試驗對羅布麻莖稈進行加濕，并測得其含水率，獲得了含水率為19.31%、38.52%和54.68%的羅布麻莖稈，分別對其進行力學(xué)特性試驗。含水率為19.31%的羅布麻莖稈拉伸彈性模量平均值為488.08 MPa，抗壓強度平均值為1.16 MPa，抗彎強度平均值為47.58 MPa；含水率為38.52%的羅布麻莖稈拉伸彈性模量平均值為592.38 MPa，抗壓強度平均值為1.08 MPa，抗彎強度平均值為30.64 MPa；含水率為54.68%的羅布麻莖稈拉伸彈性模量平均值為334.38 MPa，抗壓強度平均值為0.67 MPa，抗彎強度平均值為24.29 MPa。試驗結(jié)果表明，彈性模量隨著含水率增加而上升，在含水率為38.52%達到最大值，而后在含水率為54.68%又落回；抗壓強度在含水率為19.31%有一點上升，隨后又開始下降；抗彎強度則是隨著含水率增加而降低。

4"結(jié) 論

測得一般用來加工的羅布麻含水率為6.86%，并通過力學(xué)特性試驗獲得了基本力學(xué)特性參數(shù)；初步獲得了含水率對羅布麻莖稈力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律；對不同含水率的羅布麻莖稈進行剝麻試驗，觀察剝麻效果，在含水率為38.52%，羅布麻的剝麻效果最佳，木質(zhì)部碎裂明顯且塊大，也有利于后續(xù)除雜，不同含水率對羅布麻力學(xué)特性和剝麻效果具有一定影響。

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Effects of different moisture contents on the mechanical ""properties and peeling effect of Apocynum venetum

LIU Chenyang，ZHANG Liping，ZHENG Weiqiang，LUO Haowei

（College of Mechanical Engineering， Xinjiang University，Urumqi "830017， China）

Abstract：【Objective】 ""To study the effects of different moisture contents on the mechanical properties and stripping effect of Apocynum venetum， and ultimately obtain the basic mechanical parameters of Apocynum venetum stem and the changes in mechanical parameters under different moisture contents in the hope of providing effective parameter support for subsequent research， and selecting a suitable moisture content for stripping and impurity removal， which might improve the quality of hemp bark during mechanical stripping and reduce the difficulty of impurity removal.

【Methods】 """The mechanical properties of Apocynum venetum stem， xylem， and phloem were studied using Apocynum venetum stem produced in Yuli County， Xinjiang as the experimental object.Tensile， compressive， and bending tests were performed on the stems of Apocynum venetum with moisture content of 19.31%， 38.52%， and 54.68%， and then the measured mechanical parameters were compared.Finally， separate hemp stripping tests were conducted to observe the hemp stripping effect.

【Results】 """Generally， the moisture content of the processed Apocynum venetum was 6.86%， and the maximum tensile load of the phloem of the Apocynum venetum stem was 72.00 N; The tensile elastic modulus of Apocynum venetum stem and xylem were 389.38 and 348.07 MPa， respectively， with compressive strength of 1.10 and 1.27 MPa， and bending strength of 65.75 and 60.12 N.The mechanical properties of Apocynum venetum with different moisture contents exhibited certain regularity.

【Conclusion】 """The mechanical parameters of Apocynum venetum with different moisture contents are obtained.By comparing the hemp stripping test and considering the hemp stripping effect and impurity removal， the effect of Apocynum venetum stem with moisture content around 38.52% is better.

Key words：""Apocynum venetum; moisture content; mechanical properties; remove impurities; stripping hemp

Fund projects：""Natural Science Foundation of Xinjiang Uygur Autonomous Region （2022D01C394）

Correspondence author：""ZHANG Liping（1980-），female，from Xinjiang，associate professor，doctor，research direction： smart agricultural equipment，（E-mail） 1642685246@ qq.com

收稿日期（Received）：

2024-04-28

基金項目：

新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項目（2022D01C394）

作者簡介：

劉晨陽（ 1998-），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向為智慧農(nóng)業(yè)裝備，（E-mail）1747244232@ qq.com

通訊作者：

張立萍（ 1980-），女，新疆人，副教授，博士，研究方向為智慧農(nóng)業(yè)裝備，（E-mail） 1642685246@ qq.com