鮮煙葉主脈力學(xué)特性試驗研究

李軍政 王海畢 彭柱根 段美珍 劉從 周登峰

摘要：為研究鮮煙葉在機械手有序抓取過程中的破碎機理，以寸三皮黃煙品種為研究對象，利用萬能試驗機對新鮮煙葉主脈進行徑向、側(cè)向的壓縮和剪切力學(xué)試驗，得到不同作用位置的載荷—位移曲線，并利用Origin軟件擬合煙葉主脈最大破碎力和剪切力的離散點變化規(guī)律曲線。結(jié)果表明，煙葉主脈徑向和側(cè)向壓縮的最大破碎力均值為75.25 N，抗壓強度均值為1.175 MPa，壓縮彈性模量均值為5.79 MPa；徑向和側(cè)向最大剪切力均值為23.04 N，剪切強度均值為0.295 MPa，剪切模量均值為0.56 MPa。對煙株中部葉和下部葉的壓縮和剪切力學(xué)特性進行比較，發(fā)現(xiàn)中部葉破碎和剪切需要施加更大的力。為機械手有序抓取煙葉提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鮮煙葉主脈；破碎機理；壓縮試驗；剪切試驗；力學(xué)特性

中圖分類號：S23

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 05-0098-07

收稿日期：2023年10月19日? 修回日期：2023年12月27日*基金項目：湖南省自然科學(xué)基金項目（2021JJ30327）；湖南省教育廳科學(xué)研究項目（22A0149）；湖南省煙草公司科技項目（2023kjc—yc038）

第一作者：李軍政，男，1978年生，湖南郴州人，博士，副教授；研究方向為農(nóng)業(yè)裝備創(chuàng)新設(shè)計與試驗。E-mail：? lijunzheng2008@163.com

Experimental study of mechanical characteristics of fresh tobacco main vein

Li Junzheng1， Wang Haibi1， Peng Zhugen1， Duan Meizhen2， Liu Cong1， Zhou Dengfeng1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hunan Agricultural University， Changsha， 410128， China;

2. Changsha Company， Hunan Tobacco Company， Changsha， 410000， China）

Abstract：

In order to study the crushing mechanism of fresh tobacco leaves during the orderly grasping process by a mechanical hand，?? the Cunsanpi variety yellow tobacco was taken as the research object， a universal testing machine was used to apply radial and lateral compression loads and shear force on the main vein of fresh tobacco leaves， the corresponding load-displacement curves were obtained， and the discrete point variation curves of the maximum crushing force and shear force of the tobacco main vein were fitted by the Origin software. The results showed that the average values of the maximum crushing force of radial and lateral compression of the tobacco main vein was 75.25 N， the average compressive strength was 1.175 MPa， the average compressive elastic modulus was 5.79 MPa， the average values of the maximum radial and lateral shear force was 23.04 N， the average shear strength was 0.295 MPa， and the average shear modulus was 0.56 MPa. Additionally， a comparison between the compression and shear mechanical characteristics of the middle and lower tobacco leaves was made， it was found? that the crushing and shearing of middle leaves required greater force，? which can provide a theoretical basis and design reference for the orderly gripping of tobacco leaves by a mechanical hand.

Keywords：

fresh tobacco main vein; fracture mechanism; compression test; shear test; mechanical characteristics

0 引言

煙葉的有序抓取分離是機械化生產(chǎn)過程中常用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而煙葉作為一種重要經(jīng)濟作物，在機械化生產(chǎn)過程中受到損傷將會影響其價值［1， 2］。煙葉由主脈、側(cè)脈和葉肉組成，主脈連接莖和葉，決定煙葉葉片的彎曲度，是煙葉的主要受力部位［3］。調(diào)制好的煙葉在切絲前，主脈通常會去掉［4-6］，由此可將主脈作為機械抓取中與機械接觸的部位來降低機械損傷。因此，研究煙葉主脈力學(xué)特性，對煙葉抓取裝置的研究和設(shè)計具有重要意義。

目前，對煙葉力學(xué)特性的研究主要集中于拉伸特性方面，如仝振偉［7］、張秀麗［8］等對煙葉主脈力學(xué)性能進行了拉伸試驗，探究了不同成熟度和含水率對主脈力學(xué)特性的影響；張秀麗等［9］在之前研究的基礎(chǔ)上進一步研究了機械采收時煙葉與莖稈分離時受力情況及施力方式對莖葉斷裂的影響，Tian等［10］采用離散元法建立了煙葉試樣拉伸特性的數(shù)值模擬模型，測定了不同位置和不同取樣方向獲得的煙草葉肉樣品的拉伸性能，并通過仿真對模型進行了標(biāo)定和驗證。此外，還有許多學(xué)者對其他農(nóng)作物莖稈力學(xué)特性進行了研究，例如Wen等［11］通過對甘草進行剪切和彎曲試驗和觀察甘草莖的顯微結(jié)構(gòu)得出結(jié)論：莖部顯微組織的橫截面積的變化對剪切和彎曲的力學(xué)性能有重要影響；李徐勇等［12］對甘蔗葉秸稈在雜亂鋪放和橫向鋪放狀態(tài)下進行了壓縮特性研究，并探究了不同因素對最大壓縮力的影響；劉禹辰等［13］對玉米秸稈外表皮和內(nèi)穰進行了拉伸、壓縮以及剪切試驗，探究了玉米秸稈的力學(xué)特性；謝偉等［14］對收獲期油菜薹莖稈進行了壓縮、剪切和彎曲力學(xué)特性測定；魏俊逸等［15］對油菜莖稈進行了徑向全壓縮和局部壓縮試驗，測量了油菜莖稈徑向的彈性系數(shù)，并研究了不同曲率半徑壓頭對油菜莖稈局部壓縮力學(xué)特性的影響。

以上研究為鮮煙葉主脈力學(xué)特性研究提供了理論基礎(chǔ)及試驗方法。本文利用萬能試驗機對適熟煙葉不同位置的主脈進行壓縮和剪切力學(xué)試驗，得到不同位置的載荷—位移曲線以及最大破碎力、最大剪切力等參數(shù)，可以為確定煙葉有效抓取位置和抓取力大小提供試驗依據(jù)。

1 試驗材料

試驗所用煙葉采自寧鄉(xiāng)市壩塘鎮(zhèn)南芬塘村曬黃煙生產(chǎn)示范實驗基地，品種為寸三皮，選取處于適熟期的下部煙葉（移栽后70 d左右），要求煙葉葉片完整鮮亮、無蔫黃、無病蟲害。

煙葉主脈力學(xué)特性試驗在智能農(nóng)機裝備湖南省重點實驗室進行，所用主要設(shè)備為CMT6104電子萬能試驗機。

2 樣本制備與試驗方法

2.1 試樣制備

試驗開始前，從待測下部煙葉中選擇主脈完好的煙葉，除去煙葉葉肉和側(cè)脈部分，只留主脈，在去除過程中要保持主脈完整，避免損傷，將主脈從葉基處和葉緣減小處切斷并舍棄，只留中間部分并均分為5段，依次標(biāo)記為A～E，取樣說明如圖1所示。

2.2 煙葉主脈截面結(jié)構(gòu)

從試樣中分別截取10 mm的主脈段，將其洗凈、拭干，切斷后的截面如圖2所示。煙葉主脈截面呈馬蹄形，表面附著有腺毛，煙葉主脈主要由外表皮、髓質(zhì)、韌皮部和木質(zhì)部組成，且木質(zhì)部呈半圓弧形。測量煙葉不同部位主脈的厚度與寬度，利用SolidWorks軟件測算煙葉主脈的橫截面積。

2.3 主脈含水率

恒溫箱烘干法是物料含水率測量最常見的方式之一。在本試驗中，去除煙葉葉肉部分只留主脈樣品，烘干前煙葉主脈質(zhì)量為m1，烘干后質(zhì)量為m2，通過式（1）可得煙葉主脈含水率ω范圍為90.45%～93.56%。

3 結(jié)果與分析

3.1 壓縮試驗

3.1.1 壓縮過程

對同一片煙葉主脈5個部位試樣進行徑向壓縮，壓縮過程如圖3所示。

從圖3可以看出，隨著壓頭下移量的增加，煙葉主脈被慢慢壓緊，當(dāng)載荷不斷增大到最大值時，煙葉主脈達(dá)到屈服狀態(tài)，隨后載荷隨著位移的增大而減小，并且在一定范圍內(nèi)波動，最后煙葉主脈被壓實后，載荷隨著位移的增加而逐漸增大。此外，同一煙葉主脈從下部至上部，煙葉主脈的最大抗壓力逐漸減小。

徑向壓縮時，煙葉主脈的髓質(zhì)先破裂，隨著壓力增大，主脈中間處外表皮破裂，韌皮部和木質(zhì)部由于擠壓變形，伴有水分流出。煙葉主脈根部與尖部的抗壓力值差異比較大，是因為在煙葉主脈結(jié)構(gòu)中木質(zhì)部的硬度最大，能夠承受較大的壓力，而主脈木質(zhì)部越往尖部越薄越短。

側(cè)向壓縮時，由于下壓壓頭作用力和圓盤底座反作用力，側(cè)向放置的煙葉主脈段隨著載荷增大髓質(zhì)破裂，弧形木質(zhì)部由兩端向中間擠壓而斷裂。由于木質(zhì)部外側(cè)受到擠壓，內(nèi)外側(cè)受力不均勻而導(dǎo)致木質(zhì)部斷裂，因此抗壓強度會降低。

分別取煙葉5個部位的主脈段進行不同方向的壓縮試驗測試并繪制煙葉主脈直徑與最大壓力圖，并利用Origin軟件對數(shù)據(jù)擬合，如圖4所示，煙葉主脈的最大抗壓力與直徑呈正相關(guān)關(guān)系，且隨著煙葉主脈由根部向尖部的延伸，其抗壓能力逐漸減小。

則徑向壓縮的擬合方程為

y1=1.07x2-8.98x+76.47

（5）

側(cè)向壓縮的擬合方程為

y2=0.43x2-1.56x+38.58

（6）

3.1.2 壓縮試驗結(jié)果

煙葉主脈各作用部位徑向壓縮試驗結(jié)果如表1所示，將煙葉主脈段視為等直桿［16］，由式（3）計算出煙葉主脈段的彈性模量，煙葉主脈徑向壓縮得出各作用部位的彈性模量均值范圍為6.12～7.48 MPa。用于徑向壓縮試驗的煙葉主脈的平均直徑為8.81 mm，最大破碎力104.36 N，平均破碎力為82.79 N，平均抗壓強度為1.44 MPa，平均壓縮彈性模量為6.88 MPa。

同樣可以得到煙葉主脈各部位側(cè)向壓縮得出的彈性模量均值范圍為4.24～5.08 MPa，用于側(cè)向壓縮試驗的煙葉主脈的平均直徑為10.30 mm，最大破碎力為83.79 N，平均破碎力為68.49 N，平均抗壓強度為0.91 MPa，平均壓縮彈性模量為4.70 MPa（表2）。

兩種壓縮方式通過均值計算得到煙葉主脈最大破碎力均值為75.25 N，抗壓強度均值為1.175 MPa，壓縮彈性模量均值為5.79 MPa。

3.2 剪切試驗

3.2.1 剪切過程

分別對同一煙葉主脈的5個部位的試樣做剪切試驗，剪切過程如圖5（a）、圖5（b）所示。在徑向剪切試驗初始階段，隨著刀具位移量的增加，刀具接觸到主脈外表皮使主脈剪切破壞到臨近值，隨后切破主脈外表皮，隨著刀具持續(xù)切割，髓質(zhì)內(nèi)細(xì)胞壁逐漸加厚，剪切力不斷增大；刀具持續(xù)下移，在刀具接觸韌皮部時由于韌皮部硬度大，剪切力在短時間內(nèi)上升幅度大，當(dāng)達(dá)到木質(zhì)部剪切臨界值后，剪切力也越來越大；當(dāng)主脈弧形木質(zhì)部上層被切斷后，刀具在持續(xù)切割木質(zhì)部的同時開始接觸髓質(zhì)部分，由于髓質(zhì)較木質(zhì)部質(zhì)地較軟，且木質(zhì)部仍承受主要剪切力，在此階段，剪切力上升幅度變緩；隨著刀具位移量持續(xù)增加，弧形木質(zhì)部完全被切斷，剪切力急劇減小，刀具持續(xù)切割髓質(zhì)部分，刀具施加載荷逐漸減小，直至主脈段被切斷，試驗停止。載荷與位移線性相關(guān)。

與徑向剪切不同的是，側(cè)向剪切過程中剪切力會出現(xiàn)兩個峰值，原因在于當(dāng)剪切力達(dá)到木質(zhì)部臨界值后，剪切力越來越大，達(dá)到剪切的第一個峰值；當(dāng)?shù)毒咔懈畹綗熑~主脈髓質(zhì)部分時，此時切割位置包括木質(zhì)部、韌皮部、髓質(zhì)和外表皮，在此過程中會出現(xiàn)第二個峰值，當(dāng)?shù)毒叱掷m(xù)下切，完全切斷木質(zhì)部后，切割力陡然減小，直至完全切斷主脈。

煙葉主脈直徑與最大剪切力的關(guān)系如圖5（c）所示，煙葉最大剪切力與主脈直徑呈正相關(guān)，隨著煙葉主脈從根部到尖部直徑的減小，最大剪切力逐漸減小。利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進行擬合，得到徑向剪切試驗擬合曲線方程為

y3=0.05x2+3.43x-13.83

（7）

側(cè)向剪切試驗擬合曲線方程為

y4=0.40x2-5.96x+38.19

（8）

3.2.2 試驗結(jié)果

煙葉主脈各作用部位徑向剪切試驗結(jié)果如表3所示。用于徑向剪切試驗的煙葉主脈平均直徑為10.03 mm，各部位剪切力均值范圍為17.92～34.67 N，平均剪切力為26.10 N，剪切強度均值為0.34 MPa，剪切模量均值為0.54 MPa。

同樣地，用于側(cè)向剪切的煙葉主脈平均直徑為10.41 mm，各部位剪切力均值范圍為15.21～25.51 N，平均剪切力為19.98 N，平均剪切強度為0.25 MPa，剪切模量為0.58 MPa。試驗結(jié)果如表4所示。

兩種剪切方式通過均值計算得到的煙葉主脈最大剪切力均值為23.04 N，剪切強度均值為0.295 MPa，剪切模量均值為0.56 MPa。

3.3 中部葉與下部葉主脈壓縮力學(xué)特性對比

根據(jù)煙葉在煙株的著生位置可自下而上劃分為三個部位：下部葉、中部葉、上部葉。不同位置煙葉生長特性不同，其脆性韌性等物理特性在不同生長位置差異明顯，煙葉表現(xiàn)出來的力學(xué)特性也會存在差異［17， 18］，機械化抓取煙葉時應(yīng)考慮煙株不同生長位置帶來的影響。

對同批次采收的中部煙葉主脈，按2.1節(jié)的方法制備并進行徑向和側(cè)向壓縮試驗，徑向壓縮結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明，中部煙葉各部位最大破碎力均值范圍為105.00～167.16 N，抗壓強度范圍為0.76～1.11 MPa，彈性模量范圍為4.63～5.85 MPa。

中部煙葉和下部煙葉主脈的最大破碎力、抗壓強度和彈性模量對比如圖6所示。適熟期下部煙葉主脈不同部位的最大破碎力略大于中部煙葉壓縮最大破碎力，但差別不明顯；下部煙葉主脈的抗壓強度均值為1.01 MPa，大于中部煙葉抗壓強度；下部煙葉主脈的彈性模量均值為4.51 MPa，小于中部煙葉彈性模量，說明下部煙葉發(fā)生彈性變形的應(yīng)力小于中部煙葉。

側(cè)向壓縮時，中部煙葉最大破碎力均值為63.09～101.35 N，抗壓強度為0.99～1.42 MPa，彈性模量為4.89～6.59 MPa。對比結(jié)果如圖7所示。中部煙葉壓縮最大力略大于下部煙葉，抗壓強度和壓縮彈性模量均大于下部煙葉，較好地說明了中部煙葉發(fā)生彈性變形的應(yīng)力大于下部煙葉，利用機械抓取時需要更大的穿透力夾持住主脈。

3.4 中部葉與下部葉主脈剪切力學(xué)特性對比

同批次采收的適熟期鮮煙葉主脈粗細(xì)差別不大，對不同煙株生長位置的煙葉主脈進行徑向和側(cè)向剪切試驗，得到中部煙葉不同部位剪切最大力為18.51～32.36 N，剪切強度為0.31～0.37 MPa，剪切模量為0.44～0.67 MPa。中部煙葉與下部煙葉徑向剪切對比結(jié)果如圖8所示，同一部位中部煙葉剪切模量幾乎比下部煙葉剪切模量大，煙葉主脈由根部往尖部逐漸變細(xì)，說明中部煙葉發(fā)生剪切變形的應(yīng)力大于下部煙葉。

側(cè)向剪切時，中部煙葉最大破碎力均值為15.82～35.43 N，抗壓強度為0.23～0.34 MPa，彈性模量為0.69～0.89 MPa。如圖9所示。中部煙葉在A、C、E處最大剪切力趨勢異常，下部煙葉在B處剪切力突變，原因在于剪切部位為側(cè)脈延伸處且側(cè)脈較為明顯，其剪切強度比無側(cè)脈部位大，而中部煙葉和下部煙葉同一剪切部位煙葉主脈粗細(xì)有細(xì)微差別，其剪切模量中部煙葉大于下部煙葉，較好地說明了下部煙葉發(fā)生剪切變形的應(yīng)力小于中部煙葉。

4 結(jié)論

1）? 通過對煙葉主脈進行徑向和側(cè)向壓縮和剪切力學(xué)特性試驗，獲得其作用載荷與位移圖，得到煙葉主脈直徑與壓縮破壞和剪切破壞之間的關(guān)系。

2）? 通過力學(xué)特性試驗得到煙葉主脈的最大破碎力均值為75.25 N，抗壓強度均值為1.175 MPa，壓縮彈性模量均值為5.79 MPa，最大剪切力均值為23.04 N，剪切強度均值為0.295 MPa，剪切模量均值為0.56 MPa。

3）? 通過對煙株中部煙葉和下部煙葉主脈進行力學(xué)試驗，獲得煙葉不同作用部位力學(xué)特性對比圖，結(jié)果表明：中部煙葉最大破碎力和剪切力略大于下部煙葉；抗壓強度和剪切強度由于不同生長部位煙葉同一作用部位的煙葉主脈粗細(xì)不同，且側(cè)向壓縮和剪切試驗時側(cè)脈影響導(dǎo)致其變化曲線無明顯規(guī)律；中部煙葉彈性模量和剪切均大于下部煙葉。

以上結(jié)果可以為鮮煙葉主脈力學(xué)特性研究和機械有序抓取煙葉結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用提供試驗基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

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