水稻芽种和玉米芽种力学特性的研究—基于材料力学试验台

付昌云，衣淑娟，李志全，杨国印，李皓莹，陶桂香

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆　163319)



水稻芽种和玉米芽种力学特性的研究
—基于材料力学试验台

付昌云，衣淑娟，李志全，杨国印，李皓莹，陶桂香

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319)

摘要：为了充分利用现有的材料力学试验台，首先利用该试验台完成了低碳钢的拉伸试验，获得了低碳钢的弹性极限为432MPa，屈服极限为371MPa，强度极限为497Mpa；其次，利用该试验台进行了水稻芽种正面压缩试验和玉米芽种侧面的压缩试验，获得了水稻芽种的硬度和极限强度及玉米芽种侧面所能承受外载的变化趋势。结果表明：水稻芽种和玉米芽种受到压缩时的力学性能相似，在极限范围内所能承受的外力随位移的增加而增加，当超过极限范围时，所能承受的外力急速下降；水稻芽种正面压缩和玉米芽种侧面压缩的极限强度分别为0.014 1MPa和0.025MPa。

关键词：材料力学试验台；农业物料；力学特性；芽种

0引言

材料的力学性能测定不仅仅包括狭义的材料即工程材料，如低碳钢、铸铁、混凝土等等，同时也包括广义的材料，如农业物料、生产原料等。在农机研究领域“农机和农艺相结合”原则的指导下，人们对于农业物料力学性能的理论和应用研究也越来越广泛。例如，很多农业机械人员想要研制一种新的机型或改进一种新的机构，其中“损伤率”已经成为衡量一台机器性能的一个重要指标，这样农业物料力学性能的测定变得必不可少[1-6]。但是，目前国内大部分高校的材料力学试验台主要是WdW-3100微机电子式万能试验台[7-8]，主要用于完成低碳钢和铸铁的轴向拉伸和压缩实验[9-12]。为了充分发挥现有的材料力学试验台的功能，本文在完成了传统的低碳钢拉伸试验的基础上，以农业物料中的典型作物—水稻和玉米为例，利用该试验台对水稻芽种和玉米芽种进行了压缩试验，获得了水稻芽种和玉米芽种的力学特性，为该试验台的广泛应用提供了借鉴。

1材料力学试验台介绍

1.1设备构成

该试验机由3部分组成，如图1所示。①加力部分:主要由主机部分、压缩附具部分、楔形拉伸附具部分及弯扭附具部分等组成。其中，主机部分由导向立柱、上横梁、中横梁、下横梁和工作台组成。②测力部分:主要由主机工作台下的交流伺服电机、交流伺服系统及减速系统构成动力驱动系统。③处理部分：主要由插卡式控制器、PC机和打印机构成试验机的控制与数据处理及打印系统。

图1　WdW-3100微机电子式万能试验

1.2工作原理

该试验台为框架式结构，试件的拉伸工作区在中横梁的上部，压缩工作区在中横梁下部。其中，拉伸工作区安装了固定试件的夹具，能够实现用手动的方式夹紧和松开试样；夹具一侧安装在框架的顶部上横梁处，另外一侧安装在中横梁的上部。压缩工作区安装有固定试件的平台，平台一侧安装在框架的底部下横梁处，另外一侧安装在中横梁的下部。上、下横梁不能移动，为固定式；而中横梁能够进行上下移动，电机与减速系统相连接。工作时，由电机带动丝杠旋转，在丝杠的带动下，框架中的中横梁发生移动，完成试验过程的加载和卸载，实现试件的拉伸和压缩。另外，该试验台还配有负荷传感器、限位开关、电源指示灯及急停开关等。其中，负荷传感器安装在中横梁的上部，能够将加到试件中的载荷通过信号转换实现信号输出到电脑软件中去，方便记录载荷；限位开关能够防止在试验过程中横梁移动过大，而部件发生碰撞，即拉伸卸载的过程如果中横梁向下行进距离过长，就有可能碰到压缩部件。电源指示灯、急停开关都是为了保证在试验过程中的安全性。

1.3设备特点

1)能够完成恒力加载及恒速加载等加载方式。

2)能够实时记录试验过程的外载荷、试件变形及位移，并绘制成曲线，获得力与位移曲线。

3)该试验台采用框架式结构，是一台电子技术与机械传动相结合的新型试验机，对载荷、变形、位移的测量和控制有较高的精度和灵敏度。其通过与计算机联机可获得载荷—变形曲线，还可以实现控制、检测和数据处理的自动化；可以实现等速加载、等速变形、等速位移的自动控制实验；能够实现不同材料的拉伸或压缩试验等试验项目；可实现载荷测量、试样变形测量和活动横梁的位移测量。其中，载荷测量利用应变式拉应力传感器、试样变形测量，利用应变式引伸计、活动横梁的位移测量是利用丝杠的转动来实现，并经过 A/ D转换变为数字显示。

2材料力学试验台的应用

2.1低碳钢拉伸极限强度的测定

2.1.1试验材料及方法

低碳钢，圆形截面，L0=5d0，试件如图2所示。

试验前，要对试件的两端和中间部分的横截面积进行测量，每个位置测量3次，取平均值；并且在测量的时候要采用不同方位测量，取最小平均值作为横截面面积。其次，将上横梁处的试件夹具手动打开，将测量好的试件放到指定部位，手动夹紧。接下来启动电机，慢慢移动中横梁，使其上侧夹具接近试件，对正后，停止中横梁，再一次手动加紧下端夹具。检查无误后，重新启动试验台，打开电脑软件，在软件中完成所需的实验项目相关内容的填写，如试件的材料、形状、尺寸等。这时使试验台与电脑相连接，准备试验。试验刚开始时，加少许载荷(试件发生弹性变形范围内)后完成一次卸载，使其受力归零，一方面检查试验机是否工作正常，另一方面校核其残余应力；最后，再重新启动试验机，开始慢慢加载，在加载的过程，注意观察软件中所绘制的力与位移曲线的变化规律，同时观察试件受力后的形状改变，试验完成后，打印输出。

L0.计算长度　L.工作段长度　d0.原直径

2.1.2试验数据结果分析

低碳钢拉伸时力与位移变化规律曲线如图3所示。由图3可知：低碳钢在拉伸时要经历几个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段。其中，弹性极限载荷为32.55kN，变形为5.75mm；屈服极限载荷为28kN，变形为11.5mm；强度极限载荷为37.56kN，变形为31.5mm。根据试验前测得的几何尺寸及低碳钢拉伸状态下的应力公式[13]，进而获得了此批低碳钢的弹性极限载荷为432MPa，屈服极限载荷为371MPa，强度极限载荷为497MPa。

图3　低碳钢拉伸时力与位移曲线

2.2水稻芽种发芽率的测定

2.2.1指标的计算[14-17]

发芽率为

2.2.2试验材料及方法

长粒水稻品种:垦鉴3号、稻花香、龙洋16；短粒水稻品种：龙粳26、垦鉴稻6、空育131、垦稻12作为试验材料。 在水稻芽种含水率为23%条件下，将芽种分为10组，每组100粒，对稻种分别施加10、15、20、25、30、35、40、45N的压力，放在与原来相同环境下；用原来相同的方法催芽，观察催芽情况，查出没有继续发芽的水稻数量，3次重复，取平均值。

2.2.3试验数据结果分析

水稻芽种所受力对发芽率的影响曲线如图4所示。由图4可知：水稻芽种所受压力对7个品种芽种发芽率的影响规律相似，均随压力的增加而变小。当稻种所受外力不大于20N时，7个品种的芽种均能够继续发芽的百分率为100%，即稻种没有受到损伤，完全能够继续发芽；当稻种所受外力大于20N，但不超过26N时，有一部分稻种不能继续发芽，即有的稻种受到损伤，其发芽率下降，但其所占比率较小，7个品种的芽种发芽率范围为82%～98%；当稻种所受外力大于30N，稻种发芽率随着所受外力的增加下降，且下降的幅度较大；当稻种所受外力为40N时，稻种的发芽率为17%～26%；当稻种所受外力为45N时，7个品种的芽种发芽率范围为6%～15%。由此可见，稻种的极限载荷为20N。

图4　稻种所受压力对发芽率的影响曲线

2.3玉米芽种极限强度的测定

2.3.1试验材料及方法

玉米品种为德美亚1号。在玉米芽种芽长度为1mm，含水率为30%条件下，测定受压区横截面积，并将玉米芽种放置于试验台压缩工作区平台处；启动试验台，设定一定速率开始对水稻芽种正面进行施加压力[18-22]；带试验完成后，打印实验报告。

2.3.2玉米芽种极限强度计算

极限强度为

(1)

式中FN—受压时的极限载荷(N)；

A—玉米芽种的受压面积(m2)。

σ—应力(Pa)。

2.3.3试验数据结果分析

在玉米芽种含水率为30%、恒速的条件下，对玉米种子侧面进行施加压力获得的力与位移曲线如图5所示。由图5可知：玉米芽种侧面在受到压力后，所承受的压力随位移的增加先增加而后减少；当玉米受力在极限强度内，所承受的压力随位移的增加而增加；当玉米受力超过极限强度后，所承受的能力开始下降，并且下降的幅度比较大。图5数据显示玉米在上述条件下所承受的最大载荷为92N，当外载超过92N时，玉米的承受能力开始下降，且幅度较大，说明此时玉米芽种开始受到损伤。可见，玉米侧面所能承受的极限载荷为92N。

根据上述结果，通过测定获得玉米芽种侧面横截面积为3.73×10-3m2，根据式(1)获得了玉米芽种的极限为0.025MPa。

图5　玉米芽种侧压时力与位移曲

2.4水稻芽种极限强度的测定

2.4.1试验材料及方法

水稻品种为龙洋16号。在水稻芽种芽长度为1mm、含水率为23.15%条件下，测定受压区横截面积，并将水稻芽种放置于试验台压缩工作区平台处；启动试验台，设定一定速率开始对水稻芽种正面进行施加压力[23]；试验完成后，打印实验报告。

2.4.2试验数据结果分析

通过材料力学试验台获得了水稻芽种在一定速率条件下的受力与位移曲线如图6所示。由图6可知：水稻芽种在受到压力后，所承受的压力随位移的增加先增加而后减少，在增加的过程中有一定的波动；当水稻芽种受力在强度极限范围内，所承受的压力随位移的增加而增加；当水稻芽种受力超过强度极限后，所承受的能力开始下降，并且下降的幅度比较大。从曲线图可知：水稻芽种在压缩过程开始稻种所受到的外力随位移呈线性增加，在增加的过程有一定的波动，线性增加后稻种进入屈服阶段，但屈服阶段不是特别明显，维持时间较短；然后进入了强化阶段，达到了强度极限。图6数据显示水稻芽种在上述条件下进入屈服时所承受的外载荷为24N，所承受的极限最大载荷为37N。当外载超过37N时，水稻芽种的承受能力开始下降，且幅度较大，说明此时水稻芽种开始受到损伤。可见，水稻芽种所能承受的极限载荷为37N。

根据上述结果，结合测定获得水稻芽种受压横截面积为2.62×10-3m2，水稻芽种的屈服极限为0.009 2MPa，强度极限为0.014 1MPa。

图6　水稻芽种压缩测试图

3结论

1)利用材料力学试验台对低碳钢进行拉伸实验，获得了低碳钢拉伸过程中的力与位移曲线，得到了低碳钢拉伸过程中所承受外力与位移的变化规律，进而获得了低碳钢的弹性极限为432MPa，屈服极限为371MPa，强度极限为497MPa。

2)利用材料力学试验台对水稻芽种和玉米芽种分别进行了正面和侧面的压缩试验，获得了水稻芽种发芽率、水稻芽种正面压缩过程及玉米芽种侧面压缩所能承受外载的变化趋势。结果表明：水稻芽种和玉米芽种在受到压缩过程所表现的力学特性相似，即在极限范围内所受的外载随位移的增加而增加；当超过极限范围时，所能承受的外载开始急速下降。

3)通过该材料力学试验台的研究获得了水稻芽种正面压缩和玉米芽种侧面压缩的极限强度分别为0.014 1MPa和0.025MPa。

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Research on the Mechanical Properties of Agricultural Materials Based on the Material Mechanics Test Rig

Fu Changyun，Yi Shujuan， Li Zhiquan，Yang Guoyin，Li Haoying，Tao Guixiang

(College of Engineering,Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319，China)

Abstract：In order to make full use of existing equipment, in this paper, the tensile test of the low carbon steel was completed by the test bench, and the force and displacement curves of the low carbon steel were obtained,the change law of the external force and displacement in the process of low carbon steel was obtained, and the elastic limit of low carbon steel was 432MPa, the yield limit was 371MPa, the strength limit was 497Mpa. Secondly,the compression test of the rice bud seed and the lateral compression test of the seed of maize were carried out in the text. The hardness of the rice seed and the change of the lateral load on the lateral load of the corn germ were obtained. The results showed that The mechanical properties of the rice and maize seeds were similar to those of the maize.When the seed of rice and maize were compressed, the external force in the limit can be increased with the increase of the displacement, when the limit is exceeded, the external force that is able to withstand the rapid fall.The ultimate strength of the lateral compression of the positive compression and the lateral compression of the rice bud was 20N and 0.025MPa respectively.

Key words：material mechanics test bed; agricultural materials; mechanical properties; seed

文章编号：1003-188X(2016)05-0219-05

中图分类号：S237

文献标识码：A

作者简介：付昌云(1994-)，男，河北承德人，本科生，(E-mail)1721822560@qq.com。通讯作者：衣淑娟(1965-)，女，山东栖霞人，教授，博士生导师，(E-mail)yishujuan_2005@126.com。

基金项目：黑龙江省大学生创新创业训练计划重点项目(201510223005)；“十二五”国家科技支撑项目(2014BAD06B01)；黑龙江省科学基金项目(E2015033)

收稿日期：2015-07-23