甘蔗尾茎力学特性试验

罗菊川，区颖刚，刘庆庭

(华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州　510642)



甘蔗尾茎力学特性试验

罗菊川，区颖刚，刘庆庭

(华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州510642)

摘要：为获取甘蔗尾部茎秆的力学特性参数，利用精密型微控电子万能试验机对蔗尾生长点以下1～3节茎秆的拉伸、压缩力学性能进行试验。结果表明：蔗尾节位对抗拉、抗压强度的影响极其显著，抗拉、抗压强度由中部向尾部顶端生长点方向显著减小；蔗尾生长点以下1～3节抗拉强度平均值分别为1.44、2.87、4.72MPa，拉伸弹性模量平均值分别为22.02、27.60、37.09MPa。各节茎秆直径与抗拉强度呈二次函数负相关关系，随着直径的增大，抗拉强度减小。抗压强度平均值分别为4.04、5.22、 6.66MPa；压缩弹性模量平均值分别为23.93 、25.37、24.12MPa；各节茎秆直径与最大压缩载荷之间呈幂函数正相关关系，随着直径的增大，最大压缩载荷增大。试验结果为甘蔗收获断尾机械的设计及建立数学模型进行动力学仿真提供了理论依据。

关键词：甘蔗尾茎；力学特性；抗拉强度；抗压强度

0引言

甘蔗作为我国主要的糖料作物，蔗糖产量占我国食糖总产量的90%以上，在农业经济中占有重要的地位[1-2]；但目前我国食糖生产成本过高，蔗糖产业的国际竞争力十分低下，主要原因是耗时最长、最艰苦、占甘蔗生产成本比例最高的甘蔗收获环节基本上还是人工作业，而断尾除叶技术是制约甘蔗收获机械发展的瓶颈[3]。目前，国内设计人员一般仅根据经验估算进行断尾机构的设计研制[4-7]，没有结合蔗尾的力学特性进行研究，断尾机构难以达到理想的效果。国外学者通过试验比较了不同品种的甘蔗梢头部的硬度、抗折力、抗折能、破碎力和破碎能与直径尺寸变化的关系，以及青叶叶鞘的抗拉强度，为切梢装置的设计提供依据[8-9]。国内研究者对甘蔗茎秆不同部位的抗弯强度、切割力进行了研究[10-12]。甘蔗不同部位力学性能差异很大，研究蔗茎尾部的力学特性，可为甘蔗断尾及加工机械的设计开发、建立虚拟蔗尾模型[13]进行断尾动力学仿真及有限元分析提供基础数据。目前，还未见对甘蔗尾部进行拉伸、压缩力学性能试验研究的报导。整茎试验能够有效缩短前期样本准备时间，较准确获得茎秆自然状态下承受外载荷而产生屈服和破坏的力学参数[14]。本文采用整茎拉伸、压缩的试验方法测定蔗尾茎秆生长点以下1～3节的拉伸、压缩强度和拉伸、压缩弹性模量，并进行了相应的分析。

1拉伸试验

1.1试验设备与方法

试验采用拉压传感器量程为2 500N的WD-E精密型微控电子式万能试验机，配套全数字化GT-M200系列电脑测控系统。试验采用根据甘蔗尾部的性能特点自行设计的专用夹具。

试验材料采自广东省广前糖业发展有限公司前进农场种植的成熟期的粤糖159。由于甘蔗尾梢部分被相互重叠的青叶紧密包裹，生长点以下1～3节节间长度很短，节间直径变化较大，生长点以下第1节部分相当脆弱。为了测得第1节的拉伸弹性模量和抗拉强度，需要稳固装夹第1节，避免滑移和被夹头夹坏的情况，试样剪去顶部叶片，剥除包裹尾梢部分的叶鞘，保留最顶部包裹生长点以下第1节部分的叶鞘。试验样本总长160mm，保持所要测试的节位处于中间位置，两端装夹长度分别为60mm，中间40mm为样本标距。

为避免甘蔗尾梢部在夹紧的过程中发生滑移和破坏，试验样本装夹部分周围缠绕橡胶、砂纸，用医用胶布固紧。拉伸速率设定为10mm/min，加载至试样破坏，测量断面的2个方向上的直径，取平均值作为直径。对于样本在夹头根部拉断或在夹头内部破坏的试验结果均不采用。

1.2试验结果

图1为不同样本甘蔗尾梢部分生长点以下第1～3节的应力—应变曲线。由图1可知：甘蔗尾梢第1节应力与应变呈近似直线关系，随着节位的增大，逐步呈现非线性关系，达到最大载荷后突然断裂，拉断之前产生一定的变形，断面整齐，表现出一定的脆性。对样本试验曲线，根据最小二乘法原理，对其进行拟合，拟合曲线关系式以最优效果而定，求取蔗茎断裂点之前平均值为该样本的弹性模量。

图1　蔗尾拉伸应力—应变曲线图

蔗茎顶端生长点以下1～3节的整茎纵向拉伸试验共45个有效试样，试验结果如图2所示。第1、2、3节抗拉强度平均值和标准差分别为1.44MPa和0.16MPa、2.87MPa和0.43MPa、4.72MPa和0.24MPa；第1、2、3节拉伸弹性模量平均值和标准差分别为22.02MPa和2.32MPa、27.60MPa和2.37MPa、37.09MPa和3.75MPa。抗拉强度和拉伸弹性模量都随着节位值的增大而增大，第3节抗拉强度约是第2节的1.64倍，第2节抗拉强度约是第1节的1.99倍。

图2　整茎拉伸试验结果

1.3结果分析

将蔗尾茎秆1～3各节直径与抗拉强度进行曲线拟合，拟合方程和决定系数如图3所示。拟合结果表明：蔗尾生长点以下1～3节茎秆的抗弯强度随直径的增大而减小；第1、2节直径与抗弯强度呈较强的二次函数负相关关系(见图3)，而第3节则呈弱负相关关系。

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运用SPSS16.0软件进行方差分析，结果表明：显著性水平sig值为0<0.05，表明在95%的置信区间内，节位对抗拉强度的影响极其显著。这主要是由甘蔗茎秆自身的结构特点决定的，蔗茎的抗拉强度不仅与茎秆内几乎平行于轴向排列的维管束数量、木质化程度有关，还与基本组织内贮藏的糖分(液体)以及基本组织与维管束之间结合的紧密程度有关[11]。甘蔗进入成熟期后，梢头部的含糖量和含水率之间呈负相关性，相关系数γ =-0.94[15]，说明越靠近顶端生长点部位，含水率越高，蔗茎维管束木质化程度越低，基本组织和维管束之间的结合强度越低，抗拉强度越小。

2压缩试验

2.1试验方法与设备

试验采用与拉伸试验相同的电子式万能试验机，用平面压头进行试验。试验材料为成熟期的台糖22，采自广东省广前糖业发展有限公司前进农场。截取甘蔗尾部茎秆生长点以下1～3节节间部分制作试验样本，由于受限于甘蔗尾梢的节间长度，试样长取20mm，两端磨平，两个端面与轴线垂直。下压头固定不动，上压头以5mm/min的速率缓慢向下加载，达到破坏极限后停止加载，分别测定蔗尾茎秆生长点以下1～3节的压缩性能。

2.2试验结果

如图4所示：试样在压缩载荷作用下随着压应力的增大逐步达到破坏极限，压应力迅速下降，试样被压裂。曲线初期阶段有一小段应力变化不大而应变较大的情况，可认为是压头与试样的逐渐适应过程，利用曲线计算弹性模量时将这部分数据去除，选取曲线上达到压缩破坏极限点之前的近似直线部分；根据最小二乘法原理，进行多项式拟合，得出每个试样的弹性模量，取其平均弹性模量。

压缩试验有效试样共65个，试验结果如图5所示。第1、2、3节抗压强度平均值和标准差分别为4.04MPa和0.21MPa、5.22MPa和0.30MPa、6.66MPa和0.24MPa；第1、2、3节压缩弹性模量平均值和标准差分别为23.93MPa和2.35MPa、25.37MPa和2.23MPa、24.12MPa和1.59MPa。第3节抗压强度约是第2节的1.28倍，第2节抗压强度约是第1节的1.29倍。

运用SPSS16.0软件进行方差分析，结果表明：显著性水平sig值为0<0.05，表明在95%的置信区间内，节位对抗压强度的影响极其显著。将蔗尾生长点以下第1、2、3节茎秆直径与最大压缩载荷进行曲线回归拟合，拟合结果表明幂函数关系具有较好的拟合优度，拟合方程和决定系数如图6所示。蔗尾生长点以下第1、2、3节茎秆直径与最大压缩载荷之间呈幂函数正相关关系。

3结论

1)蔗尾节位对抗拉、抗压强度的影响极其显著，抗拉、抗压强度由中部向尾部顶端生长点方向显著减小。

2)蔗尾生长点以下1～3节抗拉强度平均值分别为1.44、2.87、4.72MPa；拉伸弹性模量平均值分别为22.02、27.60、37.09MPa；各节茎秆直径与抗拉强度呈二次函数正相关关系，随着直径的增大，抗拉强度减小。

3)蔗尾生长点以下1～3节抗压强度平均值分别为4.04、5.22 、6.66MPa；压缩弹性模量平均值分别为23.93 、25.37、24.12MPa；各节茎秆直径与最大压缩载荷之间呈幂函数正相关关系，随着直径的增大，最大压缩载荷增大。

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Experiment on Mechanical Properties of Sugarcane Tail Stalk

Luo Juchuan, Ou Yinggang, Liu Qingting

( Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Abstract：In order to obtain the mechanical characteristic parameters of sugarcane tail stalk, tensile and compression tests were conducted in the accurate micro-controlled electronic universal testing machine. The results indicated that sugarcane tail node had extremely significant effects on the tensile strength and the compressive strength which decreased from the middle to the tail apical growing points, the results also showed that the average values of tensile strength of 1～3 nodes below the tail apical growing points were 1.44，2.87，4.72MPa,respectively, and their average values of tensile modulus of elasticity were 22.02，27.60，37.09MPa, respectively；It was quadratic function negative correlation between the diameter and the tensile strength of each nodes in the tail, and the tensile strength decreases with the increase of diameter; their average values of compressive strength were 4.04，5.22，6.66MPa, respectively, average values of compression modulus of elasticity were 23.93，25.37，24.12MPa, respectively, it was power function positive correlation between the diameter and the maximum compression load of each nodes in the tail,and with the increase of diameter, the maximum compression load increases. The conclusions provide the theoretical foundation to design tail-breaking mechanism of sugarcane harvester and establish mathematical model for dynamic simulation.

Key words：sugarcane tail stalk； mechanical properties； tensile strength； compression strength

文章编号：1003-188X(2016)07-0220-04

中图分类号：S225.5+3；S220.2

文献标识码：A

作者简介：罗菊川(1975-)，女，广东梅州人，讲师，博士，(E-mail)juchuanluo@163.com。

基金项目：国家自然科学青年科学基金项目(51405163)

收稿日期：2015-09-29