北方烟草钵苗的物理及剪切力学特性研究

董 欣，邵 菲，杨 波，那明君

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)



北方烟草钵苗的物理及剪切力学特性研究

董 欣，邵 菲，杨 波，那明君

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030)

为进一步优化设计烟草钵苗移栽机的关键部件，通过对移栽期北方烟草钵苗的测定，利用数理统计方法分析移栽期烟草钵苗的物理特性，得出烟草钵苗主要物理特性指标值的变化区间及分布频率。通过剪切试验对移栽期烟草钵苗茎秆的不同部位剪切载荷、抗剪强度及剪切功耗进行测试分析，得出烟草钵苗茎秆剪切部位对剪切破坏载荷及剪切功耗均存在显著影响(α=0.05)，在距烟草钵苗钵体表面5～10mm处剪切破坏载荷和剪切功耗最大，抗剪强度均值为(1.10±0.12)MPa，试验可为北方烟草钵苗移栽部件的设计提供科学依据。

烟草钵苗；物理特性；剪切载荷；功耗；抗剪强度

0 引言

烟草是以育苗移栽方式为主的作物，我国近年烟叶种植面积稳定在133.3万hm2左右，但移栽机械化水平相对较低。人工移栽以大量的畜力、人工等传统落后的生产工具和生产方式为主，不适用于规模种植模式[1-2]；机械化移栽可以提高烟草幼苗质量，降低育苗成本，提高经济效益，特别是可以大大降低农民的劳动强度，对争取更多的春耕时间，大幅度提高农作物的种植效率具有非常重要的现实意义[3-5]。

烟草钵苗的基本物理力学参数是其移栽机械设计与开发的基础。如果移栽机械关键部件设计不当，移栽过程中易对烟草钵苗造成机械损伤，影响烟苗移栽后的质量及成活率[6-7]。目前，关于烟草钵苗茎秆力学特性的研究报导不多：尚蕾等[8]对烟苗进行钵苗拔取及烟苗茎秆拉伸、压缩、弯曲和剪切力学试验，获取了烟苗拔取力、烟苗茎秆抗拉强度、抗压强度、抗剪强度及烟苗茎秆弹性模量；惠东志[9]对烟苗抗拉断力与取苗力进行试验研究，得出单株烟苗抗拉断力远远大于拔取力；肖名涛[10]等对不同品种的烟草钵苗的拉断力、拔苗力及剪切特性进行试验研究，得出烟苗拔苗力远小于移栽期钵苗的拉断力。但针对北方烟草钵苗茎秆不同部位剪切的破坏载荷及功耗影响规律的研究报导不多，且移栽机设计充分考虑烟草钵苗物理力学特性的研究尤为重要。为此，以北方移栽期烟草钵苗为研究对象，通过对其几何物理特性参数的测定，探究移栽期几何尺寸分布的规律；通过烟草钵苗茎秆不同位置剪切力学性能测定，获得其剪切破坏载荷、剪切功耗和抗剪强度，旨在为北方烟草钵苗移栽机关键部件的设计提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

烟草钵苗的物理力学试验于2015年5月在东北农业大学力学实验室进行。试验材料烟草钵苗采自黑龙江省肇东市五站镇烟站，品种“龙江911”，苗龄60天；试验对象为总体长势均匀、含水率一致的烟草钵苗及其茎秆。其育苗方式为托盘营养钵，育苗钵盘选用东北烟区常用的标准通用穴盘，其几何尺寸(长×宽)565 mm×325mm，规格为每行12株，每列10株，穴盘钵孔形状圆台形，规格(上口径×下底径×高)Φ40mm×Φ12mm×40mm，穴孔体积23.28cm3。依据GB/T1931-2009[11]测定含水率均值，茎秆(87.28±1.63)%，营养钵(33.84±5.35)%。为避免含水率对试验结果的影响，试样采集当天完成试验。

1.2 试验设备

试验主要设备为WDW-5型电子式万能材料试验机、数显游标卡尺、卷尺、电热鼓风干燥箱及电子天平等。此外，还包括自制剪切试验夹具，试验机设备参数如表1所示。

试验数据采集利用自主研制的C-LM4多通道拉压力量仪，测试系统如图1所示。通过传感器将压力信号转换为电信号传递给C-LM4多通道拉压力测量仪，C-LM4多通道拉压力测量仪将该电信号放大转换成可显示的数字信号，USB数据线将数字信号传至电脑实现实时数据采集、显示和记录。

表1 试验仪器及设备参数

1.PC1 2.C-LM4多通道拉压力测量仪 3.WDW电子式万能材料试验机 4.拉压力传感器 5.试验夹具 6.主机箱 7.PC2

1.3 试验方法

1.3.1 烟草钵苗几何物理特性的测定

考虑烟草钵苗移栽机的设计要求，选择烟草钵苗植株高度H、宽度B、单株质量及距烟苗钵体表面5、10、20、30mm高处的茎秆直径和含水率等参数作为几何特征评价指标，随机采样50个，分别测量每个样本的基本几何特性，用数理统计方法分析预测其变化区间及分布规律。烟草钵苗几何模型如图2所示。

1.烟苗 2.钵体

1.3.2 烟草钵苗茎秆不同部位的剪切特性试验

目前，烟草钵苗茎秆剪切力学性能的试验方法还没有统一标准，论文参考其它材料相关的力学试验，在电子式万能材料试验机上采用单因素重复试验的方法，以一定的加载速率，测定烟苗茎秆在剪切加载条件下不同生长部位试样产生破坏的载荷、功耗和抗剪强度。

从待测的烟草钵苗中随机取样，自钵苗钵体表面向上取40mm长剪断钵苗，去叶处理制成钵苗茎秆剪切试样，测量试样直径。

按着对试样分别距钵体表面5、10、20、30mm处设计4水平单因素试验，对钵苗茎秆试样直径和力学特性参数分别进行测试和数据处理，每组试验重复5次，取5次结果均值作为试验结果，试样20个。试验时，将剪切夹具置于试验机上，烟苗茎秆试样置于自制剪切夹具上，如图3所示。试验机以10mm/min均匀速率加载试验[12-13]，观察试验过程并通过测试系统实时记录剪切位移-载荷数据，记录产生剪切破坏载荷和最大破坏载荷。

1. 试样 2.动刀片 3.静刀片 4.支架

烟苗茎秆剪切强度根据试验记录的剪切位移-载荷数据，则有

式中 τ—剪切强度(MPa)；

Pmax—烟苗茎秆剪切破坏载荷(N)；

d—烟苗茎秆横截面积直径(mm2)。

2 试验结果与分析

2.1 烟草钵苗几何物理特性

2.1.1 烟苗基本物理特性

烟草钵苗基本物理特征评价指标统计分析结果如表2所示。根据样本参数的平均值和标准偏差可预测出烟草钵苗几何物理特征评价指标的变化区间[14]。烟草钵苗自然状态下的高度为[115.7，188.3]mm，宽度为[80.8，182.0]mm，单株重为[15.0，17.8]g，距钵苗钵体上表面5mm处茎秆直径为[3.45，4.39]mm，含水率为[84.02，90.54]%。

表2 烟草钵苗基本物理特性参数

烟草钵苗高度、宽度、距钵体上表面5mm处茎秆直径3个参数的概率分布直方图如图4所示。

(a) 烟草钵苗高度

(b) 烟草钵苗宽度

(c) 钵苗距钵体5mm处茎秆直径

由图4(a)知，烟草钵苗高度主要分布在[135，175]mm，占总样本数的80%，约有92%的烟草钵苗高度小于等于175mm。由图4(b)知：烟草钵苗宽度主要分布在[100，160]mm，占总样本数74%，约有88%的烟草钵苗宽度小于等于160mm。由图4(c)知：烟草钵苗茎秆直径主要分布在[3.55，4.30]mm，占样本总数90%，约有96%的烟草钵苗茎秆直径小于等于4.30mm。

2.1.2 烟苗茎秆不同部位的含水率

对采集的烟草钵苗去叶，随机抽取较为均匀的茎秆，对距钵体上表面5、10、20、30mm处的各部位用游标卡尺分别测量茎秆直径，从50株测量样品中取10株用烘干法分别测量不同生长部位的含水率，结果如表3所示。

烟草钵苗茎秆不同生长部位的特征有差异，靠近烟苗茎秆下部的直径大于上部，茎秆下部含水率高于上部。由此表明在同一株烟苗茎秆中，从试样的底部到上部直径呈逐渐减小、含水率呈逐渐降低的变化趋势。

表3 烟草钵苗茎秆不同部位直径和含水率均值

Table3 Tobacco pot seedling average diameter and moisture content at different parts

2.2 剪切部位对烟苗茎秆剪切载荷的影响

试验中，试样的变形范围0～5mm，加载速度10mm/min，初始载荷5N。在万能材料试验机上，利用自制剪切夹具，采用自主设计的测试软件依次对距钵体上表面5、10、20、30mm处的烟草钵苗茎秆进行剪切试验。

试验过程中，随着剪切位移逐渐增大，在剪切试样的位移-载荷曲线上可以观察到曲线出现锯齿波动点，由此可获得烟草钵苗茎秆不同部位产生剪切破坏的载荷，计算得出不同剪切部位5次重复试验产生剪切破坏的载荷统计指标，如表4所示。

表4 不同部位烟苗茎秆产生剪切破坏的载荷

图5为烟草钵苗茎秆试样剪切部位与剪切最大破坏载荷的关系曲线。由图5可知：在加载速度保持不变的情况下，剪切部位对烟苗茎秆产生剪切最大破坏载荷具有较大的影响。随着剪切位置逐渐远离烟苗茎秆的底部，烟苗茎秆被剪时产生的最大破坏载荷呈先缓慢增大后明显减小趋势，剪切最大破坏载荷在距离茎秆底部5～10mm处取得最大值26.3N，即取得较好抗剪切力。经方差分析得出：在显著性水平α=0.05的情况下，烟苗茎秆剪切部位对试样剪切产生的最大破坏载荷影响差异显著。

将试验数据利用Excel处理得出剪切位移-载荷曲线，如图6所示。由图6可知：烟苗茎杆剪切力随位移呈先上升后下降的变化趋势。

图5 剪切部位-最大破坏载荷

图6 剪切位移-载荷曲线

在试样加载剪切初始阶段，剪切位移-载荷曲线基本呈线性变化，载荷随剪切位移的增大而缓慢升高，不同剪切部位的剪切位移-载荷增加速率基本一致；但弹性阶段4个剪切部位的位移不同，远离茎秆底部的位置弹性范围较小，此时茎秆在剪切力的作用下首先发生弹性变形。这是因为烟草钵苗茎秆的剪切曲线规律与该材料的结构有密切关系，烟苗茎秆自底部向上直径逐渐减小，弹性变形范围缩小。随后剪切载荷随剪切位移的加大逐渐增大，剪切位移-载荷曲线呈非线性变化，曲线出现锯齿波动，这是因为随剪切力的增大，茎秆表皮出现裂纹，结构逐渐被破坏；随着位移继续增加，剪切载荷上升速率逐渐降低，被剪切部位内凹，载荷逐渐增加至峰值，该值为剪切过程中最大剪切破坏载荷，茎秆芯部被破坏。烟苗茎秆芯部组织被破坏后，曲线呈非线性下降趋势，剪切力逐渐减小直至剪切位移达到极限茎杆被剪断，如图7所示。

2.3 剪切部位对烟苗茎秆剪切功耗的影响

由剪切位移-载荷数据，利用MatLab软件按公式编程获得剪切位移-功耗曲线，如图8所示。

式中 W—剪切功耗(J)；

F—载荷(N)；

Δh——位移(mm)。

由图7可知：在加载速度保持不变的情况下，烟草钵苗茎秆的剪切功耗随剪切位移的增大呈逐渐增大趋势。在剪切初始阶段，不同部位剪切功耗变化曲线基本相同，对应剪切载荷曲线为弹性阶段部分，当距钵体表面5mm处的烟苗茎秆剪切位移均值达(2.28±0.33)mm左右时，烟苗茎秆从表皮开始被破坏，剪切功耗曲线上升速率也逐渐增大，直到烟苗茎秆被剪断。

图7 剪切位移-功耗曲线

由烟苗茎秆产生剪切破坏的位移得到其对应的剪切破坏功耗，不同部位5次重复试验产生剪切破坏的剪切功耗统计结果如表5所示。

表5 不同部位烟苗茎秆产生剪切破坏的功耗

图8为烟苗茎秆产生剪切破坏时剪切部位与剪切功耗的关系曲线。由图8知：功耗曲线与剪切载荷曲线的规律近似相同，随剪切部位逐渐远离茎秆底部，产生剪切破坏的剪切功耗变化趋势为先缓慢增大后明显减小，在距烟苗茎秆底部5～10mm处剪切功耗值最大。方差分析可知：在显著性水平α=0.05的情况下，烟苗茎秆不同剪切部位产生剪切破坏的剪切功耗存在显著性差异。

图8 剪切部位-功耗关系曲线

2.4 剪切部位对烟苗茎秆抗剪强度的影响

烟草钵苗茎秆不同部位抗剪强度统计结果如表6所示。由表6可知：烟苗茎杆抗剪强度随剪切部位逐渐远离茎秆底部其变化波动不大。经方差分析表明：在显著性水平α=0.05的情况下，烟草钵苗茎秆不同剪切部位的抗剪强度差异不显著。

表6 烟苗茎秆不同部位抗剪强度

3 结论

1)北方移栽期烟草钵苗高度、宽度、茎秆直径、单株质量和含水率分别为(152±18.1)mm、(131.4±25.3)mm、(3.92±0.24)mm、(16.4±0.7)g和(87.28±1.63)%。

2)烟草钵苗茎秆剪切部位对产生剪切破坏载荷、剪切功耗、剪切强度均存在显著影响(α=0.05)。

3)移栽期北方烟草钵苗茎秆取样部位在距钵体表面5～10mm处剪切破载荷、剪切功耗及剪切强度值均为最大，抗剪强度均值为(1.10±0.12)MPa。为了避免烟苗受到损伤，取苗移栽的拔取夹持部位应选取茎秆距钵体表面5～10mm处。

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Physical and Shear Mechanical Characteristics of Tobacco Seedlings in Northern China

Dong Xin，Shao Fei，Yang Bo，Na Mingjun

(Engineering College, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

In order to further optimize design the key components of tobacco seedling transplanting machine through the determination of northern tobacco seedlings during transplanting period. Analyzing the geometrical and physical characteristics of tobacco seedlings by mathematical statistics and obtain the variation range of the main geometrical characteristic index value and the frequency distribution of the tobacco seedlings. Through the experiment and analysis of shear stress, shear strength and power consumption of different parts of tobacco seedlings stem in the transplanting period，it is significant that the tobacco seedling stem cutting position influence the load on the shear failure、shear strength and shear strength of power(α=0.05).The shear failure load, shear power and shear strength at the tobacco bowl surface 5～10mm are the largest，and average value of shear strength is(1.10±0.12)MPa. The experiment results provide a scientific basis for the design of the transplanting parts of the tobacco seedlings in northern China.

tobacco seedlings; mechanics characteristic; shear load; power consumption; shear strength

2016-04-12

黑龙江省应用技术与开发计划项目(GC13B604)

董 欣(1962-)，女，吉林德惠人，教授，(E-mail)Dongxin@neau.edu.cn。

S183;S563.9

A

1003-188X(2017)05-0181-06