甘薯成熟期秧蔓的机械物理特性参数研究

郑文秀，吕钊钦,2，鹿 瑶，魏乐乐，刘正铎，蔡玉虎

(1.山东农业大学 机械与电子工程学院，山东 泰安 271018；2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安 271018)

0 引言

甘薯起源于南美洲热带地区，又称红薯、地瓜、番薯、红笤等，不仅可以加工成多种类型的食品，而且是重要的轻工业原料及新型的能源用料[1-3]。甘薯是长藤蔓作物，其秧蔓产量高、生长茂盛，并贴地生长，覆盖整垄，且行与行之间的茎秧匍匐缠绕严重，不易分开[4-5]。因此，收获甘薯时首先需要清除秧蔓，否则后续的甘薯收获机械挖掘工作无法开展[6]。目前，国外甘薯秧蔓的处理主要以秧蔓直接粉碎还田为主，以收集运出作饲料为辅。我国机械化处理甘薯秧蔓也是主要采用秧蔓直接粉碎还田技术，但现有的甘薯去蔓机仍然存在很大的局限性，工作阻力大、能量消耗高、留茬长度长、粉碎合格率低及伤薯率高等问题一直以来都未得到有效的解决，严重制约着该项技术的应用和推广[7-10]。

成熟期甘薯秧蔓的机械力学性能是影响甘薯秧处理回收机主要作业指标的重要因素，如秧蔓回收率、粉碎长度合格率及垄顶留茬高度等。因此，研究甘薯秧蔓的机械力学性能对甘薯秧处理回收机切割装置的结构设计及作业参数确定等具有一定的指导和实际意义。由于缺乏对甘薯秧蔓力学性质试验研究，甘薯秧处理回收机切割部件的参数选择与设计没有可靠理论依据，仅限于经验估测。研究甘薯秧蔓的力学特性是建立甘薯秧蔓材料模型和秧蔓在各种载荷下本构关系的基础。

近年来，农作物茎秆的力学特性研究受到普遍重视，相关研究也日益增多。国内专家胡良龙对甘薯收获期藤蔓茎秆的机械特性进行了研究，揭示了茎秆含水率、剪切强度和机械碎蔓作业质量的内在关系[11]。陈超科等对高粱秸秆进行压缩、弯曲等试验测试，发现高粱秸秆有节处和无节处的力学性能有差别[12]。闫以勋等对大豆茎秆的微观结构与茎秆的力学特性关系进行了研究[13]。马征等利用物性测定仪对收获期的油菜茎秆进行了弹性力学特性试验[14]。卢强等对秧草茎秆的质量、抗剪切力和拉伸力进行了实验，揭示了直径大小与拉伸强度、剪切强度的变化规律[15]。张西良等研究了黄瓜藤秸秆的力学特性与纤维结构[16]。但是，针对秧蔓类茎秆的力学特性参数研究还不多见。本文以甘薯秧茎秆为研究对象，采用试验测定方法测得甘薯秧的拉伸、压缩和弯剪弹性模量，其他力学性能参数通过材料力学及弹性力学理论方法获得[17-19]，从而确定材料模型所需参数，并进行相应的分析，为开发和改进甘薯秧切割粉碎回收机械提供理论支持。

1 甘薯秧蔓材料的研究

1.1 结构与力学性质

甘薯是一年生植物，甘薯秧茎秆由外向内主要由青皮、韧皮纤维组织和薄壁组织组成。茎秆的力学性能主要由表皮和韧皮纤维组织承担，韧皮纤维组织以内是疏松的薄壁组织，主要起贮存和输送养分及水分的作用。对甘薯秧进行切割研究，重点研究甘薯秧根部力学性能，必须建立相应的材料模型。对甘薯秧蔓生理特征的研究结果表明：甘薯秧沿纤维方向的力学特性与沿横向的力学特性不同，即在互相垂直的两个方向上具有不同的力学特性，表现为各向异性；而在垂直于纤维方向的平面内，各方向力学特性相同，表现为各向同性。这样的材料称为横观各向同性材料，是正交各向异性材料的一种特殊情况[20]。因此，将甘薯秧看作横观各向同性材料模型。

1.2 确定材料的本构

本构关系是反映材料固有特性的关系式[21]。通过前面分析，将甘薯秧茎秆看作横观各向同性材料。横观各向同性材料常数的本构关系矩阵为

2 试验材料与方法

2.1 试样采集

甘薯秧样本取自山东农业大学甘薯种植基地。以商薯19号为试验对象，5月初栽，10月中下旬收获，一年一季种植，种植模式为单垄单行种植，机械起垄，垄距为900mm，株距为250mm。本次试验材料取样时间为2016年10月20日，从距离地面2cm 的根管处剪断，取样后在实验室去除分枝、枝叶，留下主茎秆部分作为试验对象。用干燥法测得甘薯秧茎秆的平均含水率为78.2%。

2.2 试验仪器

试验设备主要包括：微机控制电子式万能试验机(WDW-5E型，济南试金集团有限公司，其力传感器和位移传感器精度分别在±1%以内)，游标卡尺，直尺等测量工具。应力-应变及载荷-位移关系可由计算机自动以描点方式记录，各点坐标及结构参数均可由指定文件读出。

2.3 试验方法

2.3.1 拉伸试验

甘薯秧拉伸试验的试样长度为200mm，用波纹式拉伸夹头夹紧试样的上下两端，试样两端各夹持30mm长，加载速度为10mm/min，用户参数选择试件的直径、长度，试验重复10次。计算机记录下每个试件拉伸的应力-应变曲线，如图1所示。

图1 甘薯秧的拉伸试验

2.3.2 压缩试验

甘薯秧压缩试验试样应通直，并且两端必须保持平齐，径向压缩试验以试件长半轴为横轴，短半轴为纵轴进行压缩，取试样长度20mm。将试样置于球面滑动支座中心位置，施加速度为5m/min，试验重复10次。试验获得每个试件压缩的应力-应变曲线，如图2所示。

图2 甘薯秧的压缩试验

2.3.3 弯曲试验

甘薯秧的弯曲试验采用三点弯曲方法测定[24]，如图3所示。

图3 三点弯曲

甘薯秧弯曲试验试样长度100mm，跨距40mm，两端外延长30mm。采用专用的三点弯曲试验装置及压头，在微控电子万能试验机上施加速度为10mm/min，用户参数设定试件长度和试件跨度，试验重复10次，微机自动记录相关数据。试验获得每个试件弯曲的载荷-位移曲线，如图4所示。

缺钙发生原因：通常在土壤酸度较大（pH较低）的情况下易导致缺钙。柑橘对钙的需求量较大，但由于在柑橘生产中常施石灰、过磷酸钙、钙镁磷肥及喷含钙的肥料、农药等，使得柑橘园缺钙的现象并不多见。仅山坡地，或土质差、土壤有机质含量低时，钙素易流失，会导致土壤缺钙。其次，大量施用生理酸性的化肥，易使土壤酸化，并加速钙的流失。另外，在干旱年份土壤水分不足时，氮和其他盐离子（如钾）浓度相应提高，影响根系对钙的吸收，也会发生暂时缺钙。近年发现柑橘裂果趋势越来越严重，与土壤营养失衡密切相关，土壤过量的磷和钾是造成柑橘缺钙裂果的主要原因。

图4 甘薯秧的弯曲试验

3 结果与分析

3.1 甘薯秧蔓的轴向拉伸弹性模量Ez

按照试验方案将拉伸试样放置于夹持部件，采集系统调零，试验数据由试验软件自动采集，得到“应力-应变”曲线。图5为甘薯秧蔓10个试件拉伸应力应变曲线。

图5 甘薯秧拉伸应力—应变曲线

由图5可以看出：甘薯秧试样随着拉伸载荷的逐步增加而达到破坏极限。在试验过程中，开始预紧阶段有小部分滑移，其余曲线近似成线性关系。依据最小二乘法原理，对每次拉伸试验所得的曲线中近似线性部分的离散数据进行一元线性回归分析，得出甘薯秧拉伸时应力与应变的一元线性关系。同时，得到每个试样的拉伸弹性模量，去除最大值和最小值，将其余数据记录于表1中。表1为8个试件拉伸试验结果，弹性模量平均值为179.77MPa，标准差为54.04 MPa。

表1 甘薯秧拉伸试验结果

3.2 甘薯秧蔓的径向压缩弹性模量Ex和Ey

按照试验方案将压缩试样放置于压缩部件，采集系统调零，进行试验，试验数据由试验软件自动采集，得到“应力-应变”曲线。图6为甘薯秧蔓10个试件压缩应力应变曲线。

图6 甘薯秧压缩应力—应变曲线

由图6可以看出：甘薯秧试样随着压缩载荷的逐步增加，试件抵抗逐渐增大，在试验过程中，试样水分被逐渐压缩挤出。依据最小二乘法原理，对每次压缩试验所得的曲线中近似线性部分的离散数据进行一元线性回归分析，得出甘薯秧压缩时应力与应变的一元线性关系。同时，得到每个试样的压缩弹性模量，去除最大值和最小值，将其余数据记录于表2中。表2为8个试件压缩试验结果，弹性模量平均值为15.34MPa，标准为8.37MPa。

表2 甘薯秧压缩试验结果

3.3 甘薯秧蔓的弯剪弹性模量Gxz和Gyz

按照试验方案将试样放置于三点弯曲试验装置，采集系统调零，进行试验，试验数据由试验软件自动采集，得到“载荷-位移”曲线。图7为甘薯秧蔓10个试件弯曲载荷—位移曲线。

图7 甘薯秧弯曲载荷—位移曲线

根据试验记录的载荷与位移关系，可以计算出弯剪模量。取各曲线线性关系良好段落的最大点作为载荷，最大载荷对应的位移为试件中点的弯曲挠度，根据相关公式得到试件的弯曲剪切模量，去除最大值和最小值记录于表3中。表3为8个试件弯曲试验结果，弯剪弹性模量平均值为71.79MPa，标准差为34.11MPa。

表3 甘薯秧弯曲试验结果

3.4 同性面横向剪切模量Gxy

3.5 同性面泊松比uxy

3.6 甘薯秧蔓异性面泊松比uxz、uyz

4 结论

1)通过力学性能试验得到“商薯19号”甘薯秧材料弹性常数，其拉伸弹性模量为179.77 MPa，压缩弹性模量为15.34 MPa，弯剪弹性模量为71.79MPa。运用材料力学及弹性力学理论，确定同性面横向剪切模量为6.00MPa，同性面泊松比为0.28，异性面泊松比为0.03，为建立甘薯秧蔓的有限元模型进行甘薯秧蔓的切割研究提供了理论依据。

2)甘薯秧的轴向拉伸弹性模量与径向压缩弹性模量存在显著差异，甘薯秧表现为各向异性弹性材料模型。试验结果为建立甘薯秧蔓的力学模型进行甘薯秧蔓的切割研究提供了理论依据，对甘薯秧处理回收机切割装置的结构设计及作业参数确定等具有一定的指导和实际意义。

参考文献：

[1] 马代夫,李强,曹清河,等.中国甘薯产业及产业技术的发展与展望[J]. 江苏农业学报,2012，28(5)：969-973.

[2] 马剑凤,程金花,汪皓,等.国内外甘薯产业发展概况[J].江苏农业科学,2012,40(12):1-5.

[3] 赵大为,高占文.国内外甘薯茎叶处理收获机的发展研究[J]．农业科技与装备,2012(6):19-20.

[4] 张子瑞,刘贵明,李禹红.国内外甘薯收获机械发展概况[J].农业工程,2015,5(3):13-16.

[5] Richard G. How sweet potato varieties are distributed in Uganda:actors,constraints and opportunities[J].Food Security, 2013, 5 (6):781-791.

[6] Kampanat Phesatcha,Metha Wanapat. Performance of lactating dairy cows fed a diet based on treated rice straw and supplemented with pelleted sweet potato vines[J]. Tropical Animal Health and Production, 2013, 45 (2)：533-538.

[7] 夏阳,何玉静,王万章,等.分段红薯机械化收获模式实验研究[J].中国农机化,2011(6):70-72.

[8] 王冰,胡良龙,田立佳,等．1JHSM―800型甘薯仿形切蔓机的研制[J].中国农机化,2012(4):103-107.

[9] 林雪,陈长卿,黄赟,等.甘薯去蔓机发展探析[J]. 农业开发与装备,2016(5):60-63.

[10] 胡良龙,田立佳,胡志超,等.4GS-1500型甘薯宽幅收获机的研究设计与试验[J].中国农机化,2013,34(3):151-154.

[11] 胡良龙,王公仆,凌小燕,等．甘薯收获期藤蔓茎秆的机械特性[J].农业工程学报,2015,31(9):45-48.

[12] 陈超科,李法德,闫银发,等.高粱秸秆力学特性的试验[J].中国农机化,2016,37(5):130-135.

[13] 闫以勋,赵淑红,杨悦乾,等.成熟期大豆茎秆力学特性研究[J].东北农业大学学报,2012,43(5)：46-49.

[14] 马征,李耀明,徐立章.油菜茎秆弹性力学特性试 验研究[J].农机化研究,2016,38(5):187-191.

[15] 卢强,陈树人,李继伟.秧草茎秆力学特性实验研究[J].农机化研究,2011,33(7):174-177.

[16] 张西良,孙晓佳,徐云峰,等.黄瓜藤秸秆力学特性与显微结构研究[J].农机化研究,2014，36(4):156-159.

[17] 张红松,胡仁喜,康士廷.ANSYS14.5/LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社,2013.

[18] 李晓栋,方宪法,韩增德,等.基于ANSYS/LS-DYNA的滚刀式甜高粱切割器动力学仿真[J].中国农业科技导报,2015,17(3)：70-76.

[19] 刘兆朋,谢方平,吴明亮.成熟期油菜茎秆力学特性试验研究[J].农机化研究,2009，31(2):147-149.

[20] 徐芝纶.弹性力学[M].北京：清华大学出版社，2013.

[21] 刘声春,孙丽娟,王明磊.玉米茎秆模型建立及切割仿真研究[J].农业开发与装备,2015(10):73-75.

[22] 刘兆朋.圆盘式苎麻切割器的设计与试验研究[D]. 长沙:湖南农业大学, 2011.

[23] 丁皓江.横观各向同性弹性力学[M].杭州：浙江大学出版社,1997.

[24] 高天浩,闫银发,李法德,等.秋伐期桑条力学性能试验[J].山东农业大学学报,2016,47(3):338-344.

[25] 苏工兵.苎麻茎秆力学建模及有限元模拟分析研究[D].武汉：华中农业大学,2007.

[26] 吴家龙.弹性力学[M].北京：高等教育出版社,2010.

AbstractID:1003-188X(2018)06-0173-EA

Abstract： In order to provide mechanical property parameters for the design of sweet potato vine cutter and for the dynamic analysis of cutting process, this paper used the ShangShu No.19 sweet potato vine in harvesting period as the test material, carried out the tensile、compression and bending tests of sweet potato vine through the WDW-5 micro controlled electronic universal testing machine. The results show that the tensile elastic modulus is 179.77 MPa, the compressive elastic modulus is 15.34 MPa, and the bending shear modulus is 71.79 MPa. By using elastic mechanics and material mechanics theory, the transverse shear modulus of isotropic plane is 6.00MPa, the Poisson’s ratio of isotropic plane is 0.28, and the Poisson's ratio of anisotropic plane is 0.03.The results showed that there was a distinct difference between transverse tensile elastic modulus and radial compressive elastic modulus of sweet potato vine, so sweet potato vine is considered to be anisotropic material, when establishing the mechanical model, the anisotropic constitutive relations should be adopted. The results provide a theoretical basis for the establishment of the sweet potato vine finite element model and it is of great guidance and practical significance to the related structure design of the cutting parts of sweet potato vine crushing and returning machine.

Keywords： sweet potato vine； mechanical property; elastic modulus