葵花茎秆力学特性试验研究

杨 铮,王 芳,张智勇,王洪明,刘鹏伟,贾昭炎

(内蒙古农业大学 机电工程学院,呼和浩特 010018)

0 引言

我国葵花的种植面积非常大,居于世界第6位,种植面积达到100万hm2,每年的产量更是高达250万t。我国葵花的种植区域主要集中在华北地区的内蒙古、山西、河北,西北区域的新疆、宁夏,以及东北的辽宁、黑龙江等地[1]。葵花的种子可以食用,也可以用来榨油;花、花盘等可以制药;茎秆可以作为制造钾肥的原料,其含有丰富的纤维素,也可以用来造纸、制作家具板和隔音板等,还可用作燃料[2-3]。各部分经济价值极高。由于葵花的收获机械及茎秆的加工机械需要以茎秆为工作对象,因此对葵花茎秆力学特性的分析尤为重要。

国内外许多学者对于玉米、小麦、大麻、棉杆等农作物茎秆进行了研究,分析了力学特性及模型的建立[4-11],但对于葵花茎秆的研究相对较少。为此,以葵花茎秆为试验对象,利用微机控制电子万能试验机对葵花茎秆的弯曲、剪切及葵花茎秆皮的拉伸力学特性进行了试验研究,为研发葵花收获机械及葵花茎秆加工机械提供试验数据和理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 葵花茎秆的物理机械特性

葵花茎秆的性质(纤维形态与化学成分)在很大程度上决定了茎秆的物理机械性能,研究葵花茎秆的力学特性,首先要了解和分析茎秆本身的特性。葵花是菊科作物,是一年生的高大草本植物,其茎秆笔直、粗壮且纤维素含量很高,主要由木质部、表皮和髓质部组成,体积所占比例分别为8%、2%、90%,如图1所示。

图1 葵花茎秆横截面图Fig.1 Cross section diagram of sunflower stalk structure

木质部的厚度平均在2mm左右,要厚于一般的草本植物,木质部的密度为0.3～0.35 g/cm3。葵花茎秆各部位的密度存在细微差异,且自根向顶部密度稍有降低,原因在于植物生长由根部向梢部输送营养物质,梢部有了充足的营养才会继续向上生长,因而茎秆梢部营养元素的密度大;其表皮组织致密,存在蜡等弱介质层;髓质部呈海绵状,是多孔的、软又轻的物质,有较强的吸水性。将葵花茎秆剔除髓质部,其茎秆密度约为0.369g/cm3;正常保留髓质部的茎秆密度为0.186g/cm3,远低于剔除髓质部的葵花茎秆[12-13]。

葵花茎秆的木质部发达且纤维含量很高,纤维形态可与木材相比,这种草本植物的木质化程度非常高,其木质部承载了主要的机械强度[14]。葵花茎秆的各部分组织结构和化学成分皆不相同,由于其内部结构原因,其茎秆在不同方向必然会出现不同的机械强度特性,即各向异性。因此,需要对茎秆每一部分的力学特性进行试验研究。

1.2 试验材料的选取与测量

试验所用的葵花茎秆于2017年10月采自内蒙古农业大学农场,放置在通风处,长时间风干。葵花品种为美葵363,株高在2 000～2 400 mm范围内。试样选择生长良好、茎秆通直、无病虫害、表皮无开裂的葵花植株,并将整根茎秆分为5部分,从茎秆底部起每400mm为一部分,分别为下部、中下部、中部、中上部和上部。

采用游标卡尺测量试样直径,选取3个不同的位置测量,取平均值。采用DYSF-8000W全自动水分测定仪测定茎秆含水率,参考木材含水率测定方法[15]。为保证所测数据及时准确,在试验前进行葵花茎秆的含水率测定,保证试验所用茎秆含水率极为接近,最终选择含水率在9.3%～13.9%的葵花茎秆。

按式(1)计算葵花茎秆含水率,即

(1)

式中W—葵花茎秆含水率;

m0—试样干燥前质量(g);

m1—试样干燥后质量(g)。

1.3 试验设备

葵花茎秆力学特性试验采用ZD/WDW-20A型微机控制电子万能材料试验机(最大载荷20kN,加载速度范围1～500mm/min),对试验力、位移量、试验状态等可以进行实时检测显示,并具有试验力、位移峰值保持功能。该仪器主要用于测定各种材料在拉伸、压缩、弯曲、剪切状态下的力学性能及有关物理参数。

1.4 力学特性试验

1.4.1 葵花茎秆弯曲试验

1)试样制备。利用手锯在每一部份中取长度为240mm的茎秆作为弯曲试样,如图2所示。

图2 葵花茎秆弯曲试验试样Fig.2 Bending test sample of sunflower stalk

2)试验方法。分别以加载速度(100、200、300、400、500mm/min)和取样位置(上部、中上部、中部、中下部、下部)为试验因素进行单因素试验。为减小误差,设置3组重复组。将制备好的弯曲试验式样放置在弯曲试验装置上的底座与压头之间,保持跨距为80mm,如图3所示。

图3 葵花茎秆弯曲试验装置Fig.3 Bending test device of sunflower stalk

1.4.2 葵花茎秆剪切试验

1)试样制备。试样与葵花茎秆弯曲试样相同,均为长度240mm的茎秆。由于葵花茎秆上部有些弯曲,所以要选取比较笔直的部位。

2)试验方法。分别以加载速度(100、200、300、400、500mm/min)和取样位置(上部、中上部、中部、中下部、下部)为试验因素进行单因素试验。为减小误差,设置3组重复组。将茎秆放置在剪切装置上,如图4所示。

图4 葵花茎秆剪切试验装置Fig.4 Cutting test device of sunflower stalk

1.4.3 葵花茎秆皮拉伸试验

葵花茎秆的整杆拉伸试验中,茎秆的夹持过程出现打滑和茎秆的开裂问题。由于葵花茎秆皮在拉伸过程中承受绝大部分的载荷,因此以拉伸应力为试验指标进行葵花茎秆皮的拉伸试验。

应力计算公式为

(2)

式中σ—葵花茎秆拉伸应力(Pa);

b—葵花茎秆皮宽(mm);

t—葵花茎秆皮厚(mm)。

1)试样制备。用小刀将茎秆破开,去除内部髓芯,然后将茎秆皮制作成长100mm、宽15mm的矩形,用小刀将中间位置削成宽度为2mm左右,如图5所示。

图5 葵花茎秆皮拉伸试验试样Fig.5 Tensile test sample of sunflower stalk skin

2)试验方法。分别以加载速度(100、200、300、400、500mm/min)和取样位置(上部、中上部、中部、中下部、下部)为试验因素进行单因素试验。为减小误差,设置3组重复组。将试样放置在拉伸装置上并夹紧,如图6所示。

图6 葵花茎秆皮拉伸试验装置Fig.6 Tensile test device for sunflower stalk skin

2 试验结果与分析

2.1 葵花茎秆弯曲试验结果与分析

以取样位置为中部、加载速度为500mm/min为例,结合试验现象分析弯曲过程,弯曲特性曲线如图7所示。由图7可以看出:随着位移的增加,压头在向下移动,葵花茎秆被沿着径向压缩,弯曲力成线性增长,且斜率也在增大,在位移达到8.49mm时达到峰值374.1N;峰值过后,压头继续向下移动,弯曲力随着位移的增加逐渐减小,此时茎秆两端开始翘起并有茎秆表皮开裂的现象出现,原因是在弯曲力减小的过程出现波动;试验在弯曲力减小的趋势变得平稳后结束。

图7 弯曲特性曲线Fig.7 Curve of bending characteristic

中部葵花茎秆在不同加载速度下的弯曲力峰值如图8所示。由图8可以看出:随着加载速度的增加,弯曲力峰值呈线性增长趋势。由于葵花茎秆属于粘弹性体,当加载速度增加时,茎秆对压头的反力也在增大。

图8 弯曲力-加载速度曲线Fig.8 Bending force - loading speed curve

葵花茎秆不同位置在300mm/min的加载速度下的弯曲力最大峰值如图9所示。由图9可以看出:越接近茎秆根部最大弯曲力越大,原因是越靠近根部、茎秆直径越大、茎秆木质化程度越高、抗弯曲能力越强。

图9 弯曲力-取样位置曲线Fig.9 Bending force-sampling position curve

2.2 葵花茎秆剪切试验结果与分析

以取样位置为中上部、加载速度为500mm/min为例,结合试验现象分析剪切过程,剪切特性曲线如图10所示。由图10可以看出:随着位移的增加,剪切力呈线性增长,在这一过程中茎秆被挤压,当载荷达到一定值的时候才开始剪切,位移达到13.2mm时为最大剪切力峰值228.2N;之后,随着位移的增加,剪切力在逐渐减小,直到试验结束。

图10 剪切特性曲线Fig.10 Cutting characteristic curve

中上部葵花茎秆在不同加载速度下的剪切力峰值如图11所示。由图11可以看出:随着加载速度的增大,剪切力峰值减小。剪切速度的增大导致刀具对茎秆压缩时间的缩减,使得刀具更快速的进入到剪切阶段,最终导致剪切力的减小。

图11 剪切力-加载速度曲线Fig.11 Cutting force-loading speed curve

不同取样位置在300mm/min加载速度下的剪切力峰值如图12所示。由图12可以看出:上部、中上部、中部葵花茎秆的剪切力峰值递增,但变化不是很大;中下部以及中部葵花茎秆的剪切力峰值明显比上面3个部位大得多。这是因为不同的取样位置直径不同,纤维素含量及木质化程度都存在差异,越靠近根部其直径越大、纤维素含量越高、木质化程度越高。

图12 剪切力-取样位置曲线Fig.12 Cutting force - sampling position curve

2.3 葵花茎秆皮拉伸试验结果与分析

以取样位置为中部、加载速度为300mm/min葵花茎秆皮拉伸试验为例,分析拉伸过程,拉伸特性曲线如图3所示。由图13可以看出:拉伸过程的前半段拉力随着位移的增加呈线性增长,当位移达到2.15mm的时候拉力达到最大值264.95N,此时的试样伴随着一声脆响而断裂;在峰值过后,拉力瞬间减小并且保持在8.91N左右,直至试验结束。

图13 拉伸特性曲线Fig.13 Tensile characteristic curve

中部葵花茎秆皮在不同加载速度下的拉伸应力峰值如图14所示。由图14可以看出:随着加载速度的增加拉伸应力呈减小大的趋势。由于葵花茎秆中含有大量的木纤维,而纤维具有一定的柔韧性,因此出现了加载速度越大拉伸应力越小的现象。

图14 拉伸应力-加载速度曲线Fig.14 Tensile stress - loading speed curve

不同取样位置的葵花茎秆在300mm/min加载速度下的拉伸应力峰值如图15所示。

图15 拉伸应力-取样位置曲线Fig.15 Tensile stress - sampling position curve

由图15可以看出:取样位置越接近根部拉伸应力越大,葵花茎秆越靠近根部茎秆皮越厚,其所含的木质纤维也越多,导致拉伸应力越大。

3 结论

1)当取样位置一定时,弯曲力峰值随着加载速度的增加而逐渐增加;当加载速度保持不变时,取样位置越接近根部弯曲力峰值越大。

2)当取样位置一定时,剪切力峰值随着加载速度的增加而逐渐减小:当加载速度保持不变时,取样位置越接近根部剪切力峰值越大。

3)当取样位置一定时,拉伸应力峰值随着加载速度的增加而逐渐减小:当加载速度保持不变时,取样位置越接近根部拉伸应力峰值越大。