鲜烟叶主脉力学特性试验研究

李军政 王海毕 彭柱根 段美珍 刘从 周登峰

摘要：為研究鲜烟叶在机械手有序抓取过程中的破碎机理，以寸三皮黄烟品种为研究对象，利用万能试验机对新鲜烟叶主脉进行径向、侧向的压缩和剪切力学试验，得到不同作用位置的载荷—位移曲线，并利用Origin软件拟合烟叶主脉最大破碎力和剪切力的离散点变化规律曲线。结果表明，烟叶主脉径向和侧向压缩的最大破碎力均值为75.25 N，抗压强度均值为1.175 MPa，压缩弹性模量均值为5.79 MPa；径向和侧向最大剪切力均值为23.04 N，剪切强度均值为0.295 MPa，剪切模量均值为0.56 MPa。对烟株中部叶和下部叶的压缩和剪切力学特性进行比较，发现中部叶破碎和剪切需要施加更大的力。为机械手有序抓取烟叶提供理论基础和设计依据。

关键词：鲜烟叶主脉；破碎机理；压缩试验；剪切试验；力学特性

中图分类号：S23

文献标识码：A

文章编号：2095-5553 （2024） 05-0098-07

收稿日期：2023年10月19日  修回日期：2023年12月27日*基金项目：湖南省自然科学基金项目（2021JJ30327）；湖南省教育厅科学研究项目（22A0149）；湖南省烟草公司科技项目（2023kjc—yc038）

第一作者：李军政，男，1978年生，湖南郴州人，博士，副教授；研究方向为农业装备创新设计与试验。E-mail：  lijunzheng2008@163.com

Experimental study of mechanical characteristics of fresh tobacco main vein

Li Junzheng1， Wang Haibi1， Peng Zhugen1， Duan Meizhen2， Liu Cong1， Zhou Dengfeng1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Hunan Agricultural University， Changsha， 410128， China;

2. Changsha Company， Hunan Tobacco Company， Changsha， 410000， China）

Abstract：

In order to study the crushing mechanism of fresh tobacco leaves during the orderly grasping process by a mechanical hand，   the Cunsanpi variety yellow tobacco was taken as the research object， a universal testing machine was used to apply radial and lateral compression loads and shear force on the main vein of fresh tobacco leaves， the corresponding load-displacement curves were obtained， and the discrete point variation curves of the maximum crushing force and shear force of the tobacco main vein were fitted by the Origin software. The results showed that the average values of the maximum crushing force of radial and lateral compression of the tobacco main vein was 75.25 N， the average compressive strength was 1.175 MPa， the average compressive elastic modulus was 5.79 MPa， the average values of the maximum radial and lateral shear force was 23.04 N， the average shear strength was 0.295 MPa， and the average shear modulus was 0.56 MPa. Additionally， a comparison between the compression and shear mechanical characteristics of the middle and lower tobacco leaves was made， it was found  that the crushing and shearing of middle leaves required greater force，  which can provide a theoretical basis and design reference for the orderly gripping of tobacco leaves by a mechanical hand.

Keywords：

fresh tobacco main vein; fracture mechanism; compression test; shear test; mechanical characteristics

0 引言

烟叶的有序抓取分离是机械化生产过程中常用的关键环节，而烟叶作为一种重要经济作物，在机械化生产过程中受到损伤将会影响其价值［1， 2］。烟叶由主脉、侧脉和叶肉组成，主脉连接茎和叶，决定烟叶叶片的弯曲度，是烟叶的主要受力部位［3］。调制好的烟叶在切丝前，主脉通常会去掉［4-6］，由此可将主脉作为机械抓取中与机械接触的部位来降低机械损伤。因此，研究烟叶主脉力学特性，对烟叶抓取装置的研究和设计具有重要意义。

目前，对烟叶力学特性的研究主要集中于拉伸特性方面，如仝振伟［7］、张秀丽［8］等对烟叶主脉力学性能进行了拉伸试验，探究了不同成熟度和含水率对主脉力学特性的影响；张秀丽等［9］在之前研究的基础上进一步研究了机械采收时烟叶与茎秆分离时受力情况及施力方式对茎叶断裂的影响，Tian等［10］采用離散元法建立了烟叶试样拉伸特性的数值模拟模型，测定了不同位置和不同取样方向获得的烟草叶肉样品的拉伸性能，并通过仿真对模型进行了标定和验证。此外，还有许多学者对其他农作物茎秆力学特性进行了研究，例如Wen等［11］通过对甘草进行剪切和弯曲试验和观察甘草茎的显微结构得出结论：茎部显微组织的横截面积的变化对剪切和弯曲的力学性能有重要影响；李徐勇等［12］对甘蔗叶秸秆在杂乱铺放和横向铺放状态下进行了压缩特性研究，并探究了不同因素对最大压缩力的影响；刘禹辰等［13］对玉米秸秆外表皮和内穰进行了拉伸、压缩以及剪切试验，探究了玉米秸秆的力学特性；谢伟等［14］对收获期油菜薹茎秆进行了压缩、剪切和弯曲力学特性测定；魏俊逸等［15］对油菜茎秆进行了径向全压缩和局部压缩试验，测量了油菜茎秆径向的弹性系数，并研究了不同曲率半径压头对油菜茎秆局部压缩力学特性的影响。

以上研究为鲜烟叶主脉力学特性研究提供了理论基础及试验方法。本文利用万能试验机对适熟烟叶不同位置的主脉进行压缩和剪切力学试验，得到不同位置的载荷—位移曲线以及最大破碎力、最大剪切力等参数，可以为确定烟叶有效抓取位置和抓取力大小提供试验依据。

1 试验材料

试验所用烟叶采自宁乡市坝塘镇南芬塘村晒黄烟生产示范实验基地，品种为寸三皮，选取处于适熟期的下部烟叶（移栽后70 d左右），要求烟叶叶片完整鲜亮、无蔫黄、无病虫害。

烟叶主脉力学特性试验在智能农机装备湖南省重点实验室进行，所用主要设备为CMT6104电子万能试验机。

2 样本制备与试验方法

2.1 试样制备

试验开始前，从待测下部烟叶中选择主脉完好的烟叶，除去烟叶叶肉和侧脉部分，只留主脉，在去除过程中要保持主脉完整，避免损伤，将主脉从叶基处和叶缘减小处切断并舍弃，只留中间部分并均分为5段，依次标记为A～E，取样说明如图1所示。

2.2 烟叶主脉截面结构

从试样中分别截取10 mm的主脉段，将其洗净、拭干，切断后的截面如图2所示。烟叶主脉截面呈马蹄形，表面附着有腺毛，烟叶主脉主要由外表皮、髓质、韧皮部和木质部组成，且木质部呈半圆弧形。测量烟叶不同部位主脉的厚度与宽度，利用SolidWorks软件测算烟叶主脉的横截面积。

2.3 主脉含水率

恒温箱烘干法是物料含水率测量最常见的方式之一。在本试验中，去除烟叶叶肉部分只留主脉样品，烘干前烟叶主脉质量为m1，烘干后质量为m2，通过式（1）可得烟叶主脉含水率ω范围为90.45%～93.56%。

3 结果与分析

3.1 压缩试验

3.1.1 压缩过程

对同一片烟叶主脉5个部位试样进行径向压缩，压缩过程如图3所示。

从图3可以看出，随着压头下移量的增加，烟叶主脉被慢慢压紧，当载荷不断增大到最大值时，烟叶主脉达到屈服状态，随后载荷随着位移的增大而减小，并且在一定范围内波动，最后烟叶主脉被压实后，载荷随着位移的增加而逐渐增大。此外，同一烟叶主脉从下部至上部，烟叶主脉的最大抗压力逐渐减小。

径向压缩时，烟叶主脉的髓质先破裂，随着压力增大，主脉中间处外表皮破裂，韧皮部和木质部由于挤压变形，伴有水分流出。烟叶主脉根部与尖部的抗压力值差异比较大，是因为在烟叶主脉结构中木质部的硬度最大，能够承受较大的压力，而主脉木质部越往尖部越薄越短。

侧向压缩时，由于下压压头作用力和圆盘底座反作用力，侧向放置的烟叶主脉段随着载荷增大髓质破裂，弧形木质部由两端向中间挤压而断裂。由于木质部外侧受到挤压，内外侧受力不均匀而导致木质部断裂，因此抗压强度会降低。

分别取烟叶5个部位的主脉段进行不同方向的压缩试验测试并绘制烟叶主脉直径与最大压力图，并利用Origin软件对数据拟合，如图4所示，烟叶主脉的最大抗压力与直径呈正相关关系，且随着烟叶主脉由根部向尖部的延伸，其抗压能力逐渐减小。

则径向压缩的拟合方程为

y1=1.07x2-8.98x+76.47

（5）

侧向压缩的拟合方程为

y2=0.43x2-1.56x+38.58

（6）

3.1.2 压缩试验结果

烟叶主脉各作用部位径向压缩试验结果如表1所示，将烟叶主脉段视为等直杆［16］，由式（3）计算出烟叶主脉段的弹性模量，烟叶主脉径向压缩得出各作用部位的弹性模量均值范围为6.12～7.48 MPa。用于径向压缩试验的烟叶主脉的平均直径为8.81 mm，最大破碎力104.36 N，平均破碎力为82.79 N，平均抗压强度为1.44 MPa，平均压缩弹性模量为6.88 MPa。

同样可以得到烟叶主脉各部位侧向压缩得出的弹性模量均值范围为4.24～5.08 MPa，用于侧向压缩试验的烟叶主脉的平均直径为10.30 mm，最大破碎力为83.79 N，平均破碎力为68.49 N，平均抗压强度为0.91 MPa，平均压缩弹性模量为4.70 MPa（表2）。

两种压缩方式通过均值计算得到烟叶主脉最大破碎力均值为75.25 N，抗压强度均值为1.175 MPa，压缩弹性模量均值为5.79 MPa。

3.2 剪切试验

3.2.1 剪切过程

分别对同一烟叶主脉的5个部位的试样做剪切试验，剪切过程如图5（a）、图5（b）所示。在径向剪切试验初始阶段，随着刀具位移量的增加，刀具接触到主脉外表皮使主脉剪切破坏到临近值，随后切破主脉外表皮，随着刀具持续切割，髓质内细胞壁逐渐加厚，剪切力不断增大；刀具持续下移，在刀具接触韧皮部时由于韧皮部硬度大，剪切力在短时间内上升幅度大，当达到木质部剪切临界值后，剪切力也越来越大；当主脉弧形木质部上层被切断后，刀具在持续切割木质部的同时开始接触髓质部分，由于髓质较木质部质地较软，且木质部仍承受主要剪切力，在此阶段，剪切力上升幅度变缓；随着刀具位移量持续增加，弧形木质部完全被切断，剪切力急剧减小，刀具持续切割髓质部分，刀具施加载荷逐渐减小，直至主脉段被切断，试验停止。载荷与位移线性相关。

与径向剪切不同的是，侧向剪切过程中剪切力会出现两个峰值，原因在于当剪切力达到木质部临界值后，剪切力越来越大，达到剪切的第一个峰值；当刀具切割到烟叶主脉髓质部分时，此时切割位置包括木质部、韧皮部、髓质和外表皮，在此过程中会出现第二个峰值，当刀具持续下切，完全切断木质部后，切割力陡然减小，直至完全切断主脉。

烟叶主脉直径与最大剪切力的关系如图5（c）所示，烟叶最大剪切力与主脉直径呈正相关，随着烟叶主脉从根部到尖部直径的减小，最大剪切力逐渐减小。利用Origin软件对数据进行拟合，得到径向剪切试验拟合曲线方程为

y3=0.05x2+3.43x-13.83

（7）

侧向剪切试验拟合曲线方程为

y4=0.40x2-5.96x+38.19

（8）

3.2.2 试验结果

烟叶主脉各作用部位径向剪切试验结果如表3所示。用于径向剪切试验的烟叶主脉平均直径为10.03 mm，各部位剪切力均值范围为17.92～34.67 N，平均剪切力为26.10 N，剪切强度均值为0.34 MPa，剪切模量均值为0.54 MPa。

同样地，用于侧向剪切的烟叶主脉平均直径为10.41 mm，各部位剪切力均值范围为15.21～25.51 N，平均剪切力为19.98 N，平均剪切强度为0.25 MPa，剪切模量为0.58 MPa。试验结果如表4所示。

两种剪切方式通过均值计算得到的烟叶主脉最大剪切力均值为23.04 N，剪切强度均值为0.295 MPa，剪切模量均值为0.56 MPa。

3.3 中部叶与下部叶主脉压缩力学特性对比

根据烟叶在烟株的着生位置可自下而上划分为三个部位：下部叶、中部叶、上部葉。不同位置烟叶生长特性不同，其脆性韧性等物理特性在不同生长位置差异明显，烟叶表现出来的力学特性也会存在差异［17， 18］，机械化抓取烟叶时应考虑烟株不同生长位置带来的影响。

对同批次采收的中部烟叶主脉，按2.1节的方法制备并进行径向和侧向压缩试验，径向压缩结果如表5所示。结果表明，中部烟叶各部位最大破碎力均值范围为105.00～167.16 N，抗压强度范围为0.76～1.11 MPa，弹性模量范围为4.63～5.85 MPa。

中部烟叶和下部烟叶主脉的最大破碎力、抗压强度和弹性模量对比如图6所示。适熟期下部烟叶主脉不同部位的最大破碎力略大于中部烟叶压缩最大破碎力，但差别不明显；下部烟叶主脉的抗压强度均值为1.01 MPa，大于中部烟叶抗压强度；下部烟叶主脉的弹性模量均值为4.51 MPa，小于中部烟叶弹性模量，说明下部烟叶发生弹性变形的应力小于中部烟叶。

侧向压缩时，中部烟叶最大破碎力均值为63.09～101.35 N，抗压强度为0.99～1.42 MPa，弹性模量为4.89～6.59 MPa。对比结果如图7所示。中部烟叶压缩最大力略大于下部烟叶，抗压强度和压缩弹性模量均大于下部烟叶，较好地说明了中部烟叶发生弹性变形的应力大于下部烟叶，利用机械抓取时需要更大的穿透力夹持住主脉。

3.4 中部叶与下部叶主脉剪切力学特性对比

同批次采收的适熟期鲜烟叶主脉粗细差别不大，对不同烟株生长位置的烟叶主脉进行径向和侧向剪切试验，得到中部烟叶不同部位剪切最大力为18.51～32.36 N，剪切强度为0.31～0.37 MPa，剪切模量为0.44～0.67 MPa。中部烟叶与下部烟叶径向剪切对比结果如图8所示，同一部位中部烟叶剪切模量几乎比下部烟叶剪切模量大，烟叶主脉由根部往尖部逐渐变细，说明中部烟叶发生剪切变形的应力大于下部烟叶。

侧向剪切时，中部烟叶最大破碎力均值为15.82～35.43 N，抗压强度为0.23～0.34 MPa，弹性模量为0.69～0.89 MPa。如图9所示。中部烟叶在A、C、E处最大剪切力趋势异常，下部烟叶在B处剪切力突变，原因在于剪切部位为侧脉延伸处且侧脉较为明显，其剪切强度比无侧脉部位大，而中部烟叶和下部烟叶同一剪切部位烟叶主脉粗细有细微差别，其剪切模量中部烟叶大于下部烟叶，较好地说明了下部烟叶发生剪切变形的应力小于中部烟叶。

4 结论

1）  通过对烟叶主脉进行径向和侧向压缩和剪切力学特性试验，获得其作用载荷与位移图，得到烟叶主脉直径与压缩破坏和剪切破坏之间的关系。

2）  通过力学特性试验得到烟叶主脉的最大破碎力均值为75.25 N，抗压强度均值为1.175 MPa，压缩弹性模量均值为5.79 MPa，最大剪切力均值为23.04 N，剪切强度均值为0.295 MPa，剪切模量均值为0.56 MPa。

3）  通过对烟株中部烟叶和下部烟叶主脉进行力学试验，获得烟叶不同作用部位力学特性对比图，结果表明：中部烟叶最大破碎力和剪切力略大于下部烟叶；抗压强度和剪切强度由于不同生长部位烟叶同一作用部位的烟叶主脉粗细不同，且侧向压缩和剪切试验时侧脉影响导致其变化曲线无明显规律；中部烟叶弹性模量和剪切均大于下部烟叶。

以上结果可以为鲜烟叶主脉力学特性研究和机械有序抓取烟叶结构设计及应用提供试验基础和理论依据。

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