羅菊川++區(qū)穎剛++劉慶庭

摘要：甘蔗尾莖的物理力學(xué)特性對(duì)于解決甘蔗斷尾位置難以控制、斷尾誤差大這一關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)具有重要意義，促進(jìn)了甘蔗收獲機(jī)械化的發(fā)展。利用自制的夾具，采用懸臂梁彎曲方法研究甘蔗尾莖在彎曲載荷下的力學(xué)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，蔗尾節(jié)位對(duì)抗彎強(qiáng)度、彎曲彈性模量的影響極顯著，抗彎強(qiáng)度、彎曲彈性模量均隨節(jié)位數(shù)值的增大而增大，由中部向尾部頂端生長(zhǎng)點(diǎn)方向減小，呈二次曲線高度正相關(guān)關(guān)系；蔗尾生長(zhǎng)點(diǎn)以下1～5節(jié)與6～9節(jié)的抗彎強(qiáng)度差異極顯著，在1～5節(jié)處施加彎曲載荷，蔗莖容易斷裂，斷面光滑整齊；蔗尾生長(zhǎng)點(diǎn)以下第5節(jié)處的抗彎強(qiáng)度平均值為9.40 MPa，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.46 MPa，彎曲彈性模量平均值為55.85 MPa，標(biāo)準(zhǔn)誤差為4.86 MPa。

關(guān)鍵詞：甘蔗尾莖；彎曲試驗(yàn)；抗彎強(qiáng)度；彈性模量

中圖分類(lèi)號(hào)： S225.5+3；S220.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0400-04

斷尾除葉技術(shù)是整稈式甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)的核心技術(shù)，是急需攻克的技術(shù)難關(guān)之一[1]。目前，關(guān)于甘蔗斷尾除葉的研究主要集中于剝除蔗葉方面，針對(duì)斷尾方面的研究很少[2-6]。多數(shù)研究側(cè)重于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用甘蔗未成熟尾部與已成熟莖部的接合處脆弱易斷的特點(diǎn)[7-8]，設(shè)計(jì)剝?nèi)~斷尾機(jī)構(gòu)，但對(duì)于該接合部位的研究均為定性描述，尚無(wú)定量研究。從農(nóng)藝角度來(lái)說(shuō)，蔗莖的成熟程度是由蔗莖所含糖分的比例來(lái)判斷的，沒(méi)有明確概念，且甘蔗個(gè)體、品種、成熟狀態(tài)因自然條件的不同而不同，需斷除的蔗尾莖稈部分長(zhǎng)度差異大，造成斷尾位置難以控制、斷尾誤差大這一阻礙甘蔗斷尾工藝發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。農(nóng)業(yè)物料的微觀結(jié)構(gòu)與其表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)相關(guān)聯(lián)[9-11]，莖稈材料的生物力學(xué)性質(zhì)可表達(dá)莖稈作物生長(zhǎng)發(fā)育中的物性形態(tài)，研究生物力學(xué)性質(zhì)可揭示其內(nèi)在本質(zhì)并解釋生長(zhǎng)培育過(guò)程的相關(guān)機(jī)理[12-16]。甘蔗莖稈表現(xiàn)出的力學(xué)性能差別可在一定程度上反映甘蔗材料組成的變化情況，研究甘蔗尾莖的物理力學(xué)特性對(duì)于解決上述關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)具有重要意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)甘蔗莖稈物理力學(xué)特性的研究較少[17-21]，對(duì)于甘蔗尾莖物理力學(xué)特性的研究則更少[22-23]，未見(jiàn)關(guān)于甘蔗自身的物理力學(xué)特性及其受到外力作用后反映出的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，以及蔗莖尾部頂端生長(zhǎng)點(diǎn)以下1段含糖量很低等方面的報(bào)道。通過(guò)蔗尾不同節(jié)段懸臂梁彎曲性能試驗(yàn)，從甘蔗自身力學(xué)特性角度尋找蔗尾脆弱部位，為確定甘蔗未成熟尾部與已成熟莖部接合處的具體位置提供依據(jù)，以期解決斷尾位置難以控制、斷尾誤差大這一關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，推動(dòng)甘蔗收獲機(jī)械化的發(fā)展。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用WD-E型精密型微控電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（廣材試驗(yàn)儀器有限公司產(chǎn)品）。采用STC-250 Kg型拉壓傳感器（VISHAY公司產(chǎn)品），量程為2 500 N，非線性<0.02%、滯后<0.02%，配套有全數(shù)字化GT-M200系列電腦測(cè)控系統(tǒng)，載荷-位移曲線由計(jì)算機(jī)自動(dòng)同步描繪輸出。

1.2試驗(yàn)夾具

懸臂梁彎曲試驗(yàn)主要測(cè)定蔗莖尾部1～9節(jié)的抗彎強(qiáng)度，根據(jù)蔗莖尾部各節(jié)節(jié)間長(zhǎng)度及直徑變化大的特點(diǎn)設(shè)計(jì)懸臂梁彎曲試驗(yàn)夾具。夾頭上開(kāi)有“V”形槽，上有斜紋滾花，可牢固裝夾截面為近似圓形的甘蔗莖稈。“V”形槽的開(kāi)口大小根據(jù)前期蔗莖尾部各節(jié)直徑的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)調(diào)整上、下槽之間的距離適應(yīng)不同直徑大小；根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度將“V”形槽長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為40、100 mm 2種，測(cè)定1～3、4～9節(jié)時(shí)更換長(zhǎng)度不同的夾板以適應(yīng)不同的節(jié)間長(zhǎng)度，使裝夾更加穩(wěn)固。

1.3試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為成熟期的粵糖159品種甘蔗，采自廣東省廣前糖業(yè)發(fā)展有限公司前進(jìn)農(nóng)場(chǎng)。甘蔗取回后將其尾部包裹緊密的葉鞘全部剝除，選取尾部通直且無(wú)蟲(chóng)害的試樣，采用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量試樣每節(jié)節(jié)間長(zhǎng)度，并測(cè)量每節(jié)節(jié)間2個(gè)位置、2個(gè)方向上共4個(gè)直徑值，取其平均值作為各節(jié)直徑。剝除蔗尾葉鞘后，節(jié)位標(biāo)號(hào)示意見(jiàn)圖1。

1.4試驗(yàn)方法

1.4.1彎曲方式甘蔗尾部脆弱易斷，且蔗莖頂端生長(zhǎng)點(diǎn)以下1～5節(jié)的節(jié)間長(zhǎng)度很短，各節(jié)直徑變化大，剝除葉鞘后的1～3節(jié)非常脆弱，采用三點(diǎn)彎曲或四點(diǎn)彎曲的方法難以在需要測(cè)定的節(jié)位發(fā)生破壞，且難以設(shè)定統(tǒng)一標(biāo)距。本研究利用“1.2”節(jié)中的自制夾具，采用懸臂梁加載的方式測(cè)定甘蔗尾部1～9節(jié)的抗彎強(qiáng)度和彈性模量。

1.4.2裝夾方式甘蔗尾梢部分節(jié)間長(zhǎng)度很短，且不同樣本差異較大，要測(cè)量這部分的抗彎強(qiáng)度和彈性模量，懸臂梁跨度選取得過(guò)長(zhǎng)則測(cè)量部位不能在最大彎矩處破壞；因此，根據(jù)對(duì)第1～3節(jié)節(jié)間平均長(zhǎng)度的統(tǒng)計(jì)，本試驗(yàn)將懸臂梁跨度選取為60 mm，夾頭夾在蔗節(jié)附近。第4～9節(jié)裝夾方式見(jiàn)圖2-a，箭頭指向?yàn)榧虞d方向。夾頭夾在第5節(jié)節(jié)間位置，壓頭壓在第4節(jié)節(jié)間位置以測(cè)定第4節(jié)彎曲性能參數(shù)；以此類(lèi)推，夾頭夾在第10節(jié)節(jié)間位置，壓頭壓在第9節(jié)節(jié)間位置以測(cè)定第9節(jié)彎曲性能參數(shù)。第1～3節(jié)的節(jié)間長(zhǎng)度更短且非常脆弱，因此裝夾方式與第4～9節(jié)不同，夾頭更換為40 mm，夾頭夾在第1節(jié)節(jié)間位置，壓頭壓在第2節(jié)節(jié)間位置以測(cè)定第1節(jié)彎曲性能參數(shù)；夾頭夾在第2節(jié)節(jié)間位置，壓頭壓在第3節(jié)節(jié)間位置以測(cè)定第2節(jié)彎曲性能參數(shù)；夾頭夾在第3節(jié)節(jié)間位置，壓頭壓在第4節(jié)節(jié)間位置以測(cè)定第3節(jié)彎曲性能參數(shù)，裝夾方式見(jiàn)圖2-b。如果樣本在夾頭內(nèi)折斷破壞，則廢除該樣本。

1.4.3試驗(yàn)方式以60 mm/min的速度加載，直至試件斷裂破壞，加載支點(diǎn)圓柱直徑為4 mm，在加載支點(diǎn)與甘蔗表皮接觸處涂1層石蠟以減小摩擦；為防止甘蔗被夾壞，甘蔗裝夾部位用砂紙外纏厚橡膠皮之后再進(jìn)行裝夾固定。

第1～9節(jié)太長(zhǎng)且第1～3節(jié)非常脆弱，難以測(cè)定同一樣本第1～9節(jié)的彎曲性能參數(shù)。試驗(yàn)樣本取甘蔗莖稈頂端生長(zhǎng)點(diǎn)以下1～2、2～3、3～4節(jié)，分別測(cè)定第1、2、3節(jié)的彎曲性能參數(shù)；截取甘蔗莖稈頂端生長(zhǎng)點(diǎn)以下4～10節(jié)，測(cè)定第4～9節(jié)的彎曲性能參數(shù)，裝夾方式如“1.4.2”節(jié)所述。

第1～2、2～3、3～4、4～10節(jié)蔗莖各取樣23段，共92個(gè)樣品，測(cè)定207個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，取樣后用密封膠袋保存?zhèn)溆谩?/p>

1.4.4數(shù)據(jù)處理采用電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行懸臂梁彎曲試驗(yàn)，與試驗(yàn)機(jī)連接的計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄載荷-撓度曲線。由圖3可知，在6 mm范圍內(nèi)載荷-撓度曲線基本呈線性，取其斜率，利用以下材料力學(xué)公式計(jì)算抗彎強(qiáng)度和彈性模量。

E=Ff·l33Iy；（1）

σmax=FmaxlWy；（2）

Iy=πd464，Wy=Iyd/2≈0.1d3。（3）

式中，E為彈性模量，MPa；F為載荷，N；Fmax為最大彎曲載荷（折斷力），N；f為彎曲載荷受力點(diǎn)的位移，mm；Iy為圓形截面慣性矩，mm4；l為彎曲載荷受力點(diǎn)到固定端的距離，mm；Wy為抗彎截面系數(shù)，mm3；σmax為抗彎強(qiáng)度，MPa。

2結(jié)果與分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1第1～9節(jié)的載荷-撓度曲線由甘蔗尾部生長(zhǎng)點(diǎn)以下1～9節(jié)的載荷-撓度曲線（圖3）可知，第1～9節(jié)的彎曲撓度隨載荷的增大而增大，載荷達(dá)到最大值時(shí)，蔗莖突然發(fā)生斷裂破壞，在節(jié)附近發(fā)生斷裂。圖4-a、圖4-b顯示，在第5節(jié)附近出現(xiàn)斷裂裂紋，斷面整齊光滑；隨著節(jié)位增大，蔗莖的基本組織逐漸木質(zhì)化，纖維含量逐漸增加[24]。圖4-c、圖4-d 顯示，與第5節(jié)相比，第6、9節(jié)附近出現(xiàn)的裂紋逐漸變得不規(guī)則，形成蔗皮的小型維管束間的基本組織木質(zhì)化程度增大，斷裂時(shí)上表面蔗皮被拉斷，出現(xiàn)少量維管束（圖4-e）。

2.1.2蔗莖尾部不同節(jié)位的力學(xué)特性值由甘蔗尾部不同節(jié)位莖稈懸臂梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果（圖5）可知，第1～5節(jié)甘蔗的直徑、節(jié)間長(zhǎng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量隨著節(jié)位數(shù)值的增大均呈明顯增大趨勢(shì)，至第6節(jié)增大趨勢(shì)趨于平緩；越靠近蔗莖尾部頂端生長(zhǎng)點(diǎn)，蔗莖的直徑、節(jié)間長(zhǎng)度、抗彎強(qiáng)度、彈性模量越小。

2.2結(jié)果分析

可見(jiàn)，隨著節(jié)位數(shù)值的增大，線性相關(guān)系數(shù)基本呈減小趨勢(shì)，甘蔗尾梢第1～9節(jié)彎曲載荷與撓度的關(guān)系由近似線性逐漸變?yōu)榉蔷€性。

利用SPSS軟件對(duì)圖5中數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合。由方差分析（表1）可知，抗彎強(qiáng)度σmax與莖稈節(jié)位Po所得擬合模型的F值為185.029，顯著性水平為P<0.01，表明σmax-Po曲線擬合模型的相關(guān)性極顯著。彈性模量E與莖稈節(jié)位Po所得擬合模型的F值為45.5，顯著性水平為P<0.01，表明E-Po曲線擬合模型的相關(guān)性極顯著。

蔗莖頂端生長(zhǎng)點(diǎn)以下1～9節(jié)抗彎強(qiáng)度σmax-莖稈節(jié)位Po的二次曲線關(guān)系式為：

σmax=-0.053P2o+2.124Po+0.316，（R=0.992）。（4）表1σmax-Po和E-Po相關(guān)性方差分析

指標(biāo)項(xiàng)目平方和自由度均方統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量顯著性σmax-Po（抗彎強(qiáng)度-節(jié)位）回歸152.533276.267185.0290.000殘差2.47360.412總和155.0078E-Po（彎曲彈性模量-節(jié)位）回歸3 470.37221 735.18645.5000.000殘差228.814638.136總和3 699.1868

蔗莖頂端生長(zhǎng)點(diǎn)以下1～9節(jié)彈性模量E-莖稈節(jié)位Po的二次曲線關(guān)系式為：

E=-0.07P2o+8.28Po+12.44，（R=0.969）。（5）

對(duì)蔗莖頂端生長(zhǎng)點(diǎn)以下1～9個(gè)不同節(jié)位對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果（表2）表明，顯著性水平P值小于0.01，可見(jiàn)在95%的置信區(qū)間內(nèi)，節(jié)位對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響極顯著。

采用單因素方差分析中的最小顯著性差異法（Least Significant Difference，LSD法）分析各節(jié)之間抗彎強(qiáng)度的差異性。由表3可知，將其分為差異顯著的3個(gè)組，第1～3節(jié)在方差來(lái)源平方和自由度均方統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)量顯著性組間3 068.7478383.59358.5310.000組內(nèi)1 264.8541936.554總和4 333.600201

第1組，抗彎強(qiáng)度平均值最??；第4～5節(jié)在第2組；第6～9節(jié)在第3組，抗彎強(qiáng)度平均值最大。在95%的置信區(qū)間內(nèi)，3個(gè)組相互之間差異極顯著，可見(jiàn)第1～5節(jié)與第6～9節(jié)的抗彎強(qiáng)度差異極顯著。

3結(jié)論

蔗尾節(jié)位對(duì)抗彎強(qiáng)度、彎曲彈性模量的影響極顯著，抗彎強(qiáng)度、彎曲彈性模量均隨節(jié)位數(shù)值的增大而增大，由中部向尾部頂端生長(zhǎng)點(diǎn)方向減小，呈二次曲線高度正相關(guān)關(guān)系。蔗尾生長(zhǎng)點(diǎn)以下第1～5節(jié)與第6～9節(jié)的抗彎強(qiáng)度差異極顯著，在第1～5節(jié)處施加彎曲載荷，蔗莖容易斷裂，斷面光滑整齊。蔗尾生長(zhǎng)點(diǎn)以下第5節(jié)處的抗彎強(qiáng)度平均值為9.40 MPa，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.46 MPa；彎曲彈性模量平均值為55.85 MPa，標(biāo)準(zhǔn)誤差為4.86 MPa。

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