棉花秸稈剪切力學(xué)性能試驗(yàn)

1、第27卷第2期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)V ol.27 No.2124 2011年2月Transactions of the CSAE Feb. 2011棉花秸稈剪切力學(xué)性能試驗(yàn)李玉道,杜現(xiàn)軍,宋占華,李法德(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院,泰安 271018摘 要:為了獲取棉花秸稈低茬切割力學(xué)特性參數(shù),采用微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(WDW-5E,對(duì)棉花秸稈剪切力學(xué)性能進(jìn)行了研究。對(duì)棉花秸稈在不同時(shí)間、不同含水率的剪切強(qiáng)度和剪切功的變化進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明:棉花秸稈剪切強(qiáng)度與含水率密切相關(guān),棉花秸稈含水率在30%50%之間時(shí)剪切強(qiáng)度和剪切功均是較低的,而當(dāng)含水率過(guò)高或者過(guò)低時(shí)剪切強(qiáng)度和剪切功較高,含

2、水率在60%左右時(shí)達(dá)到高峰。棉花秸稈的剪切強(qiáng)度在0.61.8 MPa范圍內(nèi),棉花秸稈剪切功在14.5 Nm范圍內(nèi)。由此可以確定出在12月中下旬的一個(gè)月內(nèi)為收獲棉花秸稈的最佳時(shí)期,此時(shí)收獲可節(jié)省16.4%的剪切功。關(guān)鍵詞:棉花秸稈,剪切,力學(xué)性能,收獲中圖分類號(hào):S225.91+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1002-6819(2011-02-0124-05李玉道,杜現(xiàn)軍,宋占華,等. 棉花秸稈剪切力學(xué)性能試驗(yàn)J. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(2:124-128.Li Yudao, Du Xianjun, Song Zhanhua, et al. Test of shear mechanica

3、l properties of cotton stalksJ. Transactions of the CSAE, 2011, 27(2: 124-128. (in Chinese with English abstract0 引 言中國(guó)棉花種植范圍廣、面積大、種類多且各地的自然條件和栽培制度各不相同,棉柴的長(zhǎng)勢(shì)有高有低,有粗有細(xì),枝杈的長(zhǎng)短多少也有不同,所以對(duì)棉柴收獲機(jī)械的農(nóng)藝要求也千差萬(wàn)別,這就要求棉柴收獲機(jī)械的外形、質(zhì)量、工作部件及行走裝置等能夠適應(yīng)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)藝要求。目前,中國(guó)棉柴收獲存在基礎(chǔ)理論研究不夠深入,國(guó)內(nèi)棉柴收獲機(jī)與國(guó)外還有較大差距。結(jié)合當(dāng)前中國(guó)棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化形式,迫切需要發(fā)

4、展棉柴收獲技術(shù)研究。為了設(shè)計(jì)出工作效率高、動(dòng)力消耗少、適應(yīng)性強(qiáng)、棉稈可集堆堆放、最大限度地提高棉稈收獲效率的機(jī)型,對(duì)棉花秸稈的力學(xué)性能以及棉花秸稈隨時(shí)間變化的相關(guān)規(guī)律進(jìn)行了深入的研究1。莖稈的力學(xué)性能指標(biāo)有拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、剛性模量(modulus of rigidity以及秸稈的壓縮特性。針對(duì)不同的應(yīng)用目的,測(cè)試的力學(xué)指標(biāo)不同,如飼料作物切割時(shí)的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、密度和摩擦等2-3;棉花收獲機(jī)械需要了解棉花切割力學(xué)性能。切削是對(duì)材料的一種破壞過(guò)程,棉花秸稈切削力與棉花秸稈的材性之間必然有密切的關(guān)系。至今的研究結(jié)收稿日期:2010-07-05 修訂日期:2010-09-281 試

5、驗(yàn)材料、設(shè)備與方法1.1 試驗(yàn)材料棉稈取自濟(jì)南市商河縣,取本年度棉花采收后的成熟棉稈,手工去葉、殼和側(cè)枝,存放于試驗(yàn)室通風(fēng)陰涼處,取樣時(shí)間為從2009年11月24日開始取試驗(yàn)材料每間隔2周左右取一次。表1 各批次取樣時(shí)間Table 1 Sampling time of each batch批次采樣時(shí)間備注1 2009-11-242 2009-12-023 2009-12-154 2010-01-06 地面結(jié)冰5 2010-01-24 22日下雪6 2010-03-02 春節(jié)7 2010-03-181.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(WDW-5E濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司、真空干燥箱(DZF

6、-6050 上海博訊實(shí)業(yè)有限公司、電子天平(JA5003A 上海精天電子儀器有限公第2期李玉道等:棉花秸稈剪切力學(xué)性能試驗(yàn)125司以及游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微器、普通木工鋸刨機(jī)械等。1.3 試驗(yàn)方法隨機(jī)取樣,剔除損傷開裂、表皮剝落或霉變、受蟲害等現(xiàn)象的莖稈,選主莖順直且粗細(xì)均勻、主根端直無(wú)分叉的棉稈,用手鋸將棉稈從地表分界處截開,從地表向上在根部取80 mm為試樣1(根部試樣;從地表向上80 mm再取80 mm為試樣2(中部試樣;試樣3(上部試樣地面上300 mm處截取,長(zhǎng)度為80 mm;具體棉花秸稈結(jié)構(gòu)9以及取樣示意圖如圖1、圖2所示。 圖1棉稈結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of cotto

7、n-stalk圖2 剪切取樣示意圖Fig.2 Sketch of sampling of shearing試驗(yàn)按GB1937-199110之規(guī)定進(jìn)行。測(cè)量試樣受剪切面的直徑,準(zhǔn)確至0.1 mm。將試樣裝夾在試驗(yàn)夾具上,將裝好試樣的夾具放在試驗(yàn)機(jī)上,使夾具壓塊的中心對(duì)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)上壓頭的中心位置。試驗(yàn)機(jī)以均勻速率加載荷,在1.52 min內(nèi)使試樣破壞,記錄下破壞載荷,準(zhǔn)確至10 N。由此確定的試驗(yàn)速度為20 mm/min。試驗(yàn)結(jié)束后立即將試樣破壞后的小塊部分,進(jìn)行稱質(zhì)量,準(zhǔn)確至0.001 g,然后測(cè)定試樣的含水率。試樣含水率測(cè)定采用烘干法,試驗(yàn)參照GB1931之規(guī)定進(jìn)行。取到試樣立即稱質(zhì)量,測(cè)量精度

8、為0.001 g,填入記錄表,將同批試樣一并放入烘箱內(nèi),在(105±2的溫度下烘3 h后,在75的溫度下烘10 h,將試樣從烘箱內(nèi)取出放入裝有干燥劑的玻璃干燥器的稱量瓶中,蓋好稱量瓶和干燥器蓋,待試樣冷卻至室溫后,取出稱質(zhì)量,然后計(jì)算含水率。2 結(jié)果與分析2.1 試樣含水率隨時(shí)間的變化每一批的每一個(gè)部位均在50個(gè)樣本中隨機(jī)選取了8個(gè)試樣測(cè)其含水率取其平均值得到圖3棉稈含水率變化圖。第五批試樣由于在取試樣時(shí)下過(guò)雪,所以可以看出第五批試樣含水率有所提高。由于特殊原因第五批中部含水率沒(méi)有測(cè)暫時(shí)空缺。但是總體來(lái)說(shuō)試樣的含水率是隨著時(shí)間的推移而降低的。 圖3 棉稈含水率隨時(shí)間變化Fig.3 C

9、hanges of moisture contents jcon chcontent contentcontentcconcontent2.2 試樣剪切強(qiáng)度隨含水率的變化圖4是同一棉花秸稈不同部位的截面圖,在圖4a中可以看出秸稈的髓是上部最粗,中部次之,根部最細(xì)。根部的沉積物(圖中顏色比較深的區(qū)域最多,中部次之,上部最少。 a.根部截面圖b.中部截面圖c.上部截面圖圖4 棉稈各部分截面圖Fig.4 Sections of different parts農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2011年126含水率對(duì)秸稈的力學(xué)性能影響較大。當(dāng)含水率較大時(shí),秸稈特性類似于塑性材料,其柔韌性較好,不易斷裂。而含水率減小時(shí),其特

10、性趨近脆性材料,柔韌性減弱,脆性增強(qiáng),易斷裂11。由圖5可以看出在含水率很低或者很高時(shí)其剪切強(qiáng)度均是較高的。根部和中部棉花秸稈的剪切強(qiáng)度12在含水率為30%50%之間是較低的,而當(dāng)含水率達(dá)到60%以后剪切強(qiáng)度會(huì)較高。在上部剪切強(qiáng)度中證明了如果含水率過(guò)低其剪切強(qiáng)度也會(huì)較高。 a.根部剪切強(qiáng)度隨含水率變化b.中部剪切強(qiáng)度隨含水率變化c.上部剪切強(qiáng)度隨含水率變化圖5 剪切強(qiáng)度隨含水率變化Fig.5 Shear strength as the moisture contents changes圖6同一批次相比較可以看出含水率過(guò)低棉花秸桿脆性較大、剪切強(qiáng)度較高13;但是當(dāng)棉花秸稈含水率較大時(shí),秸稈特性類

11、似于塑性材料,其柔韌性較好,不易斷裂14,剪切強(qiáng)度也相對(duì)較高。從不同部位相比較也可以得出相同的結(jié)論。 圖6 不同部位剪切強(qiáng)度變化Fig.6 Shear strength of different parts partsparts由圖7可以看出第7批的試樣剪切強(qiáng)度最高,第5批試樣剪切強(qiáng)度15也是比較高的,而含水率第7批最低, 圖7 不同批次剪切強(qiáng)度Fig.7 Shear strength of different batches 第5批含水率最高,在第7批和第5批含水率之間的剪切強(qiáng)度基本上也是和含水率密切相關(guān)的。由圖47可以總結(jié)出:在一定范圍內(nèi),隨著含水率增高剪切強(qiáng)度降低,但含水率超過(guò)一定值后剪

12、切強(qiáng)度反而增大,在60%左右時(shí)達(dá)到峰值。2.3 試樣剪切功的變化每一批次每一部位均取了8個(gè)試樣取其剪切功的平均值而得到不同批次、不同部位剪切功的變化。在圖8中可以看出第3、4、5批的剪切功是相對(duì)比較低的。在顯著性水平=0.05的情況下,棉花秸稈各批次相同部位以及同批次不同部位的試樣剪切功之間均有顯著性差異。 圖8 剪切功的變化Fig.8 Changes of the shear power由圖8可以看出當(dāng)棉花剛收獲完即本試驗(yàn)初期階段并不適合立即剪切,收割棉花秸稈。而是當(dāng)棉花秸稈形成外干里濕的狀態(tài)時(shí)適合收獲,也就是在第3、4、5批棉花秸稈剪切強(qiáng)度和剪切功相對(duì)較低時(shí)即從12月中下旬開始一個(gè)月內(nèi)為收

13、獲棉花秸稈最佳時(shí)間段。圖9是選取直徑為均為17 mm的莖稈進(jìn)行剪切功的計(jì)算比較,可以看出剪切功也是在第35批之間較低,即從12月中下旬開始一個(gè)月內(nèi)收獲棉柴會(huì)節(jié)省剪切功,最小值與最大值相比,可節(jié)省16.4%的剪切功。棉柴一到“立冬”就開始收獲,“大雪”以前應(yīng)收獲完畢,較理想的收獲期只有1個(gè)月左右。根據(jù)我們的實(shí)第2期李玉道等:棉花秸稈剪切力學(xué)性能試驗(yàn)127踐經(jīng)驗(yàn),棉花到“霜降”后,葉子枯萎脫落,棉稈、棉花根部還未死,棉稈外皮水分大,有黏液,此時(shí)的剪切強(qiáng)度和所需剪切功均比較大,收棉柴時(shí),會(huì)使動(dòng)力機(jī)構(gòu)的負(fù)荷比較大。到“立冬”以后,棉稈、棉花根部都已死,棉稈“外干里濕”,既不打滑,又有較大的韌性,最容易

14、進(jìn)行收獲。此時(shí)的剪切強(qiáng)度和所需剪切功均較低。一旦過(guò)了“大雪”,棉稈已干透,棉花秸稈脆性增大,很易折斷,而且由于大地“封凍”,給收獲也帶來(lái)了很多不便。為了把棉柴在短短的1個(gè)月左右的收獲期內(nèi)適時(shí)收獲完,并減少剪切棉桿所需要的功,必須選擇合適的收獲棉花秸稈的最有利時(shí)機(jī)。 注:棉直直徑為17 mm圖9 相同直徑剪切功的變化Fig.9 Same diameter shear power3 結(jié) 論1通過(guò)7批試驗(yàn)可以看出棉花秸稈的剪切強(qiáng)度與棉花秸稈的含水率有密切的關(guān)系。在一定范圍內(nèi),剪切強(qiáng)度隨含水率的升高而降低,但含水率太高時(shí)剪切強(qiáng)度很大隨著含水率的降低剪切強(qiáng)度隨之降低。但是含水率太低時(shí)剪切強(qiáng)度有升高的趨勢(shì)

15、。2棉花秸稈剪切強(qiáng)度在0.61.8 MPa范圍內(nèi),通過(guò)設(shè)定預(yù)先選取的顯著性水平=0.05統(tǒng)計(jì)計(jì)算各批次以及同批次不同部位之間有顯著性差異。3棉花秸稈剪切功在14.5 Nm范圍內(nèi),通過(guò)設(shè)定預(yù)先選取的顯著性水平=0.05統(tǒng)計(jì)計(jì)算各批次以及同批次不同部位之間有顯著性差異。4通過(guò)試驗(yàn)表明最佳收獲棉花秸稈的時(shí)間為12月中下旬1個(gè)月內(nèi)。此時(shí)所需收獲棉花秸稈的剪切功較少,可以節(jié)省16.4%的剪切功。參 考 文 獻(xiàn)1張鳳元,程建瑩.我國(guó)棉柴收獲機(jī)械的農(nóng)藝要求及類型J.糧油加工與食品機(jī)械,1999(1:6-10.Zhang Fengyuan, Cheng Jianying. Chinese cotton har

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