棉花秸秆剪切力学性能试验

1、第27卷第2期农业工程学报V ol.27 No.2124 2011年2月Transactions of the CSAE Feb. 2011棉花秸秆剪切力学性能试验李玉道,杜现军,宋占华,李法德(山东农业大学机械与电子工程学院,泰安 271018摘 要:为了获取棉花秸秆低茬切割力学特性参数,采用微机控制电子式万能试验机(WDW-5E,对棉花秸秆剪切力学性能进行了研究。对棉花秸秆在不同时间、不同含水率的剪切强度和剪切功的变化进行了试验研究。试验结果表明:棉花秸秆剪切强度与含水率密切相关,棉花秸秆含水率在30%50%之间时剪切强度和剪切功均是较低的,而当含水率过高或者过低时剪切强度和剪切功较高,含

2、水率在60%左右时达到高峰。棉花秸秆的剪切强度在0.61.8 MPa范围内,棉花秸秆剪切功在14.5 Nm范围内。由此可以确定出在12月中下旬的一个月内为收获棉花秸秆的最佳时期,此时收获可节省16.4%的剪切功。关键词:棉花秸秆,剪切,力学性能,收获中图分类号:S225.91+2 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2011-02-0124-05李玉道,杜现军,宋占华,等. 棉花秸秆剪切力学性能试验J. 农业工程学报,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 言中国棉花种植范围广、面积大、种类多且各地的自然条件和栽培制度各不相同,棉柴的长势有高有低,有粗有细,枝杈的长短多少也有不同,所以对棉柴收获机械的农艺要求也千差万别,这就要求棉柴收获机械的外形、质量、工作部件及行走装置等能够适应当地的农艺要求。目前,中国棉柴收获存在基础理论研究不够深入,国内棉柴收获机与国外还有较大差距。结合当前中国棉花生产全程机械化形式,迫切需要发

4、展棉柴收获技术研究。为了设计出工作效率高、动力消耗少、适应性强、棉秆可集堆堆放、最大限度地提高棉秆收获效率的机型,对棉花秸秆的力学性能以及棉花秸秆随时间变化的相关规律进行了深入的研究1。茎秆的力学性能指标有拉伸强度、剪切强度、刚性模量(modulus of rigidity以及秸秆的压缩特性。针对不同的应用目的,测试的力学指标不同,如饲料作物切割时的拉伸强度、剪切强度、弯曲强度、密度和摩擦等2-3;棉花收获机械需要了解棉花切割力学性能。切削是对材料的一种破坏过程,棉花秸秆切削力与棉花秸秆的材性之间必然有密切的关系。至今的研究结收稿日期:2010-07-05 修订日期:2010-09-281 试

5、验材料、设备与方法1.1 试验材料棉秆取自济南市商河县,取本年度棉花采收后的成熟棉秆,手工去叶、壳和侧枝,存放于试验室通风阴凉处,取样时间为从2009年11月24日开始取试验材料每间隔2周左右取一次。表1 各批次取样时间Table 1 Sampling time of each batch批次采样时间备注1 2009-11-242 2009-12-023 2009-12-154 2010-01-06 地面结冰5 2010-01-24 22日下雪6 2010-03-02 春节7 2010-03-181.2 试验仪器设备微机控制电子式万能试验机(WDW-5E济南试金集团有限公司、真空干燥箱(DZF

6、-6050 上海博讯实业有限公司、电子天平(JA5003A 上海精天电子仪器有限公第2期李玉道等:棉花秸秆剪切力学性能试验125司以及游标卡尺、螺旋测微器、普通木工锯刨机械等。1.3 试验方法随机取样,剔除损伤开裂、表皮剥落或霉变、受虫害等现象的茎秆,选主茎顺直且粗细均匀、主根端直无分叉的棉秆,用手锯将棉秆从地表分界处截开,从地表向上在根部取80 mm为试样1(根部试样;从地表向上80 mm再取80 mm为试样2(中部试样;试样3(上部试样地面上300 mm处截取,长度为80 mm;具体棉花秸秆结构9以及取样示意图如图1、图2所示。 图1棉秆结构Fig.1 Structure of cotto

7、n-stalk图2 剪切取样示意图Fig.2 Sketch of sampling of shearing试验按GB1937-199110之规定进行。测量试样受剪切面的直径,准确至0.1 mm。将试样装夹在试验夹具上,将装好试样的夹具放在试验机上,使夹具压块的中心对准试验机上压头的中心位置。试验机以均匀速率加载荷,在1.52 min内使试样破坏,记录下破坏载荷,准确至10 N。由此确定的试验速度为20 mm/min。试验结束后立即将试样破坏后的小块部分,进行称质量,准确至0.001 g,然后测定试样的含水率。试样含水率测定采用烘干法,试验参照GB1931之规定进行。取到试样立即称质量,测量精度

8、为0.001 g,填入记录表,将同批试样一并放入烘箱内,在(105±2的温度下烘3 h后,在75的温度下烘10 h,将试样从烘箱内取出放入装有干燥剂的玻璃干燥器的称量瓶中,盖好称量瓶和干燥器盖,待试样冷却至室温后,取出称质量,然后计算含水率。2 结果与分析2.1 试样含水率随时间的变化每一批的每一个部位均在50个样本中随机选取了8个试样测其含水率取其平均值得到图3棉秆含水率变化图。第五批试样由于在取试样时下过雪,所以可以看出第五批试样含水率有所提高。由于特殊原因第五批中部含水率没有测暂时空缺。但是总体来说试样的含水率是随着时间的推移而降低的。 图3 棉秆含水率随时间变化Fig.3 C

9、hanges of moisture contents jcon chcontent contentcontentcconcontent2.2 试样剪切强度随含水率的变化图4是同一棉花秸秆不同部位的截面图,在图4a中可以看出秸秆的髓是上部最粗,中部次之,根部最细。根部的沉积物(图中颜色比较深的区域最多,中部次之,上部最少。 a.根部截面图b.中部截面图c.上部截面图图4 棉秆各部分截面图Fig.4 Sections of different parts农业工程学报2011年126含水率对秸秆的力学性能影响较大。当含水率较大时,秸秆特性类似于塑性材料,其柔韧性较好,不易断裂。而含水率减小时,其特

10、性趋近脆性材料,柔韧性减弱,脆性增强,易断裂11。由图5可以看出在含水率很低或者很高时其剪切强度均是较高的。根部和中部棉花秸秆的剪切强度12在含水率为30%50%之间是较低的,而当含水率达到60%以后剪切强度会较高。在上部剪切强度中证明了如果含水率过低其剪切强度也会较高。 a.根部剪切强度随含水率变化b.中部剪切强度随含水率变化c.上部剪切强度随含水率变化图5 剪切强度随含水率变化Fig.5 Shear strength as the moisture contents changes图6同一批次相比较可以看出含水率过低棉花秸杆脆性较大、剪切强度较高13;但是当棉花秸秆含水率较大时,秸秆特性类

11、似于塑性材料,其柔韧性较好,不易断裂14,剪切强度也相对较高。从不同部位相比较也可以得出相同的结论。 图6 不同部位剪切强度变化Fig.6 Shear strength of different parts partsparts由图7可以看出第7批的试样剪切强度最高,第5批试样剪切强度15也是比较高的,而含水率第7批最低, 图7 不同批次剪切强度Fig.7 Shear strength of different batches 第5批含水率最高,在第7批和第5批含水率之间的剪切强度基本上也是和含水率密切相关的。由图47可以总结出:在一定范围内,随着含水率增高剪切强度降低,但含水率超过一定值后剪

12、切强度反而增大,在60%左右时达到峰值。2.3 试样剪切功的变化每一批次每一部位均取了8个试样取其剪切功的平均值而得到不同批次、不同部位剪切功的变化。在图8中可以看出第3、4、5批的剪切功是相对比较低的。在显著性水平=0.05的情况下,棉花秸秆各批次相同部位以及同批次不同部位的试样剪切功之间均有显著性差异。 图8 剪切功的变化Fig.8 Changes of the shear power由图8可以看出当棉花刚收获完即本试验初期阶段并不适合立即剪切,收割棉花秸秆。而是当棉花秸秆形成外干里湿的状态时适合收获,也就是在第3、4、5批棉花秸秆剪切强度和剪切功相对较低时即从12月中下旬开始一个月内为收

13、获棉花秸秆最佳时间段。图9是选取直径为均为17 mm的茎秆进行剪切功的计算比较,可以看出剪切功也是在第35批之间较低,即从12月中下旬开始一个月内收获棉柴会节省剪切功,最小值与最大值相比,可节省16.4%的剪切功。棉柴一到“立冬”就开始收获,“大雪”以前应收获完毕,较理想的收获期只有1个月左右。根据我们的实第2期李玉道等:棉花秸秆剪切力学性能试验127践经验,棉花到“霜降”后,叶子枯萎脱落,棉秆、棉花根部还未死,棉秆外皮水分大,有黏液,此时的剪切强度和所需剪切功均比较大,收棉柴时,会使动力机构的负荷比较大。到“立冬”以后,棉秆、棉花根部都已死,棉秆“外干里湿”,既不打滑,又有较大的韧性,最容易

14、进行收获。此时的剪切强度和所需剪切功均较低。一旦过了“大雪”,棉秆已干透,棉花秸秆脆性增大,很易折断,而且由于大地“封冻”,给收获也带来了很多不便。为了把棉柴在短短的1个月左右的收获期内适时收获完,并减少剪切棉杆所需要的功,必须选择合适的收获棉花秸秆的最有利时机。 注:棉直直径为17 mm图9 相同直径剪切功的变化Fig.9 Same diameter shear power3 结 论1通过7批试验可以看出棉花秸秆的剪切强度与棉花秸秆的含水率有密切的关系。在一定范围内,剪切强度随含水率的升高而降低,但含水率太高时剪切强度很大随着含水率的降低剪切强度随之降低。但是含水率太低时剪切强度有升高的趋势

15、。2棉花秸秆剪切强度在0.61.8 MPa范围内,通过设定预先选取的显著性水平=0.05统计计算各批次以及同批次不同部位之间有显著性差异。3棉花秸秆剪切功在14.5 Nm范围内,通过设定预先选取的显著性水平=0.05统计计算各批次以及同批次不同部位之间有显著性差异。4通过试验表明最佳收获棉花秸秆的时间为12月中下旬1个月内。此时所需收获棉花秸秆的剪切功较少,可以节省16.4%的剪切功。参 考 文 献1张凤元,程建莹.我国棉柴收获机械的农艺要求及类型J.粮油加工与食品机械,1999(1:6-10.Zhang Fengyuan, Cheng Jianying. Chinese cotton har

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