劉 薇，杜文亮，蘇 禹，劉 靜

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.生態(tài)學(xué)院，呼和浩特 010018)

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植物根-土復(fù)合體原位剪切試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與分析

劉 薇a，杜文亮a，蘇 禹b，劉 靜b

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) a.機(jī)電工程學(xué)院；b.生態(tài)學(xué)院，呼和浩特 010018)

針對(duì)植物根-土復(fù)合體室內(nèi)剪切試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生土體振動(dòng)而導(dǎo)致試驗(yàn)精度不高的問題，在分析實(shí)際試驗(yàn)過程的基礎(chǔ)上，提出了更接近實(shí)際剪切狀況的野外現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)了一種植物根-土復(fù)合體原位剪切試驗(yàn)裝置，采用電動(dòng)拉桿帶動(dòng)專用卡具進(jìn)行剪切，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)出剪應(yīng)力與剪切位移。制成的剪切試驗(yàn)裝置主要由機(jī)架、固定卡具、拉拽機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。受力分析及試驗(yàn)表明：該裝置滿足使用要求，為今后各類根-土復(fù)合體原位剪切試驗(yàn)裝置的應(yīng)用提供了參考。

植物；根-土復(fù)合體；原位剪切；剪切裝置

0 引言

內(nèi)蒙古中西部是我國(guó)土壤侵蝕極為嚴(yán)重的地區(qū)，其侵蝕特點(diǎn)是冬春大風(fēng)和夏季雨水擊濺交替作用下的風(fēng)水復(fù)合侵蝕。近年來,由于過度開發(fā)，導(dǎo)致植被破壞、地表裸露，地下開采造成的采空塌陷等現(xiàn)象不斷加劇，土壤侵蝕嚴(yán)重[1-2]。生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)恢復(fù)已經(jīng)納入我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的主要內(nèi)容，利用生物技術(shù)及生物措施代替或部分代替工程措施已成為近年來保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要手段。在生物措施中，植物措施已被廣泛應(yīng)用到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的各個(gè)領(lǐng)域。在防風(fēng)固沙、固土護(hù)坡、保持水土及防治土壤侵蝕方面，植物地上部分可以減緩過境風(fēng)速，減少風(fēng)蝕；枝冠截流，降低雨滴動(dòng)能，減少雨水對(duì)地面產(chǎn)生的擊濺侵蝕及形成的徑流侵蝕等。而植物地下部分—根系，可通過其本身不同的形態(tài)，錯(cuò)綜復(fù)雜地穿插于土壤之間，通過根系自身的抗拉力及形成根系—土壤復(fù)合體之間的粘結(jié)力和摩擦力，起到固持土壤、提高土壤抗沖、抗蝕的作用。為探究植物對(duì)于土壤抗剪性的影響，很多學(xué)者將試驗(yàn)材料采集回實(shí)驗(yàn)室，在大型直剪儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)，導(dǎo)致土體振動(dòng)，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)精度。為了在野外現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行原位試驗(yàn)，使試驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)際情況，需設(shè)計(jì)一種植物根-土復(fù)合體原位剪切試驗(yàn)裝置，簡(jiǎn)稱剪切裝置[1]。

1 設(shè)計(jì)要求及方案

1.1 設(shè)計(jì)要求

根-土復(fù)合體(簡(jiǎn)稱復(fù)合體)，是指將根系與土壤視為一體。植物根-土復(fù)合體原位剪切試驗(yàn)是指在野外試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)復(fù)合體不擾動(dòng)或基本不擾動(dòng)的情況下，對(duì)復(fù)合體進(jìn)行剪切試驗(yàn)來測(cè)得復(fù)合體抗剪強(qiáng)度、黏聚力及內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，從而使得試驗(yàn)結(jié)果接近實(shí)際情況[3]。

試驗(yàn)前，在野外試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，將復(fù)合體植于橫向一分為二的空PVC管內(nèi)，豎直埋在土壤中培育。圖1為植物根-土復(fù)合體斷面示意圖。剪切試驗(yàn)時(shí)，將PVC管外土壤在盡量不擾動(dòng)復(fù)合體的前提下，清理出放置剪切裝置的空間，使上、下PVC管分別被專用卡具固定，在拉拽作用下，帶動(dòng)上PVC管橫移。通過力與位移傳感器分別測(cè)出其剪應(yīng)力與對(duì)應(yīng)的剪切位移，繪制力-位移關(guān)系曲線。

主要設(shè)計(jì)參數(shù)為：

根體管徑/mm：200

剪力范圍/N：0～3 000

剪切位移/ mm：0～200

進(jìn)給速度/ mm·s-1：5

外形尺寸/ mm：長(zhǎng)<1 500 寬<1 500 高<400

整機(jī)質(zhì)量/kg：<30

數(shù)據(jù)采集方式：實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄并存儲(chǔ)

所設(shè)計(jì)剪切裝置應(yīng)滿足以下要求：

1)設(shè)計(jì)專用卡具，下卡具固定住下PVC管，上卡具和上PVC管在拉拽機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下進(jìn)行剪切；需使PVC管受力均勻，防止其嚴(yán)重變形甚至損壞，影響試驗(yàn)結(jié)果。

2)為保證勻速拉拽，應(yīng)選擇合適的電動(dòng)拉拽方式，電壓為24V。

3)因植物種植的株距、行距都為1m，故對(duì)剪切裝置的最大外形尺寸有一定要求，應(yīng)在保證試驗(yàn)?zāi)康牡那疤嵯拢M量減小剪切裝置的外形尺寸。

4)為了方便操作，剪切裝置質(zhì)量應(yīng)保證在20～30kg范圍內(nèi)，需選擇合適的加工材料，使剪切裝置既能完成試驗(yàn)?zāi)康模挚煞奖悴僮鳌?/p>

5)人工采集數(shù)據(jù)加大了操作人員的工作量，也大大加長(zhǎng)了每組試驗(yàn)所需的時(shí)間。為解決這一問題，需采用實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方式，簡(jiǎn)化試驗(yàn)過程。

1、7.根-土復(fù)合體 2.上PVC管 3.上卡具 4.剪切面 5.下卡具 6.下PVC管

1.2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)植物根-土復(fù)合體原位剪切試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意，如圖2所示。

測(cè)量時(shí)，電動(dòng)拉桿作用于固定在上卡具的壓力傳感器上，拉力作用到上卡具；上卡具固定種植復(fù)合體的上PVC管，下卡具固定下PVC管，壓力傳感器通過作用在上卡具的力讀出拉力數(shù)據(jù)，位移傳感器讀出上卡具的位移數(shù)據(jù)；通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將本組試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

剪切裝置主要分為4部分，分別為機(jī)架、固定卡具、拉拽機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。固定卡具主要分為上卡具和下卡具兩部分，通過作用在上卡具的力和位移實(shí)時(shí)讀出數(shù)據(jù)，下卡具起到固定作用。拉拽機(jī)構(gòu)主要是電動(dòng)拉桿與壓力傳感器及上卡具之間的連接。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由壓力傳感器、位移傳感器、Arduino MEGA2560 R3主控板及計(jì)算機(jī)等組成。

其主要技術(shù)參數(shù)：

外形尺寸(長(zhǎng)×寬×高)/mm：1 240×420×98

拉力范圍/N：0～3 000

拉力精度/N：0.05

位移范圍/mm：0～200

位移精度/mm：0. 1

進(jìn)給速度/mm·s-1：5

整機(jī)質(zhì)量/kg：25

1.電動(dòng)拉桿 2.機(jī)架 3.壓力傳感器 4.下PVC管 5.下卡具 6.導(dǎo)軌 7.位移傳感器 8.上PVC管 9.上卡具 10.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 卡具設(shè)計(jì)

固定卡具由2個(gè)上卡具及2個(gè)下卡具共同組成。上、下卡具結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示?？ň叩幕∶嬖O(shè)計(jì)能使卡具與PVC管充分貼合，且受力均勻，防止PVC管變形或損壞，對(duì)復(fù)合體的剪切起到重要作用。另外,上卡具與壓力傳感器連接處，考慮到受力的影響，采用梯形臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。

2.2 拉拽機(jī)構(gòu)的選擇

拉拽方式分為手動(dòng)與電動(dòng)兩種，手動(dòng)方式的主要優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單；電動(dòng)方式的主要優(yōu)點(diǎn)是能勻速進(jìn)給，使測(cè)得的數(shù)值更為精確。

所選電動(dòng)拉桿主要技術(shù)參數(shù)如下：

型號(hào)：LX600

額定功率/W：≤55

電壓/V：24

行程/mm：200

速度/mm·s-1：5

負(fù)載力/N：3 000

最小安裝距/mm：375

最大安裝距/mm：575

圖3 上、下卡具結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 數(shù)據(jù)采集方式

設(shè)計(jì)要求是測(cè)出復(fù)合體的剪應(yīng)力與剪切位移，由于沒有同時(shí)測(cè)力和位移的傳感器，因此分別選擇壓力傳感器和位移傳感器。根據(jù)設(shè)計(jì)需求及傳感器的特點(diǎn)，選擇了S型稱重傳感器和拉繩位移傳感器。

兩種傳感器均與Arduino MEGA2560 R3主控板相連，電動(dòng)拉桿工作時(shí)，壓力傳感器與位移傳感器的數(shù)據(jù)反饋至主控板;主控板與計(jì)算機(jī)相連，通過計(jì)算機(jī)安裝軟件IDE實(shí)時(shí)讀取傳感器的數(shù)據(jù),并可根據(jù)需要，將數(shù)據(jù)保存。

3 整體結(jié)構(gòu)受力分析

為了檢測(cè)剪切裝置總體設(shè)計(jì)是否合理，其剛度和強(qiáng)度是否滿足使用要求，針對(duì)剪切裝置總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，得出最大應(yīng)力云圖和最大位移云圖。

采用的受力分析軟件為Ansys Workbench。Workbench是ANSYS公司提出的協(xié)同仿真環(huán)境，解決企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)過程中CAE軟件的異構(gòu)問題。

材料選擇低合金結(jié)構(gòu)鋼，根據(jù)所選擇的的材料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

選擇應(yīng)力和位移作為分析類型，設(shè)置重力，并對(duì)下卡具進(jìn)行固定約束，在上卡具上添加面載荷1 000N,約束和加載結(jié)果如圖5所示。

圖5 邊界條件和載荷

求解結(jié)果等效應(yīng)力云圖如圖6所示，等效位移云圖如圖7所示。

圖6 等效應(yīng)力云圖

圖7 等效位移云圖

從等效應(yīng)力云圖中看出:最大應(yīng)力為44.199MPa，應(yīng)不超過材料的強(qiáng)度極限。其表達(dá)式為

σ≤σlim/S

式中 σ—最大應(yīng)力(MPa)；

σlim—極限應(yīng)力(MPa)；

S—設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

查表可得，極限應(yīng)力σlim=260MPa；設(shè)計(jì)安全系數(shù)S=3[4]。帶入數(shù)據(jù)，可求得出σ=44.199MPa≤86.67MPa。故此設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度計(jì)算準(zhǔn)則，滿足強(qiáng)度要求。

從等效位移云圖中看出:最大位移發(fā)生部位為上卡具后半段及連接件上，最大位移為0.075mm，即在載荷作用下產(chǎn)生的彈性形變量y，小于或等于機(jī)器工作性能所允許的極限值[y](取0.1mm)。其表達(dá)式為

y≤[y]

帶入數(shù)據(jù)，可求得y=0.075mm≤0.1mm。故此設(shè)計(jì)符合剛度計(jì)算準(zhǔn)則，滿足剛度要求。

4 試驗(yàn)及結(jié)果

為了檢測(cè)和提高剪切裝置的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，多次試驗(yàn)，為將來大型野外試驗(yàn)提供依據(jù)。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

剪切裝置，沙土，檸條(一年生)，PVC管(根體管徑200mm)。

4.2 試驗(yàn)方式

先將PVC管外部土壤清理，騰出放置剪切裝置的空間。剪切裝置從PVC管上端放入，將剪切面置于剪切裝置上、下卡具間隙內(nèi)，調(diào)整絲杠上的手?jǐn)Q螺母，使上、下卡具分別夾緊上、下PVC管。接通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電源，連接計(jì)算機(jī)，開始采集數(shù)據(jù)；打開電動(dòng)拉桿開關(guān)，剪切裝置開始剪切，待數(shù)據(jù)采集完畢，關(guān)閉電動(dòng)拉桿開關(guān)；將本組試驗(yàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel中處理，繪制關(guān)系曲線。第1次試驗(yàn)前，需調(diào)整電位器的數(shù)據(jù)先對(duì)壓力傳感器調(diào)0。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

剪切裝置的力-位移關(guān)系曲線，如圖8所示。開始剪切時(shí)，隨著剪切位移的增加，所需剪應(yīng)力快速增大，在剪切位移為4mm左右時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到最大值160N；之后剪應(yīng)力開始減小，在剪切位移為7～85mm左右時(shí)，剪應(yīng)力趨于穩(wěn)定值110N；在剪切位移為86mm左右時(shí)，剪應(yīng)力有小幅度減小，趨于穩(wěn)定值85N直到試驗(yàn)結(jié)束。

圖8 位移-力關(guān)系曲線

5 結(jié)論

1)剪切裝置能夠?qū)崿F(xiàn)植物根-土復(fù)合體原位剪切試驗(yàn)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)自動(dòng)記錄并存儲(chǔ)，并得到力-位移關(guān)系曲線。

2)剪應(yīng)力、剪切位移測(cè)量范圍及精度滿足使用要求；剪切裝置在最大應(yīng)力下的強(qiáng)度、剛度均滿足使用要求。

3)試驗(yàn)結(jié)果存在波動(dòng)情況，建議進(jìn)一步改善，提高剪切裝置的穩(wěn)定性。

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Design and Analysis of a Plant Root Soil Composite in Situ Shear Test Devices

Liu Weia, Du Wenlianga, Su Yub, Liu Jingb

(a.College of Mechanical and Electrical Engineering；b.College of Ecology, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

Plant root soil complex indoor shear test on the generated soil vibration and lead to the problem of testing accuracy is not high in the analysis based on the actual test, the more close to the actual situation in the shear field in situ test scheme, design a plant root - soil complex fit in-situ shear test device, using electric pull rod drives the special fixture for shear, shear stress and shear displacement can be tested through the data acquisition system.Shear test device is made mainly by the rack fixture, pulling mechanism and data acquisition systems. By means of force analysis and experiment, it is indicated that the device meets the application requirements, and provides reference for the application of the in-situ shear test device of various types of root soil composite in the future.

plant; root-soil composite; in situ shear; shear device

2016-01-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51364034)

劉 薇(1991-)，女，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，碩士研究生， (E-mail) 366615595@qq.com。

杜文亮(1957-)，男，內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)duwl5711@vip.imau.edu.cn。

S223.2

A

1003-188X(2017)01-0082-05