曹少波，李　鑫，楊　欣，馮曉靜

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定　071000)

0　引言

麻山藥是草本植物，其塊根富含蛋白質(zhì)和淀粉，可以食用，且具有較高的藥用價值，是公認(rèn)的無公害保健食材。我國有悠久的山藥栽培歷史，主要產(chǎn)于河南、河北、山東、江蘇、湖北、安徽及山西等地。目前，塊根莖山藥種植在吸收國內(nèi)多種機型的先進(jìn)技術(shù)前提下，已形成了相對比較成熟的種植和收獲機械；但在長根莖麻山藥收獲方面依舊采用人工收獲，挖掘深度在1.2～1.5m,勞動力大，農(nóng)民迫切需要發(fā)展麻山藥收獲機械來減輕勞動強度[1]。麻山藥收獲機的振動松土裝置是麻山藥收獲的關(guān)鍵部件，一直是制約我國麻山藥收獲的“瓶頸”。麻山藥收獲機工作時，鏈刀開溝裝置在前邊開溝，然后振動松土鏟在麻山藥根莖下部進(jìn)行振動松土，從而完成麻山藥機械收獲的工作。因為一直沒有關(guān)于麻山藥根莖力學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)，麻山藥收獲機的振動松土裝置的設(shè)計參數(shù)一直沒有準(zhǔn)確的理論依據(jù)，設(shè)計人只能憑借經(jīng)驗估計，因此麻山藥機械收獲的破碎率太高，機械化收獲麻山藥目前還達(dá)不到理想的效果。因此，研究麻山藥根莖力學(xué)特性對于麻山藥收獲機的設(shè)計及載荷作用形式具有重要的理論指導(dǎo)意義。本文采用傳統(tǒng)的工程材料試驗方法，測定麻山藥根莖的拉伸、壓縮和彎曲的強度[2]。

1　試驗材料、設(shè)備與方法

1.1試驗材料采集

試驗材料采用河北省保定市蠡縣農(nóng)民種植的紫藥品種，采樣日期為2016年10月19 日收獲的麻山藥。收獲后的麻山藥在密封陰涼處保存。選取通直、生長良好的麻山藥作為試樣，帶泥土采集。麻山藥的含水率和濕度對其力學(xué)性能影響較大，為了保證試驗結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，試驗要在采集試樣回來后盡快進(jìn)行試驗研究。

1.2試驗試樣制作方法與設(shè)備

1)麻山藥根莖的選擇。試樣要求新鮮、無損傷、無缺陷，去除泥土和雜質(zhì)[3]。

2)試樣的加工。將麻山藥根莖放到車床上進(jìn)行車削加工。試樣形狀加工成圓形，試樣的標(biāo)距取100mm。該段的直徑依據(jù)麻山藥情況選取8～14mm，彎曲試樣的標(biāo)距段和夾持段中間要留有過渡段20mm左右，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中。彎曲試驗采用拉伸試驗相同的試樣，避免彎曲試驗時發(fā)生夾具夾持不緊而打滑的現(xiàn)象。拉伸和彎曲試驗試樣如圖1所示，壓縮試驗試樣如圖2所示。

試驗設(shè)備采用上海衡翼精密儀器有限公司生產(chǎn)的HY-0580型微機電子萬能力學(xué)試驗機及游標(biāo)卡尺和卷尺。該電子萬能力學(xué)試驗機主機主要由上橫梁、中橫梁、下橫梁、滾珠絲桿、減速機構(gòu)、伺服電機和驅(qū)動器及控制系統(tǒng)組成。該電子萬能力學(xué)試驗機如圖3所示。HY-0580型微機電子萬能力學(xué)試驗機的精度等級為0.5級，最大負(fù)荷為5 000N；試驗力分辨率，最大負(fù)荷50萬碼，全程分辨率不變。有效試驗寬度為120mm，有效拉伸空間為500mm；試驗速度為0.001～500mm/min(任意調(diào))。速度精度為示值的±0.5%以內(nèi)；位移測量精度為示值的±0.5%以內(nèi)；變形測量精度為示值的±0.5%以內(nèi)；主機長寬高尺寸為590mm×355mm×1 640mm。

圖1　拉伸和彎曲試驗試樣

圖2　壓縮試驗試樣

圖3　電子萬能力學(xué)試驗機

由于HY-0580型微機電子萬能力學(xué)試驗機的拉伸夾具的夾口太小，只能夾持直徑在10mm以下的物體，所以將拉伸夾具采用小虎鉗代替，小虎鉗夾持物體的直徑范圍為5～60mm。HY-0580型微機電子萬能力學(xué)試驗機自帶的拉伸夾具如圖4所示，改用的拉伸夾具小虎鉗如圖5所示。

圖4　萬能力學(xué)試驗機的拉伸夾具

圖5　拉伸夾具小虎鉗

試樣安裝到位后,測量試樣直徑，清零屏幕，開始運行萬能力學(xué)試驗機。載荷—位移關(guān)系由計算機自動以描點方式記錄,各點坐標(biāo)及結(jié)構(gòu)參數(shù)均可由指定文件讀出。

2　試驗結(jié)果

2.1彎曲試驗

試驗采用三點彎曲方法[4]測定麻山藥根莖的抗彎強度，如圖6所示。彎曲試驗夾具的跨距L為170mm，彎曲試樣中間標(biāo)距長度取100 mm，試樣中間標(biāo)距階段的直徑隨不同試樣測定，彎曲試驗加載速度取10 mm/min。最大抗彎強度為

(1)

式中Mmax—最大彎矩；

WZ—試驗抗彎截面系數(shù)；

σ—最大彎曲應(yīng)力。

圖6　三點彎曲試驗示意圖

彎曲試樣夾持前，要在彎曲試樣和彎曲夾具接觸部分，在彎曲試樣上纏上一層具有彈性的布，以防止夾具夾緊力過大而破壞彎曲試樣。

共進(jìn)行8個試樣的彎曲試驗，根據(jù)試驗記錄載荷與位移關(guān)系，可計算出最大抗彎強度，如表1所示，麻山藥彎曲試驗力—應(yīng)變曲線如圖7所示。圖7中，2號彎曲試樣曲線多次出現(xiàn)了折彎，這是由于彎曲試樣裝夾力不足造成的，但不會影響求取的最大彎曲斷裂力，所以不影響求取最大彎曲應(yīng)力。為了讓數(shù)據(jù)更加精確，把得到的強度值去掉一個最高值和一個最低值，然后利用其余的6個值再求取平均，最大抗彎強度(彎曲破壞應(yīng)力)值為3.667MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.944MPa。

表1　麻山藥根莖彎曲試驗結(jié)果

圖7　麻山藥彎曲試驗力-應(yīng)變曲線

2.2拉伸試驗

隨機選取根莖試樣進(jìn)行拉伸試驗。為了避免麻山藥拉伸試驗時發(fā)生打滑現(xiàn)象，拉伸時要給麻山藥足夠的夾持力。此外，為了避免拉伸夾具夾持麻山藥的力度過大而破壞麻山藥，需要在麻山藥和拉伸夾具接觸部位將麻山藥上纏上一層具有彈性的布，再將加工好的拉伸試樣裝夾在拉伸夾具上，用游標(biāo)卡尺測量拉伸試驗的麻山藥根莖標(biāo)距段的直徑，定義相應(yīng)的根莖試樣參數(shù)，拉伸加載速度為10 mm/min。拉伸試樣裝夾如圖8所示。

利用傳感器測定試樣被拉斷時的最大載荷Fmax的數(shù)值。設(shè)試樣的截面積為A，許用應(yīng)力為σc，則

(2)

式中σc—抗拉強度；

A—拉伸試樣的截面積；

Fmax—加載過程中試樣被拉斷時的最大載荷。

圖8　拉伸試樣裝夾圖

共進(jìn)行8個試樣的拉伸試驗，根據(jù)試驗記錄載荷與位移關(guān)系，計算麻山藥根莖的最大抗拉強度，結(jié)果如表2所示。麻山藥根莖拉伸試驗力-應(yīng)變曲線如圖9所示。

表2　麻山藥根莖拉伸試驗結(jié)果

圖9　麻山藥根莖拉伸力-應(yīng)變曲線

圖9中，顯示多條拉伸試樣曲線在達(dá)到最大值前，多次出現(xiàn)了折彎，這是由于拉伸試樣裝夾力不足造成的，但不會影響求取的最大拉伸斷裂力，所以不影響求取最大拉伸應(yīng)力。把得到的抗拉強度值數(shù)據(jù)去掉一個最高值和一個最低值，然后利用其余的6個數(shù)值求取平均值，抗拉強度(拉伸破壞應(yīng)力)值為0.647MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.110MPa。

2.3壓縮試驗

隨機選取做好的麻山藥根莖試樣進(jìn)行壓縮試驗，將加工好的麻山藥根莖試樣裝夾在電子萬能力學(xué)試驗機的壓縮夾具上；裝夾完成后，利用電子游標(biāo)卡尺測量麻山藥根莖標(biāo)距段的直徑，并在與電子萬能力學(xué)性能試驗機相連的電腦上定義相應(yīng)麻山藥根莖試樣參數(shù)，壓縮加載速度為10mm/min，開始運行壓縮試驗，直到麻山藥標(biāo)距段被壓斷為止。壓縮試驗裝夾如圖10所示。

利用傳感器測定試樣被壓斷時的最大載荷F的數(shù)值，設(shè)試樣的截面積為S，許用應(yīng)力為σb，則

(3)

式中σb—抗壓強度；

S—壓縮試樣的截面積；

F—加載過程中試樣被拉斷時的最大載荷。

圖10　壓縮試樣裝夾圖

共進(jìn)行8個試樣的壓縮試驗，根據(jù)試驗記錄載荷與位移關(guān)系，計算麻山藥根莖的最大抗壓強度結(jié)果如表3所示。麻山藥根莖壓縮試驗力-應(yīng)變曲線如圖11所示。圖11中，4號壓縮試樣的曲線在達(dá)到最大值前多次出現(xiàn)了折彎。這是由于壓縮試樣受壓彎曲造成的，但不會影響求取的最大斷裂力，所以不影響求取最大壓縮應(yīng)力。把得到的抗壓強度數(shù)據(jù)去掉一個最高值和一個最低值，然后利用其余的6個數(shù)據(jù)再求取平均值，最大抗壓強度(壓縮破壞應(yīng)力)值為0.226MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.050MPa。

表3　麻山藥根莖的最大抗壓強度

圖11　麻山藥根莖壓縮試驗力-應(yīng)變曲線

3　結(jié)論

1)試驗用的“紫藥”的根莖拉伸的抗拉強度平均值為0.647MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為0.110MPa；抗壓強度平均值為0.226MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.050MPa；抗彎強度平均值為3.667MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.944MPa。

2)麻山藥根莖的抗彎強度大約是抗壓強度的16倍，表明其抗彎與抗壓力學(xué)性能存在差異，抗壓變形能力弱，麻山藥根莖最易受壓縮破碎，抵抗彎曲破壞變形能力較強，抗拉性比較差。在設(shè)計麻山藥收獲機械的方案時，應(yīng)重點考慮根莖受壓方向的載荷作用，以減少麻山藥機械收獲帶來的損傷。

參考文獻(xiàn)：

[1]于萬盛.山藥收獲機的設(shè)計與研究[D].天津：河北工業(yè)大學(xué),2014.

[2]蘇工兵，劉儉英，王樹才，等.苧麻莖稈木質(zhì)部力學(xué)性能試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007(5):1.

[3]李西振，楊然兵，李建東，等.生姜力學(xué)性能試驗與分析[J].農(nóng)機化研究，2008(4):155-157,170.

[4]國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T14452-1993金屬彎曲力學(xué)性能試驗方法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1993.