劉維崗　張大斌　舒成松　曹陽(yáng)　李光堯　張?jiān)骑w

摘要：為獲得煙稈力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律，運(yùn)用復(fù)合材料力學(xué)理論建立了煙稈的力學(xué)模型。采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)煙稈進(jìn)行有節(jié)軸向壓縮、無(wú)節(jié)軸向壓縮及彎曲等力學(xué)試驗(yàn)，得出相應(yīng)載荷-位移曲線，并利用MATLAB軟件擬合了有節(jié)與無(wú)節(jié)煙稈抗壓力的離散點(diǎn)變化規(guī)律曲線。結(jié)果表明，煙稈最大抗壓力為5 230.00 N，壓縮彈性模量平均值為150.00 MPa，抗壓強(qiáng)度平均值為4.42 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.29 MPa，最大抗彎力為1 780.00 N，彎曲模量平均值為21.81 MPa，抗彎強(qiáng)度平均值為7.96 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.82 MPa。該結(jié)果可為合理設(shè)計(jì)煙稈收獲及粉碎設(shè)備提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：煙稈;壓縮;彎曲;力學(xué)特性

中圖分類號(hào)： TS452文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2019）09-0252-05

煙草是我國(guó)重要經(jīng)濟(jì)作物之一，煙稈作為煙草的主要副產(chǎn)物，可以制備活性炭、纖維板[1]，也可用來(lái)造紙[2-3]、生產(chǎn)肥料及生物質(zhì)燃料[4-5]，還可以提取果膠、低聚木糖[5-6]等化學(xué)原料，是一種特別有利用價(jià)值的工業(yè)原料。因此開(kāi)展力學(xué)特性試驗(yàn)研究對(duì)煙稈資源綜合利用至關(guān)重要[7-8]。

煙稈力學(xué)特性的研究是合理設(shè)計(jì)收獲及粉碎設(shè)備的關(guān)鍵[9]。目前，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者建立了玉米、甘蔗、棉稈、高粱、油菜等作物莖稈的模型，同時(shí)對(duì)莖稈在切割、壓縮等過(guò)程中的力學(xué)特性進(jìn)行了研究，但對(duì)煙稈力學(xué)特性的研究報(bào)道極少，處于研究的起步階段[10-15]，趙德清等對(duì)煙稈化學(xué)成分、纖維形態(tài)與生物結(jié)構(gòu)方面開(kāi)展了研究[2]。陳魁等從切割方式、切割速度、切割角度等方面進(jìn)行了煙稈切割力影響因素的研究[16]。楊興等在煙稈生物質(zhì)炭熱解溫度方面開(kāi)展了研究[17]。綜上所述，相關(guān)學(xué)者在煙稈生物結(jié)構(gòu)及性能方面開(kāi)展了研究，但并未對(duì)煙稈壓縮、彎曲等力學(xué)性能進(jìn)行深入的研究。

筆者以鮮煙稈為研究對(duì)象，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)煙稈的壓縮、彎曲等力學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，確定煙稈的力學(xué)特性，為煙稈拔取、粉碎及壓縮等設(shè)備的設(shè)計(jì)研究提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)參考。

1 煙稈模型建立

1.1 煙稈的組織結(jié)構(gòu)

煙稈是茄科煙草屬植物的植株，近似圓柱狀，主要由韌皮部、木質(zhì)部和髓部組成[18]。從圖1可以看出，煙稈的顯著特點(diǎn)為莖稈中含有較多的髓芯;并在長(zhǎng)煙葉的地方形成了很多交錯(cuò)分布的節(jié)。從煙稈木質(zhì)部的橫切面（圖2）和弦切面（圖3）可以看出，煙稈木質(zhì)部主要由木纖維、木射線、導(dǎo)管等細(xì)胞類型組成，其導(dǎo)管為復(fù)孔式、紋孔導(dǎo)管，是煙稈最明顯的生物結(jié)構(gòu)特征，木射線為同型多列木射線，煙稈的生物結(jié)構(gòu)與闊葉木材相似[2]。煙稈各組織細(xì)胞在空間排列上具有明顯的方向性和不連續(xù)性，從而導(dǎo)致了煙稈材料的各向異性[19]。

根據(jù)相關(guān)研究可知，在煙稈橫截面上，木射線之間以層狀形式均勻分布著木纖維，纖維上的紋孔很小，但在木纖維之間散落分布著一些較大孔徑的導(dǎo)管。由于煙稈木纖維屬于韌性木纖維，柔性系數(shù)高，強(qiáng)度大，且在煙稈中含量高達(dá)70%以上[2]，所以煙稈是纖維工業(yè)很好的原材料。

1.2 煙稈材料幾何模型

本研究所取用的研究對(duì)象均為去除煙葉后的煙稈。煙稈形狀近似為圓柱體，從外到內(nèi)分別為韌皮、木質(zhì)部和髓芯?？紤]到煙稈不同部位具有差異性，須簡(jiǎn)化其幾何形狀，忽略長(zhǎng)煙葉處徑向尺寸的局部差異，即假定煙稈為結(jié)構(gòu)通直對(duì)稱的圓柱體，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，假設(shè)煙稈為3層正交各向異性材料，且橫觀各向同性。因此，煙稈的幾何形狀可模擬為3層復(fù)合實(shí)芯圓柱體（圖4）。

1.3 力學(xué)模型建立

假定簡(jiǎn)化后的煙稈各層均為各向異性彈性體，應(yīng)力在線彈性范圍之內(nèi)，因此應(yīng)力分量與應(yīng)變分量成線性關(guān)系，服從廣義胡克定律[20]。

{σ}={ε}。（1）

式中：為剛度矩陣;σ為應(yīng)力;ε為應(yīng)變;用應(yīng)力分量表示應(yīng)變分量關(guān)系式為

{ε}={σ}。（2）

式中：為柔度矩陣，且=-1。

由于煙稈是橫觀各向同性材料，材料具有彈性對(duì)稱性，因此，柔度矩陣用工程彈性常數(shù)可表示為[20]

式中：Ex、Ey、Ez分別為煙稈在x、y、z方向上的彈性模量;Gxy、Gzx、Gyz分別為3個(gè)平面內(nèi)的剪切彈性模量;Vxy，Vxz，Vyx，Vyz，Vzx，Vzy為6個(gè)泊松比。對(duì)于橫觀各向同性材料，材料具有對(duì)稱性，因此有

VyzEy=VxyEx;VzxEz=VxzEx;VzyEz=VyzEy。（4）

橫向彈性模量滿足：

Ey=Ez。（5）

軸向剪切模量滿足：

Gzx=Gyz。（6）

同性面內(nèi)橫向剪切模量Gyz滿足：

Gyz=Ey2（1+Vyz）。（7）

因此，正交各向異性材料有9個(gè)獨(dú)立的彈性參數(shù)。根據(jù)正交各向異性材料的性質(zhì)，在線彈性范圍內(nèi)，若坐標(biāo)方向?yàn)閺椥灾鞣较驎r(shí)，正應(yīng)力只引起線應(yīng)變，剪應(yīng)力只引起剪應(yīng)變，二者互不藕合。

簡(jiǎn)化后的煙稈試樣橫截面近似當(dāng)作圓來(lái)計(jì)算。軸向抗壓強(qiáng)度為

σzy=4Fzymaxπd2。（8）

式中：σzy為軸向抗壓強(qiáng)度（MPa）;Fzymax為最大軸向壓力（N）;d為接觸面圓的平均直徑（mm）。

軸向壓縮彈性模量為

Ezy=ΔσzyΔεzy。（9）

式中：Ezy為軸向壓縮彈性模量（MPa）;Δσzy為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上線性段的應(yīng)力變化量（MPa）;Δεzy為應(yīng)力-應(yīng)變曲線上線性段的應(yīng)變變化量（MPa）。

在彎曲時(shí)，抗彎強(qiáng)度按公式（10）計(jì)算：

σω=8Fwmaxlwπd3。（10）

式中：σω為抗彎強(qiáng)度（MPa）;Fwmax為最大彎曲力（N）;lw為煙稈彎曲試樣長(zhǎng)度（mm）。

彎曲彈性模量為

Eω=4l3w3πd4[JB（（]ΔFwΔf[JB））]。（11）

式中：Eω為彎曲彈性模量（MPa）;ΔFw為力-撓度曲線上線性段的彎曲力變化量（MPa）;Δf為力-撓度曲線上線性段的撓度變化量。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

煙稈取自貴州省安順市平壩鎮(zhèn)十字鄉(xiāng)，挑取生長(zhǎng)良好、外徑相當(dāng)、煙稈通直、無(wú)病蟲(chóng)害且表皮無(wú)損傷及彎折的鮮煙稈。采取樣本時(shí)，與壟平齊將煙稈砍下，去除煙葉與頂部，將處理好的煙稈帶回實(shí)驗(yàn)室，備用。本試驗(yàn)所采用的煙稈樣本含水率約為73.6%。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，該系統(tǒng)由試驗(yàn)機(jī)主機(jī)、控制器、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)等3部分組成，其測(cè)試量程為10 kN。其他工具有游標(biāo)卡尺、卷尺、普通手鋸、測(cè)試夾具、砂紙等。

2.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)于2017年10月在貴州大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，主要由2部分組成：煙稈的壓縮試驗(yàn)與彎曲試驗(yàn)?？紤]到煙稈長(zhǎng)煙葉部位節(jié)的影響，又將壓縮試驗(yàn)分為有節(jié)煙稈壓縮試驗(yàn)和無(wú)節(jié)煙稈壓縮試驗(yàn)。彎曲試驗(yàn)采用的是3點(diǎn)彎曲法。

煙稈試樣制?。禾暨x長(zhǎng)度基本相同的煙稈，總長(zhǎng)取為 1 200 mm，將每根煙稈平均分為5部分，從地表位置向上分別為下部試樣、中下部試樣、中部試樣、中上部試樣、上部試樣。取樣示意見(jiàn)圖5。

試驗(yàn)對(duì)象為若干小段煙稈，具體制備如下：（1）進(jìn)行壓縮試驗(yàn)的煙稈試樣分為有節(jié)和無(wú)節(jié)2部分。每組試樣都從5部分試樣中取相應(yīng)直徑的一段，長(zhǎng)度為25 mm，作為壓縮試驗(yàn)樣本，為了防止煙稈在壓縮的過(guò)程中試樣失穩(wěn)，用砂紙將煙稈2端磨平。從圖6可以看出，試驗(yàn)時(shí)將做好的試樣放在壓塊之間，預(yù)加載荷為5 N，加載加速度為10 mm/min，按照有節(jié)軸向、無(wú)節(jié)軸向分別進(jìn)行試驗(yàn)。（2）同樣，從5部分試樣中各取相應(yīng)直徑的一段，長(zhǎng)度取為150 mm，作為彎曲試驗(yàn)的煙稈試樣，如圖7所示。調(diào)整支架跨距為固定長(zhǎng)度100 mm，將測(cè)量好的煙稈樣本放在支座上，采用3點(diǎn)彎曲法加載試樣，預(yù)加載荷設(shè)為5 N，以10 mm/min的速度加載，共25組試驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 煙稈壓縮

3.1.1 壓縮過(guò)程

對(duì)同一根煙稈5個(gè)部位試樣段進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)，從圖8可以看出，開(kāi)始時(shí)煙稈慢慢被壓緊，載荷隨位移的增大近似呈線性增加;當(dāng)載荷達(dá)到最大值時(shí)，煙稈達(dá)到屈服狀態(tài)，隨后載荷隨位移的增大而減小，并具有一定的波動(dòng)

性;最后當(dāng)煙稈被壓實(shí)后，載荷隨位移的增加而逐漸增大。其次，從圖8還可以看出，同一煙桿從下部至上部，煙稈的最大抗壓力值逐漸減小。

軸向壓縮時(shí)，煙稈有些部位的韌皮部、木質(zhì)部及髓芯會(huì)產(chǎn)生分離現(xiàn)象，并且韌皮部與木質(zhì)部會(huì)局部劈裂導(dǎo)致載荷產(chǎn)生波動(dòng)性。煙稈根部與頂部的抗壓力值差異較大，這主要是由于煙稈特殊生物結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，煙稈結(jié)構(gòu)從徑向大致分為3層，其中木質(zhì)部硬度最大，抗壓能力最強(qiáng)，但煙稈木質(zhì)層從根部到頂部明顯變薄。

分別取煙稈5個(gè)不同部位有節(jié)、無(wú)節(jié)試樣的直徑與最大抗壓力值繪制圖9。從圖9可以看出，煙稈的最大抗壓力與直徑呈正相關(guān)關(guān)系。忽略有節(jié)處局部影響，根據(jù)煙稈的幾何尺寸可知，煙稈離根部越遠(yuǎn)直徑越小，因此，從根部到頂部煙稈的最大抗壓力值逐漸減小。

從圖10-a可以看出，煙稈有節(jié)處直徑明顯增大，根據(jù)煙稈的最大抗壓力與直徑呈正相關(guān)關(guān)系可知其相應(yīng)抗壓強(qiáng)度會(huì)增大;但從圖10-b煙稈長(zhǎng)煙葉處橫截面可以發(fā)現(xiàn)，此部位煙稈沒(méi)有強(qiáng)度比較大的木質(zhì)結(jié)構(gòu)，只有髓芯，形成一個(gè)缺口，因此抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。綜合以上2種因素，結(jié)合圖9中的試驗(yàn)

數(shù)據(jù)可以得出，由于煙稈長(zhǎng)煙葉處的結(jié)構(gòu)特征，在相近直徑范圍內(nèi)雖然無(wú)節(jié)煙稈的最大抗壓力比有節(jié)煙稈的高，但不明顯。為了準(zhǔn)確表示出最大抗壓力與直徑的函數(shù)關(guān)系，利用MATLAB軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合分析，擬合曲線見(jiàn)圖9，得到有節(jié)煙稈最大壓力（F1）與直徑（d1）的方程為

F1=4.179 5d21-47.592 2d1+685.151 9。（12）

無(wú)節(jié)煙稈最大壓力（F2）與直徑（d2）的方程為

F2=10.2d22-373.2d2+5 134.1。（13）

3.1.2 壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.1.2.1 有節(jié)軸向壓縮 從表1可以看出，有節(jié)煙稈試樣直徑平均值為30.04 mm，對(duì)這批試樣進(jìn)行壓縮破壞所需最大壓力為4 685.00 N，平均壓力值為 3 088.50 N;最大抗壓強(qiáng)度為4.61 MPa，抗壓強(qiáng)度均值為 4.29 MPa;壓縮彈性模量均值為122.50 MPa。

3.1.2.2 無(wú)節(jié)軸向壓縮 從表2可以看出，無(wú)節(jié)煙稈試樣直徑平均值為29.76 mm，對(duì)這批試樣進(jìn)行壓縮破壞所需的最大壓力為5 230.00 N，平均壓力值為3 230.25 N;最大抗壓強(qiáng)度為5.01 MPa，抗壓強(qiáng)度均值為4.54 MPa;壓縮彈性模量均值為177.50 MPa。

3.2 煙稈彎曲

3.2.1 彎曲過(guò)程 彎曲試驗(yàn)具體操作見(jiàn)圖11。分別對(duì)煙稈5個(gè)不同部位試樣做最大抗彎力試驗(yàn)，煙稈試樣彎曲試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖12，在初始階段，載荷與位移近似呈線性關(guān)系，隨著位移的增加載荷不斷增大;當(dāng)達(dá)到屈服載荷時(shí)，煙稈進(jìn)入屈服狀態(tài)，并維持一段時(shí)間，韌皮部逐漸出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象;隨著位移的繼續(xù)增加，韌皮部和木質(zhì)部出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，載荷急劇減小，最后載荷在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)停止試驗(yàn)。

從圖12可以看出，煙稈達(dá)到屈服狀態(tài)時(shí)，載荷會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng)，這是由于煙稈韌皮部具有一定的脆性，受力后逐漸劈裂引起的。此外，當(dāng)位移增加到一定程度時(shí)，載荷會(huì)突然急劇下降，這是由于煙稈木質(zhì)部脆性比較大，突然斷裂導(dǎo)致的。在壓頭下壓過(guò)程中煙稈中部受到擠壓會(huì)有液體流出。

煙稈直徑與最大抗彎力的關(guān)系見(jiàn)圖13，煙稈的最大抗彎力與直徑呈正相關(guān)關(guān)系。根據(jù)煙稈的實(shí)際幾何尺寸可知，煙稈從根部到頂部其直徑呈由大到小的變化趨勢(shì)，因此，離煙稈根部越近，煙稈的最大抗彎力值越大。

通過(guò)MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合分析，擬合曲線見(jiàn)圖13，得到煙稈最大抗彎力（F3）與直徑（d3）的方程為

F3=-0.1d33+9.6d23-238.9d3+1 902.5。

3.2.2 彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表3可以看出，這批煙稈試樣平均直徑為32.96 mm，對(duì)這批試樣進(jìn)行彎曲試驗(yàn)時(shí)，煙稈折斷破壞所需最大壓力為1 780.00 N，平均壓力值為1 153.04 N;最大抗彎強(qiáng)度為9.72 MPa，平均抗彎強(qiáng)度為7.96 MPa;彎曲彈性模量均值為21.81 MPa。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)煙稈進(jìn)行壓縮、彎曲等力學(xué)特性試驗(yàn)研究，得出其載荷-位移等相關(guān)曲線，直觀地獲得了煙稈的壓縮、彎曲等變化過(guò)程，為煙稈回收利用提供了力學(xué)理論依據(jù)。

通過(guò)壓縮試驗(yàn)得到了煙稈最大抗壓力與煙稈直徑的回歸方程，有節(jié)煙稈的為F1=4.179 5d21-47.592 2d1+685.151 9，無(wú)節(jié)煙稈的為F2=10.2d22-373.2d2+5 134.1，最大抗彎力與煙稈直徑的回歸方程為F3=-0.1d33+9.6d23-238.9d3+1 902.5，從而任意直徑煙稈的最大抗壓力與最大抗彎力都可以通過(guò)以上方程估算出。

通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)得到煙稈最大抗壓力為5 230.00 N、壓縮彈性模量平均值為150.00 MPa、抗壓強(qiáng)度平均值為4.42 MPa、最大抗彎力為1 780.00 N、彎曲彈性模量平均值為 21.81 MPa、抗彎強(qiáng)度平均值為7.96 MPa，這些參數(shù)可為煙稈力學(xué)性能研究提供數(shù)據(jù)參考。同時(shí)能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)煙稈拔取、粉碎及壓縮等相關(guān)機(jī)械設(shè)備研究提供參考依據(jù)。

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