吳紫晗，李粵，郭超凡，賀寧波，姚德宇，位士全

(海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海口市，570228)

0 引言

我國(guó)是世界第三大香蕉生產(chǎn)國(guó)，海南省是中國(guó)香蕉產(chǎn)業(yè)的主要發(fā)展地之一[1-2]。據(jù)2021年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒，我國(guó)香蕉的產(chǎn)量達(dá)11 513 kt，海南省香蕉產(chǎn)量達(dá)1 129 kt[3]。香蕉具有生長(zhǎng)周期短和產(chǎn)量高的特點(diǎn)，若在收獲后不及時(shí)對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行有效的處理，香蕉秸稈將會(huì)大量堆積直至腐爛于田間，這將直接影響香蕉產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

香蕉秸稈的直徑粗大，含水量高，纖維含量豐富[4-5]，粉碎還田是高效處理秸稈的一種方式。李粵等[6-7]基于滑切防纏原理，設(shè)計(jì)二級(jí)粉碎結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)表明異向雙輥的結(jié)構(gòu)可有效切碎香蕉秸稈根茬。目前，所研發(fā)的粉碎還田機(jī)多是采用拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛裝置牽引傳遞動(dòng)力從而進(jìn)行粉碎作業(yè)的。因此本文擬設(shè)計(jì)一種能夠在田間自主行走的香蕉秸稈粉碎還田機(jī)?；诖嗽O(shè)計(jì)思路，通過理論分析確定了機(jī)具的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對(duì)粉碎刀片和粉碎過程進(jìn)行仿真分析，以期在保證秸稈能被有效粉碎的基礎(chǔ)上降低機(jī)器的能耗，提升粉碎效果，在研究思路上為南方香蕉種植區(qū)秸稈最大成效還田、香蕉秸稈粉碎還田機(jī)自動(dòng)化的發(fā)展提供技術(shù)參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

自走式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)主要由7個(gè)部分構(gòu)成，分別為切割裝置、喂入裝置、輸送裝置、粉碎裝置、機(jī)架、傳動(dòng)裝置和行走裝置。切割裝置通過傳動(dòng)帶與電動(dòng)機(jī)相連，主要由切割刀軸和切割刀盤構(gòu)成。傳動(dòng)裝置固定在機(jī)架上，傳動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)與行走裝置相連，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自走。喂入裝置包括喂入螺旋刀輥和喂入擋板。輸送裝置主要采用傳送皮帶對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行輸送。粉碎裝置主要包括1個(gè)中心粉碎刀輥、3個(gè)行星粉碎刀輥和滑切粉碎刀片等。整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the machine1.機(jī)架 2.液壓桿 3.進(jìn)料口 4.輸送帶 5.喂入擋板 6.左旋螺旋刀輥 7.切割刀盤 8.切割刀軸 9.縱向螺旋刀輥 10.右旋螺旋刀輥 11.V型傳動(dòng)帶 12.行走裝置

1.2 工作原理

自走式香蕉秸稈粉碎還田機(jī)在田間工作時(shí)，傳動(dòng)裝置的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器穩(wěn)定運(yùn)行。作業(yè)時(shí)，香蕉秸稈首先被切斷裝置切斷，在前進(jìn)的同時(shí)機(jī)器對(duì)切斷的香蕉秸稈進(jìn)行螺旋擠壓喂入，香蕉秸稈被一對(duì)異向轉(zhuǎn)動(dòng)的橫向螺旋刀輥推送至縱向螺旋刀輥，繼而被推送至輸送裝置，經(jīng)由輸送裝置的傳送帶輸送至粉碎裝置的進(jìn)料口，粉碎刀片高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行粉碎作業(yè)，最后經(jīng)落料口拋撒還田，從而實(shí)現(xiàn)香蕉秸稈的機(jī)械化粉碎還田。整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)表Tab. 1 Main technical parameters

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 喂入裝置的設(shè)計(jì)

2.1.1 喂入裝置的位置參數(shù)

喂入裝置主要由螺旋刀輥和喂入擋板構(gòu)成。一對(duì)螺旋刀輥水平放置并進(jìn)行異軸異向的轉(zhuǎn)動(dòng)，用于將被切斷的香蕉秸稈向中間擠壓聚集，縱向螺旋刀輥位于橫向螺旋刀輥后方且用于將秸稈向粉碎裝置傳遞，目的是對(duì)切斷后的香蕉秸稈保證有效喂入。喂入刀輥的排布方式如圖2所示，參數(shù)b為秸稈進(jìn)入縱向放置的螺旋刀輥的緩沖區(qū)間，目的是為了減少縱向螺旋刀輥的工作負(fù)荷，本設(shè)計(jì)中b取490 mm。

圖2 喂入螺旋刀輥排布示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the layout of spiral knife roller1.右旋螺旋刀輥 2.縱向螺旋刀輥 3.左旋螺旋刀輥

2.1.2 螺旋刀輥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

喂入螺旋刀輥的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。在本設(shè)計(jì)中，喂入螺旋刀輥采用對(duì)稱十字排布，以保證能對(duì)單壟寬的香蕉秸稈進(jìn)行粉碎，通過式(1)、式(2)可以確定螺旋刀輥的軸向長(zhǎng)度[8]。

L1≥d1+s+σ×h

(1)

(2)

式中：L1——作業(yè)寬度，mm；

L——螺旋刀輥空心軸長(zhǎng)度，mm；

b——縱向刀輥的預(yù)留寬度，mm；

d1——株寬，mm；

s——株距，mm；

σ——秸稈傾倒系數(shù)；

h——香蕉秸稈平均高度，mm。

圖3 螺旋刀輥結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the structure of spiral knife roller1.螺旋刀輥空心軸 2.螺旋刀片

根據(jù)海南省香蕉種植區(qū)情況可知，株寬d1為800 mm，株距s為1 500 mm，香蕉秸稈平均高度h為1 500～2 000 mm，傾倒系數(shù)σ取0.1，代入并結(jié)合工作幅寬和能耗的考慮，本設(shè)計(jì)取L為990 mm。

為了保證螺旋刀輥的工作穩(wěn)定性，一般將其內(nèi)、外徑的比值控制在0.5～0.6之間。當(dāng)比值增大時(shí)，空心軸的質(zhì)量也在增加，從而會(huì)增加機(jī)器的功耗；當(dāng)比值過小時(shí)，其壁厚太薄，刀輥容易彎曲變形，從而會(huì)降低機(jī)具的使用壽命，影響粉碎效果。結(jié)合已有的裝置，本文設(shè)計(jì)的空心軸外徑d=180 mm。

在空心軸外徑一定和機(jī)器前進(jìn)速度穩(wěn)定的情況下，已有機(jī)具的田間試驗(yàn)表明[9]: 承受同等大小載荷的螺旋刀刃，當(dāng)?shù)度型鈴紻>350 mm時(shí)，刀片所受的力矩就越大，容易產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩從而發(fā)生變形；當(dāng)?shù)度型鈴紻<200 mm時(shí)，則不能充分割破香蕉秸稈。參考已有機(jī)具，本文設(shè)計(jì)的螺旋刀刃外徑D=280 mm。

螺旋刀刃的厚度t值太小，刀刃切割時(shí)極容易變形；t值太大，刀刃增厚則降低了其鋒利程度，影響切割效果。參考之前秸稈粉碎裝置的設(shè)計(jì)[10]，取刀片厚度t=4 mm。當(dāng)螺旋刀片的螺距S<80 mm，相鄰刀刃擠壓香蕉秸稈外圓周時(shí)，單位面積上秸稈所承受的徑向載荷過小，秸稈纖維易纏繞；若螺距S>120 mm，則不能將秸稈有效切割喂入。綜合考慮，本設(shè)計(jì)取螺距S=115 mm。

2.2 粉碎裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1 粉碎裝置主要結(jié)構(gòu)

粉碎裝置是整機(jī)的重要結(jié)構(gòu)之一，其主要由滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪組、行星齒輪、中心齒輪、中心粉碎刀輥、進(jìn)料裝置、行星粉碎刀輥、滾筒、落料孔、落料裝置和中心齒輪傳動(dòng)軸構(gòu)成。1個(gè)中心粉碎刀輥與3個(gè)行星粉碎刀輥構(gòu)成類恒星系統(tǒng)，滾筒與該系統(tǒng)進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。圖4為粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 粉碎裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the structure of crushing device1.中心齒輪傳動(dòng)軸 2.落料裝置 3.軸向滾動(dòng)軸承 4.落料孔 5.滾筒 6.行星粉碎刀輥 7.進(jìn)料裝置 8.中心粉碎刀輥 9.中心齒輪 10.行星齒輪 11.滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪組

香蕉秸稈經(jīng)輸送帶進(jìn)入粉碎裝置進(jìn)料口，粉碎裝置內(nèi)部由中心齒輪傳動(dòng)軸傳遞動(dòng)力，將動(dòng)力傳遞給3個(gè)行星齒輪，行星齒輪帶動(dòng)行星粉碎刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行粉碎作業(yè)，中心粉碎刀輥與行星粉碎刀輥進(jìn)行反向轉(zhuǎn)動(dòng)可以避免秸稈纖維纏繞刀輥的問題[11]。為防止進(jìn)入粉碎裝置區(qū)域的秸稈隨著時(shí)間的增加在裝置內(nèi)堆積，在裝置外部設(shè)置一對(duì)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪組，滾筒與外部大齒輪上表面焊接為一體，大齒輪上表面與軸向滾動(dòng)軸承上部焊為一體，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪組將動(dòng)力傳遞給滾筒，進(jìn)而帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2.2 粉碎刀輥設(shè)計(jì)

粉碎刀輥與行星齒輪通過鍵連接。沿粉碎刀輥的軸向方向共設(shè)置5個(gè)刀盤，刀盤與粉碎刀輥之間通過鍵連接，刀片與刀盤之間通過螺釘連接，每個(gè)刀盤上固定3把粉碎刀片，刀片在刀盤上固定的位置由式(3)確定，每個(gè)刀盤基于前一組刀盤位置上錯(cuò)開β角度固定，刀片在軸向上質(zhì)量分布均勻，從而粉碎作業(yè)過程使得粉碎刀輥具有較好的穩(wěn)定性，如圖5所示。

(3)

式中：m——刀片數(shù)量；

γ——刀片在刀盤上固定角度，(°)。

將相關(guān)數(shù)值代入式(3)，得刀片在刀盤上固定角度γ=120°，錯(cuò)開角度β=60°。

粉碎刀輥的相對(duì)位置參數(shù)設(shè)計(jì)極大程度影響了機(jī)器的粉碎效果，其主要包括刀輥軸心水平距離l、刀輥漏料間隙L2、刀輥相鄰粉碎刀片垂直距離S1、刀輥軸向相鄰刀盤連接刀片的同側(cè)間距S2、刀輥頂部角度α和刀輥上部圓錐高度H，如圖6所示。

(a) 粉碎刀輥結(jié)構(gòu)

(b) 粉碎刀片分布 圖5 粉碎刀輥結(jié)構(gòu)和刀片分布示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the structure of crushing knife roller structure and blade1.行星圓柱齒輪 2.粉碎刀片 3.刀盤 4.刀軸

圖6 粉碎刀輥相對(duì)位置示意圖Fig. 6 Schematic diagram of the relative position of crushing knife roller1.中心粉碎刀輥 2.粉碎刀片 3.行星粉碎刀輥

刀輥頂部角度α的設(shè)置是為了以便進(jìn)入料斗的香蕉秸稈碎片順著角度滑入粉碎刀片區(qū)域，減少打刀現(xiàn)象的發(fā)生，本設(shè)計(jì)取α=60°。漏料間隙L2越大，被粉碎的香蕉秸稈越易拋出，本文取L2=35 mm。高度H的設(shè)置是為了給秸稈碎片預(yù)留緩沖時(shí)間，本設(shè)計(jì)取H=50 mm。根據(jù)已確定的參數(shù)，則刀輥的軸心水平距離

l=2H×tanα+L2

(4)

求解并取整可得l=208 mm。本文設(shè)計(jì)的刀輥相鄰粉碎刀片垂直距離S1為15 mm，相鄰刀盤的刀片同側(cè)距離S2為35 mm，切割線速度v為30～48 m/s時(shí)可以獲得較優(yōu)的香蕉秸稈粉碎質(zhì)量，目前國(guó)內(nèi)粉碎還田裝置的刀具的回轉(zhuǎn)半徑R一般在240～300 mm范圍內(nèi)[12]，考慮動(dòng)平衡等因素，選取回轉(zhuǎn)半徑為250 mm，即本設(shè)計(jì)選取粉碎刀輥回轉(zhuǎn)外徑w=500 mm。

粉碎刀輥的轉(zhuǎn)速計(jì)算公式如式(5)。

(5)

式中：v——粉碎香蕉秸稈的切割線速度，m/s；

ω——粉碎刀輥的角速度，rad/s；

n——粉碎刀輥的轉(zhuǎn)速，r/min。

求解可得n=1 146～1 834 r/min，本文選取粉碎刀輥的轉(zhuǎn)速為1 500 r/min進(jìn)行靜力學(xué)分析。

2.2.3 粉碎刀片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

粉碎刀片主要由連接孔、刀柄、刀身、彎折角和刀刃5部分構(gòu)成，如圖7所示。粉碎刀片與粉碎刀盤之間通過螺釘固定。刀柄與刀身連接處的彎折角τ為30°，使得安裝粉碎刀片時(shí)刀柄上表面與粉碎刀盤下表面貼合，此時(shí)刀身正好圍繞刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)。等滑切角式切割刀片在切割纖維含量少的藤莖類秸稈方面效果顯著[13]，滑切角越大，刀片切割莖稈纖維時(shí)越不易被纏繞[14]。

基于滑切原理，針對(duì)香蕉莖稈纖維含量多的特性，刀片刃口曲線設(shè)計(jì)了一種變滑切角式切割刀片，在切割時(shí)，刀刃對(duì)秸稈單位面積產(chǎn)生的壓強(qiáng)最大，能夠保證有效粉碎香蕉秸稈。通過控制粉碎裝置中的中心粉碎刀輥的正反轉(zhuǎn)，使得粉碎作業(yè)有不同效果。將朝著法線內(nèi)的刃口傾角θ設(shè)置為30°，法線向外的刃口傾角λ設(shè)置為45°。

圖7 粉碎刀片結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the structure of crushing blade1.刀身 2.刀刃 3.彎折角 4.連接孔 5.刀柄

3 粉碎刀片的有限元靜力學(xué)分析

3.1 建立有限元模型

粉碎刀片直接承受著來自傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力和香蕉秸稈的摩擦阻力，其應(yīng)力和應(yīng)變直接影響著秸稈的粉碎質(zhì)量和還田機(jī)的工作狀態(tài)，對(duì)刀片進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，可為刀具實(shí)際工作時(shí)產(chǎn)生的受力情況提供理論基礎(chǔ)。刀具材料選取為65Mn鋼，65Mn鋼含碳量較高且含有金屬錳。將65Mn作為刀具材料，可以使得刀具的強(qiáng)度和硬度得以提高。

網(wǎng)格數(shù)量的多少影響著結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。為了保證計(jì)算精度，選擇自動(dòng)劃分法劃分網(wǎng)格，同時(shí)通過Sizing來控制網(wǎng)格質(zhì)量，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示。

圖8 粉碎刀片的網(wǎng)格劃分圖Fig. 8 Mesh division of crushing knife

3.2 施加載荷及約束

將刀片連接孔處設(shè)置為Fixed Support約束，粉碎刀輥的轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 500 r/min，并在空間坐標(biāo)模式下對(duì)粉碎刀片的刀刃處施加力[15]的大小為Fx=55 N，F(xiàn)y=55 N，F(xiàn)z=-55 N，結(jié)果如圖9所示。

圖9 刀片施加載荷圖Fig. 9 Diagram of the applied load on the knife

3.3 仿真分析結(jié)果

通過Static Structural求解得到刀具的應(yīng)力云圖和變形云圖。從圖10可知，刀片受力后的最大位移為0.159 88 mm，最大位移位置發(fā)生在刀片尾部，結(jié)合刀片工作實(shí)況，該變形在可接受范圍內(nèi)。從圖11可知，等效應(yīng)力最大為260.91 MPa，所受應(yīng)力最大區(qū)域?yàn)榈镀瑥澱劢翘帲藭r(shí)應(yīng)力小于65Mn鋼的屈服強(qiáng)度[σ]=270 MPa，刀片滿足強(qiáng)度條件，材料安全可用。

圖10 刀片的變形云圖Fig. 10 Deformation of the knife

圖11 刀片的應(yīng)力云圖Fig. 11 Schematic diagram of equivalent stress of knife

4 粉碎過程的模擬試驗(yàn)

4.1 模型參數(shù)設(shè)置

建立香蕉秸稈—粉碎刀片參數(shù)化模型。由于香蕉秸稈在切割和喂入階段已進(jìn)行了初步的粉碎，將仿真模型的香蕉秸稈直徑設(shè)置為30 mm。在不對(duì)仿真效果造成太大影響的前提下，仿真秸稈模型長(zhǎng)度設(shè)置為100 mm，從而減少仿真時(shí)間。根據(jù)其他作物秸稈的特性[16]，香蕉秸稈部分參數(shù)選取如表2所示。

表2 香蕉秸稈仿真模型材料參數(shù)Tab. 2 Banana straw simulation model material parameters

4.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果

采用ANSYS Workbench LS-Dyna模塊仿真模擬粉碎刀片切割香蕉秸稈的具體過程[17]，選取刀片刀端線速度A、刀具切割角度B作為試驗(yàn)因素，以香蕉秸稈所受的最大應(yīng)力C和能量損耗Q作為指標(biāo)，香蕉秸稈所受的最大應(yīng)力即是香蕉秸稈發(fā)生斷裂時(shí)的應(yīng)力值，能量損耗是指粉碎刀片切斷香蕉秸稈所消耗的功，其影響著機(jī)器的工作狀態(tài)和效果。試驗(yàn)因素水平編碼表如表3所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示。

表3 因素水平編碼表Tab. 3 CodingTable of experimental factors and levels

表4 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab. 4 Test scheme and results

4.3 結(jié)果分析

為定量研究試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，以此找出最佳參數(shù)組合。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得出兩個(gè)單因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的趨勢(shì)圖如圖12所示。

(a) 刀端線速度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

(b) 切割角度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響 圖12 各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響趨勢(shì)圖Fig. 12 Trend diagram of the effects of each test factor on the test indexes

從表4和圖12(a)分析可得，隨著粉碎刀片的線速度A的增大，應(yīng)力C和能量損耗Q也隨之增大。秸稈所受的應(yīng)力越大，秸稈越易斷裂。當(dāng)線速度達(dá)到30 m/s 之后，應(yīng)力雖然仍有上升趨勢(shì)，但上升幅度明顯降低，反而會(huì)增加能量損耗。在實(shí)際作業(yè)過程中為降低能量損耗，應(yīng)在保證秸稈能被有效粉碎的情況下，參數(shù)盡量選取較小值，配合折線圖走向，本文選取的優(yōu)化刀片刀端線速度為30 m/s。

從表4和圖12(b)分析可得，隨著切割角度B的增大，秸稈所受的應(yīng)力C也隨之增大，這是因?yàn)殡S著切割角度的增大，秸稈隨著粉碎刀片運(yùn)動(dòng)的時(shí)間逐漸變長(zhǎng)，更有助于切削秸稈，當(dāng)切割角度為15°時(shí)，秸稈所受的應(yīng)力最大。秸稈所受的應(yīng)力越大，相應(yīng)地刀具的切割阻力越大，功耗就會(huì)隨之上升。在實(shí)際作業(yè)中應(yīng)該在保證秸稈粉碎率的情況下，再綜合考慮能耗等因素，因此本文選取的優(yōu)化刀具切割角度為15°。綜上所述，本文最終選取的優(yōu)化組合為A2B3，即:刀端線速度為30 m/s，切割角度為15°，此時(shí)秸稈所受最大應(yīng)力為12.885 2 MPa，能量損耗為3.50 J。

5 結(jié)論

針對(duì)香蕉秸稈體積粗大，韌性強(qiáng)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一款能夠在田間獨(dú)立行走的香蕉秸稈粉碎還田機(jī)，可以對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行切割、喂入、輸送、粉碎和拋撒作業(yè)，并通過理論分析對(duì)各關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)和位置參數(shù)研究。

1) 通過對(duì)各關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究: 粉碎刀輥和刀片排列分布，粉碎刀輥的相對(duì)位置設(shè)計(jì)，確定螺旋喂入刀輥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，粉碎刀輥和粉碎刀片最優(yōu)組合參數(shù)；并設(shè)計(jì)了一種變滑切粉碎刀片，將朝著法線內(nèi)的刃口傾角θ設(shè)置為30°，法線向外的刃口傾角λ設(shè)置為45°。

2) 利用ANSYS Workbench對(duì)粉碎刀片進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。結(jié)果表明，在正常工作下，粉碎刀片的最大等效應(yīng)力為260.91 MPa，最大形變?yōu)?.159 88 mm，承受的等效應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，總變形在合理范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，能夠保證作業(yè)的穩(wěn)定性和可靠性。

3) 對(duì)粉碎裝置進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，以刀片刀端線速度A、刀具切割角度B作為試驗(yàn)因素，以秸稈所受最大應(yīng)力C和能量損耗Q作為指標(biāo)，進(jìn)行二因素三水平試驗(yàn)，確定最優(yōu)參數(shù)組合為刀片刀端線速度為30 m/s、切割角度為15°，此時(shí)最大應(yīng)力為12.885 2 MPa，能量損耗為3.50 J。