棉稈擠壓剝皮剪切力學(xué)特性試驗(yàn)

史 諾，郭康權(quán),2，范宇杰，劉寶選，袁新璐

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棉稈擠壓剝皮剪切力學(xué)特性試驗(yàn)

史 諾1，郭康權(quán)1,2※，范宇杰1，劉寶選1，袁新璐1

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，楊凌 712100； 2. 陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，楊凌 712100）

針對(duì)棉稈重組材原料疏解剝皮的需要，該文利用自制的棉稈剝皮試驗(yàn)臺(tái)，以測(cè)試剝皮剪切強(qiáng)度為目標(biāo)，對(duì)含水率、取樣部位、加載強(qiáng)度3個(gè)影響因素進(jìn)行了中心組合試驗(yàn)，對(duì)皮附著長(zhǎng)度進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，并將泡水軟化棉稈和新鮮棉稈進(jìn)行了比較。結(jié)果表明：取樣部位、加載強(qiáng)度對(duì)軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度影響顯著（<0.01）；含水率對(duì)軸向和切向剝皮剪切強(qiáng)度的影響不顯著（>0.05），三因素間的交互作用均不顯著（>0.05）；加載強(qiáng)度、取樣部位、含水率對(duì)棉稈剝皮剪切強(qiáng)度的影響依次由強(qiáng)到弱；切向剝皮方式優(yōu)于軸向剝皮方式；新鮮棉稈的剝皮剪切強(qiáng)度較小，收獲后及時(shí)剝皮效果好。該研究可為棉稈疏解剝皮裝備的設(shè)計(jì)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；力學(xué)特性；水分；棉稈；取樣部位；加載強(qiáng)度；剝皮剪切強(qiáng)度

0 引 言

棉稈是一種重要的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源，可廣泛應(yīng)用于制漿造紙工業(yè)、畜牧業(yè)與食品工業(yè)等領(lǐng)域[1-3]。棉稈重組材是合理利用棉稈資源的有效途徑之一[4-6]。疏解剝皮是棉稈重組材原料處理的重要工序，長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)于棉稈剝皮采用的方法是疏解后人工分離韌皮部與木質(zhì)部，效率低下，成為制約棉稈重組材產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸。開(kāi)展棉稈疏解剝皮方法及設(shè)備的研究，對(duì)合理利用棉稈資源有重要作用。

棉稈的力學(xué)特性是棉稈剝皮機(jī)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于棉稈力學(xué)特性的研究主要針對(duì)棉稈的收獲和粉碎展開(kāi)。宋占華等[7]研究了棉稈的最大切割力和切割功。李景彬等[8]采用了不同型式的刀片進(jìn)行了棉稈切割試驗(yàn)，測(cè)試了切割功率。丁龍朋等[9]進(jìn)行了棉稈根部、中部、頂部3個(gè)部位的剪切力學(xué)特性試驗(yàn)。李玉道等[10]研究了棉稈在不同時(shí)間、不同含水率的剪切強(qiáng)度和剪切功。杜現(xiàn)軍等[11]對(duì)收割期的棉稈進(jìn)行了剪切、壓縮、彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)定了破壞強(qiáng)度與功耗。陳明江等[12]測(cè)試了棉稈拉拔阻力隨根部直徑、土壤硬度、時(shí)間跨度的變化。Jha等[13]建立了粉碎后棉稈圧縮圧力與水分含量的關(guān)系。開(kāi)展棉稈剝皮的力學(xué)特性試驗(yàn)可以借鑒目前較為成熟的麻類莖稈機(jī)械化剝皮技術(shù)與設(shè)備的研究。蘇工兵等[14]采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)苧麻莖稈進(jìn)行了拉伸剝皮試驗(yàn)，分析了分離應(yīng)力與位移的關(guān)系。鄒舒暢等[15]試制了苧麻莖稈剝皮樣機(jī)，利用沖擊、折彎作用實(shí)現(xiàn)麻骨與麻皮的分離。呂江南等[16]設(shè)計(jì)了大麻鮮莖揉搓機(jī)構(gòu)，利用碾壓、彎折、揉搓的綜合作用進(jìn)行大麻的皮骨分離。龍超海等[17]研制了黃、紅麻剝皮機(jī)，通過(guò)碾壓、折彎、刮剝作用進(jìn)行作業(yè)。

根據(jù)棉稈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及重組材的制備要求，參照麻類莖稈剝皮技術(shù)與裝備，棉稈的機(jī)械剝皮需要在擠壓作用的同時(shí)進(jìn)行軸向刮剝或切向揉搓。鑒于此，本文在自制的試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了軸向與切向剝皮試驗(yàn)，以期為設(shè)計(jì)低耗高效的棉稈剝皮機(jī)構(gòu)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

棉稈取自西北農(nóng)林科技大學(xué)三原試驗(yàn)站，品種系西農(nóng)棉35。選取莖稈通直且無(wú)病蟲(chóng)害、根部直徑在13.00～14.99 mm之間的棉稈作為試驗(yàn)材料。收獲后的棉稈長(zhǎng)度為100～130 cm，從棉稈的不同部位取樣，取樣部位為根部、中下部、中部、中上部、頂部，分別用試樣1～5來(lái)代表，如圖1a所示。將不同取樣部位的棉稈制成總長(zhǎng)為35 mm的試樣，只保留部分的韌皮部，形成試驗(yàn)的剝皮區(qū)域，如圖1b所示。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)用的主要設(shè)備是自制的棉稈剝皮試驗(yàn)臺(tái)，如圖2a所示，可對(duì)試樣進(jìn)行鉛錘加載、水平牽引剝皮。試驗(yàn)臺(tái)由牽引機(jī)構(gòu)、機(jī)架和剝皮力檢測(cè)裝置三部分構(gòu)成。牽引機(jī)構(gòu)采用HSV型勻速電動(dòng)拉力試驗(yàn)機(jī)（樂(lè)清艾德堡儀器有限公司），牽引速度在0～300 mm/min范圍內(nèi)可調(diào)。機(jī)架主要由試樣夾持鉗、加載盤和支撐架組成。剝皮力檢測(cè)裝置由JHBS型拉壓力傳感器（蚌埠金力傳感器廠，量程50 kg、靈敏度1.33 mv/v），USB7648B型數(shù)據(jù)采集卡（北京中泰研創(chuàng)科技有限公司）和610H型工控機(jī)（研華科技）構(gòu)成，用LabView進(jìn)行剝皮力信號(hào)的顯示與存儲(chǔ)。試驗(yàn)用儀器還有WG-71型電熱鼓風(fēng)干燥箱（天津泰斯特儀器公司）、MP21000D型電子天平（上海第二天平儀器廠）、游標(biāo)卡尺（哈爾濱量具刃具集團(tuán)有限責(zé)任公司）、切割機(jī)等設(shè)備。

注：取樣部位為根部、中下部、中部、中上部、頂部，分別用試樣1～5來(lái)代表。

1.牽引機(jī)構(gòu) 2.機(jī)架 3.剝皮力檢測(cè)裝置

1.Traction mechanism 2.Body frame 3.Peeling force detecting device

a. 試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物

a. Object of experiment table

1.拉力試驗(yàn)機(jī) 2.牽引梁 3.滑輪 4.移動(dòng)板 5.夾持鉗 6.試樣 7.加載盤8.摩擦塊 9.力傳感器 10.固定板 11.臺(tái)面 12.加載砝碼 13.支撐架

1.Tensile machine 2.Draft sill 3.Pulley 4.Moving plate 5.Clamp forceps 6.Sample 7.Loading disk 8.Friction block 9.Force sensor 10.Fixed plate 11.Table top 12.Loading weight 13.Support frame

b. 剝皮剪切強(qiáng)度測(cè)試原理圖

b. Schematic diagram of shear strength test for peeling

圖2 棉稈剝皮試驗(yàn)臺(tái)

Fig.2 Cotton stalk peeling experiment table

1.3 試驗(yàn)方法

如圖2b所示，將棉稈試樣6固定在夾持鉗5上，按照方向，可分為沿著棉稈長(zhǎng)度方向的軸向與垂直于棉稈長(zhǎng)度方向的切向2種夾持方式。調(diào)整加載盤7的位置，使在加載盤7上焊接的摩擦塊8與試樣的帶皮部位對(duì)齊，在加載盤7下端加載砝碼，對(duì)試樣帶皮部分施加正壓力。啟動(dòng)拉力試驗(yàn)機(jī)1的牽引梁2向上移動(dòng)，通過(guò)鋼絲繩牽引移動(dòng)板4，使其上固連的夾持鉗5以1 mm/min的速度在臺(tái)面上勻速運(yùn)動(dòng)。固定板10上部安裝的力傳感器9與加載盤7之間采用鋼絲繩連接，鋼絲繩逐漸張緊，棉稈試樣6的受力如圖3a所示，水平方向上，木質(zhì)部受到牽引力、韌皮部受到剝皮力，2個(gè)力的大小相等，方向相反，從而在木質(zhì)部與韌皮部的結(jié)合界面產(chǎn)生剪切作用。剝皮力不斷增大，直到摩擦塊8下的韌皮從棉稈試樣中瞬間剝離，剝皮力值驟降，力傳感器9記錄從試驗(yàn)開(kāi)始到韌皮部剝離整個(gè)過(guò)程中剝皮力的變化，得到如圖3b所示的記錄曲線。

a. 棉稈試樣受力圖

a. Force diagram of cotton stalk samples

b. 傳感器測(cè)量值與時(shí)間曲線圖

b. Curve of sensor measurements with time

注：為剝皮力，為牽引力，F為垂直加載力，F為支撐力，N；max為剝皮力最大值，N。

Note:is peeling force,is the traction force,Fis the vertical loading force,Fis the supporting force, N；maxis the maximum of the peeling force, N.

圖3 剝皮力的測(cè)試

Fig.3 Measurement of peeling force

定義棉稈的剝皮剪切強(qiáng)度為

式中max為力傳感器記錄的剝皮力最大值，N；為棉稈試樣剝皮區(qū)域的面積，mm2。通過(guò)計(jì)算可以分別得到軸向剝皮剪切強(qiáng)度與切向剝皮剪切強(qiáng)度。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4.1 中心組合試驗(yàn)

含水率是影響棉稈力學(xué)特性的重要指標(biāo)[18]，在棉稈重組材的生產(chǎn)中，疏解剝皮前要將自然風(fēng)干的棉稈泡水軟化處理，以提高疏解效果和方便剝皮。參照GB/T 1931－2009木材含水率測(cè)定方法，對(duì)風(fēng)干后的棉稈進(jìn)行抽樣檢測(cè)[19]，測(cè)得樣品的整稈含水率為10.71%（干基）。試驗(yàn)設(shè)定棉稈含水率的取值范圍為20%～100%，采用不同加水量后密封放置一定時(shí)間的方法，調(diào)制出試驗(yàn)所需含水率水平。棉稈生長(zhǎng)的不同部位同樣是影響力學(xué)性能的重要因素，將取樣部位設(shè)定為試驗(yàn)因素[20-21]。為了模擬擠壓剝皮過(guò)程，需對(duì)棉稈施加一定的正壓力。在棉稈剝皮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，為了提高直徑不一的棉稈的通過(guò)性，剝皮輥可采用彈簧支撐的浮動(dòng)式設(shè)計(jì)，則剝皮機(jī)構(gòu)形成了變隙定壓結(jié)構(gòu)，剝皮輥對(duì)棉稈各部位施加的壓強(qiáng)基本是一個(gè)穩(wěn)定值[22-23]。同時(shí)，為了便于比較剝皮的難易程度，不同取樣部位的棉稈試樣采用相同的垂直加載強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定垂直加載強(qiáng)度為5～15 MPa。由于加載盤上與棉稈試樣接觸的摩擦塊為10 mm×10 mm的方塊，采用剝皮區(qū)域尺寸為1 mm×10 mm的棉稈試樣, 模擬韌皮部完全處于工作區(qū)下進(jìn)行剝皮的理想狀態(tài)。選取棉稈含水率1、取樣部位2、加載強(qiáng)度3共3個(gè)因素，根據(jù)Central Composite design的中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用三元二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方案，研究各因素的一次效應(yīng)、二次效應(yīng)及因素間的交互效應(yīng)。試驗(yàn)因素與水平編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平編碼

1.4.2 皮附著長(zhǎng)度的單因素試驗(yàn)

不論采用何種運(yùn)動(dòng)方式的剝皮機(jī)構(gòu)，棉稈各部位會(huì)依次進(jìn)入工作區(qū)，處于工作區(qū)外的韌皮會(huì)影響剝皮。根據(jù)彈性力學(xué)的圣維南原理，在靠近工作區(qū)的一定范圍內(nèi)，韌皮部與木質(zhì)部結(jié)合界面處的應(yīng)力分布并不均勻。不同的剝皮方式會(huì)造成應(yīng)力分布的復(fù)雜程度不同，因此將棉稈制成剝皮區(qū)域?qū)挾葹? mm而皮附著長(zhǎng)度不同的試樣，如圖4所示，在加載盤上的摩擦塊外留有一定長(zhǎng)度的自由端，測(cè)試皮附著長(zhǎng)度不同的剝皮剪切強(qiáng)度的差異。

圖4 皮附著長(zhǎng)度的單因素試驗(yàn)示意圖

1.4.3 泡水軟化棉稈和新鮮棉稈的比較

不同棉稈處理方式對(duì)韌皮分離有較大影響[24]。上述試驗(yàn)采用的都是將風(fēng)干棉稈泡水軟化處理后制作的試樣，但是棉稈剝皮機(jī)構(gòu)應(yīng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)中經(jīng)過(guò)泡水軟化棉稈的剝皮，而且應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)新鮮棉稈木質(zhì)部與韌皮部的分離。比較2種不同處理方式下棉稈剝皮剪切強(qiáng)度的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 中心組合試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)表1的試驗(yàn)因素和水平，設(shè)計(jì)的中心組合試驗(yàn)編碼20組，中心零點(diǎn)組重復(fù)6組。每組試驗(yàn)重復(fù)測(cè)試6～8個(gè)有效數(shù)據(jù)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 中心組合試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2 方差分析

采用Design Expert軟件對(duì)表2的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分別建立以軸向剝皮剪切強(qiáng)度、切向剝皮剪切強(qiáng)度為響應(yīng)函數(shù)，以各影響因素為自變量的二次多項(xiàng)回歸方程，如式（2）、（3）所示：

對(duì)二次多項(xiàng)回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。由表3可知，二次回歸模型的<0.000 1，表明模型是極顯著的；失擬項(xiàng)的值分別為0.109 2、0.256 5，均大于0.05，表明失擬度不顯著，模型合理；信噪比分別為23.550、23.646，均大于4，表明模型較優(yōu)，可用于預(yù)測(cè)。

表3 棉稈剝皮試驗(yàn)響應(yīng)面方差分析結(jié)果

注：<0.01為極顯著，用**表示；<0.05為顯著，用*表示。

Note: ** represents highly significant (<0.01), * represents significant (<0.05).

從方差分析中還可以看出，取樣部位2的一次項(xiàng)，加載強(qiáng)度3的一次項(xiàng)對(duì)軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度的影響在0.01水平達(dá)到了極顯著（<0.01）；取樣部位2的二次項(xiàng)對(duì)軸向剝皮剪切強(qiáng)度的影響在0.05水平顯著（<0.05）；含水率1的一次項(xiàng)、二次項(xiàng)對(duì)軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度的影響均不顯著（>0.05）；各因素交互項(xiàng)的影響也均不顯著（>0.05）。綜合分析，各因素對(duì)棉稈軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度影響的主次順序是：加載強(qiáng)度、取樣部位、含水率。

2.1.3 單因素對(duì)剝皮剪切強(qiáng)度的影響分析

采用“降維法”分析單因素效應(yīng)，以式（2）、（3）為基礎(chǔ)，當(dāng)含水率、取樣部位、加載強(qiáng)度3個(gè)因素之中任意2個(gè)因素取0水平，剩余因素與剝皮剪切強(qiáng)度的函數(shù)關(guān)系就可得出，如式（4）～（9）所示。

根據(jù)方程作圖，得出因素各水平與剝皮剪切強(qiáng)度之間的關(guān)系。由圖5a可知，當(dāng)含水率為100%時(shí)，軸向剝皮剪切強(qiáng)度最小，當(dāng)含水率為80%左右時(shí)，切向剝皮剪切強(qiáng)度最小。棉稈的剝皮剪切強(qiáng)度與含水率總體呈負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)殡S著含水率的升高，棉稈韌皮部與木質(zhì)部之間的形成層會(huì)不斷滲入水分，體積膨脹，細(xì)胞間的結(jié)合力不斷削弱所引起的。從圖中還可看出，在相同的含水率條件下，軸向剝皮剪切強(qiáng)度大于切向剝皮剪切強(qiáng)度。這是因?yàn)槊薅拰儆诜蔷€性材料，韌皮部及木質(zhì)部的纖維排列具有方向性，絕大部分纖維沿軸向生長(zhǎng)，決定了軸向剝皮剪切強(qiáng)度與切向剝皮剪切強(qiáng)度的差異[25]。由方差分析可知，含水率對(duì)于剝皮剪切強(qiáng)度的影響不顯著，其原因是試樣的含水量在加載操作過(guò)程中會(huì)發(fā)生較大的變化，引起測(cè)試數(shù)據(jù)誤差增大的緣故。過(guò)高的含水率會(huì)使后續(xù)重組材生產(chǎn)中的干燥工序能耗過(guò)高，因此較佳的選擇是從系統(tǒng)的角度出發(fā)確定適宜的含水率進(jìn)行切向剝皮，達(dá)到低耗高效的目的。

注：圖5a中，取樣部位2、加載強(qiáng)度3均為0；圖5b中，含水率1、加載強(qiáng)度3均為0；圖5c中，含水率1、取樣部位2均為0。

Note: Sampling location2and loading strength3are 0 level in Fig.5a; Water content1and loading strength3are 0 level in Fig.5b; Water content1and sampling location2are 0 level in Fig.5c.

圖5 單因素對(duì)剝皮剪切強(qiáng)度的影響曲線

Fig.5 Influence curves of single factor on peeling shear strengths

由圖5b可知，棉稈的剝皮剪切強(qiáng)度與取樣部位呈正相關(guān)，根部試樣的剝皮剪切強(qiáng)度最小，頂部試樣的剝皮剪切強(qiáng)度最大，這主要是由2個(gè)方面的原因造成的：一是隨著高度的增加，棉稈韌皮的纖維層數(shù)與纖維束數(shù)呈遞減趨勢(shì)，導(dǎo)致棉稈頂部的皮層較薄，剝?nèi)±щy[26-27]；二是按照棉稈的發(fā)育順序，根部的木質(zhì)化程度遠(yuǎn)大于頂部，且棉稈從實(shí)芯結(jié)構(gòu)逐步過(guò)渡到空芯結(jié)構(gòu)，剝皮過(guò)程中，頂部的變形程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于根部，試樣與摩擦塊之間的摩擦力較大，導(dǎo)致剝皮剪切強(qiáng)度隨取樣部位高度的增加逐漸增大。比較軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度，在根部，切向剝皮剪切強(qiáng)度略大于軸向剝皮剪切強(qiáng)度，這可能是由根部形成層的組織結(jié)構(gòu)造成的，受到棉稈生長(zhǎng)過(guò)程中各種內(nèi)部與外部因素的共同作用[28-29]。除此之外，切向剝皮剪切強(qiáng)度均小于軸向剝皮剪切強(qiáng)度，且隨著取樣部位高度的增加，兩者差值呈遞增趨勢(shì)。因此，從取樣部位這一因素考慮，采用切向剝皮是較為合理的形式，棉稈頂部的韌皮分離可作為剝皮機(jī)構(gòu)剝皮效果的判定依據(jù)。

由圖5c可知，棉稈的剝皮剪切強(qiáng)度與加載強(qiáng)度呈正相關(guān)，剝皮剪切強(qiáng)度隨加載強(qiáng)度的增大而增大，同樣切向剝皮剪切強(qiáng)度小于軸向剝皮剪切強(qiáng)度。雖然較小的加載強(qiáng)度可以獲得較小的剝皮剪切強(qiáng)度，但垂直方向的加載是獲取剪切剝皮力的必要條件，在機(jī)械剝皮作業(yè)時(shí)，沒(méi)有有效的垂直方向加載，就不能有效夾持住棉稈，也就無(wú)法完成剝皮作業(yè)。

2.1.4 雙因素對(duì)剝皮剪切強(qiáng)度的影響分析

根據(jù)表3的方差分析可知，各因素間的兩兩交互作用對(duì)剝皮剪切強(qiáng)度的影響不顯著。對(duì)于剝皮機(jī)構(gòu)，需要從軸向、切向上選擇剝皮剪切強(qiáng)度較小的方向作為機(jī)構(gòu)的主運(yùn)動(dòng)方向，剝皮方向選定后，則需參照在該方向上剝皮剪切強(qiáng)度的最大值進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣才能保證良好的剝皮率。利用響應(yīng)面法對(duì)二次多項(xiàng)回歸模型進(jìn)行分析，當(dāng)含水率為-1.682水平，取樣部位為1.682水平，加載強(qiáng)度為1.682水平時(shí)，即在含水率20%，取樣部位頂部，加載強(qiáng)度15 MPa的條件下，軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度達(dá)到理論上的最大值，此時(shí)軸向剝皮剪切強(qiáng)度為15.41 MPa，切向剝皮剪切強(qiáng)度為12.41 MPa。軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度取得最大值的條件相同，且與單因素效應(yīng)下剝皮剪切強(qiáng)度最大時(shí)的取值條件一致，進(jìn)一步說(shuō)明了因素間幾乎不存在交互作用。從中心組合試驗(yàn)結(jié)果可得出切向剝皮方式優(yōu)于軸向剝皮方式的初步結(jié)論。

2.2 皮附著長(zhǎng)度的單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

以中心組合試驗(yàn)的中心零點(diǎn)組水平為對(duì)象，即在含水率為60%，取樣部位為中部，加載強(qiáng)度為10 MPa的條件下進(jìn)行不同皮附著長(zhǎng)度影響試驗(yàn)。加載盤上焊接的摩擦塊同前，摩擦塊覆蓋于棉稈試樣上且與試樣剝皮區(qū)域的一端對(duì)齊，剩余為自由端。棉稈剝皮區(qū)域?qū)挾葹? mm。軸向剝皮的皮附著長(zhǎng)度大于等于16 mm、切向剝皮的皮附著長(zhǎng)度大于等于20 mm時(shí)，韌皮只會(huì)出現(xiàn)部分的撕裂、挫傷、脫落，不能完全剝下。以韌皮從試樣上完整分離為標(biāo)志，測(cè)試能夠成功剝皮時(shí)的棉稈軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 皮附著長(zhǎng)度不同的棉稈試樣剝皮剪切強(qiáng)度

從表4可知，切向剝皮剪切強(qiáng)度不僅小于軸向剝皮剪切強(qiáng)度，而且切向剝皮方式能夠成功剝?nèi)№g皮的最大長(zhǎng)度大于軸向剝皮方式。沿軸向剝皮時(shí)，隨著皮附著長(zhǎng)度的增加，自由端韌皮部的拉力與剪切方向一致，故剝皮剪切強(qiáng)度與皮附著長(zhǎng)度呈正相關(guān)。沿著切向剝皮時(shí)，自由端會(huì)使韌皮部的拉力與剪切方向垂直，故剝皮剪切強(qiáng)度隨皮附著長(zhǎng)度的變長(zhǎng)增長(zhǎng)緩慢，切向剝皮不僅效率高，而且能耗較低。

2.3 泡水軟化棉稈和新鮮棉稈的比較結(jié)果與分析

測(cè)得新鮮棉稈的含水率為72.16%（干基），將風(fēng)干棉稈泡水軟化，調(diào)制成相同含水率，2種棉稈制成剝皮區(qū)域?yàn)? mm×10 mm的試樣，在10 MPa加載強(qiáng)度下，測(cè)試根部、中下部、中部、中上部、頂部的軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度，試驗(yàn)共計(jì)5組，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 棉稈不同處理方式下剝皮剪切強(qiáng)度

從表5可知，在軸向與切向2個(gè)方向上，泡水軟化棉稈的剝皮剪切強(qiáng)度均大于相應(yīng)的新鮮棉稈的剝皮剪切強(qiáng)度。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因是棉稈韌皮部與木質(zhì)部之間通過(guò)形成層的薄壁細(xì)胞連接，新鮮棉稈的水合作用較強(qiáng)，消除韌皮部與木質(zhì)部之間的連接較為容易，而風(fēng)干棉稈的韌皮部與木質(zhì)部枯萎粘連，雖然泡水軟化后形成層的含水率增加，但是水合作用遠(yuǎn)小于新鮮棉稈，棉皮較難剝離[30]。因此，以風(fēng)干棉稈的剝皮剪切強(qiáng)度為依據(jù)設(shè)計(jì)剝皮機(jī)構(gòu)，可滿足新鮮棉稈的剝皮需求。可以預(yù)見(jiàn)，選擇收獲后的新鮮棉稈適時(shí)剝皮可取得較好的剝離效果。此外，新鮮棉稈剝皮剪切強(qiáng)度與取樣部位正相關(guān)，且軸向剝皮剪切強(qiáng)度大于切向剝皮剪切強(qiáng)度，這與泡水軟化棉稈的特性保持一致。

2.4 討 論

本文采用剝皮剪切強(qiáng)度作為目標(biāo)值，對(duì)泡水軟化棉稈在不同含水率、不同取樣部位、不同加載強(qiáng)度下進(jìn)行了中心組合試驗(yàn)，考慮到在實(shí)際的剝皮機(jī)構(gòu)中，處于工作區(qū)外的韌皮會(huì)影響剝皮，因此進(jìn)行了皮附著長(zhǎng)度的單因素試驗(yàn)，中心組合試驗(yàn)與單因素試驗(yàn)的定量分析指出切向剝皮的效率不僅高于軸向剝皮、而且能耗較低，因此擠壓揉搓機(jī)構(gòu)適合于進(jìn)行棉稈剝皮，這不同于文獻(xiàn)[31]通過(guò)上下剝皮輥的差速轉(zhuǎn)動(dòng)在軸向上進(jìn)行棉稈剝皮，文獻(xiàn)[32]利用旋轉(zhuǎn)銑削原理，采用剝皮輥在棉稈上軸向刮剝?nèi)テさ姆绞?，本文的研究?duì)節(jié)能低耗棉稈剝皮裝備的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)更具意義。

在擠壓揉搓機(jī)構(gòu)中，如圖6所示，剝皮輥在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行軸向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)切向揉搓，棉稈各部位是連續(xù)進(jìn)入上下剝皮輥形成的工作區(qū)，因此各部位的韌皮依次被剝下。中心組合試驗(yàn)得出泡水軟化棉稈切向剝皮剪切強(qiáng)度的最大值為12.41 MPa，由于泡水軟化棉稈比新鮮棉稈的剝皮剪切強(qiáng)度大，以12.41 MPa這一參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行擠壓揉搓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，對(duì)2種棉稈都會(huì)具有良好的剝皮性能。

圖6 實(shí)際剝皮示意圖

本文研究是在自制的棉稈剝皮試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的，未考慮機(jī)械化剝皮生產(chǎn)中振動(dòng)、速度、喂入量等多因素耦合條件下的復(fù)雜情況，下一步工作是研制剝皮設(shè)備，在實(shí)際工況下進(jìn)行棉稈剝皮試驗(yàn)，分析各種工作參數(shù)對(duì)剝皮性能與質(zhì)量的影響，進(jìn)行更深入的研究。

3 結(jié) 論

利用自制的棉稈剝皮實(shí)驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行棉稈剝皮的中心組合試驗(yàn)、皮附著長(zhǎng)度的單因素試驗(yàn)以及泡水軟化棉稈和新鮮棉稈的比較試驗(yàn)，獲得如下結(jié)論：

1）取樣部位、加載強(qiáng)度2個(gè)因素對(duì)軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度影響顯著（<0.01），含水率對(duì)軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度影響不顯著（>0.05），3個(gè)因素之間的兩兩交互作用基本上不影響軸向與切向剝皮剪切強(qiáng)度（>0.05），加載強(qiáng)度、取樣部位、含水率對(duì)棉稈剝皮剪切強(qiáng)度的影響依次由強(qiáng)到弱。

2）切向剝皮方式下，韌皮部相對(duì)容易剝?nèi)∏夷芎妮^低，對(duì)于棉稈剝皮切向剝皮方式優(yōu)于軸向剝皮方式。新鮮棉稈的軸向剝皮剪切強(qiáng)度大于切向剝皮剪切強(qiáng)度，這一特性與泡水軟化棉稈是一致的，新鮮棉稈相對(duì)于泡水軟化棉稈較易剝皮，收獲新鮮棉稈后即時(shí)剝皮可取得較好效果。

以上研究結(jié)果可為高效、低耗的棉花秸稈剝皮裝備及其剝皮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和使用提供參考。

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Peeling and shearing mechanical performance test of cotton stalks in extrusion state

Shi Nuo1, Guo Kangquan1,2※, Fan Yujie1, Liu Baoxuan1, Yuan Xinlu1

(1.,,712100,;2.,712100,)

Cotton stalks have a high lignified degree. The fiber configurations and physical-mechanical properties of cotton stalks are closest to wood, and it is an ideal substitute for wood. Cotton stalk scrimber is a new artificial material, and it is a new way of cotton stalk material utilization. Defibering and peeling are important processes for preparation of cotton stalk scrimber. For a long time, cotton stalk peeling is used by manual separation of phloem and xylem, this method is inefficient and becomes a bottleneck restricting the development of cotton stalk material industry. In order to study defibering and peeling method and equipment of cotton stalk scrimber material, peeling force test was done using homemade test-bed. The test-bed is composed of traction mechanism, framework and peeling force detecting device, and it can press vertically and peel horizontally cotton samples. The length of harvested cotton stalks was from 100 to 130 cm, chosen cotton stalks with no pests whose stem was straight, and root diameter was between 13 and 14.99 mm as the test materials. The total length of the sample was 35 mm. Some phloem was retained to form the test area. The axial is in the stalk length direction, and the tangential is in the perpendicular direction of stalk length. The cotton stalk samples were fixed on the rack in the axial and tangential direction. The direction of loading disk and skin parts was lined up properly. Load weight in the end of the loading disk. Apply positive pressure on the skin part of the sample. Then the traction mechanism was started, the clamp moved in the frame of the table at the speed of 1 mm per minutes. Force sensor installed on the dead plate and loading disk was connected by a wire rope. The xylem of cotton stalk samples was subjected to traction, and phloem to peeling force in the horizontal direction. The two forces were the same size and the opposite directions, thus shearing action was brought in the bonding interface between xylem and phloem. The wire rope was tensioned gradually in the experiment, thus the peeling force was steadily increasing until phloem peeling off the sample, and then the peeling force plunged. The force sensor recorded the changes of peeling force from the beginning of the experiment to the separation of the phloem and xylem. Peeling shear strength was the ratio of maximum peeling force recorded by force sensor to cotton stalk sample peeling area. In order to test the peeling shear strength, center combination experiment was done on the three factors: Water content, sampling position and loading strength. Single factor experiment was made on skin attachment length. And the water softening cotton stalk and fresh cotton stalk were compared. The results showed that the sampling location and the loading strength had significant influence (<0.01) on axial and tangential peeling shear strength. The effect of water content on axial and tangential peeling shear strength was not significant (>0.05). Improving the moisture content can reduce peeling difficulty, but the effect is limited. The interaction between the three factors was not marked (>0.05). Loading strength, sampling location and water content have a strong to weak influence on peeling shear strength. Tangential peeling was more highly active and lower consume than axial peeling，and it was a more reasonable operation mode. The axial peeling shear strength of fresh cotton stalk is greater than the tangential strength, this feature is consistent with the water softening cotton stalk, fresh stalks are easy to peel compared with the water softening ones, and the effectiveness of peering was high for a timely peeling after harvest. Our research offers a reference for the design of the equipment for defibering and peeling of cotton stalk.

agricultural machinery; mechanical properties; moisture; cotton stalks; sampling location; loading strength; peeling shear strength

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.18.007

S226.4

A

1002-6819(2017)-18-0051-08

2017-02-26

2017-06-22

陜西省13115工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目（2011HBGC-03）

史 諾，男，陜西楊凌人，博士生，主要從事農(nóng)產(chǎn)品加工技術(shù)與裝備的研究。Email：jdshinuo@163.com

郭康權(quán)，男，陜西西安人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備的研究。Email：jdgkq@nwsuaf.edu.cn