油菜莖稈徑向壓縮特性試驗研究

魏俊逸，宗望遠，2*，詹廣超

（1.華中農(nóng)業(yè)大學 工學院，湖北 武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，湖北 武漢 430070）

【研究意義】油菜是我國種植面積最大的油料作物，2018 年產(chǎn)量1 328 萬t，種植面積65.50 萬hm2，種植面積和產(chǎn)量都居世界第一[1]。由于油菜主莖稈粗壯、分支眾多且相互交織，油菜果莢細小，上層和下層的成熟度不一致等原因，收獲時對于脫粒裝置的適應性要求較高。在聯(lián)合收獲過程中兼顧脫凈率與損失率，一直以來是機械化收獲中難以突破的難點之一。目前國內的油菜聯(lián)合收割機在油菜脫粒過程中，為了保證脫凈率普遍存在物料打擊作用強，莖稈破碎嚴重等問題，極易造成夾帶損失，且過碎的莖稈也加重了后續(xù)清選負擔，增加了整機的功耗。揭示脫粒過程中莖稈的破碎機理，提出有效脫?；A上降低莖稈破碎程度的技術方法，是提高油菜脫粒分離裝置性能的重要研究方向[2-7]。【前人研究進展】國內外學者針對脫粒滾筒進行了大量的研究，其研究思路主要是對脫粒裝置進行改進及參數(shù)優(yōu)化[8-13]，研究方法包括仿真、高速攝影和試驗優(yōu)化等[14-16]，而關于脫粒過程中物料破碎機理的研究較少，主要是針對運動部件和籽粒的碰撞損傷進行研究。徐立章等[17-18]針對水稻籽粒與脫粒元件的碰撞過程進行了理論分析并得出了籽粒破碎的臨界速度，其研究方法主要運用赫茲接觸理論，將籽粒假設成外形規(guī)則的同性體，并不普遍適用；關于秸稈的破碎問題，張曉敏等[19]對竹材徑向壓縮蠕變行為進行了研究，陳復明等[20]通過對圓竹單向及雙軸向壓縮的方法研究其徑向力學性能，施印炎等[21]基于有限單元法分析了蘆蒿莖稈力學特性，主要研究方法包括試驗研究和仿真。由于莖稈在脫粒過程中的受力難以確定，且本身屬于各向異性材料，受力情況較為復雜，用測量勻值材料參數(shù)的方法對莖稈的物理參數(shù)進行測量和仿真，其試驗結果與真實情況有很大偏差?！颈狙芯壳腥朦c】擠壓開裂是空心材料的一種破壞方式，脫粒過程中油菜莖稈的破碎與油菜莖稈的徑向壓縮力學特性具有密切關系。【擬解決的關鍵問題】將油菜莖稈近似為正交各向異性材料，通過徑向全壓縮和局部壓縮試驗測量油菜莖稈徑向彈性系數(shù)，并對莖稈局部壓縮力學特性進行研究，建立油菜莖稈壓縮過程的受力計算理論模型，揭示油菜莖稈破碎機理。

1 試驗設備與材料

1.1 試驗設備

力學測試設備采用（RGM-3005 型）萬能材料試驗機，測試力量程為5 kN。輔助工具包括游標卡尺、OHAUS 烘干式水份測定儀（采用鹵素燈加熱，稱量為90 g，可讀性為0.001 g）、圓盤壓頭以及自制的直徑分別為10，20，30 mm 的柱面、寬20 mm 的平面和錐角為45°的錐面共5 種不同曲率半徑的壓頭，如圖1 所示。

圖1 5種不同曲面的壓頭Fig.1 Indenters with five different curved surfaces

圖2 莖稈各部位取樣示意Fig.2 Sampling diagram of each part of stem

1.2 試驗材料

油菜莖稈樣本于2019 年5 月9 日采自華中農(nóng)業(yè)大學生產(chǎn)基地，品種為‘華油雜62 號’，選取長勢良好、無病蟲害的油菜莖桿。由于油菜果莢集中在植株的上層，下層為粗壯的主莖稈，收獲時為了降低功耗減小機具作業(yè)負擔，油菜收割機留茬高度一般為350 mm，割刀剪切部位為第一分支處以下200 mm 左右，故以油菜莖稈第一分支處為節(jié)點，以下200 mm 為下部，往上每隔200 mm 分別取為中部和上部，如圖2所示。試驗材料測得的莖稈材料含水率為78.96%～83.11%（油菜主莖稈中部）。

2 試驗方法

2.1 油菜莖稈徑向全壓縮試驗

油菜莖稈徑向全壓縮試驗采用底面直徑100 mm、厚10 mm 的圓柱形平板鋼制壓頭進行壓縮試驗。采樣時避開油菜莖稈分支關節(jié)部位，采用鋒利的小刀對所需部位的油菜主莖稈進行環(huán)切，截取長度為40 mm 的莖稈樣本放入密封袋，試驗時，用游標卡尺記錄下樣本的長度和直徑，并將樣本放在壓縮夾具下壓盤工作面中心位置，如圖3所示。以油菜莖稈上、中、下3個部位和萬能材料試驗機的加載速度為自變量，莖稈徑向彈性系數(shù)kτ為因變量，進行正交試驗，每組試驗重復12 次取平均值。啟動萬能材料試驗機，當上壓頭接觸到試驗材料時，計算機開始記錄位移-應力數(shù)據(jù)。

圖3 油菜莖稈徑向全壓縮試驗Fig.3 Radial compression test of rape stem

2.2 油菜莖稈樣品徑向局部壓縮試驗

該試驗的材料樣本選取為試驗2.1 相同的材料，采樣時，采用鋒利的小刀對所需部位的油菜主莖稈進行環(huán)切，截取長度為100 mm 的莖稈樣本放入密封袋。試驗時，使用游標卡尺測量并記錄試樣2 個垂直方向的直徑取平均值；將油菜莖稈樣品水平放置在壓縮夾具下壓盤工作面中央，保證壓頭與莖稈樣本垂直壓縮，如圖4 所示；試驗通過對油菜莖稈徑向局部壓縮，從而對莖稈破碎的力學特性進行研究，并以5 種不同曲率半徑壓頭為單一變量對油菜莖稈試樣在同一形變量下的受力進行單因素試驗，每個壓頭局部壓縮試驗各重復15 組。當上壓頭接觸到試驗材料時，計算機開始記錄位移-應力數(shù)據(jù)。

圖4 油菜莖稈徑向局部壓縮試驗Fig.4 Radial local compression test of rape stalk

3 結果與分析

3.1 油菜莖稈樣品徑向全壓縮試驗

通過萬能試驗機對樣品進行徑向壓縮試驗，記錄莖稈的屈服應力σ與位移形變ε，則由式1 即可算出油菜莖稈徑向的彈性系數(shù)kτ。

其中Fσ為莖稈的屈服應力，ε為莖稈的形變，l為莖稈樣品的長度。

分別以油菜莖稈部位x1和萬能材料試驗機的加載速度x2為自變量，莖稈徑向彈性系數(shù)kτ為因變量，進行正交試驗，試驗因素水平見表1，表2為正交試驗數(shù)據(jù)。

表1 因素水平Tab.1 Factor level

表2 正交試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Orthogonal test data

圖5為油菜莖稈在萬能材料試驗機上徑向壓縮時的位移與負載關系圖，由圖可知莖稈受到徑向壓縮時，在達到屈服力之前具有較好的彈性，在彈性階段可近似為彈性材料。引入常數(shù)項C，以莖稈部位和加載速度為自變量，莖稈徑向彈性系數(shù)為因變量，將數(shù)據(jù)導入Eviews 進行回歸分析，分析結果如表3所示。研究表明在所選試驗參數(shù)條件下，只有常數(shù)項非常顯著，莖稈部位和加載速度都不顯著，即在所選加載速度范圍和莖稈部位對莖稈徑向的彈性系數(shù)無顯著影響，則莖稈徑向彈性系數(shù)在所選取的條件范圍可記為常數(shù)，即油菜莖稈徑向單位截面的彈性系數(shù)kτ=（1.14 ± 0.16）N/mm。

油菜莖稈的橫截面近似圓形，橫截面從內到外分別為中心髓質和外層纖維，中心髓部呈泡沫狀，結構組織疏松，和外層纖維的力學特性相比其組分可以忽略不計，故將油菜莖稈結構簡化為壁厚均勻的空管材料，纖維層在圓周方向排列均勻。圖6為油菜莖稈受力分析示意圖。

圖5 油菜莖稈全壓縮試驗曲線Fig.5 Compression test curve of rape stalk

表3 回歸分析Tab.3 Regression analysis

對油菜莖稈受壓過程進行受力分析可知，在莖稈A 點處受到壓頭壓力為F的作用時，油菜莖稈截面B點處受力滿足平衡方程（2）。

其中：Fσ為B 點處所受應力，F(xiàn)N為B 點處垂直方向上的分力，F(xiàn)τ為B 點處水平方向上的分力，油菜莖稈受擠壓過程中，纖維層之間的擠壓力FN對莖稈結構的影響較小，而莖稈的破碎主要是由于纖維層之間的滑切力Fτ大于莖稈的屈服極限從而導致莖稈被壓潰，表現(xiàn)形式為徑向纖維層之間的斷裂，其裂痕方向與莖稈軸向平行。

圖6 油菜莖稈受壓時徑向受力分析Fig.6 Radial stress analysis of rape stalk under pressure

3.2 油菜莖稈樣品徑向局部壓縮試驗

3.2.1 不同曲率半徑壓頭對油菜莖稈載荷的影響

油菜在實際收獲脫粒過程中，油菜莖稈所受到的擠壓為局部壓縮，存在變形區(qū)對非變形區(qū)的拉伸作用，且在不同收獲脫粒元件作用，形變區(qū)的大小范圍各不相同，圖7為油菜莖稈在不同壓頭作用下受力變形示意圖。對油菜莖稈在圓柱壓頭的擠壓變形下進行受力分析，如圖8所示。

圖7 油菜莖稈在不同壓頭作用下受力變形示意圖Fig.7 Stress and deformation diagram of rape stalk under different pressure head

圖8 油菜莖稈在圓柱壓頭作用下受力變形示意圖Fig.8 Stress and deformation diagram of rape stalk under the action of cylindrical indenter

當莖稈產(chǎn)生形變△μ時，釘齒從O1運動到O2位置，AB弧面為釘齒與油菜莖稈的接觸面，實際過程中莖稈的形變?yōu)镃ABD 段，以最大形變點O 處為原點，莖稈軸向為X軸，徑向為Y軸建立直角坐標系，則AOB段的方程為：

其中x、y的取值范圍為：

其中EABF段各部位y值大小即為莖稈在該點處的形變，則油菜莖稈徑向截面的受力F=y?kτ，假設釘齒與莖稈擠壓過程為嵌入式形變，即莖稈局部變形與接觸的壓頭形狀一致，則對變形區(qū)各個截面的形變進行積分即可算出局部壓縮時莖稈受力σ：

上式可以簡化為：

其中S0為莖稈形變區(qū)的面積。

3.2.2 油菜莖稈局部壓縮力學特性分析 采用錐形壓頭對直徑為12 mm 的油菜中部莖稈試樣進行局部壓縮試驗，其應力-應變曲線如圖9 所示。由圖可知，油菜莖稈徑向局部壓縮主要分為：Ⅰ彈性階段、Ⅱ塑性階段和Ⅲ壓實階段。

重復上述試驗，去除數(shù)據(jù)異常點其屈服極限平均值為150.55 N，對壓縮試驗曲線變化規(guī)律觀察發(fā)現(xiàn)，在莖稈彈性階段莖稈受力與形變具有較好的線性關系，屈服階段一般發(fā)生在形變量為6 mm左右。

圖9 油菜莖稈局部壓縮試驗曲線圖Fig.9 Compression test curve of rape stalk

圖10 莖稈所受壓力與壓頭形狀關系Fig.10 Relationship between the pressure on the stem and the shape of the indenter

在油菜莖稈彈性階段，取形變量?μ=5 mm，油菜莖稈徑向彈性系數(shù)kτ=1.14 N/mm，將數(shù)據(jù)代入公式（5）中分別計算5 個壓頭的受力，莖稈所受壓力的測量值與理論計算值如圖10 所示。5 種壓頭在相同形變量下的壓縮受力與壓頭的曲率半徑呈現(xiàn)正相關；5種壓頭受力的實際測量值與所建立的油菜莖稈徑向壓縮受力模型的理論值增長趨勢一致，驗證了該受力計算模型的可行性。

4 結論

（1）對油菜莖稈的徑向壓縮的彈性系數(shù)和力學特性進行了測量與研究。研究表明：油菜莖稈在徑向全壓縮過程中主要分為彈性階段和壓潰階段，徑向壓縮彈性階段的彈性系數(shù)為kτ=（1.14 ± 0.16）N/mm，在所選取的樣本區(qū)域內，其不同部位和加載速度對彈性系數(shù)無顯著影響；油菜莖稈被壓潰的表現(xiàn)形式為徑向纖維層之間的斷裂，其裂痕方向與莖稈軸向平行。

（2）油菜莖稈局部壓縮試驗表明：油菜中部主莖稈的屈服極限平均值為150.55 N，屈服階段一般發(fā)生在形變量6 mm 處；油菜莖稈樣品在局部壓縮試驗過程中主要分為彈性階段、塑性階段和壓實階段，和全壓縮過程不同，莖稈局部壓縮達到屈服極限時并沒有被直接壓潰，主要是由于變形區(qū)受到非變形區(qū)的支撐作用，從側面反映出莖稈的破碎首先是發(fā)生在徑向纖維層之間的斷裂。

（3）采用5 種不同曲率半徑的壓頭對油菜莖稈進行壓縮試驗，試驗表明油菜莖稈在相同擠壓形變下曲率半徑越大的壓頭其所需載荷越大，且載荷的大小與莖稈直徑呈現(xiàn)正相關，在脫粒過程中選取合適的釘齒類型對減少莖稈破碎率意義重大。

（4）建立了油菜莖稈受力的理論計算模型，將相同形變下5 種壓頭受力的實際測量值與所建立的油菜莖稈徑向壓縮受力模型的理論值進行對比，研究發(fā)現(xiàn)理論值與實際值的增長趨勢一致，驗證了該受力計算模型的可行性。