牟向偉 ，區(qū)穎剛 ，王美美 ，宋鍵銘 ，馮加模，李躍金

(1 廣西師范大學 電子工程學院，廣西 桂林 541004;2 華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣東 廣州 510642)

甘蔗葉主要由葉片和葉鞘組成，葉片呈披散狀容易剝落，而葉鞘緊抱莖稈，剝離困難［1］，研究蔗葉的結構和破壞特性對剝?nèi)~機械設計和剝?nèi)~機理研究至關重要.國內(nèi)外研究者對其破壞特性和破壞方式進行了研究，宮部芳照等［2］采用對蔗葉施加單個方向拉力的方法測試將蔗葉拉扯下來的力，認為造成蔗葉機械破壞不僅僅靠拉力作用，而是多個力的作用.Paulo 等［3］采用對蔗葉施加軸向摩擦力的辦法測試了蔗葉破壞的摩擦力，結果表明蔗葉破壞的摩擦力為315 N.高夢祥等［4］測試了玉米葉子與秸稈的連接力，認為莖葉連接力與葉子所處莖稈部位及含水率密切相關.蔗葉在剝?nèi)~元件作用下的主要破壞方式有塊狀脫落和絲狀脫落等形式［5-8］.現(xiàn)有文獻研究鮮有區(qū)分葉片與葉鞘的破壞形式，也鮮見將結構特性和破壞特性結合起來進行合理的剝離形式分析.本研究分析了葉鞘形態(tài)、結構并結合物理力學性能試驗提出了葉鞘的基本破壞強度和破壞形式，提出了符合葉鞘生長性狀、結構和強度特性的破壞和剝離方式，并給出了葉鞘剝離的判斷準則.

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 甘蔗品種 參試甘蔗品種為“新臺糖-16”，采自華南農(nóng)業(yè)大學寧西基地，種植行距1 200 mm、株距200 mm.按照五點法［9］采樣，每個點位隨機取10株甘蔗，共50 株.采樣甘蔗葉鞘包裹完整，參數(shù)如表1 所示.

表1 采樣甘蔗統(tǒng)計數(shù)據(jù)1)Tab.1 Statistical data of sampling sugarcane mm

1.1.2 設備 廣州市廣材試驗儀器有限公司生產(chǎn)的WDE-500 精密型電子式萬能試驗機，采用美國VISHAY 公司生產(chǎn)的STC-50 型拉伸傳感器，量程500 N、非線性＜0.02%、滯后＜0.02%.參考文獻［3］自行設計了甘蔗莖稈固定裝置，其中，壓力傳感器采用日本NIDEC-SHIMP 公司生產(chǎn)的FGP-50 型數(shù)顯壓力傳感器，量程500 N、精度±0.2%F.S.

試驗裝置及測力位置如圖1 所示，甘蔗莖稈6用夾具7 固定后垂直掛接在拉伸傳感器8 下端.甘蔗莖稈徑向被2 個彈性夾持塊3 夾持.其中一塊作用在葉鞘5 上，另一塊則接觸莖稈.彈性夾持塊分別固定在壓力傳感器1 和預緊螺栓4 上，通過固定支架2 整體安裝在試驗機底座上.為了真實模擬葉鞘的破壞情況，彈性夾持塊3 的材料和結構與所設計的彈性齒滾筒式剝?nèi)~樣機［10］的彈性齒剝?nèi)~元件一致，由聚氨酯材料制作，邵氏硬度為85 HA，其與甘蔗葉鞘接觸面尺寸為寬30 mm、厚10 mm.調(diào)節(jié)預緊螺栓可以調(diào)整甘蔗莖稈受到的徑向壓力，通過壓力傳感器1 輸出徑向壓力值Nx，加載過程拉伸傳感器8 記錄軸向拉力Fx，如圖1b 所示.

圖1 摩擦破壞試驗裝置及測力位置Fig.1 Friction testing devices and the measuring location

1.2 甘蔗葉的形態(tài)結構和特性

1.2.1 甘蔗葉的形態(tài)結構 甘蔗葉主要包括葉鞘和葉片2 個部分.葉鞘自莖節(jié)處長出，兩邊緣復疊緊抱莖呈管狀，葉片與葉鞘頂部連接，懸掛在莖稈外成披散狀(圖2)［11］.從形態(tài)和實際剝?nèi)~經(jīng)驗分析，通過機械作用比較容易將葉片從葉鞘的連接處分離下來.葉鞘的破壞與剝離則相對困難，是影響剝?nèi)~效果的主要因素.因此有必要對葉鞘的結構和破壞特性進行研究，以獲得較為合理的剝離方式.

圖2 甘蔗葉形態(tài)Fig.2 Form of sugarcane leaf

葉鞘主要由上表皮、下表皮、維管束和薄壁組織等組成，維管束沿葉鞘縱向作輻射式成行排列，主維管束之間分布著次維管束，其周圍圍繞著薄壁組織［12］，如圖3 所示.

圖3 甘蔗葉鞘結構圖Fig.3 Structure of sugarcane leaf sheath

1.2.2 甘蔗葉鞘的強度特性 生物材料屬于正交各項異性材料，有5 個基本強度值［13］，如圖4 所示.

圖4 甘蔗葉鞘基本強度值Fig.4 Fundamental strength of sugarcane leaf sheath

在機械剝?nèi)~過程中，甘蔗葉鞘在莖稈的支撐作用下受到剝?nèi)~元件的作用，主要破壞作用有拉伸和剪切，因此確定了與葉鞘破壞直接相關的3 個強度值作為判斷葉鞘破壞的基本強度，具體分別為縱向拉伸強度X、橫向拉伸強度Y 和剪切強度S.只要葉鞘主方向上的任何一個應力分量達到相應的基本強度值，材料便破壞，即

式中，σ1max表示縱向拉伸強度，σ2max表示橫向拉伸強度，τ12max表示剪切強度.

1.3 方法

1.3.1 葉鞘個體在外載荷作用下的破壞試驗 利用自行設計的葉鞘夾具在WDE-500 精密型電子萬能試驗機上測試了“新臺糖-16”品種甘蔗葉鞘個體的3 個基本破壞強度并分析了葉鞘在縱向拉伸、橫向拉伸和沖擊剪切作用下的破壞形式.

1.3.2 整體包裹莖稈的葉鞘在徑向力作用下的摩擦破壞試驗 剝?nèi)~過程中葉鞘在莖稈的支撐下受到剝?nèi)~元件的擠壓、刮擦和挑撥等作用，造成葉鞘拉伸和剪切破壞.通過靜態(tài)摩擦破壞的方式來模擬葉鞘整體在真實情況下的破壞過程.

測試原理:如圖5a 所示，對甘蔗莖稈施加的徑向壓力Nx設為定值N0.試驗樣品在軸向拉力Fx作用下由靜止到勻速運動，在N0作用下受到摩擦力f1和f2.如圖5b 所示，f1和f2隨Fx增大.葉鞘破壞瞬間，F(xiàn)x達到最大值Fmax，此時彈性夾持塊與葉鞘之間的摩擦力為靜摩擦力f1max，另一側f2為動摩擦力，f1max即為造成葉鞘破壞的摩擦力，葉鞘對莖稈的整體包裹性能被破壞后，葉鞘與莖稈之間產(chǎn)生滑動摩擦，f1max降為某一滑動摩擦力f，F(xiàn)x也由Fmax下降到某一定的值F 后趨于平穩(wěn).根據(jù)平衡理論得出f1max:

圖5 測試原理圖Fig.5 Schematic diagram of testing theory

式中，μ2表示甘蔗莖稈與彈性剝?nèi)~元件的動摩擦系數(shù)，f2=μ2N0，μ2=0.45，m 表示甘蔗葉鞘和莖稈質量，g 表示重力加速度.

試驗設計:徑向壓力N0取150、200 和250 N 共3 個水平，在±10 N 的范圍內(nèi)調(diào)整，視為定值.每株甘蔗分別在根部、中部和尾部截取3 段莖稈，每段莖稈留有1 片完整的葉鞘.試驗機速度為10 mm/min.

每個樣本先施加150 N 的徑向壓力，加載后如果葉鞘破壞，則該樣本的試驗結束;如果葉鞘未被破壞，則返回初始位置再施加200 N 的徑向壓力，以此類推，直至葉鞘破壞.記錄N0和Fmax值.

試驗指標為葉鞘破壞時的摩擦力f1max和葉鞘破壞率.葉鞘破壞率為在給定的徑向壓力作用下破壞的葉鞘數(shù)量與試驗樣本的總數(shù)量的比值.

2 結果與分析

2.1 甘蔗葉鞘在外載荷作用下的破壞強度和形式

試驗結果表明:所測試的甘蔗葉鞘，最大縱向抗拉強度為(28.19±6.91)MPa，最大橫向抗拉強度為(0.90±0.34)MPa 和最大剪切強度為(7.13±1.66)MPa.3 個強度值之間均具有顯著性差異，表現(xiàn)出正交各向異性的材料特點.

接近根部的為干枯葉鞘，各節(jié)段葉鞘的縱向抗拉強度、橫向抗拉強度和沖擊剪切強度值均處于最小值范圍中;接近尾部的為青濕葉鞘，各節(jié)段對應的強度值顯著地高于干枯葉鞘的相應值.

縱向拉伸的主要破壞形式為維管束產(chǎn)生縱向應變導致脆性斷裂;橫向拉伸的主要破壞形式是薄壁組織受拉伸作用后沿著維管束的方向撕裂破壞;沖擊剪切的主要破壞形式為維管束與薄壁組織出現(xiàn)剪切變形導致葉鞘破壞.

2.2 甘蔗葉鞘在徑向壓力下的破壞摩擦力

表2 結果表明，在相同徑向壓力作用下，尾部葉鞘的破壞摩擦力最大，中部葉鞘的破壞摩擦力略低，根部葉鞘的破壞摩擦力最小.

表2 不同部位葉鞘破壞的摩擦力統(tǒng)計數(shù)據(jù)1)Tab.2 Statistical data of friction required by leaf sheath damage of varions parts

圖6 表明，根部葉鞘在150 N 徑向壓力作用下破壞率達到80%以上，中部葉鞘在200 N 徑向壓力作用下破壞率到達了80%以上，尾部葉鞘在250 N 徑向壓力作用下達到80%以上.徑向壓力為250 N 時，綜合破壞率為92.7%，此時葉鞘破壞的最大摩擦力為218.30 N.

圖6 不同徑向壓力下各部位葉鞘的破壞率Fig.6 Damage rate of leaf sheath of varions parts under different radial pressure

結合葉鞘的破壞形式進行分析，圖7 為葉鞘3個位置比較有代表性的破壞形式.

首先，葉鞘的破壞形式具有共同點.在軸向摩擦力作用下，葉鞘內(nèi)圍繞纖維管束的薄壁組織首先被破壞，葉鞘沿著纖維方向產(chǎn)生裂紋，隨后破裂的葉鞘部分被推擠變形，并初步脫離莖稈.

其次，3 個位置的葉鞘的破壞形式也有區(qū)別.

1)處于莖稈根部的葉鞘沿纖維方向產(chǎn)生的裂紋貫穿整個葉鞘，葉鞘整體被破壞并脫離莖稈，如圖7a所示.主要原因是根部葉鞘處在生長末期，已枯黃開裂，易于破壞.2)處于莖稈中部的葉鞘沿纖維方向產(chǎn)生的裂紋長度僅為葉鞘長度的1/2 左右，葉鞘只有上半部分被破壞并初步脫離莖稈，如圖7b 所示.這部分葉鞘內(nèi)部組織相對完整，整體破壞強度居中.3)處于莖稈尾部的葉鞘沿纖維方向產(chǎn)生的裂紋長度最短，只有小部分被破壞，整體并未脫離莖稈，如圖7c所示.此類葉鞘仍處在生長期，內(nèi)部組織飽滿且對莖稈包裹緊實.只有在摩擦力作用處才出現(xiàn)裂紋，沒有貫穿.此時的葉鞘整體破壞強度最大，最難破壞，是葉鞘剝離最難的部分.

圖7 甘蔗葉鞘破壞形式Fig.7 Damage form of sugarcane leaf sheath

3 討論與結論

3.1 葉鞘破壞方式

葉鞘個體破壞的基本強度值為

試驗中將葉鞘樣本兩端固定，對葉鞘個體分別施加縱向、橫向拉伸和垂直剪切作用力，實現(xiàn)葉鞘破壞.維管束起到單向纖維的作用，決定了葉鞘個體的縱向抗破壞強度，縱向拉伸難以直接造成葉鞘的破壞;薄壁組織的強度值遠低于維管束的，橫向拉伸造成薄壁組織撕裂，最容易破壞葉鞘.由此，橫向拉伸破壞是最容易實現(xiàn)的破壞方式.

試驗3 對整體包裹莖稈的葉鞘施加軸向摩擦力f1進行破壞，葉鞘在莖稈的支撐和連接作用下抵抗破壞.軸向摩擦力達到218.30 N 時，葉鞘破壞率均達到80%以上.

從作用力形式看軸向摩擦力與試驗2 中縱向拉伸作用力形式接近.但是試驗3 中并未實現(xiàn)葉鞘整體的維管束拉斷破壞，而只是出現(xiàn)薄壁組織撕裂破壞，存在以下幾方面的原因:

1)葉鞘作為一個整體緊實包裹莖稈，且與莖稈緊密連接，其整體抵抗破壞的能力較拉伸試驗中的標準樣條有較大的提高.2)縱向拉伸時葉鞘樣本是兩端固定同時受力，而摩擦破壞時，葉鞘只有一端受到摩擦力作用，在摩擦力作用下，接觸端的葉鞘收縮翹起，進一步在葉鞘與彈性夾持塊接觸的兩個邊緣出現(xiàn)沿纖維方向撕裂，撕裂后的葉鞘在摩擦作用力下被推擠破壞.3)對于中部和尾部的葉鞘撕裂并未貫穿整個葉鞘，這說明軸向作用力難以造成其整體破壞，同時葉鞘與莖節(jié)在鞘基處的連接作用，阻礙了葉鞘的完全剝離.

3.2 葉鞘剝離方式

實現(xiàn)葉鞘完全剝離至少需要完成2 個步驟.

1)對葉鞘施加垂直于纖維方向的作用力進行橫向拉伸破壞，實現(xiàn)葉鞘沿纖維方向的撕裂.2)葉鞘撕裂破壞后，對葉鞘施加持續(xù)的軸向作用力，對葉鞘產(chǎn)生軸向的刮擦和推擠作用，進一步可在莖稈的連接處將葉鞘撕扯下來，實現(xiàn)完全剝離.

因此，設計剝?nèi)~機械時應重點保證剝?nèi)~元件可以沿著莖稈圓周方向和軸線方向運動，可以施加持續(xù)的橫向和軸向作用力，完成對葉鞘的橫向撕裂破壞、軸向刮擦和撕扯剝離［14］.

3.3 葉鞘剝離判定標準

葉鞘剝離的判定標準應該同時滿足在垂直于葉鞘纖維方向施加的應力σ2不小于最大橫向抗拉強度σ2max，軸向應力σ1不小于葉鞘與莖稈連接抵抗撕扯最大強度σtmax，即，

對于“新臺糖-16”品種的甘蔗，σ2max=0.90 MPa，甘蔗葉拉力試驗［7］結果表明，當拉力方向與葉鞘方向呈∠45 角時，最大撕扯力為36.4 N，得出軸向撕扯最大強度σtmax=0.78 MPa.

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