付昌云，衣淑娟，李志全，楊國印，李皓瑩，陶桂香

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶　163319)

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水稻芽種和玉米芽種力學(xué)特性的研究
—基于材料力學(xué)試驗臺

付昌云，衣淑娟，李志全，楊國印，李皓瑩，陶桂香

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319)

摘要：為了充分利用現(xiàn)有的材料力學(xué)試驗臺，首先利用該試驗臺完成了低碳鋼的拉伸試驗，獲得了低碳鋼的彈性極限為432MPa，屈服極限為371MPa，強(qiáng)度極限為497Mpa；其次，利用該試驗臺進(jìn)行了水稻芽種正面壓縮試驗和玉米芽種側(cè)面的壓縮試驗，獲得了水稻芽種的硬度和極限強(qiáng)度及玉米芽種側(cè)面所能承受外載的變化趨勢。結(jié)果表明：水稻芽種和玉米芽種受到壓縮時的力學(xué)性能相似，在極限范圍內(nèi)所能承受的外力隨位移的增加而增加，當(dāng)超過極限范圍時，所能承受的外力急速下降；水稻芽種正面壓縮和玉米芽種側(cè)面壓縮的極限強(qiáng)度分別為0.014 1MPa和0.025MPa。

關(guān)鍵詞：材料力學(xué)試驗臺；農(nóng)業(yè)物料；力學(xué)特性；芽種

0引言

材料的力學(xué)性能測定不僅僅包括狹義的材料即工程材料，如低碳鋼、鑄鐵、混凝土等等，同時也包括廣義的材料，如農(nóng)業(yè)物料、生產(chǎn)原料等。在農(nóng)機(jī)研究領(lǐng)域“農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝相結(jié)合”原則的指導(dǎo)下，人們對于農(nóng)業(yè)物料力學(xué)性能的理論和應(yīng)用研究也越來越廣泛。例如，很多農(nóng)業(yè)機(jī)械人員想要研制一種新的機(jī)型或改進(jìn)一種新的機(jī)構(gòu)，其中“損傷率”已經(jīng)成為衡量一臺機(jī)器性能的一個重要指標(biāo)，這樣農(nóng)業(yè)物料力學(xué)性能的測定變得必不可少[1-6]。但是，目前國內(nèi)大部分高校的材料力學(xué)試驗臺主要是WdW-3100微機(jī)電子式萬能試驗臺[7-8]，主要用于完成低碳鋼和鑄鐵的軸向拉伸和壓縮實驗[9-12]。為了充分發(fā)揮現(xiàn)有的材料力學(xué)試驗臺的功能，本文在完成了傳統(tǒng)的低碳鋼拉伸試驗的基礎(chǔ)上，以農(nóng)業(yè)物料中的典型作物—水稻和玉米為例，利用該試驗臺對水稻芽種和玉米芽種進(jìn)行了壓縮試驗，獲得了水稻芽種和玉米芽種的力學(xué)特性，為該試驗臺的廣泛應(yīng)用提供了借鑒。

1材料力學(xué)試驗臺介紹

1.1設(shè)備構(gòu)成

該試驗機(jī)由3部分組成，如圖1所示。①加力部分:主要由主機(jī)部分、壓縮附具部分、楔形拉伸附具部分及彎扭附具部分等組成。其中，主機(jī)部分由導(dǎo)向立柱、上橫梁、中橫梁、下橫梁和工作臺組成。②測力部分:主要由主機(jī)工作臺下的交流伺服電機(jī)、交流伺服系統(tǒng)及減速系統(tǒng)構(gòu)成動力驅(qū)動系統(tǒng)。③處理部分：主要由插卡式控制器、PC機(jī)和打印機(jī)構(gòu)成試驗機(jī)的控制與數(shù)據(jù)處理及打印系統(tǒng)。

圖1　WdW-3100微機(jī)電子式萬能試驗

1.2工作原理

該試驗臺為框架式結(jié)構(gòu)，試件的拉伸工作區(qū)在中橫梁的上部，壓縮工作區(qū)在中橫梁下部。其中，拉伸工作區(qū)安裝了固定試件的夾具，能夠?qū)崿F(xiàn)用手動的方式夾緊和松開試樣；夾具一側(cè)安裝在框架的頂部上橫梁處，另外一側(cè)安裝在中橫梁的上部。壓縮工作區(qū)安裝有固定試件的平臺，平臺一側(cè)安裝在框架的底部下橫梁處，另外一側(cè)安裝在中橫梁的下部。上、下橫梁不能移動，為固定式；而中橫梁能夠進(jìn)行上下移動，電機(jī)與減速系統(tǒng)相連接。工作時，由電機(jī)帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，在絲杠的帶動下，框架中的中橫梁發(fā)生移動，完成試驗過程的加載和卸載，實現(xiàn)試件的拉伸和壓縮。另外，該試驗臺還配有負(fù)荷傳感器、限位開關(guān)、電源指示燈及急停開關(guān)等。其中，負(fù)荷傳感器安裝在中橫梁的上部，能夠?qū)⒓拥皆嚰械妮d荷通過信號轉(zhuǎn)換實現(xiàn)信號輸出到電腦軟件中去，方便記錄載荷；限位開關(guān)能夠防止在試驗過程中橫梁移動過大，而部件發(fā)生碰撞，即拉伸卸載的過程如果中橫梁向下行進(jìn)距離過長，就有可能碰到壓縮部件。電源指示燈、急停開關(guān)都是為了保證在試驗過程中的安全性。

1.3設(shè)備特點

1)能夠完成恒力加載及恒速加載等加載方式。

2)能夠?qū)崟r記錄試驗過程的外載荷、試件變形及位移，并繪制成曲線，獲得力與位移曲線。

3)該試驗臺采用框架式結(jié)構(gòu)，是一臺電子技術(shù)與機(jī)械傳動相結(jié)合的新型試驗機(jī)，對載荷、變形、位移的測量和控制有較高的精度和靈敏度。其通過與計算機(jī)聯(lián)機(jī)可獲得載荷—變形曲線，還可以實現(xiàn)控制、檢測和數(shù)據(jù)處理的自動化；可以實現(xiàn)等速加載、等速變形、等速位移的自動控制實驗；能夠?qū)崿F(xiàn)不同材料的拉伸或壓縮試驗等試驗項目；可實現(xiàn)載荷測量、試樣變形測量和活動橫梁的位移測量。其中，載荷測量利用應(yīng)變式拉應(yīng)力傳感器、試樣變形測量，利用應(yīng)變式引伸計、活動橫梁的位移測量是利用絲杠的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，并經(jīng)過 A/ D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字顯示。

2材料力學(xué)試驗臺的應(yīng)用

2.1低碳鋼拉伸極限強(qiáng)度的測定

2.1.1試驗材料及方法

低碳鋼，圓形截面，L0=5d0，試件如圖2所示。

試驗前，要對試件的兩端和中間部分的橫截面積進(jìn)行測量，每個位置測量3次，取平均值；并且在測量的時候要采用不同方位測量，取最小平均值作為橫截面面積。其次，將上橫梁處的試件夾具手動打開，將測量好的試件放到指定部位，手動夾緊。接下來啟動電機(jī)，慢慢移動中橫梁，使其上側(cè)夾具接近試件，對正后，停止中橫梁，再一次手動加緊下端夾具。檢查無誤后，重新啟動試驗臺，打開電腦軟件，在軟件中完成所需的實驗項目相關(guān)內(nèi)容的填寫，如試件的材料、形狀、尺寸等。這時使試驗臺與電腦相連接，準(zhǔn)備試驗。試驗剛開始時，加少許載荷(試件發(fā)生彈性變形范圍內(nèi))后完成一次卸載，使其受力歸零，一方面檢查試驗機(jī)是否工作正常，另一方面校核其殘余應(yīng)力；最后，再重新啟動試驗機(jī)，開始慢慢加載，在加載的過程，注意觀察軟件中所繪制的力與位移曲線的變化規(guī)律，同時觀察試件受力后的形狀改變，試驗完成后，打印輸出。

L0.計算長度　L.工作段長度　d0.原直徑

2.1.2試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

低碳鋼拉伸時力與位移變化規(guī)律曲線如圖3所示。由圖3可知：低碳鋼在拉伸時要經(jīng)歷幾個階段，即彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段、頸縮階段。其中，彈性極限載荷為32.55kN，變形為5.75mm；屈服極限載荷為28kN，變形為11.5mm；強(qiáng)度極限載荷為37.56kN，變形為31.5mm。根據(jù)試驗前測得的幾何尺寸及低碳鋼拉伸狀態(tài)下的應(yīng)力公式[13]，進(jìn)而獲得了此批低碳鋼的彈性極限載荷為432MPa，屈服極限載荷為371MPa，強(qiáng)度極限載荷為497MPa。

圖3　低碳鋼拉伸時力與位移曲線

2.2水稻芽種發(fā)芽率的測定

2.2.1指標(biāo)的計算[14-17]

發(fā)芽率為

2.2.2試驗材料及方法

長粒水稻品種:墾鑒3號、稻花香、龍洋16；短粒水稻品種：龍粳26、墾鑒稻6、空育131、墾稻12作為試驗材料。 在水稻芽種含水率為23%條件下，將芽種分為10組，每組100粒，對稻種分別施加10、15、20、25、30、35、40、45N的壓力，放在與原來相同環(huán)境下；用原來相同的方法催芽，觀察催芽情況，查出沒有繼續(xù)發(fā)芽的水稻數(shù)量，3次重復(fù)，取平均值。

2.2.3試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

水稻芽種所受力對發(fā)芽率的影響曲線如圖4所示。由圖4可知：水稻芽種所受壓力對7個品種芽種發(fā)芽率的影響規(guī)律相似，均隨壓力的增加而變小。當(dāng)?shù)痉N所受外力不大于20N時，7個品種的芽種均能夠繼續(xù)發(fā)芽的百分率為100%，即稻種沒有受到損傷，完全能夠繼續(xù)發(fā)芽；當(dāng)?shù)痉N所受外力大于20N，但不超過26N時，有一部分稻種不能繼續(xù)發(fā)芽，即有的稻種受到損傷，其發(fā)芽率下降，但其所占比率較小，7個品種的芽種發(fā)芽率范圍為82%～98%；當(dāng)?shù)痉N所受外力大于30N，稻種發(fā)芽率隨著所受外力的增加下降，且下降的幅度較大；當(dāng)?shù)痉N所受外力為40N時，稻種的發(fā)芽率為17%～26%；當(dāng)?shù)痉N所受外力為45N時，7個品種的芽種發(fā)芽率范圍為6%～15%。由此可見，稻種的極限載荷為20N。

圖4　稻種所受壓力對發(fā)芽率的影響曲線

2.3玉米芽種極限強(qiáng)度的測定

2.3.1試驗材料及方法

玉米品種為德美亞1號。在玉米芽種芽長度為1mm，含水率為30%條件下，測定受壓區(qū)橫截面積，并將玉米芽種放置于試驗臺壓縮工作區(qū)平臺處；啟動試驗臺，設(shè)定一定速率開始對水稻芽種正面進(jìn)行施加壓力[18-22]；帶試驗完成后，打印實驗報告。

2.3.2玉米芽種極限強(qiáng)度計算

極限強(qiáng)度為

(1)

式中FN—受壓時的極限載荷(N)；

A—玉米芽種的受壓面積(m2)。

σ—應(yīng)力(Pa)。

2.3.3試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

在玉米芽種含水率為30%、恒速的條件下，對玉米種子側(cè)面進(jìn)行施加壓力獲得的力與位移曲線如圖5所示。由圖5可知：玉米芽種側(cè)面在受到壓力后，所承受的壓力隨位移的增加先增加而后減少；當(dāng)玉米受力在極限強(qiáng)度內(nèi)，所承受的壓力隨位移的增加而增加；當(dāng)玉米受力超過極限強(qiáng)度后，所承受的能力開始下降，并且下降的幅度比較大。圖5數(shù)據(jù)顯示玉米在上述條件下所承受的最大載荷為92N，當(dāng)外載超過92N時，玉米的承受能力開始下降，且幅度較大，說明此時玉米芽種開始受到損傷?？梢?，玉米側(cè)面所能承受的極限載荷為92N。

根據(jù)上述結(jié)果，通過測定獲得玉米芽種側(cè)面橫截面積為3.73×10-3m2，根據(jù)式(1)獲得了玉米芽種的極限為0.025MPa。

圖5　玉米芽種側(cè)壓時力與位移曲

2.4水稻芽種極限強(qiáng)度的測定

2.4.1試驗材料及方法

水稻品種為龍洋16號。在水稻芽種芽長度為1mm、含水率為23.15%條件下，測定受壓區(qū)橫截面積，并將水稻芽種放置于試驗臺壓縮工作區(qū)平臺處；啟動試驗臺，設(shè)定一定速率開始對水稻芽種正面進(jìn)行施加壓力[23]；試驗完成后，打印實驗報告。

2.4.2試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析

通過材料力學(xué)試驗臺獲得了水稻芽種在一定速率條件下的受力與位移曲線如圖6所示。由圖6可知：水稻芽種在受到壓力后，所承受的壓力隨位移的增加先增加而后減少，在增加的過程中有一定的波動；當(dāng)水稻芽種受力在強(qiáng)度極限范圍內(nèi)，所承受的壓力隨位移的增加而增加；當(dāng)水稻芽種受力超過強(qiáng)度極限后，所承受的能力開始下降，并且下降的幅度比較大。從曲線圖可知：水稻芽種在壓縮過程開始稻種所受到的外力隨位移呈線性增加，在增加的過程有一定的波動，線性增加后稻種進(jìn)入屈服階段，但屈服階段不是特別明顯，維持時間較短；然后進(jìn)入了強(qiáng)化階段，達(dá)到了強(qiáng)度極限。圖6數(shù)據(jù)顯示水稻芽種在上述條件下進(jìn)入屈服時所承受的外載荷為24N，所承受的極限最大載荷為37N。當(dāng)外載超過37N時，水稻芽種的承受能力開始下降，且幅度較大，說明此時水稻芽種開始受到損傷?？梢?，水稻芽種所能承受的極限載荷為37N。

根據(jù)上述結(jié)果，結(jié)合測定獲得水稻芽種受壓橫截面積為2.62×10-3m2，水稻芽種的屈服極限為0.009 2MPa，強(qiáng)度極限為0.014 1MPa。

圖6　水稻芽種壓縮測試圖

3結(jié)論

1)利用材料力學(xué)試驗臺對低碳鋼進(jìn)行拉伸實驗，獲得了低碳鋼拉伸過程中的力與位移曲線，得到了低碳鋼拉伸過程中所承受外力與位移的變化規(guī)律，進(jìn)而獲得了低碳鋼的彈性極限為432MPa，屈服極限為371MPa，強(qiáng)度極限為497MPa。

2)利用材料力學(xué)試驗臺對水稻芽種和玉米芽種分別進(jìn)行了正面和側(cè)面的壓縮試驗，獲得了水稻芽種發(fā)芽率、水稻芽種正面壓縮過程及玉米芽種側(cè)面壓縮所能承受外載的變化趨勢。結(jié)果表明：水稻芽種和玉米芽種在受到壓縮過程所表現(xiàn)的力學(xué)特性相似，即在極限范圍內(nèi)所受的外載隨位移的增加而增加；當(dāng)超過極限范圍時，所能承受的外載開始急速下降。

3)通過該材料力學(xué)試驗臺的研究獲得了水稻芽種正面壓縮和玉米芽種側(cè)面壓縮的極限強(qiáng)度分別為0.014 1MPa和0.025MPa。

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Research on the Mechanical Properties of Agricultural Materials Based on the Material Mechanics Test Rig

Fu Changyun，Yi Shujuan， Li Zhiquan，Yang Guoyin，Li Haoying，Tao Guixiang

(College of Engineering,Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319，China)

Abstract：In order to make full use of existing equipment, in this paper, the tensile test of the low carbon steel was completed by the test bench, and the force and displacement curves of the low carbon steel were obtained,the change law of the external force and displacement in the process of low carbon steel was obtained, and the elastic limit of low carbon steel was 432MPa, the yield limit was 371MPa, the strength limit was 497Mpa. Secondly,the compression test of the rice bud seed and the lateral compression test of the seed of maize were carried out in the text. The hardness of the rice seed and the change of the lateral load on the lateral load of the corn germ were obtained. The results showed that The mechanical properties of the rice and maize seeds were similar to those of the maize.When the seed of rice and maize were compressed, the external force in the limit can be increased with the increase of the displacement, when the limit is exceeded, the external force that is able to withstand the rapid fall.The ultimate strength of the lateral compression of the positive compression and the lateral compression of the rice bud was 20N and 0.025MPa respectively.

Key words：material mechanics test bed; agricultural materials; mechanical properties; seed

文章編號：1003-188X(2016)05-0219-05

中圖分類號：S237

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：付昌云(1994-)，男，河北承德人，本科生，(E-mail)1721822560@qq.com。通訊作者：衣淑娟(1965-)，女，山東棲霞人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)yishujuan_2005@126.com。

基金項目：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃重點項目(201510223005)；“十二五”國家科技支撐項目(2014BAD06B01)；黑龍江省科學(xué)基金項目(E2015033)

收稿日期：2015-07-23