王加躍，吳明亮，呂江南3，林崟，謝偉，羅海峰

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苧麻韌皮纖維撕裂力的試驗研究

王加躍1,2，吳明亮1,2*，呂江南3*，林崟1,4，謝偉1,2，羅海峰1,2

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南長沙410128；2.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南長沙410128；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南長沙410205；4.湖南汽車工程職業(yè)學(xué)院，湖南株洲412099)

為了給整骨式苧麻剝制機(jī)設(shè)計提供力學(xué)參數(shù)，利用自制夾具，在SANS–CMT6104型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行了苧麻韌皮纖維撕裂試驗，探究撕裂角度、撕裂部位、撕裂方式(單側(cè)與雙側(cè)撕裂)對苧麻韌皮纖維與麻骨間撕裂力的影響。結(jié)果表明：撕裂角度為135°～180°時，苧麻韌皮纖維與麻骨間撕裂力隨撕裂角度的增大而變小，撕裂角越接近于180°，撕裂力越??；同一試樣雙側(cè)反向撕裂的撕裂力約為單側(cè)反向撕裂的2倍；同一苧麻植株不同部位的韌皮纖維撕裂力變化幅度約17%，但節(jié)點處撕裂力會急劇增大。

苧麻；韌皮纖維；撕裂力；試驗分析

苧麻機(jī)械剝制工藝的發(fā)展，使生產(chǎn)工效得到明顯提高，但剝麻質(zhì)量低和纖維損失率高的問題仍然比較突出[1–7]。建立苧麻莖稈的本構(gòu)模型[8]以及研究影響苧麻韌皮剝離的諸多因素是解決問題的關(guān)鍵。

蘇工兵等[9–10]結(jié)合計算機(jī)數(shù)字模擬技術(shù)，對苧麻莖稈、韌皮纖維、木質(zhì)部進(jìn)行了拉伸、壓縮、彎折試驗，結(jié)果表明，相同部位木質(zhì)部的抗彎彈性模量高于拉伸彈性模量，韌皮纖維的楊氏彈性模量平均值大于莖稈的楊氏彈性模量的平均值。沈成等[11]運(yùn)用復(fù)合材料力學(xué)理論建立苧麻莖稈的力學(xué)模型，通過力學(xué)試驗獲得力學(xué)參數(shù)，并通過對數(shù)據(jù)的分析計算得到苧麻莖稈力學(xué)模型的彈性參數(shù)，苧麻莖稈的木質(zhì)部和韌皮部依靠自身粘附力在表層粘結(jié)，其粘附力無法阻止韌皮部沿木質(zhì)部表層滑移，苧麻莖稈在徑向符合復(fù)合材料的特性。晏科滿等[12]通過對苧麻莖稈進(jìn)行沖擊斷裂韌性試驗，研究苧麻韌皮部和木質(zhì)部分離斷裂能的分布規(guī)律。

筆者通過自制試驗夾具，在SANS–CMT6104型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上，測定不同撕裂角度、撕裂方式以及撕裂部位的苧麻韌皮纖維與麻骨間撕裂力，以期為整骨式苧麻剝制機(jī)械的研制提供力學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　試樣的制備

2016年8月，選取湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園基地生長5年的苧麻品種‘湖苧5號’，根部直徑10.5~13.5 mm、中部直徑7.5~10.5 mm、株高1.6 m以上的通直無病苧麻莖稈，貼地?zé)o破茬切割[13]，去除莖稈端部多節(jié)點部分，保留莖稈長度約1.0 m；從苧麻根部沿生長方向連續(xù)截取長300 mm的莖稈，作為單次試驗的試樣，分別命名為近根部、正中部、近端部試樣。密封袋保存待用。

試驗前，在每一段試樣的近根端，沿直徑平面將韌皮部劃開，使得苧麻莖稈韌皮纖維分割為2個180°弧面，撕裂長約50 mm部分，用于試驗機(jī)上夾頭，夾持。

沿苧麻生長方向撕裂開的韌皮纖維與莖稈之間的內(nèi)夾角規(guī)定為苧麻韌皮纖維撕裂角；沿苧麻莖稈自然生長方向同時撕裂2個長度為50 mm的180°弧面，作為雙側(cè)反向撕裂試樣，如圖1–a所示；沿苧麻莖稈自然生長方向撕裂1個長度為50 mm的180°弧面，作為單側(cè)反向撕裂試樣，如圖1–b所示。

a　雙側(cè)撕裂試樣；b　單側(cè)撕裂試樣。

1.2　試驗儀器與設(shè)備

SANS–CMT6104型微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)(簡稱試驗機(jī))，量程10 N，精度±1.0%；苧麻韌皮纖維多角度撕裂性能測試夾具，角度調(diào)節(jié)范圍90°~180°。

苧麻韌皮纖維多角度撕裂性能測試夾具由底座、傳動系統(tǒng)、角度調(diào)節(jié)裝置、鋼珠滑軌、固定裝置和導(dǎo)向滑輪組成，如圖2所示。鋼珠滑軌通過角度調(diào)節(jié)裝置與底座相連，滑軌上部開有容置凹槽，底部安裝有齒條，滑軌兩端安裝有用于固定苧麻莖稈的固定裝置，滑軌一端安裝有用于引導(dǎo)苧麻韌皮纖維撕裂方向的導(dǎo)向滑輪；角度調(diào)節(jié)裝置由套筒和升降桿組成，并用插銷連接。試驗時，將苧麻莖稈放入鋼珠滑軌上的容置凹槽，由兩端的固定裝置將莖稈固定后，將撕裂開的韌皮纖維通過導(dǎo)向滑輪與試驗機(jī)上夾頭相連，通過改變角度調(diào)節(jié)裝置的高度來調(diào)節(jié)滑軌傾角，從而實現(xiàn)苧麻莖稈韌皮纖維的撕裂角度可調(diào)。撕裂過程中，夾頭豎直向上運(yùn)動的速率等于滑軌的滑動速率，使得隨上夾頭豎直向上運(yùn)動進(jìn)行撕裂的韌皮纖維與苧麻莖稈間的夾角不變，從而確保撕裂過程中撕裂角度不變。

三維圖

結(jié)構(gòu)圖

1底座；2調(diào)速電機(jī)；3鋼珠滑軌；4導(dǎo)向滑輪；5固定裝置；6角度調(diào)節(jié)裝置。

圖2苧麻韌皮纖維多角度撕裂性能測試夾具

Fig.2Ramie bark fiber multi–angle tearing performance test fixture

1.3　試驗設(shè)計

1.3.1撕裂角度對撕裂力的影響試驗

選取直徑相近的3根苧麻莖稈的近根部試樣，分別進(jìn)行撕裂角度對撕裂力的影響試驗。

試驗前，將試樣固定在夾具上的容置凹槽，設(shè)定調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使試樣隨鋼珠滑軌的運(yùn)行速率與韌皮纖維的撕裂速率相同，以保證韌皮纖維與苧麻莖稈間的內(nèi)夾角不變，即撕裂過程中撕裂角度恒定。試驗時，將試驗機(jī)橫梁調(diào)節(jié)至使夾持在上夾頭的韌皮纖維剛好處于張緊狀態(tài)，同時開啟試驗機(jī)和調(diào)速電機(jī)的電源，進(jìn)行撕裂試驗，通過改變角度調(diào)節(jié)裝置的高度，進(jìn)行135°、150°、165°的撕裂試驗。撕裂完成后，系統(tǒng)自動生成不同撕裂角度條件下的撕裂部位與撕裂力的變化曲線。

1.3.2撕裂方式對撕裂力的影響試驗

在165°撕裂角的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究單側(cè)反向撕裂力與雙側(cè)反向撕裂力的力學(xué)特征，選取直徑相近的2根苧麻莖稈共6段試樣，分別進(jìn)行單側(cè)和雙側(cè)撕裂對韌皮纖維撕裂力的影響試驗。

試驗前，將試樣固定在夾具上面的容置凹槽，通過改變角度調(diào)節(jié)裝置的高度，設(shè)置韌皮纖維的撕裂角，調(diào)節(jié)調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速使得鋼珠滑軌的運(yùn)行速率與試驗機(jī)的加載速率相同，以保證試驗過程中撕裂角度不變；調(diào)節(jié)試驗機(jī)的上夾頭至剛好將夾持住的韌皮纖維拉緊，完成夾持過程后，同時開啟試驗機(jī)和調(diào)速電機(jī)的電源。撕裂完成后，系統(tǒng)自動生成單、雙側(cè)撕裂方式下撕裂部位與撕裂力的變化曲線。

1.3.3撕裂位置對撕裂力的影響試驗

探究同一植株不同部位苧麻莖稈的撕裂力與撕裂部位的關(guān)系，選取直徑相近的3根苧麻莖稈共9段試樣，分別進(jìn)行撕裂位置對韌皮纖維撕裂力的影響試驗。

試驗過程中，試驗機(jī)加載速率與調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速的一致性保證了苧麻韌皮纖維的撕裂角度始終保持165°；試驗前先將試樣固定在夾具上的容置凹槽，調(diào)節(jié)試驗機(jī)的上夾頭至剛好將夾持住的韌皮纖維拉緊，完成夾持過程后，同時開啟試驗機(jī)和調(diào)速電機(jī)。撕裂完成后，系統(tǒng)自動生成不同撕裂位置條件下撕裂部位與撕裂力的變化曲線。

2　結(jié)果與分析

2.1　撕裂角度對撕裂力的影響

如圖3所示，苧麻韌皮纖維撕裂力大小與撕裂角度有關(guān)。隨著撕裂角度的增大，相同苧麻莖稈韌皮纖維被撕裂時的撕裂力最大值與撕裂力平均值都在逐步減小。將完成撕裂試驗的苧麻莖稈和撕裂力曲線對比，發(fā)現(xiàn)撕裂力的最大值都是產(chǎn)生在苧麻莖稈的節(jié)點位置，表明撕裂苧麻莖稈的節(jié)點時，撕裂力會在瞬間急劇增大，其原因可能是在莖稈節(jié)點位置韌皮纖維增厚，韌皮纖維與苧麻麻骨間的粘附力更強(qiáng)，要將節(jié)點位置的韌皮纖維撕下需要克服較大的粘附力，因而所需要的撕裂力就更大。

圖3　不同撕裂角度下的苧麻韌皮纖維撕裂力

2.2　撕裂方式對撕裂力的影響

圖4結(jié)果表明，相同的苧麻莖稈，采用單側(cè)撕裂方式時，撕裂力集中在1.2 N左右；采用雙側(cè)撕裂時，撕裂力集中在2.4 N左右。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，試樣單側(cè)反向撕裂時，撕裂力的平均值為1.12 N，雙側(cè)反向撕裂力的平均值為2.20 N，撕裂同一苧麻莖稈的韌皮纖維時，雙側(cè)反向撕裂力大致是單側(cè)反向撕裂力的2倍。

a　單側(cè)反向撕裂；b　雙側(cè)反向撕裂。

將完成撕裂試驗的苧麻莖稈與撕裂力曲線對比，發(fā)現(xiàn)單、雙側(cè)反向撕裂的撕裂力的峰值都是產(chǎn)生在苧麻莖稈的節(jié)點處，但兩者略有不同。單側(cè)反向撕裂，撕裂節(jié)點有2種方式：一種是韌皮纖維在節(jié)點位置被撕裂；另一種是整個節(jié)點隨韌皮纖維一起被撕下。對比發(fā)現(xiàn)，第1種方式的撕裂力比第2種的撕裂力大得多，可能是韌皮纖維在節(jié)點位置增厚，將節(jié)點撕裂時需要較大的撕裂力。雙側(cè)反向撕裂是將2個180°弧面的韌皮纖維一次性撕裂，在很大程度上避免了撕裂節(jié)點對撕裂力的影響。單側(cè)反向撕裂過程中最大撕裂力的標(biāo)準(zhǔn)差為0.29 N，雙側(cè)反向撕裂時最大撕裂力標(biāo)準(zhǔn)差是0.55 N，表明最大撕裂力的產(chǎn)生不僅與節(jié)點大小及撕裂節(jié)點時的位置有關(guān)，而且還與撕裂方式有關(guān)。

2.3　撕裂位置對撕裂力的影響

近根部的3根試樣全部正常完成撕裂試驗，試驗中無卡滯、斷裂現(xiàn)象；近端部試樣僅有1根正常完成撕裂試驗，另2根試樣在試驗過程中均出現(xiàn)韌皮纖維斷裂現(xiàn)象；中部試樣在試驗過程中1根出現(xiàn)韌皮纖維斷裂，另2根試樣正常完成撕裂試驗，其撕裂力與撕裂位置的變化關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，當(dāng)撕裂角度保持165°不變時，所得到的撕裂力與撕裂部位關(guān)系曲線比較平直，撕裂力在1.2 N處較為集中，說明當(dāng)試樣的平均直徑相近時，單側(cè)反向撕裂力基本不變，為1.2 N左右。對比分析9根試樣可知，取自同一根苧麻莖稈的3段試樣，平均直徑越大，撕裂力越大；試樣的平均直徑相近時，撕裂力變化也不明顯；取自不同苧麻莖稈同一位置的試樣，因其平均直徑相近，因此撕裂力變化不明顯，說明直徑是影響撕裂力大小的重要因素。

圖5　不同撕裂部位的苧麻韌皮纖維撕裂力

3　結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，撕裂角度、撕裂方式以及撕裂位置是影響苧麻韌皮纖維撕裂力的主要因素。唯一變量試驗條件下，撕裂力隨著撕裂角度的增大而減?。浑p側(cè)反向撕裂力約為單側(cè)反向撕裂力的2倍；撕裂力隨著苧麻莖稈直徑的增大而增大，同一苧麻植株，平均直徑相近時，不同位置的撕裂力變化也不明顯。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，撕裂節(jié)點位置的韌皮纖維時，撕裂力會急劇增大。

研發(fā)設(shè)計整骨式苧麻剝制機(jī)械，應(yīng)盡可能考慮使撕裂角接近180°，以省力為評價指標(biāo)時，可以采用單側(cè)反向撕裂；以效率為評價指標(biāo)時，可以選用雙側(cè)反向撕裂；應(yīng)盡可能避免將麻殼上的節(jié)點撕開，可以將整個節(jié)點處的韌皮纖維同時撕下，從而減少撕裂力突變現(xiàn)象。

苧麻品種、苧麻莖稈含水率以及試驗機(jī)的加載速率等都有可能對苧麻莖稈韌皮纖維的撕裂力產(chǎn)生影響，它們與苧麻韌皮纖維撕裂力的關(guān)系尚待進(jìn)一步研究。

[1] 呂江南，龍超海．苧麻纖維初加工機(jī)械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2002，31(1)：123–125．

[2] 王紹文，宋怡則．麻類作物生產(chǎn)機(jī)械[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1997．

[3] 袁力軍，何文．苧麻緊密紡紗技術(shù)研究及應(yīng)用[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，35(6)：699–701．

[4] 晏春耕，曹瑞芳，申素芳，等．苧麻韌皮纖維超微結(jié)構(gòu)的觀察[J]．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40(8)：4488–4489．

[5] 陽堯端，鄧劍鋒．苧麻機(jī)械剝制試驗與工藝參數(shù)優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2009，25(8)：93–98．

[6] 蘇工兵，劉劍英，程世俊，等．苧麻莖稈的力學(xué)性能及力學(xué)建模方法[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2007，29(8)：25–27．

[7] 王春桃，黎覲臣，李宗道．我國苧麻品種合理布局的研究[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，1996，22(2)：117–121．

[8] 羅海峰，吳明亮，翁偉，等．成熟期油菜莖稈物理模型試驗研究[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2013，39(1)：88–93．

[9] 蘇工兵．苧麻莖稈力學(xué)建模及有限元模擬分析研究[D]．武漢：華中科技大學(xué)，2007．

[10] 蘇工兵，劉儉英，王樹才，等．苧麻莖稈木質(zhì)部力學(xué)性能試驗[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007，38 (5)：62–65．

[11] 沈成，李顯旺，田昆鵬，等．苧麻莖稈力學(xué)模型的試驗分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(20)：26–33．

[12] 晏科滿，鄒舒暢，唐令波，等．苧麻莖稈沖擊斷裂韌性試驗與分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(21)：308–315．

[13] 劉兆朋，謝方平，吳明亮，等．苧麻成熟期底部莖稈的機(jī)械物理特性參數(shù)研究[J]．湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，37(3)：329–322．

責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Experimental study on tear strength of ramie bast fiber

WANG Jiayue1,2, WU Mingliang1,2*, Lü Jiangnan3, LIN Yin1,4, XIE Wei1,2, LUO Haifeng1,2

(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Southern Regional Collaborative Innovation Center for Grain and Oil Crops in China, Changsha 410128, China; 3.Institue of Bast Fiber Crop, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changsha 410205, China; 4. Hunan Automobile Engineering Professional College, Zhuzhou, Hunan 412099, China)

In order to provide mechanical data for the design of ramie peeling machine，the experiment on tearing parameters of ramie bark fibers was tested by using the homemade fixture on the SANS–CMT6104 microcomputer control electronic universal testing machine. To explore the influence on tearing force between the bast fibers and the xylem caused by the tearing angle, tearing parts and tearing method (unilateral and bilateral reverse tear). The results show that when the tearing angle is between 135°and 180°, the tearing force between the bast fibers and the xylem decreases with the increase of tearing angle, the tearing angle is closer to 180°and the tearing force is smaller. For the same sample, the tearing force of bilateral tearing is almost twice greater than the force of unilateral tearing; the tearing force of different parts is changed slightly for the same plant, and the variation range is about 17%, but the tearing force at the node will increase dramatically.

ramie; bast fibers; tearing force; experimental analysis

S226.7+2

A

1007-1032(2017)05-0565-05

2017–03–19

2017–07–29

湖南省科學(xué)技術(shù)廳平臺建設(shè)項目(湘財教指[2014]10號)；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程項目(ASTIP–IBFC06)

王加躍(1993—)，男，山東濟(jì)南人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計與試驗研究，1058998971@qq.com；*通信作者，吳明亮，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計與試驗研究，mlwu@hunau.edu.cn；通信作者，呂江南，研究員，主要從事麻類加工機(jī)械設(shè)計研究，yjljn@sina.com

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