麻山药根茎力学特性测试研究

曹少波，李　鑫，杨　欣，冯晓静

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定　071000)

0　引言

麻山药是草本植物，其块根富含蛋白质和淀粉，可以食用，且具有较高的药用价值，是公认的无公害保健食材。我国有悠久的山药栽培历史，主要产于河南、河北、山东、江苏、湖北、安徽及山西等地。目前，块根茎山药种植在吸收国内多种机型的先进技术前提下，已形成了相对比较成熟的种植和收获机械；但在长根茎麻山药收获方面依旧采用人工收获，挖掘深度在1.2～1.5m,劳动力大，农民迫切需要发展麻山药收获机械来减轻劳动强度[1]。麻山药收获机的振动松土装置是麻山药收获的关键部件，一直是制约我国麻山药收获的“瓶颈”。麻山药收获机工作时，链刀开沟装置在前边开沟，然后振动松土铲在麻山药根茎下部进行振动松土，从而完成麻山药机械收获的工作。因为一直没有关于麻山药根茎力学性质的数据，麻山药收获机的振动松土装置的设计参数一直没有准确的理论依据，设计人只能凭借经验估计，因此麻山药机械收获的破碎率太高，机械化收获麻山药目前还达不到理想的效果。因此，研究麻山药根茎力学特性对于麻山药收获机的设计及载荷作用形式具有重要的理论指导意义。本文采用传统的工程材料试验方法，测定麻山药根茎的拉伸、压缩和弯曲的强度[2]。

1　试验材料、设备与方法

1.1试验材料采集

试验材料采用河北省保定市蠡县农民种植的紫药品种，采样日期为2016年10月19 日收获的麻山药。收获后的麻山药在密封阴凉处保存。选取通直、生长良好的麻山药作为试样，带泥土采集。麻山药的含水率和湿度对其力学性能影响较大，为了保证试验结果的可靠性和准确性，试验要在采集试样回来后尽快进行试验研究。

1.2试验试样制作方法与设备

1)麻山药根茎的选择。试样要求新鲜、无损伤、无缺陷，去除泥土和杂质[3]。

2)试样的加工。将麻山药根茎放到车床上进行车削加工。试样形状加工成圆形，试样的标距取100mm。该段的直径依据麻山药情况选取8～14mm，弯曲试样的标距段和夹持段中间要留有过渡段20mm左右，避免产生应力集中。弯曲试验采用拉伸试验相同的试样，避免弯曲试验时发生夹具夹持不紧而打滑的现象。拉伸和弯曲试验试样如图1所示，压缩试验试样如图2所示。

试验设备采用上海衡翼精密仪器有限公司生产的HY-0580型微机电子万能力学试验机及游标卡尺和卷尺。该电子万能力学试验机主机主要由上横梁、中横梁、下横梁、滚珠丝杆、减速机构、伺服电机和驱动器及控制系统组成。该电子万能力学试验机如图3所示。HY-0580型微机电子万能力学试验机的精度等级为0.5级，最大负荷为5 000N；试验力分辨率，最大负荷50万码，全程分辨率不变。有效试验宽度为120mm，有效拉伸空间为500mm；试验速度为0.001～500mm/min(任意调)。速度精度为示值的±0.5%以内；位移测量精度为示值的±0.5%以内；变形测量精度为示值的±0.5%以内；主机长宽高尺寸为590mm×355mm×1 640mm。

图1　拉伸和弯曲试验试样

图2　压缩试验试样

图3　电子万能力学试验机

由于HY-0580型微机电子万能力学试验机的拉伸夹具的夹口太小，只能夹持直径在10mm以下的物体，所以将拉伸夹具采用小虎钳代替，小虎钳夹持物体的直径范围为5～60mm。HY-0580型微机电子万能力学试验机自带的拉伸夹具如图4所示，改用的拉伸夹具小虎钳如图5所示。

图4　万能力学试验机的拉伸夹具

图5　拉伸夹具小虎钳

试样安装到位后,测量试样直径，清零屏幕，开始运行万能力学试验机。载荷—位移关系由计算机自动以描点方式记录,各点坐标及结构参数均可由指定文件读出。

2　试验结果

2.1弯曲试验

试验采用三点弯曲方法[4]测定麻山药根茎的抗弯强度，如图6所示。弯曲试验夹具的跨距L为170mm，弯曲试样中间标距长度取100 mm，试样中间标距阶段的直径随不同试样测定，弯曲试验加载速度取10 mm/min。最大抗弯强度为

(1)

式中Mmax—最大弯矩；

WZ—试验抗弯截面系数；

σ—最大弯曲应力。

图6　三点弯曲试验示意图

弯曲试样夹持前，要在弯曲试样和弯曲夹具接触部分，在弯曲试样上缠上一层具有弹性的布，以防止夹具夹紧力过大而破坏弯曲试样。

共进行8个试样的弯曲试验，根据试验记录载荷与位移关系，可计算出最大抗弯强度，如表1所示，麻山药弯曲试验力—应变曲线如图7所示。图7中，2号弯曲试样曲线多次出现了折弯，这是由于弯曲试样装夹力不足造成的，但不会影响求取的最大弯曲断裂力，所以不影响求取最大弯曲应力。为了让数据更加精确，把得到的强度值去掉一个最高值和一个最低值，然后利用其余的6个值再求取平均，最大抗弯强度(弯曲破坏应力)值为3.667MPa，标准差为0.944MPa。

表1　麻山药根茎弯曲试验结果

图7　麻山药弯曲试验力-应变曲线

2.2拉伸试验

随机选取根茎试样进行拉伸试验。为了避免麻山药拉伸试验时发生打滑现象，拉伸时要给麻山药足够的夹持力。此外，为了避免拉伸夹具夹持麻山药的力度过大而破坏麻山药，需要在麻山药和拉伸夹具接触部位将麻山药上缠上一层具有弹性的布，再将加工好的拉伸试样装夹在拉伸夹具上，用游标卡尺测量拉伸试验的麻山药根茎标距段的直径，定义相应的根茎试样参数，拉伸加载速度为10 mm/min。拉伸试样装夹如图8所示。

利用传感器测定试样被拉断时的最大载荷Fmax的数值。设试样的截面积为A，许用应力为σc，则

(2)

式中σc—抗拉强度；

A—拉伸试样的截面积；

Fmax—加载过程中试样被拉断时的最大载荷。

图8　拉伸试样装夹图

共进行8个试样的拉伸试验，根据试验记录载荷与位移关系，计算麻山药根茎的最大抗拉强度，结果如表2所示。麻山药根茎拉伸试验力-应变曲线如图9所示。

表2　麻山药根茎拉伸试验结果

图9　麻山药根茎拉伸力-应变曲线

图9中，显示多条拉伸试样曲线在达到最大值前，多次出现了折弯，这是由于拉伸试样装夹力不足造成的，但不会影响求取的最大拉伸断裂力，所以不影响求取最大拉伸应力。把得到的抗拉强度值数据去掉一个最高值和一个最低值，然后利用其余的6个数值求取平均值，抗拉强度(拉伸破坏应力)值为0.647MPa，标准差为0.110MPa。

2.3压缩试验

随机选取做好的麻山药根茎试样进行压缩试验，将加工好的麻山药根茎试样装夹在电子万能力学试验机的压缩夹具上；装夹完成后，利用电子游标卡尺测量麻山药根茎标距段的直径，并在与电子万能力学性能试验机相连的电脑上定义相应麻山药根茎试样参数，压缩加载速度为10mm/min，开始运行压缩试验，直到麻山药标距段被压断为止。压缩试验装夹如图10所示。

利用传感器测定试样被压断时的最大载荷F的数值，设试样的截面积为S，许用应力为σb，则

(3)

式中σb—抗压强度；

S—压缩试样的截面积；

F—加载过程中试样被拉断时的最大载荷。

图10　压缩试样装夹图

共进行8个试样的压缩试验，根据试验记录载荷与位移关系，计算麻山药根茎的最大抗压强度结果如表3所示。麻山药根茎压缩试验力-应变曲线如图11所示。图11中，4号压缩试样的曲线在达到最大值前多次出现了折弯。这是由于压缩试样受压弯曲造成的，但不会影响求取的最大断裂力，所以不影响求取最大压缩应力。把得到的抗压强度数据去掉一个最高值和一个最低值，然后利用其余的6个数据再求取平均值，最大抗压强度(压缩破坏应力)值为0.226MPa，标准差为0.050MPa。

表3　麻山药根茎的最大抗压强度

图11　麻山药根茎压缩试验力-应变曲线

3　结论

1)试验用的“紫药”的根茎拉伸的抗拉强度平均值为0.647MPa,标准差为0.110MPa；抗压强度平均值为0.226MPa，标准差为0.050MPa；抗弯强度平均值为3.667MPa，标准差为0.944MPa。

2)麻山药根茎的抗弯强度大约是抗压强度的16倍，表明其抗弯与抗压力学性能存在差异，抗压变形能力弱，麻山药根茎最易受压缩破碎，抵抗弯曲破坏变形能力较强，抗拉性比较差。在设计麻山药收获机械的方案时，应重点考虑根茎受压方向的载荷作用，以减少麻山药机械收获带来的损伤。

参考文献：

[1]于万盛.山药收获机的设计与研究[D].天津：河北工业大学,2014.

[2]苏工兵，刘俭英，王树才，等.苎麻茎秆木质部力学性能试验[J].农业机械学报，2007(5):1.

[3]李西振，杨然兵，李建东，等.生姜力学性能试验与分析[J].农机化研究，2008(4):155-157,170.

[4]国家技术监督局.GB/T14452-1993金属弯曲力学性能试验方法[S].北京:中国标准出版社,1993.