中部烟叶主脉的力学特性试验

仝振伟 张秀丽 邹彩虹 侯朝朋 吴亚文

摘要：以中烟100的中部烟叶主脉为试验对象，在1 000 N微机控制电子万能试验机上进行拉伸试验，测得主脉拉伸力-变形曲线，以及主脉拉伸的最大载荷、拉伸强度和弹性模量等力学指标。结果表明：在不同的加载速度下，中部烟叶主脉拉伸力-变形曲线与断口类型有3种情况，分别是平齐状、凹凸状和阶梯状;中部欠熟烟叶主脉拉伸的平均最大载荷为136.4 N，平均拉伸强度为2.06 MPa，平均弹性模量为39.65 MPa;中部成熟烟叶主脉的平均最大载荷为131.0 N，平均拉伸强度为1.85 MPa，平均弹性模量为34.41 MPa;对中部和下部烟叶主脉的力学性能进行了对比，结果显示，中部烟叶采收需要更大的力。试验结果为中部烟叶采收和烟草采收机械的设计提供了理论依据。

关键词：中部烟叶;主脉;力学特性;拉伸强度;弹性模量

中图分类号： S225.99文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）21-0270-03

收稿日期：2018-08-06

基金项目：国家自然科学基金（编号：31501213）;河南省科技攻关项目（编号：102102210535）;河南省博士后科研一等资助项目（编号：2012046）。

作者简介：仝振伟（1992—），男，河南鹿邑人，硕士研究生，主要从事农业机械化研究。E-mail：tongzhenwei917@163.com。

通信作者：张秀丽，博士，副教授，主要从事现代农业装备技术研究。E-mail：zhangxiuli619@126.com。

根据烟叶在茎秆上的位置不同，通常将烟叶分为下部叶、中部叶和上部叶[1]。由于不同部位烟叶的生长周期与采收时间不同，导致不同部位的烟叶主脉具有不同的力学特性[2]，在主脉的拉伸强度、弹性模量等方面具有差异。在烟叶采收过程中，主脉是主要受力点，所以烟叶主脉的力学特性研究对发展烟叶采收机械、减小烟叶损伤率具有重要意义[3-5]。

目前，国内外学者对小麦秸秆、玉米秸秆、牧草茎秆、苎麻茎秆等植物茎秆的拉伸特性、剪切特性等力学特性进行了研究[6]，并对力学特性对植物倒伏的影响做了研究[7-9]。吕宗迎等设计了小麦茎秆力学特性测试系统，并对小麦茎秆的强度、抗倒伏性等进行研究[10-11];王帅等对玉米鲜秸秆的弯曲、压缩等力学特性进行了研究[12];武翠卿等对玉米秸秆自干后的弯曲强度、内芯的弹性模量等力学特性进行了研究[13];赵春花等对4个不同品种的豆禾牧草茎秆的抗拉强度、剪切强度等力学特性进行了研究，结果表明，豆禾牧草的抗拉强度与其直径之间呈幂函数负相关关系，茎秆抗剪切强度均随直径增大有减小的趋势[14-15];张秀丽等研究了下部烟叶成熟度、含水量对主脉力学特性的影响[16];尚蕾等对移栽期烟草钵苗进行了力学特性研究，为托盘内烟苗的拔取提供了依据[17]。本研究通过对中烟100的中部烟叶不同时期主脉拉伸的最大载荷、拉伸强度和弹性模量等力学特性进行了试验分析，并与下部烟叶主脉的力学特性进行对比，为中部烟叶的采收时间以及不同部位烟叶采收施力大小提供了理论依据。

1材料与方法

1.1材料與仪器

试验烟草品种为中烟100，种植于河南省许昌市禹州市小吕乡罗庄全程机械化示范点。试验田质地为壤土，土壤肥力中等。根据中部烟采收的原则[18-19]，以移栽后叶龄作为成熟度标准，参考烟叶的生长情况，分别于2017年7月23日（移栽后73 d，70%成熟度，叶面黄绿色，7成黄，主脉变白2/3以上，茸毛部分脱落，茎叶夹角为锐角）、2017年8月1日（移栽后80 d，80%成熟度，叶面落黄8成左右，主脉全白发亮，支脉变白，茸毛大部分脱落，叶尖叶缘下垂）[20-22]在田间选取生长良好、无病虫害的中部第7张烟叶的主脉为研究对象。

试验所用仪器为直尺、游标卡尺、济南耐尔试验机有限公司制造的WDW-1E微机控制电子万能试验机、自制烟叶主脉装夹装置等。

1.2试验方法

通过自制的烟叶主脉装夹用装置，利用济南耐尔试验机有限公司制造的WDW-1E微机控制电子万能试验机对选取的中部烟叶主脉进行力学性能拉伸试验。在选取样品时尽量保证主脉横截面尺寸大致相同，去除烟叶的叶肉和支脉等部分，只剩余主脉部分，将主脉从烟基处开始量取180 mm，剪断，去除过程中要防止主脉受损。试验时，将烟叶主脉两端分别用自制烟叶主脉装夹装置装夹50 mm，使烟叶主脉保持垂直。试验载荷由载荷传感器传递，可测出烟叶主脉被拉断时的最大抗拉力。位移通过光电编码器传递，应变通过机器的应变单元传递，用直尺和游标卡尺测量试样的原始尺寸，将试样的参数输入计算机，选取测定的不同直径的试样要保证其形态一致性，长度相同且远远大于其直径。随着载荷增加，断裂处在试样主脉中间位置时，抗拉试验为成功。试验中，调整上拉头移动速度，实现不同的加载速度。计算断裂位置横截面积，计算弹性模量。

2结果与分析

2.1主脉拉伸力-变形曲线分析

分别选择欠熟和成熟烟叶主脉，每种加载速度取10个样本，应用“1.2”节所述试验方法对中部烟叶主脉进行拉伸试验。在不同加载速度下有2种情况，如图1所示。

在拉伸试验机的上拉头以固定速度500 mm/min进行拉伸加载时，中部烟叶主脉的拉伸力-变形曲线如图1-a所示，可以看出，在500 mm/min的加载速度下，拉伸力-变形曲线可分为5个阶段。第1阶段（a→b），在上拉头的作用下，试样被提起，自制烟叶主脉夹具与试验机固定端间隙被消除。第2阶段（b→c），在该阶段内，试样在夹具内少许滑移，试样被拉直。第3阶段（c→d），在该阶段内，试样处于弹性阶段，拉伸力与变形近似呈线性变化，为线性失效阶段，其中d点对应的为最大屈服载荷。第4阶段（d→e），随变形不断增大，主脉内组织开始断裂，拉伸力-变形曲线呈微弯状态，为非线性失效阶段，在曲线最高点试样断裂，材料失效。第5阶段（e→f），试样断裂，载荷卸载。

在拉伸试验机的上拉头以固定速度200 mm/min进行拉伸加载时，中部烟叶主脉的拉伸力-变形曲线如图1-b所示，可以看出，在200 mm/min的加载速度下，拉伸力-变形曲线可分为5个阶段，其中试样在度过非线性变形阶段开始断裂时，可以看到由于试样部分断裂，出现了卸载缓慢的e→e′阶段。

在拉伸试验机的上拉头以固定速度100 mm/min进行拉伸加载时，中部烟叶主脉的拉伸力-变形曲线如图1-c所示，可以看出，在100 mm/min的加载速度下，拉伸力-变形曲线可分为6个阶段，其中在非线性失效阶段出现2个峰值，观察分析可知，在试样拉伸过程中在同一部位发生了2次断裂。

2.2加载速度对中部烟叶主脉拉伸的影响

如图2所示，在不同加载速度下，中部烟叶的主脉在拉伸时断口呈现不同的形状。在500 mm/min加载速度下，主脉断口平齐，符合图1-a变化曲线。在200 mm/min加载速度下，主脉外围韧皮部先断裂，主脉韧皮部与木质部分离，主脉断口呈凹凸状，符合图1-b变化曲线。在100 mm/min加载速度下，主脉分2次断裂，断口呈阶梯状，符合图1-c变化曲线。

2.3中部与下部成熟烟叶的主脉力学特性对比

对中部成熟烟叶主脉进行拉伸试验，由表1可知，中部成熟烟叶主脉拉伸最大载荷为95.4～149.3 N，其平均值为1310 N;拉伸强度为1.22～2.29 MPa，其平均值为1.85 MPa;弹性模量为28.82～36.92 MPa，其平均值为34.41 MPa。

中部成熟烟叶主脉与下部成熟烟叶主脉的拉伸强度和弹性模量对比如图3、图4所示。下部成熟烟叶主脉的拉伸强度平均值为1.79 MPa，小于中部成熟烟叶主脉的拉伸强度;下部成熟烟叶主脉的弹性模量平均值为26.01 MPa，小于中部成熟烟叶主脉的弹性模量。观察中部和下部成熟烟叶主脉发现，下部成熟烟叶主脉在尖部1/2～1/3处弯曲，中部成熟烟叶主脉在尖处1/3以上处稍弯曲，且烟叶主脉是由下往上逐渐变粗的。说明中部烟叶主脉发生一定弹性变形的应力大于下部烟叶;中部烟叶在用烟草采收机械进行采收时，采收刀所需施加力大于下部烟叶，同一台烟草采收机械在进行采收时，中部烟叶所需转速大于下部烟叶。

2.4中部欠熟与成熟烟叶的主脉力学特性对比

中部欠熟烟叶主脉拉伸试验结果如表2所示，中部欠熟烟叶主脉拉伸最大载荷为93.4～152.4 N，其平均值为

136.4 N;拉伸强度为1.29～2.55 MPa，其平均值为

2.06 MPa;弹性模量为29.47～46.69 MPa，其平均值为39.65 MPa。中部欠熟烟叶主脉与中部成熟烟叶主脉的弹性模量对比如图5所示，可见，中部成熟烟叶主脉的平均弹性模量小于中部欠熟烟叶主脉的弹性模量，说明中部烟叶适宜在成熟时采收。

3结论

中部烟叶主脉拉伸力-变形曲线有3种类型。当加载速度为500 mm/min时 主脉一次性断裂 对应断口平齐; 当加载速度为200 mm/min时，主脉韧皮部与木质部分离，韧皮部先断裂，主脉内木质部后端断裂，主脉断口呈凹凸状，对应的主脉拉伸力-变形曲线出现2次卸载;当加载速度为100 mm/min 时，主脉由中间木质部分成2部分依次断裂，主脉断口呈阶梯状，对应的主脉拉伸力-变形曲线出现2次峰值。

中部欠熟与成熟烟叶主脉拉伸试验得出，中部欠熟烟叶平均弹性模量为39.65 MPa，中部成熟烟叶平均弹性模量为34.41 MPa。对比下部烟叶主脉的力学特性发现，中部烟叶主脉的拉伸强度、弹性模量均大于下部。在用同一采收机械打叶过程中，中部烟叶所需的力大于下部烟叶，即采收刀转速要大于下部烟叶。研究结果为设计合适的采收刀施加力、减小烟叶碎片率、提高大片率提供了理论依据。

对比中部烟叶不同成熟度的烟叶主脉的弹性模量发现，成熟期的中部烟叶主脉的弹性模量、拉伸强度均小于欠熟期，说明中部烟叶在成熟期采收可以节省采收机动力，减少对烟叶的损伤。

参考文献：

[1]李玉菲. 不同叶位烟叶生物学特性差异比较研究[D]. 杨凌：西北农林科技大学，2017.

[2]韩小渊，范磊，盧晓延，等. 主脉特征在烟叶部位识别中的应用[J]. 烟草科技，2017，50（2）：22-26.

[3]余泳昌，魏富德，秦伟桦，等. 烟草收获机技术发展概述[J]. 农机化研究，2016，38（2）：255-262.

[4]刘双喜，王金星，牟华伟，等. 烟叶采收机仿垄行走控制系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31（增刊2）：83-87.

[5]何慧凡. 自走式烟叶收获机的采收刀的理论设计与分析[D]. 郑州：河南农业大学，2012.

[6]范文秀，侯玉霞，冯素伟，等. 小麦茎秆抗倒伏性能研究[J]. 河南农业科学，2012，41（9）：31-34.

[7]刘卫星，王晨阳，王强，等. 不同玉米品种茎秆抗倒特性及其与产量的关系[J]. 河南农业科学，2015，44（7）：17-21.

[8]张秀丽，周雪花，李建华，等. 烟草茎叶连接强度试验研究[J]. 河南农业科学，2014，43（9）：173-176.

[9]田保明，袁志华，王建平. 油菜茎秆抗倒伏的力学分析及综合评价探讨[J]. 河南农业科学，2005，34（3）：30-32.

[10]吕宗迎，侯加林，郎需强，等. 小麦茎秆力学特性测试系统[J]. 农业机械学报，2012，43（增刊1）：84-89.

[11]胡婷，焦群英，付志一. 小麦茎秆的拉弯性能研究[J]. 河南农业科学，2007，36（7）：28-30，34.

[12]王帅，张彬，李显旺，等. 玉米鲜秸秆力学特性试验研究[J]. 农机化研究，2018，40（3）：171-175，180.

[13]武翠卿，李楠，张帅，等. 玉米秸秆自干后的材料力学性质研究[J]. 农机化研究，2016，38（8）：146-150.

[14]赵春花，张锋伟，曹致中. 豆禾牧草茎秆的力学特性试验[J]. 农业工程学报，2009，25（9）：122-126.

[15]赵春花，韩正晟，师尚礼，等. 新育牧草茎秆收获期力学特性与显微结构[J]. 农业工程学报，2011，27（8）：179-183.

[16]张秀丽，袁志华，周雪花，等. 烟叶主脉的力学性能试验研究[J]. 河南农业大学学报，2014，48（2）：172-175.

[17]尚蕾，宋占华，李玉道，等. 烟草托盘育苗钵苗力学性能试验[J]. 中国烟草科学，2014，35（3）：99-103.

[18]Jia F F，Liu G S，Liu D S，et al. Comparison of different methods for estimating nitrogen concentration in flue-cured tobacco leaves based on hyperspectral reflectance[J]. Field Crops Research，2013，150（8）：108-114.

[19]孟智勇，张保占，马浩波，等. 采收成熟度对浓香型烤烟烤后烟叶品质的影响[J]. 河南农业科学，2012，41（2）：59-63.

[20]兰金隆，蓝周焕，赖荣泉，等. 烤烟品种K326不同部位适宜成熟度采收研究[J]. 中国农学通报，2012，28（19）：240-244.

[21]尹启生，张艳玲，薛超群，等. 中国烤烟主要物理特性及其产区差异[J]. 中国烟草学报，2009，15（4）：33-38.

[22]李青山. 烤烟烟叶成熟主要量化指标研究[D]. 北京：中国农业科学院，2017.