芝麻茎秆及蒴果力学特性试验研究

张 宁,王东伟,尚书旗,刘建强,苏 鑫

(青岛农业大学 机电工程学院,山东 青岛 266109)

0 引言

芝麻是我国的主要油料作物之一,营养价值极高。我国芝麻种植区域分布较广,主要分布在河南、安徽、湖北等地,受各地气候、环境等多种因素的影响,种植品种有春芝麻、夏芝麻和秋芝麻3种,有直播、间作、套种等多种种植方式[1-2]。

芝麻的收获环节在芝麻生产中占有重要的地位,直接影响了芝麻的产量及芝麻产品的后续深加工过程[2]。目前,我国芝麻主产区的收获机械化程度较低,绝大多数采用人工进行收割,劳动强度大,收获时间长[2]。由于芝麻茎秆粗壮,单个植株上的蒴果成熟度不一致,成熟期蒴果易炸荚,因此在收获过程中损失率大。为提高芝麻机械化收获水平,降低芝麻收获的损失率,对芝麻茎秆和蒴果开展力学特性试验分析,测定适收期茎秆和蒴果含水率,探究茎秆的剪切特性及不同节位蒴果与茎秆连接处的拉伸特性,并分析试验结果,为芝麻联合收获提供数据参考。

1 芝麻茎秆和蒴果含水率测定

1.1 芝麻茎秆含水率测定

选取郑太芝1号芝麻茎秆10根,将茎秆制备成10cm的样本,利用电子天平秤重,然后放入恒温干燥箱中烘干;烘干10h后静置冷却至常温后称重,测定芝麻茎秆的含水率。试验如图1所示。

图1 芝麻茎秆含水率测定

式中m1—芝麻茎秆烘干前质量(g);

m2—芝麻茎秆烘干后质量(g)。

试验时,测得收获时期芝麻茎秆的平均含水率为36.8%。

1.2 芝麻蒴果含水率测定

选取适收期郑太芝1号植株生长良好的芝麻蒴果,长度范围20～30cm,宽度范围为10～15mm。用电子天平称量芝麻蒴果烘干前的质量,利用卤素灯水分测试仪测出适收期蒴果含水率。试验如图2所示。

图2 芝麻蒴果含水率测定

试验测得芝麻蒴果的平均含水率为14.5%。

2 芝麻茎秆剪切特性试验

剪切强度是测量茎秆物理特性的重要参数之一,收获时茎秆主要受到割刀的剪切作用,因此需要测定茎秆在剪切过程中的抗剪强度和最大剪切力以确定切割的最佳状态[4]。

芝麻茎秆的成分主要包括纤维素、木质素和蛋白质等。与小麦、玉米等作物不同,芝麻茎秆粗壮,外层有较厚的纤维层,纤维层厚度为2mm左右,韧性较强,茎秆中部为茎秆芯,其横截面可近似为带圆角的正方形[4-5],边长a=10～20mm。芝麻横截面示意图如图3所示。

图3 芝麻茎秆横截面示意图

芝麻茎秆实际为不规则形状,将茎秆的横截面近似为带圆弧的正方形,与圆形横截面不同,芝麻茎秆不同的方向表现出不同的力学特性,所以茎秆切割方向对剪切力的影响较大[4]。图4为不同切割方向芝麻茎秆的受力情况。

图4 不同切割方向芝麻茎秆的受力情况

2.1 试验材料

选用郑太芝1号处于收获期的茎秆30株,在自然条件下,选取生长良好、无倒伏折损的芝麻主茎秆。采集试验样本时,茎秆切割的离地高度为25cm,与地面水平切断,茎秆边长范围15～25mm,含水率为16.6%～23.8%。将采集的茎秆样本制备成长度为10cm的剪切试样,分为两组,对试样进行编号,每组试样进行3次试验。

2.2 试验方法

利用万能试验机对制备的芝麻茎秆样本进行剪切试验。因为茎秆的横截面呈现不规则的正方形,剪切时与切割刀形成不同的切割倾角。剪切试验分为两组进行,考虑切割倾角和加载速率两个试验因素,一组设定切割倾角为90°,二组设定切割倾角为45°,每组进行3次试验。将制备试验样本放置在安装好的夹具上,确保刀片的切割位置位于茎秆的中点,将切割刀调整至合适位置,启动系统,使用配套的剪切程序进行测试。设定起始位移为40mm,起始力为0.2N,切割加载速率分别为30、40、50mm/min,对茎秆进行剪切试验(见图5),并记录试验数据,分析试验结果。

图5 芝麻茎秆剪切试验

2.3 试验结果与分析

试验中,剪切系统自动绘制载荷—位移曲线,并记录最大剪切力(N)和剪切强度(MPa),如图6所示。

图6 芝麻茎秆剪切力—位移曲线

分析图6可知:试验开始后,当锯齿式割刀对试验样本施加载荷时,剪切系统开始采集数据并绘制剪切力—位移曲线。开始阶段,随着位移量的不断增加,剪切力也在不断增长,增长近似于线性关系,茎秆的变形量不断加大,剪切力不断增加,此阶段属于压缩过程;当载荷达到一定程度后,开始剪切过程,芝麻茎秆在割刀的作用下开始破裂,当载荷达到最高值时,茎秆的上层纤维素表皮为剪断,随后载荷有小范围的减小。这是因为当韧性较强、厚度较厚的上层表皮剪断后,开始剪切茎秆内部的茎秆芯,茎秆芯的剪切强度要小于上表皮的强度,所以载荷会呈现减小的现象。当茎秆芯被剪断后,开始剪切茎秆下层纤维素表皮,载荷又迅速加大,直到芝麻茎秆被完全剪断,载荷消失,剪切试验结束。

相同切割倾角的情况下,分析加载速率分别为30、40、50mm/min的茎秆剪切力—位移曲线关系。试验结果显示:相同的切割倾角下,不同加载速度对茎秆剪切强度和剪切力的影响较为明显[6-7],加载速度为40mm/min所测定出的结果最优,因此40mm/min的加载速度为最合适的切割速度。

在加载速率相同的情况下,分析切割倾角分别为45°和90°的剪切力—位移曲线。对比分析可知:不同切割倾角的茎秆,在切割速度相同的情况下,载荷—位移曲线的变化规律相似,剪切力为先增加后达到峰值,此时为最大载荷;之后小范围减小,随后增加直至消失。在相同的切割速度下,切割倾角为45°的茎秆的剪切强度和最大载荷都高于切割倾角为90°的茎秆切割。这是因为横截面近似为正方形的茎秆,当沿正方形对角线切割时的上层纤维层表皮与割刀的接触面积小,根据计算公式τ=Fmax/A,可知剪切强度增大[7]。

由表1可看出:茎秆的最大剪切力为567.87N,最大剪切强度为5.16MPa。芝麻茎秆的剪切强度和最大剪切力的数值要大于小麦等谷物,这是因为芝麻的茎秆粗壮,横截面呈现不规则的正方形形状,剪切时受力不均匀,同时茎秆表皮的纤维层较厚,存在很大的韧性,因此数值较大。

表1 芝麻茎秆剪切试验结果

3 芝麻蒴果拉伸特性试验

芝麻植株高度1 500～2 000mm,最底部蒴果的生长高度在离地400～600mm左右,蒴果从底荚位置开始生长一直延续到茎秆顶端。芝麻果轴长度为1 400～1 800mm,每株芝麻平均有30个蒴果节位,按照结蒴能力可分为上部节位(20节位以上)、中部节位(8～20节位)和下部节位(8节位以下),3个部位的节位间距呈现增长的趋势。其中,上部节位平均节距为28mm,中部节位平均节距为35mm,下部节位节距较长,平均间距为90mm,每个节位结有4个芝麻蒴果[3]。

3.1 试验材料

选取郑太芝1号芝麻品种,选取生长良好、茎秆无折弯、蒴果无掉落的芝麻,果轴平均长度1 678.3mm,平均每株蒴果109.0个。试验制备时,随机选取上部、中部、下部节位与蒴果连接处的茎秆作为试验样本,以蒴果的生长节位点为基准,在节位点两端各取20mm处截断,样本长度为40mm。为方便夹持和测试,试验样本只保留同一节位的一个蒴果,去除多余节位的蒴果和叶片,将样品分成3组,分别进行编号。

3.2 试验方法

将夹具安装在万能试验机的试验平台上,按照芝麻的生长方向将样本夹持固定在夹具上,上端夹具夹持芝麻蒴果的底部,下端夹具夹持芝麻茎秆。为避免蒴果开裂和茎秆破裂,在试验样本夹持位置处缠绕一圈医用胶带[8-9],将试样调整至合适的夹持位置,启动电子万能试验机,使用配套的拉伸程序进行测试。以20mm/min的拉伸速率对蒴果和茎秆进行拉伸试验,记录试验数据,分析试验结果,过程如图7所示。

图7 芝麻蒴果拉伸试验

3.3 试验结论与分析

分别对芝麻上部节位、中部节位、下部节位的蒴果样本进行拉伸试验,得到拉力—位移曲线(见图8),并记录最大拉力(N)和芝麻蒴果的抗拉强度(MPa)。

图8 芝麻蒴果拉力—位移曲线

由图8可看出:当拉伸试验开始时,由于夹具夹持样本时没有完全张紧,此时拉伸试验处于不稳定的状态;随着拉伸位移的不断增加,载荷在不断增加,蒴果与茎秆连接处发生形变,同时伴有应力产生,此时载荷与位移关系可近似看作线性关系[10-11];当载荷加载到拉伸最大载荷时,蒴果与茎秆分离,试验样本被拉断,载荷消失。

表2数据结果显示:芝麻上部节位蒴果与茎秆连接处的最大拉力为18.52N,连接处的抗拉强度最大为4.79MPa;中部节位蒴果与茎秆连接处的最大拉力为16.36N,连接处的抗拉强度最大为4. 07 MPa;下部节位蒴果与茎秆连接处的最大拉力为11.73N,连接处的抗拉强度最大为2.65MPa。芝麻蒴果的拉伸试验受成熟度的影响较大,芝麻在收获时期,3个节位的蒴果成熟度相差较大,下部节位的蒴果已完全成熟,中部节位的蒴果基本成熟,上部节位的蒴果处于乳熟后期,含水率自下而上逐渐增加,因此上部节位蒴果的最大拉力和抗拉强度都要大于下部节位蒴果的最大拉力和抗拉强度。

表2 芝麻蒴果拉伸试验结果

4 结论

1)茎秆剪切试验中,茎秆的剪切力先增加后达到峰值,此时为最大载荷,之后小范围减小,随后增加直至消失;相同的切割速度下,切割倾角为45°的茎秆的剪切强度和最大载荷都高于切割倾角为90°的茎秆切割;试验测得切割茎秆时的最大剪切力为567.87N,最大剪切强度为5.16MPa;加载速率为40mm/min时,茎秆的剪切效果最佳。

2)蒴果拉伸试验中,芝麻上部节位蒴果与茎秆连接处的最大拉力为18.5N,连接处的抗拉强度最大为4.79MPa;中部节位蒴果与茎秆连接处的最大拉力为16.3N,连接处的抗拉强度最大为3.77MPa;下部节位蒴果与茎秆连接处的最大拉力为11.7N,连接处的抗拉强度最大为2.65MPa。上部节位蒴果的成熟度比下部节位蒴果的成熟度低,含水率高,因此抗拉强度较大。