剪切速度和剪切角度对柠条剪切应力的影响

1引言近年来在我国的干旱、半干旱地区种植了大量的柠条林，同时大力发展柠条林，也是此类地区今后绿色环保和畜牧业发展的主体方向。对柠条的生物力学进行研究对柠条进行机械化得切割作业对我国西北，华北等地区的推广具有积极的推动作用。近些年来，许多学者对柠条进行了多方面的研究，将柠条进一步推向农业科学的前沿，本论文试验重点从柠条的剪切力学性能方面来研究的。试验在微机控制电子万能试验机上完成，通过变换不同的剪切速度和剪切角度，我们对柠条进行基础行的生物力学研究，对今后的柠条相关机械的研制做铺垫。2 试验材料采用山西农科院试验农地种植的柠条，材料取自2011年4月底，用手锯靠近根部锯下来，取回实验室后用工具处理成接近宽3后放进冰箱。做完每一步试验后，需把该步的柠条放进小保存袋子里，密封，贴标签保存供以后查看2.1柠条简介柠条，拉又叫叫毛条、白柠条，适生长于海拔9001300米的阳坡、半阳坡。主要分布于中国内蒙古、陕西、宁夏、甘肃等地。柠条属落叶大灌木饲用植物，根系极为发达，主根入土深，株高为4070厘米，最高可达2米左右。柠条叶簇生或互生，偶数羽状复叶。叶轴、托叶脱落或宿存而硬化成针刺。花单生，蝶形花冠，黄色，少有带红色。荚果椭圆形或肾形，膨胀或扁干，顶端尖。种子椭圆形或球形。树皮黄灰色、黄绿色或黄白色； 种子红色。 花期56月。果期7月。柠条是中国西北、华北、东北西部水土保持和固沙造林的重要树种之一。耐旱、耐寒、耐高温，是干旱草原、荒漠草原地带的旱生灌丛。在黄土丘陵地区、山坡、沟岔也能生长生物学特性和生态适应性柠条具有广泛的适应性和很强的抗逆性，是荒漠、荒漠草原地区的优良灌木饲料。柠条为喜砂的旱生灌木，抗逆性强，能耐低温及酷暑，在39的低温下能安全越冬，夏季沙地表面温度高达45时也能正常生长；抗旱性强，在年平均降水量在150毫米以下地区也能生长。柠条具有耐风蚀、不怕沙埋的特点，其根系被风蚀裸露后仍能正常生长。植株被沙埋后，分枝的生长更加旺盛，形成由几条甚至几百条分枝组成的固定砂丘的大株丛，其周围积沙面积可达100150平方米，积沙厚度可达57米。2.2柠条其他价值柠条的枝条含有油脂，燃烧不忌干湿，是良好的薪炭材。根具根瘤，有肥土作用，嫩枝、叶含有氮素，是沤制绿肥的好原料。种子含油，可提炼工业用润滑油，干馏的油脂是治疗疥癣的特效药。根、花、种子均可入药，为滋阴养血、通经、镇静等剂。树皮含有纤维，能代麻制品。花开繁茂，是很好的蜜源植物。枝、叶、花、果、种子均富有营养物质，都是良好的饲草饲料。特别是冬季雪封草地，就成为骆驼、羊的唯一啃食的“救命草”。因此，是建设草原，改良牧场不可少的优良木本饲料树种。柠条具有广泛的适应性和很强的抗逆性，是干旱的干草原、荒漠草原和荒漠上长期自然选择和人工选择出的优良饲用2.3试验的研究目的及意义本试验重点是从柠条的剪切力学性能方面来研究的。试验在微机控制电子万能试验机上完成，通过变换不同的剪切速度和剪切角度，对柠条进行剪切试验，从而得出柠条在相同角度不同速度最大剪切力变化的影响，为今后为柠条切割机械的研制做准备。3试验过程3.1试验材料处理用钢锯把柠条枝截成各段为7CM长度，用刀把截下的各段从中心劈开，基本每一个柠条段都可截成4个7CM长度的部分，用小刀对各部分进行切削后用下图所示的工具进行加工，使其接近标准的3*3mm。将做好的试样放入-10的储藏柜中3.2试验设备本试验采用的设备是微机控制电子万能试验机，如下图，该微机控制电子万能实验机主要用于各种金属、非金属、及复合材料试样的拉伸、压缩、弯曲、剪切、剥离、撕裂等力学性能试验，可求出试验最大力、抗拉强度、弯曲强度、压缩强度、弹性模量、断裂延伸率、屈服强度等参数、适合于各行各业力学实验室和质量检验部门的材料力学特性试验其用途广泛，功能多。高性能的负荷机架，门式力系框架、重量轻、刚度高、高速大载荷下运行平稳。动横梁位置微调，配手动控制器可以理想的完成质疑功能；先进的机械传动机构，齿形胶带式减速器配以滚珠丝杠副的传动效率高于70%，传动平稳，噪音低于65db；可做恒负荷、恒位移、恒应变实验，全数字控制，具有负荷、位移、应变三种闭环控制方式，并能在实验过程中在三种方式之间实现无冲击平滑转换，并且任何一种控制方式下都可以进行循环和保持控制3.3条剪切试验曲线 观察试验过程，可以得到：初始阶段阶段随着剪切试验的进行。柠条剪切力均匀增长，当达到屈服阶段后，剪切力有所减小，随后又快速增长到最大剪切力，试验结果读取最大剪切力。3.4一角度不同速度结果与分析3.4.115度，速度1003.4.215度，速度50 试验分析与结果：在剪切角度为15度时，剪切速度为100的最大剪切力为107.53N；在相同的剪切角度下，剪切速度为50的最大剪切力为76.53N。以上表明在相同的剪切角度下，剪切速度大的相应的剪切过程中最大剪应力大。3.5同一速度不同角度结果与分析3.5.1速度50，角度15度3.5.2速度50，角度30度 分析与结果：在速度50，剪切角度为15度时，剪切过程中最大剪切为117.88N；在速度为50，剪切为30度时，剪切过程中产生的最大剪切力为65.74N。以上表明，在同一速度下，剪切角度大的产生的最大剪切力大。 36比较角度和速度影响速度角度最大剪切应力5015117.68N500145.14N5045109.08N10015107.53N503065.74N51576.53N201598.49N有上表格：角度变化所引起的最大剪切应力的变化要比速度变化所引起的最大剪切应力的要大。分析上表可知在速度为50、角度为0度时剪切柠条可达最大剪切应力145.14N。结论在相同的剪切角度下，剪切速度大的相应的剪切过程中最大剪应力大。在同一速度下，剪切角度大的产生的最大剪切力大。 角度变化所引起的最大剪切应力的变化要比速度变化所引起的最大剪切应力的要大。且在速度为50、角度为0度时剪切柠条可达最大剪切应力145.14N。参考文献1 贺德，9GN_1_2型柠条平茬机的研制与试验，农业装备技术，2007.6.2 陈晓峰，基于功能设计法的柠条收割机方案，农机使用与维修，2003 .6.3 刘庆庭等，甘蔗茎秆切割力试验 ，农业工程学报， 2007.7.4 刘庆庭等，甘蔗茎在弯曲荷载下的破坏，农业工程学报，2004.5.5 刘庆庭等，甘蔗茎杆在扭转、压缩、拉伸载荷下的破坏试验，农业工程学报， 2006.6.6 刘庆庭等，甘蔗茎秆在光刃刀片切割下根茬破坏实验 ，农业工程学报 2007.3.7 杨坚等，甘蔗切割器切割质量影响因素的试验研究 ，农业工程学报，2005.5.8 张海升等，柠条材的构造、纤维形态及化学成分的分析研究，内蒙古林学院学报，1997.11.李爱华，李月华，枯草期柠条草粉补饲滩羊的试验研究，经验交流，2001年第3卷第4期.9 马增旺，贺登飞，柠条生长量与生物量调查研究，河北林业科技，1998年12月.10 牛西午，关于在我国西北地区大力发展柠条林的建议，内蒙古畜牧科学1999年第一期.11 常朝阳，张明理，锦鸡儿属植物幼茎及叶的解剖结构及其生态适应性，植物研究，1997，第17卷 第1期12 李玉山，黄土区土壤水分循环特征及其对陆地水分循环的影响，生态学报，1983，第三卷第二期，9110113 向