柠条的弯曲力学性能试验分析与研究

柠条的弯曲力学性能试验分析与研究1 引言 大面积种植发展柠条林既有生态价值，也有经济价值。机械化收割是大面积推广限制条件。弯曲是机械化收获过程中需要完成的主要工序。三大黄土高原土地研究所已经对柠条的耐旱性、耐热性、抗寒性、耐沙埋性、耐贫瘠性等抗性进行了研究。山西省畜牧兽医学校的田晋梅、谢海军对柠条的经济效益、工业效益、社会效益、生态效益进行了研究。山西省农业机械化技术推广总站的马永康对柠条切割机理及收割机切割器设计进行了研究。 本论文试验是在危机控制电子万能实验机（CMT6140）上设计完成的，通过采取不同的弯曲角度，对柠条试样进行弯曲，研究柠条的弯曲力学性能，为人们利用柠条用途和研制柠条收割机，打捆机提供了理论依据。1.1 研究的背景 1.1.1柠条简介 柠条是一种锦鸡儿植物，为落叶灌木，系欧亚大陆之特产，是欧亚草原植物亚区的典型植被。全世界约有100余种，我国现已查明有67种，山西省约有20种。在我国主要分布在黄河以北干燥地区，西南和西北则以西藏高原为中心，少数类种分布在长江下游及长江以南。从全世界分布范围看，自欧洲北部经高加索及中亚向东，直达苏联西伯利亚及朝鲜、日本，南至尼泊尔、不丹、锡金及印度北部。山西省柠条主要是人工林，起始于山西省西北各县，据考证，在清末宣统二年（1910年）由内蒙古和陕西省相继传入山西省北部，以后逐步南移，栽培历史已有70年以上，大量种植则在50年代末期，西北部较多，南部较少。它的冠幅大，高34米，最高可达6米，可以防风，它的根系庞大。一丛15年生的柠条，根径为8厘米，细毛根多达8160条，可以固沙，减小地面径流。它的叶多，可以减少蒸腾，防止水分蒸发，是耐旱的特征表现。不仅如此，柠条还可以用于编织、饲料、造纸入药、榨油、燃料等各种经营。种植柠条，可以走出一条恢复植被、治理和改善环境的灿烂之路，也能走出一条农民发展致富之路。因此，大面积种植发展柠条林既有生态价值，也有经济价值。 1.1.2 研究背景 柠条为豆科锦鸡儿属灌木饲用植物的俗称，具有耐寒冷、耐高温、耐贫瘠、耐风沙和生命力极强的特点。因其枝叶、种子是营养价值很高的饲料，同时在生态保护方面特有的作用，柠条的种植和利用在我国中西部地区日益倍受重视，种植面积已超过2000万亩。按其经济生长期计算，必须3-5年进行一次平茬复壮。目前为保证生态功能，一般采取隔年、隔带轮换平茬。平茬方法为人工撅头刨、夹剪剪切, 背负式割灌机切割平茬，虽成本低，操作简便，但生产效率低，劳动强度大，无法实现大面积生产。枝叶和种子收集困难大、损失严重，用作饲料，采取也必须及时。因此，研制柠条收获机械、实现机械化柠条平茬与收获已成为柠条林产业发展突破瓶颈的关键。本论文研究柠条的弯曲力学性能，从而得出柠条的弯曲力位移曲线及最大弯曲力，为人们利用柠条用途提供了一定的参考价值，为柠条收割机，打捆机的设计与研制提供了理论依据。1.2研究现状及未来发展趋势 1.2.1研究现状 柠条作为一种豆科锦鸡儿落叶灌木，有适合耐干旱，乃耐寒冷，耐高温等逆境的外部形态，也有耐逆境的生理特性，无论严寒阔暑，都能生长。 柠条的根系发达，灌幅大，能够防风固沙，减少地面径；枯落物多，根系发达，能够改善土壤条件，增加土壤腐殖质的含量，增加土壤酶活性。 柠条的营养丰富，是很好的饲料原料，也是很好的工业原料，能够给农民带来很大的收入。 目前常用的柠条收割机有：往复式切割机，切割效果高，广泛应用于小麦联合售货机、大豆收割机、割草机等。但由于柠条树多生长在干旱沙土环境，大部分枝条切割阻力较大，工作过程中切割器磨损、损坏十分严重，往复式切割机在柠条采收机械上的应用受到很大限制。回转式切割机，切割速度一般大于25m/s，最高可达到90m/s，切割能力强，畜牧机械和玉米收割机械上采用较多。这种切割机一旦锯齿刃部磨损，其切割效率急剧下降，切割阻力明显增加，刀片寿命很短，使用成本高。甩刀式回转切割机，切割时对柠条枝条切口破坏比较严重，对于干旱地区柠条的复萌再生影响较大。因此通过柠条弯曲试验对柠条收割机，打捆机的设计提供更多的理论依据。 1.2.2未来发展趋势 环境与发展是当今世界面临的两大热点话题，搞好环境保护和治理，实现社会经济的可持续发展，是我国社会主义建设的根本战略方针。柠条对土壤的要求不严，成活率高，生态适宜，对改善生态环境、增加经济效益、提高社会效益都有很大的作用，尤其是它在干旱、半干旱条件下长势良好，易栽培，易成活，是改善我国乃至全球范围沙漠化地区、黄土高原地貌、土质的一种优良灌木树种。因此，大力发展柠条林，是我国今后干旱和半干旱地区绿色环保的主体方向。 另外，在大力发展柠条林的情况下， 通过对柠条的弯曲力学性能的试验与研究，尽早研制出功能强、效率高的收割机，打捆机也是必不可少的。 1.3 本研究的目的及意义 本试验在微机控制电子万能试验机上完成，通过变换不同的弯曲角度，对柠条试样进行弯曲试验，从而得出柠条试样的弯曲力位移曲线及最大弯曲力，为人们利用柠条用途提供了一定的参考价值，为柠条收割机，打捆机的设计与研制提供了理论依据、也为人们大量种植柠条林提供参考价值。2.试验材料及方法 2.1试验原料及工具（见附录）： 柠条枝：采自山西省农科院 游标卡尺：工学院生物力学实验室 钢锯：市售 柠条加工模具：农大工厂造 2.1.1原料的采集及保存 2011年4月中旬由武志明教授带领我们带去山西省农科院随机采集柠条灌木枝条，采集数目为20根左右，保存外皮，去心 ; 回到实验室冷藏于-11的储藏柜中。 2.1.2 试样的制作及保存 用钢锯将柠条枝截断，每段长为4cm左右试样，去皮 用小刀将试样削成宽*厚3*3的小试样 将小试样放入学校工厂精心加工的小矩形槽中,再用小刀削成宽*厚约3*3 将做好的试样放入-11的储藏柜中 (5)尽量保证木质纤维的完整度，剔出有节部位2.2 试验仪器：微机控制电子万能实验机（CMT6140）：深圳市新三思材料检测有限公司 2.2.1仪器简介 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。该机设计完成满足国标GB/T16491-1996电子万能实验机、GB/T228-2002金属材料、温室拉伸试验方法和GB/T7314金属材料室温压缩方法的要求。 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。PID控制参数调节操作简单。 2.2.2仪器工作原理 电子万能试验机是专门针对高等院校、科研院所而设计的新一代空间微机控制电子万能试验机。试验机主机与辅具的设计借鉴了日本岛津的先进技术，外形美观，操作方便，性能稳定可靠。电子式拉力试验机是由测量系统、驱动系统、控制系统、及电脑等结构组成。 变形的测量：通过变形测量装置来测量，它是用来测量试样在试验过程中产生的形变。该装置上有两个夹头，经过一系列传动机构与装在测量装置顶部的光电编码器连在一起，当两个夹头之间的距离发生变化时，带动光电编码器的轴旋转，光电编码器就会有脉冲信号输出。再由单片机对此信号进行处理，就可以得出试样的变形量。横梁位移的测量：其原理同变形测量大致相同，都是通过测量光电编码器的输出脉冲数来获得横梁的位移量。 驱动系统：主要是用于试验机的横梁移动，其工作原理是由伺服系统控制电机，电机经过减速箱等一系列传动机构带动丝杆转动，从而达到控制横梁移动的目的。通过改变电机的转速，可以改变横梁的移动速度。 控制系统：顾名思义，就是控制试验机运作的系统，人们通过操作台可以控制试验机的运作，通过显示屏可以获知试验机的状态及各项试验参数，若该机带有电脑的话，也可以由电脑实现各项功能并进行数据处理分析、试验结果打印。试验机同电脑之间的通信一般都是使用RS232串行通信方式，它通过计算机背后的串口(COM号)进行通信，此技术比较成熟、可靠，使用方便。 电脑主机：用来采集和分析数据，进入试验界面后，电脑会不断采集各样试验数据，实时画出试验曲线，自动求出各试验参数及输出报表。2.3 试验方法及内容2.3.1试验的具体步骤： 试样的采集试样的制作测量试样的宽度和厚度画线标记输入试样及实验 数值弯曲试验生成曲线报告装袋做标签 2.3.2 试验过程要点2.3.2.1 原料的采集 柠条枝采自于山西省农科院，活枝，具有一定湿度。采集日期为2011年4月。柠条枝采回后，不需去皮，去心。冷藏于-11温度中。试样通直，无虫害，能够进行正常的弯曲试验。2.3.2.2 试样的制作 用钢锯将柠条枝截断，每段长为4cm左右试样，去皮 用小刀将试样削成宽*厚3*3的小试样 将小试样放入学校工厂精心加工的小矩形槽中,再用小刀削成宽*厚约3*32.3.2.3 测量柠条试样的宽度和厚度及画线标记 弯曲前，用游标卡尺测量小柠条试样的宽度和厚度，并在中间位置画线，画线处为试验时的弯曲处。在电脑程序里输入柠条的宽度、厚度、弯曲速度及弯曲角度。2.3.2.4弯曲试验及生成报告将量好的试样放于弯曲仪器上，电脑程序里输入柠条的宽度、厚度、弯曲速度及 弯曲角度后，清零后启动程序开始实验。采用弯曲速度为20mm/min及弯曲角度分别为0、30、45的条件进行弯曲试验，每个条件试验用5根柠条试样，总计15组试验。每组试验都得出了弯曲力位移的曲线图及最大弯曲力数值，最后生成报告，导出数据及曲线。2.3.2.5 计算机详细操作过程：从截图中可以清晰的看出计算机的操作过程：设置弯曲试验参数输入试样宽度厚度及弯曲速度角度程序运行生成曲线生成报告试验结束3 试验结果与分析3.1 弯曲速度20mm/min，弯曲角度0对柠条弯曲力学性能的影响标距厚度宽度速度角度弹性模量（E） mm mm mm N/mm2第 1 根402.973.04202100.67惯性距抗弯刚度抗弯截面模量抗弯强度挠度弯曲力 mm4 mm3 MPa mm N6.6413941.794.4778.53.3635.08图一 图一是厚度为2.97mm，宽度为3.04mm的柠条试样弯曲试验的生成报告。设定弯曲角度为0，弯曲速度为20m/min时的力-位移曲线。从图中可以得出最大弯曲为35.08N，抗弯强度为78.5MPa。对图一分析可知，最大峰值处对应着切刀压断柠条试样时所需的最大弯曲力。从图中可以看出随着弯曲力的逐渐增大，切刀切入试样的深度逐渐增大，当弯曲力达到最大力35.08N时，切刀到达试样半径深度，之后弯曲力逐渐减小，直到弯曲力趋于0时，试样被弯断。弯曲力达到最大即位移到达试样半径前，弯曲曲线呈线抛物线分布。3.2弯曲速度20mm/min，弯曲角度30对柠条弯曲力学性能的影响标距厚度宽度速度角度弹性模量（E） mm mm mm N/mm2第 1 根403.243.3920301218.75惯性距抗弯刚度抗弯截面模量抗弯强度挠度弯曲力 mm4 mm3 MPa mm N9.6111710.285.9378.815.3246.74图二 图二是厚度为3.24mm，宽度为3.39mm的柠条试样弯曲试验的生成报告，设定弯曲曲速度为20mm/min，弯曲角度为30，从图中可以得出试验的最大弯曲力为46.74N，抗弯强度为78.81MPa。与图一相比，试验二将弯曲角度变为30，挠度增大，抗弯刚度减少，随着弯曲位移的增大，弯曲力呈抛物线形状增大减小，减到9N后弯曲力大小趋于稳定。试验中曲线出现了峰值的上下反复，其主要原因是切刀与柠条试样之间发生了相对滑动，使得试样在弯曲时上下弹动，导致弯曲力大小上下浮动3.3弯曲速度20mm/min，弯曲角度45对柠条弯曲力学性能的影响标距厚度宽度速度角度弹性模量（E） mm mm mm N/mm2第 1 根402.933.072045623.76惯性距抗弯刚度抗弯截面模量抗弯强度挠度弯曲力 mm4 mm3 MPa mm N6.444014.034.3970.1310.2330.81图三图三是厚度为2.93mm，宽度为3.07mm的柠条试样弯曲试验的生成报告，设定弯曲速度为20mm/min，弯曲角度为45，从图中可以得出试验的最大弯曲力为30.81N，抗弯强度为70.13MPa。试验表明，弯曲速度为20mm/min，弯曲角度为45时，所需的最大弯曲力最小，即弯曲试样所需的弯曲力最小。这对于柠条收获机，打捆机的设计与研究提供了一定的理论依据。3.4弯曲速度20mm/min，数据对比标距厚度宽度速度角度弹性模量（E）惯性距抗弯刚度抗弯截面模量抗弯强度挠度弯曲力 mm mm mm N/mm2 mm4 mm3 MPa mm N第 1 根402.973.04202100.676.6413941.794.4778.53.3635.08标距厚度宽度速度角度弹性模量（E）惯性距抗弯刚度抗弯截面模量抗弯强度挠度弯曲力 mm mm mm N/mm2 mm4 mm3 MPa mm N第 1 根403.153.2220301146.938.399619.275.3370.95.2337.75标距厚度宽度速度角度弹性模量（E）惯性距抗弯刚度抗弯截面模量抗弯强度挠度弯曲力 mm mm mm N/mm2 mm4 mm3 MPa mm N第 1 根402.853.0420451042.025.866110.864.1267.066.0227.6数据对比我们可以清晰看出随角度不断增大，弹性强度减小，抗弯刚度减小，抗弯强度减小，弯曲力减小，挠度增大。数据还表明：速度为20mm/min，角度为45度时，试样的抗弯刚度最小，抗弯强度最小，最大弯曲力最小，这位柠条收获机，打捆机的研制提供了理论依据。4 MALAB数据分析4.1随角度增大，最大弯曲的变化示意图4.2 随角度变化挠度值变化示意图图表表明：速度为20mm/min，角度为45度时，试样的抗弯刚度最小，抗弯强度最小，最大弯曲力最小，这位柠条收获机，打捆机的研制提供了理论依据5 讨论试样制作方法的改进 试验前期准备中，我们进行了精心的柠条试样制作。开始制作时，只用了小刀削柠条，导致制作出来的试样尺寸相差大，形状不规则。后来在武老师的精心策划下，在农大工厂车了3*3的矩形槽，做出来的柠条试样规则、尺寸合格，能够直接进行试验。6附录6.1角度台草图和柠条加工模具草图6.2试样图片和试验存档图片7结论 相同弯曲速度下，随着弯曲角度的不断增大，最大弯曲力逐渐减小，抗弯强度逐渐减小。 随着弯曲角度的增大，弹性模量逐渐减小，抗弯刚度也随着减小。 数据表明：速度为20mm/min，角度为45度时，试样的抗弯刚度最小，弯曲力最小，这位柠条收获机，打捆机的研制提供了理论依据。参考文献1 牛西午,柠条研究J ，科学出版社，2003.8.2 马永康等，柠条收割机切割器的设计与试验N，农业机械学报，2007.7.3 贺德，9GN_1_2型柠条平茬机的研制与试验D，农业装备技术，2007.6.4 陈晓峰，基于功能设计法的柠条收割机方案D，农机使用与维修，2003 .6.5 Donnell R Hunt. 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