青蒿茎秆力学性能研究试验

word文档可自由复制编辑青蒿茎秆力学性能研究试验摘要：为给设计青蒿收割机构提供参数依据，对收获期青蒿茎秆的力学性能以及与含水量的关系进行了试验研究。试验表明：处于收获期青蒿茎秆的含水率稳定在48.9%，茎秆的抗剪强度、抗压强度变化不大，分别集中在14.52～14.78MP和9.62～11.02MP；抗拉强度随含水率的增大而增大，其值集中在18.96～30.14MP；破坏时所需的平均最大弯曲力随着含水率的增大而降低，其值集中在246.66～527.83N；青蒿茎秆截面最大吸收功为61.77J，最大冲击韧性为1.703J/cm2。关键词：抗剪强度；抗拉强度；抗压强度；弯曲力；含水率ExperimentlStudyOnMechanicalPropertiesOfArtemisiaAnnuaStemTestCHEN-cong,ZHUHai-feng,ZHOUYa-bo,ZHUXian-lei,LIRui-feng(ChangshaUniversityOfScience&Technology,Chngsha410004,China)Abstract:ForthedesignparametersfortheharvestofArtemisiaannuaagencies,ThemechanicalpropertiesofstemharvestofArtemisiaannuaanditsrelationshipwithwatercontentwerestudied.Testsshowedthat:AtharveststemofArtemisiaannuastableat48.9%moisturecontent,shearstrengthstalk,littlechangeincompressivestrengthwereconcentratedin14.52~14.78MPand9.62~11.02MP;increasedtensilestrengthwithmoisturelargeandincreasingitsvalueconcentratedin18.96~30.14MP;requiredthedestructionofthebendingforceincreaseswiththeaveragemaximummoisturecontentdecreasesitsvaluefocused246.66~527.83N;annuastemcross-sectionmaximumabsorbedenergyis61.77J,thebiggestimpacttoughness1.703J/cm2.Keywords:shearstrength;tensilestrength;compressivestrength;bendingforce;moisturecontent0前言青蒿，一年生草本植物，为菊科艾属植物黄花蒿。近年来医学界在青蒿素研究上取得了突破性成果[1]，市场对于青蒿素的需求量大大增加；青蒿作为提取青蒿素的原材料，其供应问题在大批量生产中已经成为人们重视的一个问题。目前对于青蒿机械化收割的装置机构的研究，国内外基本处于真空状态；而与青蒿茎秆生物性能相近的芦苇，玉米秸秆的收割均早已采用机械化模式收割[2-8]，这大大节省了生产成本；所以青蒿茎秆机械化收割是大力发展青蒿及其相关产业的基础。本研究是要通过试验得到青蒿的茎秆力学性能，为青蒿茎秆的收获及深加工机具的设计提供必要的基础参数数据，该试验具有一定的实际应用价值[9，10]。1材料与方法1.1材料试验材料选取湖南农业大学芸园青蒿种植基地的成熟期青蒿茎秆，第一批采集时间为2011年9月，第二批采集时间为2012年3月，第三批采集时间为2012年9月；选取生长圆、直的青蒿植株，带回试验室进行处理后，获得试验试件的半成品。根据各试验对材料的不同要求，列出实验材料规格如表1所示：表1试验材料规格Table1Testmterilspecifictions材料尺寸剪切试验弯曲试验拉伸试验压缩试验MaterialsizeShearingexperimentBendingexperimentDrawingexperimentCompressingexperiment长度（mm）横截面直径（）～～～～Transversesectiondiameter1.2方法在采用的试样中剔除霉变、受害虫或表皮剥落损伤等现象的样品，选主茎顺直且粗细均匀、主根端直无分叉的青蒿；根据试样横截面直径大小选取有效试件，相近直径的分为一组，每批试样分为4～6组。然后分别在万能材料试验机上进行剪切、三点弯曲、拉伸及压缩试验。对于拉伸试验试件需做如下处理：首先取300mm的青蒿茎秆，手工剥去表皮纤维，再用小刀在该试件中部的2/3范围内削细青蒿茎秆，最后用砂布打磨削细部分，使试样中部光滑均匀。经处理的试件两端不打滑，且能在指定位置断裂。图1万能试验机上青蒿茎秆试验Fig.1Artemisiaannuastemsexperimentonuniversaltestingmachine1.3试验仪器设备电子式万能材料试验机（HY-0350

），电子天平，高温干燥箱（8401-AX），游标卡尺等。2结果与分析2.1剪切试验数据本试验共分三批，每批取十组试件。分别将三批试样在电子式万能材料试验机进行剪切试验，试验后进行含水率的测定，将电脑输出的数据进行处理得到最大抗剪强度并观察试件抗剪强度随直径和含水率的变化。三批次的平均抗剪强度和偏差率分别为：第一批为14.65MP，偏差率为0.11；第二批为14.52MP，偏差率为0.19；第三批为14.78，偏差率为0.09。从试验数据分析知：三批试样的平均抗剪强度变化不大，三批试件的抗剪强度分别随含水率的变化其变化幅度不大。因此，试件的剪切试验说明：当青蒿茎秆含水率稳定在48.9%左右时，青蒿茎秆的抗剪强度与含水率无较明显的关联性，而与茎秆直径有一定的联系，随着茎秆直径的增大试件的抗剪强度随之增大。（a）批次Batchtobatch（b）第三批抗剪强度随含水率直径的变化Thethirdinstallmentoftheshearstrengthwithmoisturecontentchangeindiameter图2剪切试验数据Fig.2TheanlysisofdiagrmSheartestdate弯曲试验数据取含水率变化明显的一二批试件比较，每批取十组试件；在万能试验机上进行三点弯曲试验，弯曲试验数据结果表明：第一批试件与第二批试件的平均最大弯曲力比较，第一批试件的最大弯曲力为246.66N，偏差率为0.62；第二批试件的最大弯曲力为527.83N，偏差率为0.81。说明在弯曲试验中，含水率对青蒿茎秆的变形影响较大，青蒿茎秆的最大弯曲力随含水率的增大而减小。第二批试件的破坏所需的最大弯曲力随直径、含水率的变化为：随着青蒿直径的增大、含水率的降低。其弯曲强度随之增大，即破坏所需的弯曲力越大。（a）批次Batchtobatch（b）第三批最大弯曲力随含水率直径的变化Thethirdinstallmentofthebiggestchangesinthemoisturecontentofthebendingforceindiameter图3弯曲试验数据Fig.3Theanlysisofdiagrmbendingtestdate2.3拉伸试验数据同样对三批拉伸试件每批十组试件在万能试验机上进行拉伸试验，试验数据分析表明：当平均含水率为48.9%时，其抗拉强度明显高于平均含水率为22.71%时的抗拉强度。其中三批试件的平均抗拉强度和偏差率分别为：第一批29.68MP，偏差率为5.78；第二批18.96MP，偏差率为4.61；第三批30.14MP，偏差率为7.26。试验结果说明当平均含水率在48.9%，即第一、三批青蒿茎秆的抗剪强度相对较低，收货时茎秆对机器零件的损伤较小。第三批试件的最大拉伸力比较图显示，随着含水率的增大，其抗拉强度也随之增大。由此说明：含水率越高、青蒿茎秆越大，其抗拉强度也越大。（a）批次Batchtobatch（b）第三批抗剪强度随含水率直径的变化Thethirdinstallmentchangesinthemoisturecontentofthetensileresistanceindiameter图4拉伸试验数据Fig.4Theanlysisofdiagrmdrawingtestdate2.4压缩试验数据对三批拉伸试件每批十组试件在万能试验机上进行压缩试验，试验数据分析表明：三批试件的平均抗压强度和偏差率分别为：第一批9.62MP，偏差率0.26；第二批11.02MP,偏差率0.17；第三批10.22MP，偏差率0.21。三批试件的平均抗压强度随直径的对比图显示：试件的抗压强度与试件的含水率之间无明显的直接联系，但是各批次试件随着直径的增大，抗压强度随之增大。因此试验数据分析知：含水率在22.03%～时青蒿茎秆的抗压强度与含水率无明显关联，但与直径相关，且随直径的增大而增大。（a）批次Batchtobatch（b）各批次抗压强度随直径的变化图Thegraphofcompressivestrengthwiththediameter图5压缩试验数据Fig.5Theanlysisofdiagrmcompressingtestdate2.5含水率的测定及数据分别对三批不同采集时间的试件样品进行含水率的测定，试验对含水率的测定选取刚做完力学性能的试件，用高温干燥箱分别对三批次的青蒿茎秆进行含水率的测定，试验数据表明：第一批、第三批试件的平均含水率稳定在48.0%～50.0%；而第二批试件平均含水率稳定在22.03%；第二批试件含水率明显较低是因为采集时间为第二年的3月份，青蒿茎秆木质化的缘故。2.6冲击韧度的测定及数据本试验材料不参与其他试验，与其他试验材料独立开来，从种植基地取植株时便与其他试验进行区别，试验时将三组样品的每份试件分成5小段（等分），按X—1、X—2、X—3、X—4、X—5（X表示组号）为每小段做标记，每小段的中间开一小缺口。图6由上图分析得出，在10-60cm研究范围内，茎秆受冲击吸收功与冲击韧性随高度变化不大，不同青蒿植株间同一高度吸收功变化比较大，而冲击韧性变化不大。图7上图为吸收功随截面积变化规律，由图可知吸收功与截面面积成明显线性关系，线性方程y=0.0132x-2.7106，相关系数R2=0.8751，非常接近1。实际试验时，茎杆越粗，断面吸收功也越大，与试验数据很好的吻合。图8由上图可知：同一株青蒿横截面积随高度变化很小，而不同株间同一高度上的横截面积变化很大，如上图面积方差的比较；横截面积是影响青蒿茎秆冲击吸收功的重要因素，所以不同植株在同一高度上的茎秆冲击吸收功差异很大，但是冲击韧性波动并不大，冲击韧性随截面积变化无明显规律。截面最大吸收功为61.774J，最大冲击韧性为1.703J/cm2。3讨论青蒿素的医学价值巨大，然而作为提取青蒿素的原料青蒿的机械化生产程度基本处于空白；目前国内外关于青蒿收割机构的研究还处于起步阶段，为此，采集整理青蒿茎秆的基础数据，深入研究青蒿茎秆性能对青蒿收割机构的设计和进一步研发具有重要意义。本试验通过多次采集青蒿茎秆试件，分别在万能试验机、高温干燥箱上进行了剪切、弯曲、拉伸、压缩、含水率、冲击韧度的试验。从而研究不同时期不同石墩收获青蒿茎秆对青蒿收割机械耗费动力的影响，进而为其设计提供参考数据。4结论试验证明青蒿茎秆的力学性能与其含水率、直径密切相关。随着含水率的增大，青蒿茎秆抗拉强度随之增大，破坏所需的最大弯曲应力随之降低，但是剪切强度和抗压强度变化不大；青蒿茎秆直径越大，其所需的剪切力越大。同时青蒿茎秆的含水率与收获季节有关，在秋季平均含水率在48.9%左右；翌年3月，青蒿茎秆的含水率在22.03%左右；同时通过冲击韧度的试验知冲击韧性随截面积变化无明显规律。截面最大吸收功为61.774J，最大冲击韧性为1.703J/cm2。参考文献（Reference）[1]张东，杨岚.青蒿叶药材质量标准研究[J].中国药学杂志.2010（5）：392-395[2]刘兆朋，谢方平.成熟期油