剑麻切割应力力学性能

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1、剑麻切割应力力学性能张琪琪，赖文玉，王涛（海南大学机电工程学院，海口５７０１００）摘要：以成熟的、生长状况相似的剑麻（ＡｇａｖｅｓｉｓａｌａｎａＰｅｒｒ．ｅｘＥｎｇｅｌｍ．）叶片为研究对象，利用ＷＤ－２００Ｂ微机控制电子万能试验机，采用单因素试验法测得不同影响因素下最大切割应力，并分析了切割速度、切割部位、切割叶面、切割方式、切割角度、含水率对切割应力的影响。结果表明，切割剑麻主要影响因素有切割角度、切割方式以及切割叶面部位。在１００ｍｍ/ｍｉｎ速度下切割收集的剑麻根部的侧面部位，侧切较正切和背切的剪切应力小为０．５２１ＭＰａ；在２５０ｍｍ/ｍｉｎ速度下取不同含水率最高时应力最小为０．４７６

2、ＭＰａ；取侧面部位削切的角度为３０°～４５°区间内，应力区间为０．３３０～０．３５２ＭＰａ。该结果为剑麻的收割机械研制时切割位置、切割时间、切割器及刀具的设计、电动机功率的选取等方面提供数据支持。..关键词：剑麻（ＡｇａｖｅｓｉｓａｌａｎａＰｅｒｒ．ｅｘＥｎｇｅｌｍ．）；切割应力；力学性能中图分类号：Ｓ２２５文献标识码：A：0439－８114（２０15）16－4044-05DOI:10.14088/j.ki.issn0439-8114.2015.16.055收稿日期：２０１５－０５－２８基金项目：中西部高校提升综合实力工作资金项目简介：张琪琪（１９９４－），男，山西晋城人，在读本科生，研究方

3、向为机械设计制造及自动化，（）１８６８９７８０４１２（电子信箱）２８７７１２６９９＠ｑｑ．ｃｏｍ；通信，王涛（１９８０－），男，副教授，硕士，主要从事机电液系统设计与测试研究，（）１３９７６１２２１６０（电子信箱）ｇｘｄｘｙｊｓ＠１６３．ｃｏｍ。剑麻（ＡｇａｖｅｓｉｓａｌａｎａＰｅｒｒ．ｅｘＥｎｇｅｌｍ．）是极具特色的热带经济作物，隶属于龙舌兰科，原产地是墨西哥尤卡坦半岛，现主要种植于南美洲、非洲、亚洲等地。剑麻在中国的面积和产量分别处于世界第５位和第２位，单位面积产量也是世界平均水平的４倍以上，居世界第1位［１］。目前，我国剑麻加工原材料需求量大，每年进口的数量仍呈现增加趋势。剑麻茎粗而短

4、，叶片无叶柄，硬而狭长，呈放射状展开，且叶片强度较大，因此剑麻叶片的收割十分困难。而国内的剑麻生产机械化和自动化水平很低，基本上仍是由人工完成的，收割劳动强度大，劳动成本高，越来越难找到割叶操作工人是剑麻产业发展的瓶颈，因此实现机械化收割剑麻叶片是当前急需解决的技术难题［２，３］。切割剑麻的切割器及其刀片的研制就成为机械收割剑麻的关键，剑麻切割力学特性研究对切割器及刀片的设计研制极为重要。国内外学者对于农作物的秸秆进行了大量的力学性能研究，高欣［４］对不同种类、不同节间、不同加载速度的玉米秸秆进行了拉伸、弯曲、剪切的力学试验；潘红玮等［５］研究了不同预处理后剑麻纤维的性能特点；张西良等［６］

5、对黄瓜藤秸秆力学特性进行了研究；Ｈｏｌｔ等［７］研究了农业纤维棉力学性能。然而，国内外关于剑麻的力学性能研究较少，本研究对剑麻的力学性能进行深入分析与讨论，利用单因素试验分析了剑麻的力学性能和理化性能指标的相关性，为相关配套收割机械的切割器、切割刀片、动力装置的功率匹配等设计研制提供可靠的参考，为进一步设计剑麻收割机械等相关的农业机械设备提供充足的理论数据支持。１材料与方法１．１材料与仪器１．１．１材料供试材料为生长状况相似、成熟适宜收割的剑麻叶片，于２０１４年５月购于海南省，置于自然通风条件下保存。１．１．２主要仪器ＷＤ－２００Ｂ电子万能试验机（广州试验仪器厂）：自制刀片厚度为２．３２ｍｍ

6、，且两侧表面均光滑。１）自制一号夹具如图１所示，以１００ｍｍ×２５ｍｍ的金属板为底板，其上有圆心距相等的4对圆孔。一号夹具用于正面切割时速度影响、侧面切割时速度的影响、背面切割时速度影响试验以及含水率影响的试验研究。该装置厚度１２ｍｍ，材料为Ｑ２３５钢，夹持力大，避免加载力时试样两端上翘向下滑移；孔圆心连线的距离为４０ｍｍ，较小的距离避免加载力时试样出现弯曲现象影响最大剪切力的准确性。自制一号夹具使用步骤如下所示：①用支撑螺杆４连接上夹板２和下夹板５，将切割好的剑麻试样放置于两夹板的中间，再通过旋转螺母调节夹板的间距和高度，接着旋转压紧螺杆固定好剑麻的一边；②用同样的方法固定剑麻的另一边。２

7、）自制二号夹具如图２所示，以２６０ｍｍ×１２０ｍｍ×５０ｍｍ的金属台为夹具底座，其上表面设有３对圆心距相同的圆孔。以一对铰支座连接底座和夹具主板，主板的另一端用一对铰支座连接副板，副板上有一对与底座圆心距相同的圆孔。主板上设有两对圆孔和宽为４０ｍｍ的相互垂直两个矩形空心面。圆孔用于固定剑麻防止其两端上翘和向下滑移；平行于两个铰支座连线的空心面用于正面削切和背面的削切时角度的影响试验研究；垂直于两个铰支座连线的