成熟期大蒜茎秆力学特性的试验研究

分类：论文文献与常识 发表时间：2019-11-19 09:38

　　摘要：针对大蒜联合收获机设计时缺乏必要的数据支持等问题，对成熟期大蒜茎秆力学特性进行了试验研究。采用农业田间数理统计方法对大蒜的几何特征进行分析，得出了大蒜主要几何特性指标值的变化区间和分布频率;利用万能试验机及拉伸试验对成熟期大蒜茎秆抗拉强度、挤压强度、起拔力等力学特性进行测试，研究了茎秆直茎、含水率、加载速度对大蒜茎秆拉断力的影响;应用Design—Expert软件分析，得出了松土位置参数优化组合。结果表明：直径对大蒜茎秆的拉断力影响最大，其次是含水率，最后是加载速度;大蒜最小起拔力的最优组合为挖掘深度9～18cm和挖掘距离2～1Ocm，所需起拔力小于53.1N，不会发生漏收现象;大蒜茎秆的挤压强度平均值是O.78MPa，所以在设计皮带夹持过程中挤压强度最大不能超过0.72MPa，为研制大蒜联合收获机关键装备提供了基础理论依据。

　　关键词：大蒜联合收获机;力学特性;数理统计;正交试验

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　　0引言

　　国大蒜行业现状调查研究显示，2016年我国大蒜种植面积总计达到37.9万～40.5万hm，占全球大蒜种植面积的60%以上…。目前，我国大蒜的种植和收获主要依靠人工完成，作业效率低，强度大，现有的大蒜联合收获机作业质量不高，这些问题已成为制约我国大蒜产业发展的瓶颈。为此，一些农学专家对大蒜几何特征和营养成分进行统计分析，但并未涉及茎秆的力学特性的分析，因此这些数据对大蒜联合收获机的设计指导意义不大。针对上述问题，本研究以山东金乡县卜集镇孙桁村为实地考察点，采用随机性、分类性和对角线原则，不仅对大蒜的物理性能指标进行田间统计分析J，而且对大蒜茎杆的力学特性进行室内试验，分析大蒜茎秆的抗拉强度和挤压强度、松土前后起拔力等力学特性，揭示茎秆直径、含水率、加载速度对拉断力的影响关系，以期为进一步设计大蒜联合收获机提供可靠的理论基础。

　　1试验准备

　　1)试验设备：测力仪(数显式拉力计)、数显游标卡尺、卷尺、鼓风干燥箱、电子天平、土壤硬度计、土壤容重测试仪(环刀法)及微机控制电子万能试验机。2)试验材料：成熟期整株大蒜，品种为金乡白蒜。2017年5月20-23日在金乡县卜集镇孙桁村进行了大蒜的物理学特性试验;2017年5月24日在山东农业大学机电学院实验室进行大蒜茎秆的拉伸强度和挤压强度试验。3)土壤环境：试验地土壤为沙土性土壤，含水率(21.09±4.07)%，硬度(12.12±3.24)ks/cm，容重(1.31±0.26)g/cm。

　　2试验方法

　　2.1采样点的布置

　　采用随机性原则，选取了试验地点3处，每个地块分别在地头、地边和田间进行取样;田间取样的方法采用对角线原则，随机抽取100个样本，做好标记放人密封袋，带回实验室进行统计分析。

　　2.2大蒜物理特性的测定

　　根据大蒜生物学特性，结合收获机械的设计要求J，随机选取100个样本，测量每个样本的基本几何特性。选择蒜株高度、蒜头高度、茎秆直径、蒜头质量、蒜头直径、根须群长度、根须群直径及含水率作为大蒜几何特征的评价指标，并分析预i贝4其变化区间及分布规律J。

　　2.3大蒜茎秆力学特性的测定

　　分别采用万能试验机和数显游标卡尺测量大蒜茎秆样本底部(距地面50～130mm)最大拉断力和拉断位置直径，茎秆的抗拉强度由大蒜茎秆拉断力与拉断部位直径的比值表示，即公式(1)。随机选取l0个样本进行测量，则4F.()其中，为第i个样本大蒜茎杆的抗拉强度(MPa);D为第i个样本大蒜茎杆的直径(mm);Fi为第i个样本大蒜茎杆的拉断力(kN)。

　　3结果与分析

　　3.1大蒜物理特性试验分析

　　根据测试指标，测试项目的汇总统计数据如表3所示。同时，对大蒜主要特征指标进行了统计研究。蒜株高度、蒜根群长度、蒜根群直径、含水率等4个参数的概率分布直方图如图2～图5所示。由图2可以看出：株高主要分布在[340，360]mm，占样本总数的74%。由图3可以看出：蒜根群长度主要分布在[78，86]mm，占样本总数的69%。由图4可以看出：蒜根群直径主要分布在[88，92]am，占样本总数的65%。由图5可以看出：茎秆含水率主要分布在[82，91]%，占样本总数的78%。

　　3.2大蒜茎秆抗拉强度的试验分析

　　测定结果大蒜茎秆的抗拉强度为[0.66，0.93]MPa，对应的拉断力为[73.97，157]N，即收获期大蒜茎秆的最小抗拉力为73.97N。

　　4结论

　　1)正交试验表明：直径、含水率、加载速度的不同对大蒜茎秆的拉断力均有影响，其中直径的影响最大，含水率次之，加载速度最小。

　　2)通过对大蒜起拔力与松土过程中挖掘的深度和距离进行回归分析可知：经挖掘铲松土后大蒜起拔力与挖掘的深度和距离有明显相关性，影响大蒜起拔力的因素依次是挖掘深度>挖掘距离。同时，得出大蒜最小起拔力的最优组合为：挖掘深度9～18cm，挖掘距离2—10cm。此时所需拔取力小于53.1N，不会发生拔断漏收现象。

　　3)大蒜茎秆挤压试验表明：大蒜茎秆的挤压强度的最大值是0.93MPa，最小值是0.72MPa，平均值是0.78MPa。所以，在设计皮带夹持过程中，挤压强度最大不能超过0.72MPa，避免将大蒜茎秆夹断，从而影响大蒜收获效率。

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