玉米秸稈不同加載方式力學(xué)及其失水特性研究.pdf

1、玉米秸稈資源豐富，具有優(yōu)良的理化特性，開發(fā)潛力越來越為人們所重視。由于收獲期的玉米秸稈在摘穗后含水率高，秸稈表皮堅(jiān)韌、粗壯、密實(shí)，阻礙了秸稈內(nèi)部水分的蒸發(fā)，在很長一段時(shí)間內(nèi)秸稈含水率無法降到適宜于打捆回收范圍內(nèi)，秸稈打捆容易漲包，儲(chǔ)藏容易變質(zhì)腐爛，這就給秸稈的收獲再利用帶來了困難，導(dǎo)致大部分秸稈資源廢置浪費(fèi)。利用機(jī)械裝置對(duì)玉米秸稈調(diào)質(zhì)處理，可以使秸稈壓裂、破皮、裂節(jié)，加速秸稈含水率的降低，便于快速回收。調(diào)質(zhì)裝置的關(guān)鍵部件調(diào)質(zhì)輥的結(jié)構(gòu)及對(duì)

2、秸稈的作用直接影響著秸稈的調(diào)質(zhì)效果及調(diào)質(zhì)功耗。了解和掌握玉米秸稈的力學(xué)及破壞特性，可為調(diào)質(zhì)輥的參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供合理和可靠的依據(jù)。
　　依據(jù)采用高速攝影技術(shù)對(duì)玉米秸稈調(diào)質(zhì)過程進(jìn)行分析的前期預(yù)試驗(yàn)及秸稈調(diào)質(zhì)受到外加載荷結(jié)果，本文針對(duì)玉米秸稈開展了單點(diǎn)直壓、三點(diǎn)彎曲、剪切及扭轉(zhuǎn)等不同加載條件的力學(xué)特性及其失水特性試驗(yàn)研究;研究了秸稈的本構(gòu)方程及破壞理論;綜合比較分析了秸稈在不同加載條件下的失水率與功耗。課題研究的主要內(nèi)容如下:

3、　　(1)玉米秸稈本構(gòu)方程與破壞理論探討
　　從宏觀和微觀角度論述玉米秸稈的組織結(jié)構(gòu)，并對(duì)秸稈模型進(jìn)行了假設(shè);論述了玉米秸稈的基本構(gòu)造形式;確定了玉米秸稈的力學(xué)基本方程及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，搭建了玉米秸稈的本構(gòu)方程;闡述了玉米秸稈的破壞理論，得出了秸稈所承受的應(yīng)力或應(yīng)變達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)，秸稈發(fā)生破壞，表現(xiàn)形式為產(chǎn)生裂紋或彎折。
　　(2)玉米秸稈單點(diǎn)直壓和三點(diǎn)彎曲特性試驗(yàn)研究
　　利用萬能試驗(yàn)機(jī)開展了玉米秸稈三點(diǎn)彎曲和單點(diǎn)直

4、壓特性的試驗(yàn)研究。以彎曲跨距、加載速度、取樣位置、品種及含水率為試驗(yàn)因素進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲單因素試驗(yàn)，以取樣位置、品種及含水率為單因素進(jìn)行了單點(diǎn)直壓試驗(yàn);以取樣位置、加載速度和彎曲跨距為因素進(jìn)行了三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。結(jié)果表明:秸稈受外加載荷破壞形式為產(chǎn)生裂紋或彎折，裂紋的種類包括軸向主裂紋、橫向裂紋（或壓痕）及不規(guī)則裂紋，軸向主裂紋對(duì)秸稈水分的降低起主要作用，因此調(diào)質(zhì)裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮盡量產(chǎn)生較多且連續(xù)的軸向主裂紋;三點(diǎn)彎曲

5、單因素試驗(yàn)彎曲跨距為80mm時(shí)載荷及功耗最小;加載速度對(duì)載荷、功耗無影響;隨著取樣位置自底向上逐漸增大，秸稈的載荷及功耗逐漸減小;品種間載荷及功耗有差異;三點(diǎn)彎曲的正交試驗(yàn)表明加載速度18～24mm/min、跨距為76～83mm時(shí)功耗及載荷最小;單點(diǎn)直壓載荷及功耗隨著取樣位置增大呈逐漸減小趨勢(shì)，節(jié)部試樣的載荷及功耗大于節(jié)間試樣，長軸試樣的載荷及功耗小于短軸。
　　(3)玉米秸稈剪切特性試驗(yàn)研究
　　利用萬能試驗(yàn)機(jī)自制剪切夾具

6、對(duì)玉米秸稈進(jìn)行了剪切特性試驗(yàn)。以不同取樣位置及加載部位為單因素進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:秸稈在剪切載荷的作用下產(chǎn)生變形，在剪切處產(chǎn)生兩條垂直于秸稈生長方向的主裂紋，在主裂紋附近產(chǎn)生若干細(xì)小裂紋，剪切過程中，上部先發(fā)生斷裂后秸稈下部斷裂，秸稈依次經(jīng)歷準(zhǔn)彈性變形、塑性變形、產(chǎn)生裂紋、裂紋終止擴(kuò)展以及剪斷過程，載荷值在這一過程中逐漸增大，且當(dāng)裂紋終止擴(kuò)展后載荷值顯著增大，剪切試驗(yàn)的載荷、功耗及強(qiáng)度隨著取樣位置的增大而減小，隨著秸稈直徑尺寸的減

7、小抗剪能力降低。
　　(4)玉米秸稈扭轉(zhuǎn)特性試驗(yàn)研究
　　利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行了扭轉(zhuǎn)特性試驗(yàn)研究，搭建了扭轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)勻速加載。試驗(yàn)結(jié)果表明:在扭轉(zhuǎn)過程中，玉米秸稈呈螺旋狀扭轉(zhuǎn)變形，在秸稈斷面長軸邊緣附近對(duì)稱產(chǎn)生兩條主裂紋，且裂紋沿著軸向擴(kuò)展至兩側(cè)節(jié)部;秸稈扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生裂紋時(shí)扭轉(zhuǎn)角69～89°，扭矩4.48～12.18Nm，破壞功耗6.98～12.05J，裂紋終止擴(kuò)展時(shí)扭轉(zhuǎn)角度105～125°，扭矩3.9