玉米秸稈不同加載方式力學及其失水特性研究.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，秸稈表皮堅韌、粗壯、密實，阻礙了秸稈內部水分的蒸發(fā)，在很長一段時間內秸稈含水率無法降到適宜于打捆回收范圍內，秸稈打捆容易漲包，儲藏容易變質腐爛，這就給秸稈的收獲再利用帶來了困難，導致大部分秸稈資源廢置浪費。利用機械裝置對玉米秸稈調質處理，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。調質裝置的關鍵部件調質輥的結構及對

2、秸稈的作用直接影響著秸稈的調質效果及調質功耗。了解和掌握玉米秸稈的力學及破壞特性，可為調質輥的參數設計及優(yōu)化提供合理和可靠的依據。
　　依據采用高速攝影技術對玉米秸稈調質過程進行分析的前期預試驗及秸稈調質受到外加載荷結果，本文針對玉米秸稈開展了單點直壓、三點彎曲、剪切及扭轉等不同加載條件的力學特性及其失水特性試驗研究;研究了秸稈的本構方程及破壞理論;綜合比較分析了秸稈在不同加載條件下的失水率與功耗。課題研究的主要內容如下:

3、　　(1)玉米秸稈本構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構，并對秸稈模型進行了假設;論述了玉米秸稈的基本構造形式;確定了玉米秸稈的力學基本方程及應力-應變關系，搭建了玉米秸稈的本構方程;闡述了玉米秸稈的破壞理論，得出了秸稈所承受的應力或應變達到極限狀態(tài)時，秸稈發(fā)生破壞，表現(xiàn)形式為產生裂紋或彎折。
　　(2)玉米秸稈單點直壓和三點彎曲特性試驗研究
　　利用萬能試驗機開展了玉米秸稈三點彎曲和單點直

4、壓特性的試驗研究。以彎曲跨距、加載速度、取樣位置、品種及含水率為試驗因素進行了三點彎曲單因素試驗，以取樣位置、品種及含水率為單因素進行了單點直壓試驗;以取樣位置、加載速度和彎曲跨距為因素進行了三因素五水平二次回歸正交旋轉組合試驗。結果表明:秸稈受外加載荷破壞形式為產生裂紋或彎折，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，軸向主裂紋對秸稈水分的降低起主要作用，因此調質裝置的設計應考慮盡量產生較多且連續(xù)的軸向主裂紋;三點彎曲

5、單因素試驗彎曲跨距為80mm時載荷及功耗最小;加載速度對載荷、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;三點彎曲的正交試驗表明加載速度18～24mm/min、跨距為76～83mm時功耗及載荷最小;單點直壓載荷及功耗隨著取樣位置增大呈逐漸減小趨勢，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研究
　　利用萬能試驗機自制剪切夾具

6、對玉米秸稈進行了剪切特性試驗。以不同取樣位置及加載部位為單因素進行了試驗。試驗結果表明:秸稈在剪切載荷的作用下產生變形，在剪切處產生兩條垂直于秸稈生長方向的主裂紋，在主裂紋附近產生若干細小裂紋，剪切過程中，上部先發(fā)生斷裂后秸稈下部斷裂，秸稈依次經歷準彈性變形、塑性變形、產生裂紋、裂紋終止擴展以及剪斷過程，載荷值在這一過程中逐漸增大，且當裂紋終止擴展后載荷值顯著增大，剪切試驗的載荷、功耗及強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)玉米秸稈扭轉特性試驗研究
　　利用扭轉試驗機對玉米秸稈進行了扭轉特性試驗研究，搭建了扭轉速度控制系統(tǒng)實現(xiàn)了扭轉試驗勻速加載。試驗結果表明:在扭轉過程中，玉米秸稈呈螺旋狀扭轉變形，在秸稈斷面長軸邊緣附近對稱產生兩條主裂紋，且裂紋沿著軸向擴展至兩側節(jié)部;秸稈扭轉產生裂紋時扭轉角69～89°，扭矩4.48～12.18Nm，破壞功耗6.98～12.05J，裂紋終止擴展時扭轉角度105～125°，扭矩3.9