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（Ａｇａｖｅ ｓｉｓａｌａｎａ Ｐｅｒｒ． ｅｘ Ｅｎｇｅｌｍ．）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１００ ｍｍ/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０．５２１ ＭＰａ； 在２５０ ｍｍ/ｍｉｎ速度下取不同含水率最高时应力最小为０．４７６ ＭＰａ；取侧面部位削切的角度为３０°～４５°区间内，应力区间为０．３３０～０．３５２ ＭＰａ。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。
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关键词 ：剑麻（Ａｇａｖｅ ｓｉｓａｌａｎａ Ｐｅｒｒ． ｅｘ Ｅｎｇｅｌｍ．）；切割应力；力学性能
中图分类号：Ｓ２２５ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）16－4044-05
DOI:10.14088/j.cnki.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
作者简介：张琪琪（１９９４－），男，山西晋城人，在读本科生，研究方向为机械设计制造及自动化，（电话）１８６８９７８０４１２（电子信箱）２８７７１２６９９＠ｑｑ．ｃｏｍ；
通信作者，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，（电话）１３９７６１２２１６０（电子信箱）ｇｘｄｘｙｊｓ＠１６３．ｃｏｍ。
剑麻（Ａｇａｖｅ ｓｉｓａｌａｎａ Ｐｅｒｒ． ｅｘ Ｅｎｇｅｌｍ．）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，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］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２．３２ ｍｍ， 且两侧表面均光滑。
１）自制一号夹具如图１所示，以１００ ｍｍ×２５ ｍｍ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１２ ｍｍ，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４０ ｍｍ，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）自制二号夹具如图２所示，以２６０ ｍｍ×１２０ ｍｍ×５０ ｍｍ 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４０ ｍｍ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空心面用于侧面削切时角度影响试验。用支撑螺钉和螺母连接副板和底座，通过旋转螺母和变换圆孔对来调节角度大小。该装置矩形空心面宽仅为４０ ｍｍ，因此防止剪切时发生弯曲变形。
自制二号夹具使用步骤如下所示：①使用螺母将螺杆４固定于底座５的固定圆孔，在调节副板２的螺母，使副板水平固定放置；②根据切割剑麻部位不同，采用不同的剑麻放置方法。若正面切割剑麻或者侧面切割剑麻，则直接将剪切好的剑麻式样放置于斜面上，接着将一对夹板置于剑麻的两端上表面，再用螺钉连接上夹板与斜面，使剑麻固定以便夹紧剑麻，防止式样下滑与上翘。若侧面切割剑麻，则将剑麻的侧方于斜面的空心槽中，并用螺钉穿过固定装置８的孔，使剑麻不会因为竖直方向的剪切力滑落；③若要改变斜面的倾斜角的度数，更换底座上的固定孔，调节螺杆４即可。
３）自制三号夹具如图３所示，以２４０ ｍｍ×１２０ ｍｍ×５０ ｍｍ的金属台为夹具底座，其表面设有与底座长边方向的夹角分别为３０°、４５°、６０°的矩形空心槽。底座的两边分别有一对圆孔，用以固定剑麻防止滑移和上翘。
自制三号夹具使用步骤如下所示：①将剪切好的剑麻式样放置于底座上，并且调节电子万能试验机上的刀具方向，以保证刀具顺利的穿过空心槽；②将一对上夹板分别置于剑麻两端的上表面，用螺钉连接上夹板与底座上，使剑麻固定。
１．２ 试验方法
１．２．１ 剑麻叶片切割应力的单因素影响试验 试验变量分别为切割速度、切割部位、叶片叶面、含水率、切割方式、切割角度。试验测量指标为剑麻叶片切割时的最大切割力、切割面积。切割速度分别选取２０、５０、１００、２５０ ｍｍ／ｍｉｎ；切割部位分别选取根部和中部，切割叶面部位选取侧面切、背面切、正面切；通过干燥时间控制样品的含水率，选取自然烘干的３、９、１５ ｄ的三组剑麻；切割方式分为侧切和削切；切割角度选取３０°、４５°、６０°。
１．２．２ 切割应力的测定 选取剑麻中部和根部，截取长为１００～１８０ ｍｍ的试样，固定在自制的夹具上，并严格控制变量进行单因素试验。试验过程中，计算机系统会自动采集载荷位移数据点并自动绘成载荷位移曲线。当试样被切断时，及时用铅笔描出切割面的面积轮廓，并通过ＭＡＴＬＡＢ精确计算出轮廓面积。最后，通过材料力学的理论公式计算出剑麻切割时的切割应力。剑麻切割应力计算公式：
?滓＝Ｆ/Ａ （１）
式中，Ｆ为切割过程中的最大切割力；Ａ为切断时的切割截面。
２ 结果与分析
２．１ 剑麻切割过程分析
图４为根部不同切割速度下的剑麻试验载荷位移曲线。由图４可以看出，随着位移的增大，载荷也逐渐增大，当载荷达到剑麻的最大载荷时，样品被切断并伴有清脆的断裂声，同时载荷迅速减小。另外，在试验过程中，曲线出现波折现象，可能是自制夹具与仪器的配合不好造成的，也可能是由于剑麻叶片内部密排的纤维构成的结构的断裂引起波折现象［８］。
２．２ 含水率对切割应力的影响
试验以切割速度２５０ ｍｍ／ｍｉｎ，取干燥天数分别为０、３、９、１６ ｄ的根部材料并以侧面切割的方式做切割试验。结果（图５）表明，随着干燥天数的增加，含水率的减少，切割应力逐渐增加，第１６天时中部和根部最大分别为０．５４２、０．６１３ ＭＰａ，但影响并不是特别明显。含水率高的纤维柔软，而含水率低的纤维密度增大，剑麻的剪切强度因此增大。由于剑麻致密的表层机械纤维的保护，在自然风干的条件下，含水率下降不明显，因此曲线呈现平缓的上升趋势。
２．３ 切割速度对切割应力的影响
分别取剑麻根部和中部作为试样，切割速度分别取２０、５０、１００、２５０ ｍｍ／ｍｉｎ，并以正面、侧面、背面３种叶面位置进行切割试验。结果（图６）表明，正面切割时，中部和根部的切割应力都随着速度的增大而增大，增大到２．７８６ ＭＰａ和１．３３５ ＭＰａ；侧面切割时，中部和根部的切割应力都先略微增大到０．５２３ ＭＰａ和０．６０９ ＭＰａ，然后在呈现减小的趋势到０．４２０ ＭＰａ和０．４７６ ＭＰａ；背面切割时，中部和根部的切割应力都是先下降后上升，但中部应力下降到１．１５４ ＭＰａ后剧烈增加到１．７３６ ＭＰａ后略微下降到１．６７５ ＭＰａ，根部较为平缓，从１．０６ ＭＰａ减小到０．８６４ ＭＰａ后增大到０．８９２ ＭＰａ最终到１．３２0 ＭＰａ。速度越大应力越大，切割过程中剑麻出现弯曲影响剪切力的大小。由图６ａ和６ｃ可知，剑麻切割应力随着割刀平均切割速度的增大而增大，但并非呈明显的线性关系。这主要是因为剑麻相当于非弹性体，在纤维层内应变传递的速率很大，当刀刃以快速作用于纤维层时，纤维层的变形集中在刀刃附近［９］。此外，当割刀的平均切割速度增大时，单位时间内被刀刃挤压的纤维层厚度也增大，故所需的切割力增大。侧面切割时，由于剑麻叶片较薄，在受到切割载荷时会发生弯曲的现象，使得纤维不仅没有切断反而聚集在一起产生较大的切割应力，从而切割应力出现上升的趋势，当纤维逐渐断裂后，切割力便渐渐减小。
速度在２０～１００ ｍｍ／ｍｉｎ时，应力曲线较为平缓，再结合生活实际和高效率生产的原则，因此选择１００ ｍｍ／ｍｉｎ的速度切割剑麻，切割耗时少，应力较小。
２．４ 切割不同部位对切割应力的影响
分别取刚切割的剑麻根部和中部作为试样，切割速度分别取２０、５０、１００、２５０ ｍｍ／ｍｉｎ并以正面、侧面、背面３个方向进行切割试验。结果（图６）表明，正面切割、背面切割以及侧面切割时根部的应力比中部大。这是因为一般剑麻束纤维由５０～１５０根单纤维组成，而单纤维的数量极大影响了剑麻的力学性能。而剑麻根、中、梢部的单纤维根数有一定差异，差异率为１０％～２０％；而根部与中部相比，根部单纤维根数要比中部多出５％～１０％。中部的叶面表皮的纤维密度较根部小，叶片较薄，因此中部剪切时比根部更容易会出现弯曲现象，导致最大剪切应力偏高。
２．５ 切割叶面部位对切割应力的影响
分别取刚切割的剑麻根部和中部作为试样，以５０ ｍｍ／ｍｉｎ的切割速度以及正面、侧面、背面３个不同叶面部位。结果（图７）表明，侧面切割时切割应力最小，平均切割应力０．３６６ ５ ＭＰａ，容易切割。刀刃刚开始切割侧面时，侧面的叶表密排纤维与刀刃直接接触的面积比正面切割和背面切割面积小。随着刀的竖直向下位移的增大，切割应力也随着密排纤维的密度和面积的增大而增大，但较正面切割和背面切割的密度和面积都要小。因此侧面切割的剪切力在叶片横截面分布相对均匀。根据实际操作来看，剪切力均匀分布更易人工操作，其试验得到的数据方便剑麻收割机数的参数设置。
２．６ 切割方式对切割应力的影响
取刚切割的剑麻根部作为试样，用正面削切、侧面削切、背面正切的方式以１００ ｍｍ／ｍｉｎ的切割速度对试样进行切割，结果（图８）表明，侧面削切的方式切割应力最小为０．５２３ Ｍｐａ，正切的方式切割应力最大为１．４９３ ＭＰａ。
２．７ 角度对切割应力的影响
正面削切时取刚切割的剑麻根部作为试样，用正面削切的方式以１００ ｍｍ／ｍｉｎ的切割速度对试样进行削切，结果（图８）表明，以４５°进行正面削切切割应力最小为０．５９２ ＭＰａ，最易切割。
侧面削切时，取刚切割的剑麻根部作为试样，以１００ ｍｍ／ｍｉｎ的切割速度对试样进行切割，结果（图８）表明，侧面削切时切割应力随角度的增大而减小；侧面正切时，应力最大为０．８８６ ＭＰａ，相差不大。同时由图８也可看出，正面切割切时应力要大于侧面切割。
正切时，取刚切割的剑麻根部作为试样，在剑麻叶片背面用正切的方式以１００ ｍｍ／ｍｉｎ的切割速度对试样进行切割。结果（图８）表明，正切时随着角度的增大，切割应力先减小到０．４０４ ＭＰａ后增大到０．６８６ ＭＰａ并趋于平稳，在３０°时应力最小，最容易切割。
角度对应力的影响大致呈现先减小后增大的趋势，这可能是由于剑麻在不同方向上的机械性能并不相同。随着切割角度即剪切方向与叶面纤维的法线方向夹角的增大，刀刃沿着纤维径向位移，切割力在法线上的分力随着位移的增大而减小。同时刃口在切向沿茎秆产生滑移，刀刃起了切开茎秆纤维的作用，从而使得切割力减小［１０］。当角度增大到一定值后，应力开始呈增长趋势。这是因为刀具的楔角过小，而法向切削力逐渐增大，是由于随切削角的增加使得刀具的楔角逐渐减小，当楔角减小至仅凭法向切削力来切断茎秆时，切割力将随削切角增加而增大［１１］，因此应力增大。
３ 小结
随着剑麻含水率的减少，切割应力逐渐增加，刚切割的剑麻应力最小，但影响并不明显；随着剑麻根部和中部切割速度的增加，切割应力不断增加；对于剑麻的根部和中部，正面切割、背面切割以及侧面切割时根部的应力都比中部大；侧面切割的应力最小，正面切割的应力最大，对于剑麻的根部和中部，正面切割和背面切割时根部的应力比中部大，而在侧面切割中部比根部的应力小；在同样的条件下，削切的切割应力要小于正切的应力，在削切中侧面削切的应力最小。不同的角度对切割方式也有一定的影响，在正面削切时，切割应力先增大后减小，以４５°进行切割应力最小；侧面削切时切割应力随角度的增大而减小；正切时随着角度的增大，切割应力先减小后增大并趋于平稳，在３０°时应力最小。
切割剑麻的最小应力组合为切割速度１００ ｍｍ/ｍｉｎ，切割部位为中部，切割叶面部位为侧面，切割方式为削切，削切角度区为４５°～６０°之间某值。因此，在剑麻收割机的研制时可以考虑从中部通过削切的方式对剑麻叶面的侧面进行切割，将切割的角度设定在４５°～６０°之间某值，由于切割速度为１００ ｍｍ／ｍｉｎ在动力装置方面可以选择相应功率的电动机，以减少不必要的浪费。
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