word文檔可自由復(fù)制編輯青蒿莖稈力學(xué)性能研究試驗摘要：為給設(shè)計青蒿收割機(jī)構(gòu)提供參數(shù)依據(jù)，對收獲期青蒿莖稈的力學(xué)性能以及與含水量的關(guān)系進(jìn)行了試驗研究。試驗表明：處于收獲期青蒿莖稈的含水率穩(wěn)定在48.9%，莖稈的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度變化不大，分別集中在14.52～14.78MP和9.62～11.02MP；抗拉強(qiáng)度隨含水率的增大而增大，其值集中在18.96～30.14MP；破壞時所需的平均最大彎曲力隨著含水率的增大而降低，其值集中在246.66～527.83N；青蒿莖稈截面最大吸收功為61.77J，最大沖擊韌性為1.703J/cm2。關(guān)鍵詞：抗剪強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度；彎曲力；含水率ExperimentlStudyOnMechanicalPropertiesOfArtemisiaAnnuaStemTestCHEN-cong,ZHUHai-feng,ZHOUYa-bo,ZHUXian-lei,LIRui-feng(ChangshaUniversityOfScience&Technology,Chngsha410004,China)Abstract:ForthedesignparametersfortheharvestofArtemisiaannuaagencies,ThemechanicalpropertiesofstemharvestofArtemisiaannuaanditsrelationshipwithwatercontentwerestudied.Testsshowedthat:AtharveststemofArtemisiaannuastableat48.9%moisturecontent,shearstrengthstalk,littlechangeincompressivestrengthwereconcentratedin14.52~14.78MPand9.62~11.02MP;increasedtensilestrengthwithmoisturelargeandincreasingitsvalueconcentratedin18.96~30.14MP;requiredthedestructionofthebendingforceincreaseswiththeaveragemaximummoisturecontentdecreasesitsvaluefocused246.66~527.83N;annuastemcross-sectionmaximumabsorbedenergyis61.77J,thebiggestimpacttoughness1.703J/cm2.Keywords:shearstrength;tensilestrength;compressivestrength;bendingforce;moisturecontent0前言青蒿，一年生草本植物，為菊科艾屬植物黃花蒿。近年來醫(yī)學(xué)界在青蒿素研究上取得了突破性成果[1]，市場對于青蒿素的需求量大大增加；青蒿作為提取青蒿素的原材料，其供應(yīng)問題在大批量生產(chǎn)中已經(jīng)成為人們重視的一個問題。目前對于青蒿機(jī)械化收割的裝置機(jī)構(gòu)的研究，國內(nèi)外基本處于真空狀態(tài)；而與青蒿莖稈生物性能相近的蘆葦，玉米秸稈的收割均早已采用機(jī)械化模式收割[2-8]，這大大節(jié)省了生產(chǎn)成本；所以青蒿莖稈機(jī)械化收割是大力發(fā)展青蒿及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。本研究是要通過試驗得到青蒿的莖稈力學(xué)性能，為青蒿莖稈的收獲及深加工機(jī)具的設(shè)計提供必要的基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)，該試驗具有一定的實際應(yīng)用價值[9，10]。1材料與方法1.1材料試驗材料選取湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)蕓園青蒿種植基地的成熟期青蒿莖稈，第一批采集時間為2011年9月，第二批采集時間為2012年3月，第三批采集時間為2012年9月；選取生長圓、直的青蒿植株，帶回試驗室進(jìn)行處理后，獲得試驗試件的半成品。根據(jù)各試驗對材料的不同要求，列出實驗材料規(guī)格如表1所示：表1試驗材料規(guī)格Table1Testmterilspecifictions材料尺寸剪切試驗彎曲試驗拉伸試驗壓縮試驗MaterialsizeShearingexperimentBendingexperimentDrawingexperimentCompressingexperiment長度（mm）橫截面直徑（）～～～～Transversesectiondiameter1.2方法在采用的試樣中剔除霉變、受害蟲或表皮剝落損傷等現(xiàn)象的樣品，選主莖順直且粗細(xì)均勻、主根端直無分叉的青蒿；根據(jù)試樣橫截面直徑大小選取有效試件，相近直徑的分為一組，每批試樣分為4～6組。然后分別在萬能材料試驗機(jī)上進(jìn)行剪切、三點彎曲、拉伸及壓縮試驗。對于拉伸試驗試件需做如下處理：首先取300mm的青蒿莖稈，手工剝?nèi)ケ砥だw維，再用小刀在該試件中部的2/3范圍內(nèi)削細(xì)青蒿莖稈，最后用砂布打磨削細(xì)部分，使試樣中部光滑均勻。經(jīng)處理的試件兩端不打滑，且能在指定位置斷裂。圖1萬能試驗機(jī)上青蒿莖稈試驗Fig.1Artemisiaannuastemsexperimentonuniversaltestingmachine1.3試驗儀器設(shè)備電子式萬能材料試驗機(jī)（HY-0350

），電子天平，高溫干燥箱（8401-AX），游標(biāo)卡尺等。2結(jié)果與分析2.1剪切試驗數(shù)據(jù)本試驗共分三批，每批取十組試件。分別將三批試樣在電子式萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行剪切試驗，試驗后進(jìn)行含水率的測定，將電腦輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理得到最大抗剪強(qiáng)度并觀察試件抗剪強(qiáng)度隨直徑和含水率的變化。三批次的平均抗剪強(qiáng)度和偏差率分別為：第一批為14.65MP，偏差率為0.11；第二批為14.52MP，偏差率為0.19；第三批為14.78，偏差率為0.09。從試驗數(shù)據(jù)分析知：三批試樣的平均抗剪強(qiáng)度變化不大，三批試件的抗剪強(qiáng)度分別隨含水率的變化其變化幅度不大。因此，試件的剪切試驗說明：當(dāng)青蒿莖稈含水率穩(wěn)定在48.9%左右時，青蒿莖稈的抗剪強(qiáng)度與含水率無較明顯的關(guān)聯(lián)性，而與莖稈直徑有一定的聯(lián)系，隨著莖稈直徑的增大試件的抗剪強(qiáng)度隨之增大。（a）批次Batchtobatch（b）第三批抗剪強(qiáng)度隨含水率直徑的變化Thethirdinstallmentoftheshearstrengthwithmoisturecontentchangeindiameter圖2剪切試驗數(shù)據(jù)Fig.2TheanlysisofdiagrmSheartestdate彎曲試驗數(shù)據(jù)取含水率變化明顯的一二批試件比較，每批取十組試件；在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行三點彎曲試驗，彎曲試驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明：第一批試件與第二批試件的平均最大彎曲力比較，第一批試件的最大彎曲力為246.66N，偏差率為0.62；第二批試件的最大彎曲力為527.83N，偏差率為0.81。說明在彎曲試驗中，含水率對青蒿莖稈的變形影響較大，青蒿莖稈的最大彎曲力隨含水率的增大而減小。第二批試件的破壞所需的最大彎曲力隨直徑、含水率的變化為：隨著青蒿直徑的增大、含水率的降低。其彎曲強(qiáng)度隨之增大，即破壞所需的彎曲力越大。（a）批次Batchtobatch（b）第三批最大彎曲力隨含水率直徑的變化Thethirdinstallmentofthebiggestchangesinthemoisturecontentofthebendingforceindiameter圖3彎曲試驗數(shù)據(jù)Fig.3Theanlysisofdiagrmbendingtestdate2.3拉伸試驗數(shù)據(jù)同樣對三批拉伸試件每批十組試件在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗，試驗數(shù)據(jù)分析表明：當(dāng)平均含水率為48.9%時，其抗拉強(qiáng)度明顯高于平均含水率為22.71%時的抗拉強(qiáng)度。其中三批試件的平均抗拉強(qiáng)度和偏差率分別為：第一批29.68MP，偏差率為5.78；第二批18.96MP，偏差率為4.61；第三批30.14MP，偏差率為7.26。試驗結(jié)果說明當(dāng)平均含水率在48.9%，即第一、三批青蒿莖稈的抗剪強(qiáng)度相對較低，收貨時莖稈對機(jī)器零件的損傷較小。第三批試件的最大拉伸力比較圖顯示，隨著含水率的增大，其抗拉強(qiáng)度也隨之增大。由此說明：含水率越高、青蒿莖稈越大，其抗拉強(qiáng)度也越大。（a）批次Batchtobatch（b）第三批抗剪強(qiáng)度隨含水率直徑的變化Thethirdinstallmentchangesinthemoisturecontentofthetensileresistanceindiameter圖4拉伸試驗數(shù)據(jù)Fig.4Theanlysisofdiagrmdrawingtestdate2.4壓縮試驗數(shù)據(jù)對三批拉伸試件每批十組試件在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行壓縮試驗，試驗數(shù)據(jù)分析表明：三批試件的平均抗壓強(qiáng)度和偏差率分別為：第一批9.62MP，偏差率0.26；第二批11.02MP,偏差率0.17；第三批10.22MP，偏差率0.21。三批試件的平均抗壓強(qiáng)度隨直徑的對比圖顯示：試件的抗壓強(qiáng)度與試件的含水率之間無明顯的直接聯(lián)系，但是各批次試件隨著直徑的增大，抗壓強(qiáng)度隨之增大。因此試驗數(shù)據(jù)分析知：含水率在22.03%～時青蒿莖稈的抗壓強(qiáng)度與含水率無明顯關(guān)聯(lián)，但與直徑相關(guān)，且隨直徑的增大而增大。（a）批次Batchtobatch（b）各批次抗壓強(qiáng)度隨直徑的變化圖Thegraphofcompressivestrengthwiththediameter圖5壓縮試驗數(shù)據(jù)Fig.5Theanlysisofdiagrmcompressingtestdate2.5含水率的測定及數(shù)據(jù)分別對三批不同采集時間的試件樣品進(jìn)行含水率的測定，試驗對含水率的測定選取剛做完力學(xué)性能的試件，用高溫干燥箱分別對三批次的青蒿莖稈進(jìn)行含水率的測定，試驗數(shù)據(jù)表明：第一批、第三批試件的平均含水率穩(wěn)定在48.0%～50.0%；而第二批試件平均含水率穩(wěn)定在22.03%；第二批試件含水率明顯較低是因為采集時間為第二年的3月份，青蒿莖稈木質(zhì)化的緣故。2.6沖擊韌度的測定及數(shù)據(jù)本試驗材料不參與其他試驗，與其他試驗材料獨立開來，從種植基地取植株時便與其他試驗進(jìn)行區(qū)別，試驗時將三組樣品的每份試件分成5小段（等分），按X—1、X—2、X—3、X—4、X—5（X表示組號）為每小段做標(biāo)記，每小段的中間開一小缺口。圖6由上圖分析得出，在10-60cm研究范圍內(nèi)，莖稈受沖擊吸收功與沖擊韌性隨高度變化不大，不同青蒿植株間同一高度吸收功變化比較大，而沖擊韌性變化不大。圖7上圖為吸收功隨截面積變化規(guī)律，由圖可知吸收功與截面面積成明顯線性關(guān)系，線性方程y=0.0132x-2.7106，相關(guān)系數(shù)R2=0.8751，非常接近1。實際試驗時，莖桿越粗，斷面吸收功也越大，與試驗數(shù)據(jù)很好的吻合。圖8由上圖可知：同一株青蒿橫截面積隨高度變化很小，而不同株間同一高度上的橫截面積變化很大，如上圖面積方差的比較；橫截面積是影響青蒿莖稈沖擊吸收功的重要因素，所以不同植株在同一高度上的莖稈沖擊吸收功差異很大，但是沖擊韌性波動并不大，沖擊韌性隨截面積變化無明顯規(guī)律。截面最大吸收功為61.774J，最大沖擊韌性為1.703J/cm2。3討論青蒿素的醫(yī)學(xué)價值巨大，然而作為提取青蒿素的原料青蒿的機(jī)械化生產(chǎn)程度基本處于空白；目前國內(nèi)外關(guān)于青蒿收割機(jī)構(gòu)的研究還處于起步階段，為此，采集整理青蒿莖稈的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，深入研究青蒿莖稈性能對青蒿收割機(jī)構(gòu)的設(shè)計和進(jìn)一步研發(fā)具有重要意義。本試驗通過多次采集青蒿莖稈試件，分別在萬能試驗機(jī)、高溫干燥箱上進(jìn)行了剪切、彎曲、拉伸、壓縮、含水率、沖擊韌度的試驗。從而研究不同時期不同石墩收獲青蒿莖稈對青蒿收割機(jī)械耗費動力的影響，進(jìn)而為其設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。4結(jié)論試驗證明青蒿莖稈的力學(xué)性能與其含水率、直徑密切相關(guān)。隨著含水率的增大，青蒿莖稈抗拉強(qiáng)度隨之增大，破壞所需的最大彎曲應(yīng)力隨之降低，但是剪切強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度變化不大；青蒿莖稈直徑越大，其所需的剪切力越大。同時青蒿莖稈的含水率與收獲季節(jié)有關(guān)，在秋季平均含水率在48.9%左右；翌年3月，青蒿莖稈的含水率在22.03%左右；同時通過沖擊韌度的試驗知沖擊韌性隨截面積變化無明顯規(guī)律。截面最大吸收功為61.774J，最大沖擊韌性為1.703J/cm2。參考文獻(xiàn)（Reference）[1]張東，楊嵐.青蒿葉藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)研究[J].中國藥學(xué)雜志.2010（5）：392-395[2]劉兆朋，謝方平.成熟期油