树枝直刃剪切数学模型与试验

【目的】基于材料力学和弹性地基梁理论对直刃刀片剪切树枝过程进行理论建模,并根据该模型计算出直刃刀片剪切树枝所受的剪切力。【方法】以石硖品种龙眼树枝为试验材料,利用万能材料试验机和摩擦试验台等仪器测定龙眼树枝的相关力学特性参数和滑动摩擦因数,测量并用模型计算树枝不同含水率(w)、直径和不同刀片刃角下动刀片剪切龙眼树枝的峰值剪切力,剪切试验所用刀具的刃角分别为10°、20°和30°。【结果】当树枝直径为20.4 mm、相对含水率为76%、刀片刃角为20°时,刀片剪切力理论计算曲线与试验曲线趋势一致,峰值剪切力的误差约为2.3%;当树枝直径为15.3 mm,刀片刃角为20°,且树枝含水率大于纤维饱和点(30%)时,刀片峰值剪切力随含水率升高而增大,计算值在试验值的误差范围内;当树枝直径为24.6 mm、含水率为76%,且刀片刃角从10°增大到30°时,峰值剪切力显著增大,计算值处于试验值的误差范围内。【结论】该理论模型可用于预测剪切力并分析不同力学参数对峰值剪切力的影响,为修剪机具剪切机构的设计和优化提供参考。     

基于抚育整枝目标的毛白杨枝条冲击切割性能适应性分析

【目的】为了提高毛白杨枝条冲击切割效率并改善切割效果,通过研究枝条内部因素对切割性能的影响,对毛白杨枝条的冲击切割性能进行适应性分析。【方法】以我国华北地区林场广泛种植的速生林品种毛白杨的枝条为研究对象,使用自制的枝条切割平台进行枝条切割试验。在单因素试验的基础上采用Box-Benhnken中心组合试验方法,通过试验和理论研究枝条直径、含水率和分枝角度3个内部因素对峰值切割力和断裂效果的影响规律。【结果】（1）建立了毛白杨枝条冲击切割性能的切割机理模型;（2）通过对模型进行优化分析,得到最优参数组合为枝条直径14.7 mm、含水率14.0%、分枝角度90°,该组合下的峰值切割力为370.48 N,断裂效果评分为4.6分,峰值切割力和断裂效果分数的预测值与实测值的相对偏差均小于5%;(3)峰值切割力与枝条直径呈线性增长关系,随枝条含水率的增大呈先增大后减小的趋势,随着分枝角度的增大而小幅增大。【结论】选择树龄为7年时进行修枝作业,作业的季节选择秋冬季,可以获得较优的修枝质量,该研究可为速生林修枝装备的研发与林木抚育方式的优化结合提供数据支撑。     

剪切速率对结构性黄土力学性质的影响

以天然黄土为对象,采用在不同含水率和剪切速率下的固结不排水剪(CU)三轴试验,研究剪切速率对结构性黄土力学性质的影响。发现天然黄土的不同力学性状受剪切速率的影响各异。在高剪切速率下,天然黄土的应力应变关系曲线产生应变软化现象;随剪应变率的增大,峰值强度、凝聚力C呈现先增大后减小的特征;但是内摩擦角受剪切速率的增加,其值呈现减少趋势。     

不同含水率对四倍体刺槐抗弯强度及弹性模量的影响

为研究四倍体刺槐在弯曲负荷作用下破裂或折弯的变化规律,用数理统计的方法在万能力学试验机上对不同含水率的四倍体刺槐枝条的弯曲力学特性进行了研究。结果表明,4种含水率水平下,四倍体刺槐在弯曲载荷作用下的抗弯强度为54.12～94.42 MPa、弹性模量为4.81～9.30GPa。四倍体刺槐枝条的最大载荷在各个含水率水平下均随枝条直径的增大呈线性提高。四倍体刺槐的抗弯强度及弹性模量与含水率水平成一元线性相关关系,随含水率水平的降低四倍体刺槐的抗弯强度及弹性模量呈线性增大。     

基于土粒与含水率变化规律的触土部件黏附特性研究

为研究土壤干燥过程中触土部件与土壤之间的黏附特性变化，以16种不同颗粒直径与含水率的湿土壤为试验材料，先进行金属板（65Mn钢）斜坡滑落试验，测量土壤颗粒直径、含水率高低与金属触土部件之间的黏附力大小关系，然后利用显微镜装置观察土壤样品的微观结构以及干燥过程中土壤与金属板的黏附现象。结果显示，含水率为30%、40%的土壤在金属表面上滑落后产生的“痕迹”比含水率为10%、20%的土壤更为明显。其中，含水率30%、颗粒直径10~50 μm的土壤具有最大黏附力，在土壤干燥前后，颗粒直径、俯视周长和俯视面积的差异随含水率和颗粒直径的增加而增大；干燥过程中，颗粒之间的间隙逐渐减小，某些颗粒出现“扩散”“收缩”等现象，部分颗粒会发生相对位移，其中30%含水率，颗粒直径为10~50 μm的相对位移最大，为13.78 μm。随含水率的增加，土壤黏附力先增大后减小；随着颗粒的减小，土壤黏附力逐渐增大，含水率在30%以下，干燥前后颗粒位移量越大，土壤黏附力越强。结果表明，含水率为30%、颗粒直径在10~50 μm范围内的土壤表现出最强黏附力，并在干燥过程中呈现出颗粒相对位移最大的现象。     

柠条剪断力与刀具前角之间关系的研究

设计了前角分别为300、30°、45°、50°、60°、70°的切刀,对含水率为55%左右,直径为10、11、12、13、14、15 mm的鲜柠条进行了剪切实验,分析了刀具前角对柠条剪切力的影响.结果表明,相同直径的柠条剪断力平均值有随刀具角度增大而增大的趋势,相同前角的刀具剪切柠条时,剪断力半均值有随柠条直径的增大而增大的趋势.     

固沙先锋树种沙柳枝条力学特性及其影响因素

以内蒙古干旱半干旱沙区固沙先锋树种沙柳(Salix psammophila)枝条为对象,研究其冬季休眠期抗拉、抗剪与抗弯力学特性,分析枝条长度、直径及其化学组分等对其力学特性的影响,为丰富植物固沙能力的评估指标体系,也为沙柳平茬机具的研制提供生物力学依据。结果显示:在测试径级0.5~2.5 mm时,沙柳枝条的极限抗拉力为14.05~52.02 N、抗剪力为16.26~80.04 N、抗弯力为1.02~3.54 N,均随着直径的增大而增大,应力直径递增函数不同;极限抗拉强度为8.96~66.19 MPa、抗剪强度为8.04~39.87 MPa、抗弯强度为1 566.46~46.71 MPa,均随直径的增大而减小,应力强度-直径递减函数不同。表明直径是影响枝条力学特性的重要影响因子。随着枝条长度的增长,其抗弯强度呈增大的趋势,而抗拉强度和抗剪强度无明显的变化规律;沙柳枝条极限抗拉力均值36.19±3.29 N>抗剪力均值 50.04±4.54 N,枝条极限抗拉强度均值31.01±2.81 MPa>抗剪强度均值16.98±1.54 MPa,说明枝条易破坏外力类型为剪切力。沙柳枝条抗拉强度、剪切强度和抗弯强度与纤维素、半纤维素含量呈显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)正相关,与木质素含量呈显著正相关(P<0.05)。试验结果表明影响枝条抗拉、抗剪和抗弯强度的因素中纤维素和半纤维素起主要作用,其次是木质素含量。     

收割期苎麻底部茎秆剪切的机械物理特性与参数

以华苎4号苎麻为试验材料,测定了收获期其茎秆底部切割区的剪切机械物理特性与参数.结果表明:苎麻底部茎秆最大抗剪强度平均值为64.1MPa,最大剪切破坏力平均值为6435N;剪切破坏力随茎秆直径增大而增加,但直径相近时,其剪切特性主要受苎麻成熟度、含水率等因素的影响;苎麻茎秆的剪切机械物理特性和参数与其木质部力学特性和参数有差异.     

3种植物枝条抗拉和抗弯特性研究

本文采用轴向拉伸试验和悬臂梁试验,研究3a～ 4a生的白沙蒿、柠条和沙棘枝条的抗拉特性和抗弯特性.结果表明:3种植物枝条的抗拉特性相似,其抗拉力均随直径的变化呈幂函数增大的趋势,抗拉强度随直径的增大呈幂函数减小的趋势,3种植物枝条的抗拉力和抗拉强度比较均为柠条＞白沙蒿＞沙棘.3种植物枝条的抗弯特性为:柠条和沙棘枝条的抗弯力与直径呈幂函数正相关关系,白沙蒿枝条的抗弯力与直径呈线性关系.3种植物抗弯强度均随直径的增大而减小.     

橡胶子粒的物理特性测定

为提高橡胶[Hevea brasiliensis(Willd.ex A.Juss.)Muell.Arg.]子粒综合利用水平,研制高效率的橡胶籽粒脱壳装置,对橡胶子粒的三维几何尺寸、质量、密度、破碎力、静摩擦系数等物理特性进行了测定。结果表明,橡胶子粒的几何平均直径和算术平均直径都随着子粒含水率的增加而减小,当含水率达到35.4%时出现最小平均直径,分别为20.883、20.633 mm;橡胶子粒的球度随着含水率的增大从0.850增大到0.868,呈现出较好的线性关系;而表面积与含水率却是出现先减小、后增大的变化,当含水率为35.4%时,表面积出现最小值;橡胶子粒的单粒重、体积和密度与含水率均呈明显的线性关系,都随含水率的增大而增大;橡胶子粒在钢板和木板上的静摩擦系数变化范围分别为0.254~0.331、0.222~0.417,且均呈明显的线性增长;橡胶子粒在不同方向的破碎力与含水率的关系有所不同,长度方向和厚度方向的破碎力随含水率升高呈线性下降趋势,宽度方向则先减小、后增大。该研究结果可为橡胶子粒脱壳、榨油、分离等相关机械的设计生产提供基础数据,并可为橡胶子物理特性研究提供原始的参数。