摘 要：针对“龙麻3号”茎秆收获作业后剥麻机出麻率较低的问题，利用CTM2050微机控制电子万能试验机对“龙麻3号”茎秆进行压缩力学特性研究，以节间、含水率及压缩位置(有节与无节)为因素，以最大压缩载荷力为试验指标设计工业大麻区组试验方案。试验结果表明：节间、含水率、压缩位置3个因素对工业大麻茎秆最大压缩载荷力影响均显著，节间与含水率交互作用对结果影响不显著，节间与压缩位置交互作用对结果影响极显著，含水率与压缩位置交互作用对结果影响显著。多重比较分析可得：第6节间与第2节间、第4节间比较对结果影响极显著，“第2节间”与“第4节间”比较对结果影响显著；含水率23．3%与含水率34．9%、42．4%、55．7%、64．6%之间相互比较对结果影响均极显著，含水率34．9%与42．4%间相互比较影响显著，含水率42．4%与55．7%之间相互比较影响显著，含水率55．7%与64．6%之间相互比较影响显著。3个节间的工业大麻所受最大压缩载荷力大小的关系为“第6节”＞“第4节”＞“第2节”；5种含水率所受最大压缩载荷力大小的关系为23．3%＞34．9%＞42．4%＞55．7%＞64．6%；2个压缩位置所受最大压缩载荷力大小的关系为有节＞无节。研究结果可为剥麻机参数优化提供技术参考。
关键词：工业大麻；压缩；力学特性
0引言
我国工业大麻又被称为汉麻(CannabissativaL．)［1－2］，别名为线麻、火麻等，被称为“天然纤维之王”。古代时期，工业大麻纤维已经被普遍用作纺织原料，其编织物具有吸湿、透气性良好、抗菌等性能［3］，还具有散热、防霉、防辐射、抗紫外线和吸音等功效。综上所述，工业大麻是大麻科草本植物，具有极高经济价值［4－5］，其纺织产品各项性能高，且具有较好的实用价值［6－7］。
我国是工业大麻的主要生产国，黑龙江省为主要种植区域，约占全国工业大麻种植面积的60%，主要分布在绥化市安达、青冈、兰西，齐齐哈尔市讷河、克山，大庆市肇州，黑河市孙吴等县(市)，种植品种种类繁多。其中，“龙麻3号”为种植最广泛的品种之一。
工业大麻是一种可持续利用的能源作物［8］。在整个大麻生产过程中，纤维剥离是关键环节，但质量难以控制。在剥麻过程中，前端压辊对茎秆进行径向压缩，再通过导板送入旋转滚筒中进行连续刮打，把麻骨和麻壳击碎后从底部脱落，得到麻纤维，由上下光辊夹持送入接麻台。其力学特性主要是利用压辊和碎茎机的刮打对工业大麻茎秆进行压缩、剪切等力学破坏作用［9］，以便最终得到高质量的麻纤维。因此，研究工业大麻茎秆压缩力学特性可为后期设计加工处理等机械提供理论参考。
Khan等［10］研究了两个品种工业大麻茎秆的压缩特性，结果表明：工业大麻底部茎秆所需要的最大压缩力和压缩能较多；工业大麻茎秆轴向压缩比径向压缩的力和能量大。王伟等［11］对木薯茎秆进行了区组试验并测定了茎秆力学参数，得出不同生长部位、含水率对最大压缩载荷的影响均显著。马晓晓等［12］对番茄钵苗茎秆进行压缩力学试验研究，得出相同部位下，随着加载速度的增大，最大压缩载荷也增大。吴晓强［13］对大豆茎秆进行压缩力学特性试验，结果表明：含水率低的大豆茎秆最大压缩载荷、压缩强度、弹性模量均大于含水率高的大豆茎秆。周扬等［14］对工业大麻茎秆进行了径向压缩力学试验，得出了茎秆径向压缩弹性模量。马兰等［15］研究了工业大麻茎秆的轴向压缩力学特性，结果表明：茎秆从下至上的最大压缩载荷逐渐减小。以上作物茎秆与工业大麻茎秆物料形状相似，但物料特性方面存在较大差异，且国内外学者对工业大麻茎秆的力学试验研究仅仅测定了力学参数，目前为止，还未针对黑龙江省工业大麻品种进行力学试验研究以及对工业大麻茎秆力学特性进行区组的试验方法。
笔者主要研究“龙麻3号”工业大麻茎秆压缩力学特性，以节间、含水率及压缩位置(有节与无节)为因素，以最大压缩载荷力为试验指标设计工业大麻区组试验方案， 旨在为工业大麻加工处理机械的研究和设计提供参考。
1试验材料与方法
1.1试验材料的采集和制备
试验用工业大麻品种为“龙麻3号”取自绥化市青冈县迎春乡工业大麻种植基地。采集时，茎秆处于成熟期，随机选取茎秆没有弯曲、生长良好、无病虫害、无损伤的工业大麻植株，然后削去根须、顶部，并去除叶鞘等。最后，将处理好的工业大麻茎秆带回试验室，放于自然阴凉保湿条件下保存，以备试验。“龙麻3号”茎秆初始含水率为64.6%。
根据相关文献，压缩试样的长度统一为20mm,有节试样以节为中点，向两端各延长10mm,无节试样在节间中间处取20mm。制样方法如图1所示。按照上述方法制取的压缩试样如图2所示。
图1压缩试验制样方法
图2压缩试样
1.2试验仪器
试验设备包括CTM2050万能材料试验机、电热干燥箱等。
1.3试验设计与方法
试验以5种含水率(23.3%、34.9%、42.4%、55.7%、64.6%),2个压缩位置(有节、无节),3个节间(从根部往上第2、第4、第6节间)为因素(水平),为提高试验准确性，保证同一因素水平下进行3次重复试验。
将工业大麻茎秆放置在载物台上，载物台在步进电机的带动下以10mm/min的速度向上运动，当茎秆和夹具相接触时，在电脑和万能试验机配套的软件中显示压缩载荷数据，记录数值中的最大值，每组进行3次试验，取平均值，如图3所示。
图3压缩试样方法
压缩试验后，立即进行含水率测量试验。含水率测量试验中，将试验后的试样分为3组放入托盘天平中称量，精确到0.01g；湿重为M1；然后，放入干燥箱以100℃的温度下干燥10h后，将试样取出进行第1次称量；接下来每间隔3h称量一次，直到两次称量之差小于0.01g时，即试样完全烘干；取出试样后放至干燥皿中恢复到室温，然后称重试样为干重M2。测量3组试样的含水率取均值为该批次试验的含水率，本文采用湿基含水率测量，茎秆含水率为
式中ω—湿基含水率(%)；
M1—物料湿重(g)；
M2—烘干后物料干重(g)。
2试验结果与方法
2.1工业大麻茎秆压缩过程分析
压缩试样试验后的载荷位移曲线如图4所示。由图4可以看出：试验开始后，夹具与试样接触时随着位移的增大，载荷几乎不变，是由于茎秆内部中空的原因；随着位移的继续增大，载荷近似呈线性增大，当增大到最大载荷时，试样破裂，载荷急剧减小，绝对载荷瞬间减弱，试验机自动停止。观察压缩过程中发现：试验试样断裂时，均有响声发出，当载荷完全使试样破坏时，裂纹一般沿茎秆径向破裂为4瓣。
图4压缩载荷-位移曲线
2.2工业大麻茎秆压缩特性分析
通过数据处理，得到不同试验条件下茎秆压缩时的最大压缩载荷力均值，如表1所示。
表1工业大麻最大压缩载荷力
2.2.1节间与含水率对最大压缩载荷的影响
用Origin数据统计软件处理表1的数据，绘成点线图直观地表现最大压缩载荷和这些因素之间的关系，如图5所示。
图5不同节间与含水率对最大压缩载荷的变化
根据图5分析得出：工业大麻茎秆第2、4、6节间最大压缩载荷均随着含水率的增加而逐渐减小。原因是茎秆含水率越高其硬度越低，当压缩夹具触碰到压缩试样时造成的阻力越小；反之，茎秆含水率越低其硬度越大，所产生的最大压缩载荷也就越大。茎秆同一节间、同一含水率有节试样最大载荷均大于无节试样最大载荷，是由于有节部位比无节部位结构组成更加紧密，木质化程度更高，所需要的最大压缩载荷更大。
2.2.2压缩位置有含水率对最大压缩载荷的影响
根据图6分析得出：工业大麻茎秆有节与无节时最大压缩载荷均随着含水率的增加而减小；无论有节与无节时，工业大麻茎秆所受最大压缩载荷大小关系均为第6节间>第4节间>第2节间。原因是工业大麻茎秆几何形状可定义为一个内部空心圆形管状结构，其茎秆从第2节到第6节外茎逐渐减小，内径也随之减小，从而越往上内部结构越稳定，所承受的最大压缩载荷越大。
图6不同压缩位置与含水率对最大压缩载荷的变化
2.2.3最大压缩载荷方差分析
运用Spss24.0数据统计分析软件处理表1的数据，结果如表2所示。由表2可知：模型显著，节间、压缩位置、含水率对最大压缩载荷极显著，节间与压缩位置的交互对工业大麻茎秆最大压缩载荷影响显著，含水率与压缩位置的交互对结果影响极显著，节间与含水率的交互对工业大麻茎秆最大压缩载荷的结果影响不显著。
表2最大载荷方差分析表
为进一步确定节间、含水率与压缩位置的水平对最大压缩载荷力的影响，进行多重比较分析，结果如表3和表4所示。试验没有对压缩位置进行在此之后检验，原因是水平小于3。
表3节间多重比较分析
从表3可以看出：第6节间与第2节间、第4节间比较对结果影响极显著，第2节间与第4节间比较对结果影响显著。
表4含水率多重比较分析
由表4可以看出：含水率23.3%与含水率34.9%、42.4%、55.7%、64.6%之间相互比较对结果影响均极显著，含水率34.9%与42.4%之间相互比较影响显著，含水率42.4%与55.7%之间相互比较影响显著，含水率55.7%与64.6%之间相互比较影响显著。
3结论
1)试验表明：
径向压缩过程中，随着位移的增大，载荷几乎不变；位移继续增大，载荷近似呈线性增大，当增大到最大载荷时，试样破裂，载荷瞬间减小。
2)数据分析可得：
工业大麻茎秆第2、4、6节间最大压缩载荷均随着含水率的增加而逐渐减小；茎秆同一节间、同一含水率有节试样均大于无节试样最大载荷；茎秆有节与无节时最大压缩载荷均随着含水率的增加而减小；无论有节与无节时，工业大麻茎秆所受最大压缩载荷大小关系均为第6节间>第4节间>第2节间。
3)通过区组试验后进行方差分析，结果表明：
含水率、节间和压缩位置对工业大麻茎秆最大压缩载荷力均有极显著影响，节间与含水率交互作用对结果影响不显著，节间与压缩位置交互作用对结果影响极显著，含水率与压缩位置交互作用对结果影响显著。
4)多重比较分析可得：
第6节间与第2节间、第4节间比较对结果影响极显著，第2节间与第4节间比较对结果影响显著；含水率23.3%与含水率34.9%、42.4%、55.7%、64.6%之间相互比较对结果影响均极显著，含水率34.9%与42.4%之间相互比较影响显著，含水率42.4%与55.7%之间相互比较影响显著，含水率55.7%与64.6%之间相互比较影响显著。
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文章摘自：陈达,赵建秋,宋江,刘博,王磊,衣淑娟.“龙麻3号”茎秆径向压缩力学特性试验[J].农机化研究,2022,44(09)：229-235.DOI：10.13427/j.cnki.njyi.2022.09.029.
