楊　望，莫興漫 ，楊　堅(jiān) ，袁付偉 ， 黃深闖

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004；2.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧　530004)

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易倒伏期甘蔗基本參數(shù)的試驗(yàn)研究

楊望1,2，莫興漫1，楊堅(jiān)1,2，袁付偉1， 黃深闖1

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004；2.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，南寧530004)

摘要：針對(duì)目前易倒伏期甘蔗的基本參數(shù)匱乏、甘蔗的倒伏動(dòng)力學(xué)機(jī)理和相關(guān)的數(shù)值模擬研究無(wú)法順利開展等問(wèn)題，采用物理試驗(yàn)和隨機(jī)抽樣的方法，對(duì)易倒伏期新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)品種甘蔗的幾何參數(shù)和物理特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，且進(jìn)行了相關(guān)的分析。結(jié)果表明：不同品種甘蔗的物理特性參數(shù)存在差異性，柳城03/1137號(hào)品種甘蔗比新臺(tái)糖22號(hào)的強(qiáng)度大，且相同品種不同甘蔗的個(gè)體其物理特性參數(shù)差別也較大；新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)品種甘蔗的葉片、葉中肋、根須、蔗皮軸向、蔗皮徑向、蔗芯軸向、蔗芯徑向的拉伸強(qiáng)度和莖稈軸向、徑向壓縮強(qiáng)度、莖稈軸向、徑向剪切強(qiáng)度及莖稈抗彎強(qiáng)度分別為13.0、13.6、19.2、40.2、1.6、1.2、0.4、5.1、1.5、0.9、0.7、8.5和12.3、14.0、19.3、41.6、2.0、1.2、0.3、5.9、1.6、1.0、0.8、8.8MPa。

關(guān)鍵詞：甘蔗；易倒伏期；基本參數(shù)；物理試驗(yàn)

0引言

收獲期甘蔗的基本參數(shù)已有了較多的研究，且取得了較多的成果[1-5]，但易倒伏期(臺(tái)風(fēng)多發(fā)期，每年7月至10月)甘蔗基本參數(shù)的研究未見(jiàn)有報(bào)導(dǎo)，其幾何參數(shù)和物理特性參數(shù)匱乏。易倒伏期甘蔗基本參數(shù)是開展甘蔗倒伏動(dòng)力學(xué)機(jī)理和抗倒伏技術(shù)措施研究的基礎(chǔ)，因此本文以廣西有代表性的新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)品種的甘蔗為對(duì)象，在甘蔗倒伏嚴(yán)重的月份對(duì)甘蔗的幾何參數(shù)和物理特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，為開展甘蔗倒伏動(dòng)力學(xué)機(jī)理和抗倒伏技術(shù)措施的研究提供依據(jù)。

1甘蔗的幾何參數(shù)

甘蔗幾何參數(shù)測(cè)量使用的主要工具有卷尺、直尺及千分卡尺等。甘蔗的取樣采用隨機(jī)抽樣的方法進(jìn)行，即隨機(jī)在新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)甘蔗種植地分別取15個(gè)取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)選取1棵通直且無(wú)蟲害的甘蔗進(jìn)行測(cè)量。甘蔗取樣時(shí)，先將甘蔗從地里挖起，且盡量保持甘蔗根系的完整性，然后清理附著在根須上的泥土及莖稈上的枯葉。甘蔗取樣地為廣西武鳴縣太平鎮(zhèn)甘蔗種植基地，取樣試驗(yàn)時(shí)間為2014年7月。試驗(yàn)樣本甘蔗的種植日期：2013年12月，行距為1.3m。

1.1　葉子

甘蔗葉子的生長(zhǎng)如圖1所示。

圖1　甘蔗

葉子在莖稈兩側(cè)呈近似對(duì)稱分布，且在莖稈上高度近似相等、對(duì)稱生長(zhǎng)的兩片葉子(簡(jiǎn)稱葉子對(duì))。其幾何參數(shù)差異性小，但在莖稈上不同高度生長(zhǎng)的葉子幾何參數(shù)差異性大，因此在測(cè)定葉子幾何參數(shù)時(shí)，從下到上測(cè)定不同葉子對(duì)的單邊葉子幾何參數(shù)，測(cè)量的葉子參數(shù)如圖2所示。其中，h1、h2、l1、l2分別是葉子的前端寬度、最大寬度、前端至最大寬度處的距離和葉子長(zhǎng)度。同時(shí)，測(cè)量葉頂距h3(葉子與莖稈交接處至莖稈頂端的距離)。隨機(jī)抽樣測(cè)得新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)兩個(gè)品種的葉子對(duì)數(shù)目平均為8對(duì)，葉子幾何參數(shù)平均值分別如表1、表2所示。

圖2　葉子的測(cè)量參數(shù)

葉子對(duì)序號(hào)平均值/mmh3l1l2h1h211403430116530412113639811502845388540011822743467340812032846540932211212643621045211052642770428120727398036112132739

表2　柳城03/1137號(hào)葉子幾何參數(shù)

1.2　莖稈

甘蔗莖稈基本呈圓柱形，不同高度處的直徑有一定差異。本文按莖稈上、中、下3個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，取平均值。莖稈長(zhǎng)度為莖稈與地面接觸處至莖稈頂端的距離。隨機(jī)抽樣測(cè)得新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)的莖稈幾何參數(shù)平均值如表3所示。

表3　莖稈幾何參數(shù)平均值

1.3　根須

甘蔗根須分層生長(zhǎng)，密而且多，本文在甘蔗樣本隨機(jī)抽樣的基礎(chǔ)上每層只隨機(jī)抽樣10條根須進(jìn)行幾何參數(shù)測(cè)量。新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)的根須和根的幾何參數(shù)平均值如表4所示，測(cè)得兩個(gè)品種的平均根須層數(shù)均為3層。

表4　根須幾何參數(shù)平均值

2甘蔗物理特性參數(shù)

2.1　密度和含水率

2.1.1密度

甘蔗葉子、莖稈、根須等的密度測(cè)量在室內(nèi)進(jìn)行。采用的儀器有電子秤(精度為0.01g)、大量筒(精度為5ml)、小量筒(精度為1ml)、剪刀及鋼鋸等。

密度測(cè)量時(shí)，用電子秤測(cè)出待測(cè)材料的質(zhì)量，再用排水法測(cè)出待測(cè)材料的體積，由材料的質(zhì)量和體積算出材料的密度。

為了了解甘蔗葉子和莖稈的總密度及相應(yīng)各部位的密度，對(duì)葉子、莖稈和根須進(jìn)行整體測(cè)量；同時(shí)，對(duì)葉片、葉中肋、蔗皮和蔗芯的密度進(jìn)行測(cè)量。葉片和葉中肋、蔗皮和蔗芯分別如圖3、圖4所示。每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)5次。新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)的甘蔗密度測(cè)量結(jié)果如表5所示。

圖3　甘蔗葉子結(jié)構(gòu)

圖4　甘蔗莖稈結(jié)構(gòu)

品種平均密度/g·cm-3葉片葉中肋葉子蔗皮蔗芯莖稈根須新臺(tái)糖22號(hào)1.060.620.801.091.021.040.71柳城03/1137號(hào)1.040.560.741.080.991.010.71

2.1.2含水率

本文只測(cè)定甘蔗葉子和根須的含水率。含水率的測(cè)量采用電子秤(精度0.01g)和烘箱進(jìn)行。含水率測(cè)量時(shí)，用電子秤測(cè)出待測(cè)材料的鮮重，后將待測(cè)材料放入烘箱，在60℃溫度下烘干至恒定質(zhì)量(烘干時(shí)間約為10h)，再測(cè)出待測(cè)材料的干重，由鮮重與干重算出含水率。每個(gè)樣本試驗(yàn)重復(fù)5次。新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)的含水率測(cè)量結(jié)果如表6所示。

表6　含水率測(cè)定結(jié)果

2.2　力學(xué)特性參數(shù)

2.2.1測(cè)量方法和設(shè)備

甘蔗的力學(xué)特性參數(shù)按參考文獻(xiàn)[6-7]和木材力學(xué)特性參數(shù)測(cè)定方法進(jìn)行。測(cè)量試驗(yàn)主要采用的設(shè)備為NKK-4005微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(深圳市南方精科儀器設(shè)備有限公司，最大負(fù)荷5kN，負(fù)荷分辨率0.1N，負(fù)荷和變形測(cè)量精度均小于示值的±0.5%)，如圖5所示。測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，莖稈、蔗皮、蔗芯的試驗(yàn)樣本按莖稈高度方向的上、中、下3個(gè)部位進(jìn)行取樣。拉伸試驗(yàn)采用專用的波紋式拉伸卡頭進(jìn)行。在進(jìn)行根須拉伸試驗(yàn)時(shí)，為防止試樣被夾頭壓壞，在試樣的兩端包裹紗布。剪切試驗(yàn)的切刀為自制切刀，切刀寬度為17mm。莖稈的彎曲試驗(yàn)采用三點(diǎn)彎曲法進(jìn)行，下部支點(diǎn)的間距為100mm，試樣與支點(diǎn)接觸的部位涂一層石蠟以減少摩擦。試驗(yàn)的加載速率為2mm/min，每個(gè)隨機(jī)抽樣的甘蔗樣本其相應(yīng)的試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值進(jìn)行記錄。

圖5　NKK-4005微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

2.2.2測(cè)量的試樣

葉片、葉中肋、蔗皮軸向、蔗皮徑向、蔗芯軸向、蔗芯徑向、根須拉伸試樣如圖6、圖7所示，莖稈的軸向、徑向壓縮試樣如圖8、圖9所示，莖稈的徑向、軸向剪切試樣如圖10、圖11所示，莖稈的彎曲試樣如圖12所示。

圖6　葉片、葉中肋、蔗皮、蔗芯拉伸試樣

圖7　根拉伸試樣

圖8　莖稈軸向壓縮試樣

圖9　莖稈徑向壓縮試樣

圖10　莖稈徑向剪切試樣

圖11　莖稈軸向剪切試樣

圖12　莖稈彎曲試樣

2.2.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

表7為新臺(tái)糖22號(hào)甘蔗力學(xué)特性參數(shù)，表8為柳城03/1137號(hào)甘蔗力學(xué)特性參數(shù)。

表7　新臺(tái)糖22號(hào)甘蔗力學(xué)特性參數(shù)

續(xù)表7

表8　柳城03/1137號(hào)甘蔗力學(xué)特性參數(shù)

由表7、表8可知：除葉片拉伸強(qiáng)度和蔗芯徑向拉伸強(qiáng)度外，新臺(tái)糖22號(hào)的其余各項(xiàng)強(qiáng)度均比柳城03/1137號(hào)的小，說(shuō)明總體上柳城03/1137號(hào)比新臺(tái)糖22號(hào)的強(qiáng)度大，表明不同品種甘蔗的力學(xué)特性參數(shù)存在差異，其抗倒伏性不同。蔗皮的軸向拉伸強(qiáng)度最大，約為41MPa；其次是根須的拉伸強(qiáng)度，約為19MPa；再次為葉中肋的拉伸強(qiáng)度，約為14MPa；最小的是蔗芯的徑向拉伸強(qiáng)度，約為0.4MPa。蔗皮的軸向拉伸強(qiáng)度約為蔗芯的徑向拉伸強(qiáng)度的100倍，表明甘蔗的不同組成部分及同一組成部分的不同方向的拉伸強(qiáng)度差異較大。葉中肋的拉伸強(qiáng)度比葉片的拉伸強(qiáng)度大，原因是葉中肋中含有較多抗拉強(qiáng)度大的維管束。蔗皮和蔗芯的軸向拉伸強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于其徑向拉伸強(qiáng)度，原因是甘蔗莖稈內(nèi)包含大量平行于軸向排列且起到單向纖維作用的維管束，且維管束有了一定的木質(zhì)化，而維管束之間依靠強(qiáng)度低且含有大量糖分(液體)的基本組織連接，故蔗皮和蔗芯的軸向拉伸強(qiáng)度均遠(yuǎn)大于其徑向拉伸強(qiáng)度。莖稈的軸向壓縮強(qiáng)度大于其徑向壓縮強(qiáng)度，原因是徑向壓縮時(shí)維管束不起支撐作用，故莖稈的軸向壓縮強(qiáng)度大于其徑向壓縮強(qiáng)度。

同時(shí)，由表7、表8可知：新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)兩個(gè)甘蔗品種的力學(xué)特性參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)變化較大，最大標(biāo)準(zhǔn)差為6.8MPa，最小標(biāo)準(zhǔn)差為0.1MPa，最大變異系數(shù)26.1%，最小變異系數(shù)為6.6%，表明相同品種不同甘蔗的個(gè)體其力學(xué)特性參數(shù)差別較大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和材料力學(xué)分析，通過(guò)計(jì)算得到了新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)倒伏期甘蔗的葉片、葉中肋、根須的拉伸彈性模量和莖稈的抗彎彈性模量，如表9所示。

表9　彈性模量

由表9可知：新臺(tái)糖22號(hào)的葉片、葉中肋、根須和莖稈的彈性模量均比柳城03/1137號(hào)的小。

3結(jié)論

在甘蔗易倒伏期對(duì)廣西有代表性的新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)品種甘蔗的幾何參數(shù)和物理特性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)開展甘蔗倒伏動(dòng)力學(xué)機(jī)理和抗倒伏技術(shù)措施的研究具有重要的意義。研究表明：不同品種甘蔗的力學(xué)特性參數(shù)存在差異性，抗倒伏性不同；甘蔗的不同組成部分及同一組成部分的不同方向的拉伸強(qiáng)度差別較大，相同品種不同甘蔗的個(gè)體其力學(xué)特性參數(shù)差異性也較大；新臺(tái)糖22號(hào)和柳城03/1137號(hào)品種甘蔗的葉片、葉中肋、根須、蔗皮軸向、蔗皮徑向、蔗芯軸向、蔗芯徑向拉伸強(qiáng)度和莖稈軸向、徑向壓縮強(qiáng)度、莖稈軸向、徑向剪切強(qiáng)度及莖稈抗彎強(qiáng)度分別為13.0、13.6、19.2、40.2、1.6、1.2、0.4、5.1、1.5、0.9、0.7、8.5和12.3、14.0、19.3、41.6、2.0、1.2、0.3、5.9、1.6、1.0、0.8、8.8MPa。

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Experimental Study on the Basic Parameters of Sugarcane on Easy Lodging Period

Yang Wang1,2, Mo Xingman1, Yang Jian1,2, Yuan Fuwei1, Huang Shenchuang1

(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2.Collaborative Innovation Center for Sugar Industry of Guangxi, Nanning 530004, China)

Abstract：Due to lack of basic parameters of sugarcane on the easy lodging period, dynamics mechanism of sugarcane lodging and the related numerical simulation studies could not be studied smoothly. Using the method of physical experiment and random sampling, geometric parameters and physical properties of ROC 22 and Liucheng No.03/1137 on easy easy lodging period were measured and analyzed.The results showed that differences of physical properties parameters exist in different varieties of sugarcane.The strength of Liucheng No.03/1137 is larger than ROC 22's.The physical characteristic parameters of sugarcanes on same variety are different. Leaves, leaf costa, roots, tensile strength of sugarcane skin and core on radial and axial, compression strength and shear strength of sugarcane stem on radial and axial, and bending strength of stem of ROC 22 and Liucheng No.03/1137 were 13.0, 13.6, 19.2, 40.2, 1.6, 1.2, 0.4, 5.1, 1.5, 0.9, 0.7, 0.9 and 0.7, 14.0, 19.3, 41.6, 2.0, 1.2, 0.3, 5.9, 1.6, 1.0, 0.8, 1.0 MPa, respectively.

Key words：sugarcane ; easy lodging period ; basic parameters ; experiment test

中圖分類號(hào)：S225.7+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)12-0143-06

通訊作者：楊堅(jiān)(1957-)，男，廣西合浦人，教授。

作者簡(jiǎn)介：楊望(1984-)，男，廣西合浦人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)yanghope@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51565003)；廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014GXNSFBA118279)；廣西教育廳高校科研項(xiàng)目(YB2014002)；廣西大學(xué)科研基金項(xiàng)目(XJZ130354)

收稿日期：2015-11-24