王 帥，張 彬，李顯旺，沈 成，田昆鵬，黃繼承

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

農(nóng)作物秸稈是一種重要的生物質(zhì)資源，全世界每年產(chǎn)量超過(guò)20億t。中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，其秸稈資源非常豐富，每年生產(chǎn)的農(nóng)作物秸稈超過(guò)7億t，其中玉米秸稈占其總量的三分之一[1-5]；但因秸稈物料松散、存儲(chǔ)困難，因此將秸稈打捆貯存，是降低秸稈原料的收集成本、促進(jìn)秸稈的規(guī)?；I(yè)利用的關(guān)鍵[6]。

在玉米收獲過(guò)程中，打捆作為玉米收獲過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是一直制約我國(guó)玉米產(chǎn)業(yè)更好發(fā)展的瓶頸。雖然現(xiàn)在針對(duì)玉米收獲的研究有很多，但這些研究的重點(diǎn)往往集中在機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)或局部?jī)?yōu)化等方向，忽視了對(duì)被加工物料玉米秸稈的力學(xué)特性的研究，致使現(xiàn)有機(jī)械不能更好地進(jìn)行作業(yè)。

此外，許多學(xué)者們針對(duì)小麥、向日葵、竹子等作物秸稈進(jìn)行了模型的建立及力學(xué)特性的分析，但是這些模型均是針對(duì)空心作物秸稈的，而對(duì)于玉米秸稈等實(shí)芯作物秸稈的加工具有一定的局限性[7]。

因此，本文以玉米鮮秸稈為試驗(yàn)對(duì)象，運(yùn)用復(fù)合材料力學(xué)理論建立玉米秸稈的力學(xué)模型，并利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定玉米秸稈的力學(xué)特性參數(shù)，從而確定玉米秸稈的本構(gòu)關(guān)系和材料特性，為研制出一種玉米秸稈青貯打捆收獲機(jī)提供理論依據(jù)和參考。

1 莖稈力學(xué)模型建立

1.1 玉米秸稈的組織結(jié)構(gòu)

玉米秸稈是一年生禾本科植物的植株，主要包括莖稈和葉兩部分[8-9]。莖稈主要由葉、青皮層及髓芯構(gòu)成。玉米秸稈的顯著特點(diǎn)為莖稈中含有較多的髓芯，青皮和髓芯的質(zhì)量比大約7∶3；此外，玉米莖稈有很多的節(jié)[10]。玉米秸稈由表皮組織、基本薄壁組織及維管組織構(gòu)成，其橫截面如圖1所示。

圖1 玉米秸稈截面圖

根據(jù)其他學(xué)者們的研究報(bào)道，秸稈的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，有較明顯的脈管結(jié)構(gòu)特征，不同的部位具有不同的細(xì)觀結(jié)構(gòu)[7]。例如：玉米秸稈表皮內(nèi)的機(jī)械組織，具有細(xì)胞小、排列緊密、無(wú)細(xì)胞間隙及在莖內(nèi)連成一環(huán)的特點(diǎn)；莖內(nèi)其余部分由基本組織充滿，外面多而小，向內(nèi)漸少，大維管束散生在基本組織中。維管束分布狀況為外面多且小，向內(nèi)逐漸變少且變大。因此，玉米秸稈這種試驗(yàn)材料在微觀尺度上具有明顯的不連續(xù)性，且空間排列的方向性明顯，從而導(dǎo)致了材料的各向異性[11-12]。

1.2 幾何模型的假定

本研究主要為玉米鮮秸稈的打捆提供理論依據(jù)，由于與葉子對(duì)打捆的影響相比，莖稈的影響更為重要，因此在進(jìn)行研究時(shí)，所取用的研究對(duì)象均為去除葉子之后的玉米莖稈。

玉米莖稈的橫截面近似圓形，橫截面從內(nèi)到外分別為髓芯及青皮層。因考慮到玉米秸稈個(gè)體之間以及不同部位之間的差異性，需對(duì)其幾何形狀進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化。假定玉米截面為某一直徑尺寸的圓形截面，各組分材料、直徑、壁厚均勻。根據(jù)玉米的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，假設(shè)玉米莖稈為雙層正交各向異性材料，并且橫觀各向同性；結(jié)構(gòu)對(duì)稱，不考慮節(jié)處徑向尺寸局部差異，也就是將其視為結(jié)構(gòu)通直；各部分纖維均沿軸向整齊的排列。因此，假設(shè)玉米秸稈的幾何形狀為雙層復(fù)合薄壁實(shí)芯圓柱體，如圖2所示。

圖2 玉米秸稈幾何模型

1.3 理論分析

根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)的理論，正交各向異性材料有9個(gè)獨(dú)立的彈性參數(shù)：橫向彈性模量Ex、Ey及軸向彈性模量Ez；3個(gè)剪切面的剪切模量Gxy、Gyz、Gzx；3個(gè)作用方向的泊松比Vxy、Vyz、Vzx。對(duì)于橫觀各向同性材料，橫向彈性模量滿足關(guān)系式(1)，即

Ex=Ey

(1)

軸向剪切模量滿足關(guān)系式(2),即

Gyz=Gzx

(2)

各向同性材料泊松比為0.3，且同性面內(nèi)橫向剪切模量Gxy滿足關(guān)系式(3)，即

(3)

2 玉米莖稈力學(xué)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

2.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

該試驗(yàn)設(shè)備采用的是SUNS-UTM6503微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，其測(cè)試量程為5kN，力傳感器和位移傳感器的精度都在±0.1%之內(nèi)。此外，其他輔助工具包括測(cè)試夾具、游標(biāo)卡尺及直尺等輔助測(cè)量工具。

2.1.2 試驗(yàn)材料采集與制備

1)采集。試驗(yàn)材料為已經(jīng)成熟但秸稈還新鮮的玉米植株，采集時(shí)間為2016年9月30日。采集樣本時(shí)，需挑選外徑相當(dāng)、秸稈通直、生長(zhǎng)良好、沒有病蟲害且未被破損及彎折的植株。采樣時(shí)，與地面平齊將植株切斷，去除根須、頂部、葉鞘及包葉等，將處理好的玉米秸稈帶回實(shí)驗(yàn)室，以備試驗(yàn)。

試驗(yàn)材料測(cè)量的莖稈材料含水率大約為：70%～80%。

2)制備。該力學(xué)試驗(yàn)主要分為兩大部分：一是玉米莖稈的彎曲試驗(yàn)；二是玉米莖稈的壓縮試驗(yàn)。其中，彎曲試驗(yàn)采用的是三點(diǎn)彎曲法；壓縮試驗(yàn)又分為軸向壓縮和徑向壓縮，考慮到玉米莖稈上節(jié)的影響，又將有節(jié)莖稈和無(wú)節(jié)莖稈進(jìn)行了區(qū)分。

該試驗(yàn)主要為打捆提供支持，因此試驗(yàn)對(duì)象為若干小段玉米莖稈，具體如下：

1)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)的莖稈試樣平均長(zhǎng)度為148mm，跨距為固定長(zhǎng)度100mm，共20組試樣，其平均直徑大約為21mm，如圖3所示。

圖3 玉米莖稈彎曲試驗(yàn)試樣

2)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)的莖稈試樣分為有節(jié)和無(wú)節(jié)兩部分，各40個(gè)試樣，每部分又分為兩小部分分別進(jìn)行軸向壓縮和徑向壓縮。試樣長(zhǎng)度大約38mm，直徑平均值為25mm，如圖4所示。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1彎曲試驗(yàn)

將測(cè)量好的莖稈試樣放在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)夾具的支座和壓頭間，使跨距滿足100mm，啟動(dòng)預(yù)緊力<5N，試驗(yàn)加載速度100mm/min，共20組試驗(yàn)。具體操作如圖5所示。

(a) 無(wú)節(jié)莖稈

(b) 有節(jié)莖稈 圖4 玉米莖稈壓縮試驗(yàn)試樣

圖5 玉米莖稈試樣彎曲試驗(yàn)過(guò)程

2.2.2 壓縮試驗(yàn)

將測(cè)量好的試樣放在兩壓塊之間，啟動(dòng)預(yù)緊力<5N，試驗(yàn)加載速度為100mm/min，按照有節(jié)軸向、有節(jié)徑向、無(wú)節(jié)軸向及無(wú)節(jié)徑向分別進(jìn)行20組試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

2.3.1 玉米莖稈彎曲過(guò)程分析

由圖6分析可以得出玉米秸稈試樣彎曲試驗(yàn)大致過(guò)程：當(dāng)載荷達(dá)到預(yù)加載荷時(shí)，計(jì)算機(jī)開始采集數(shù)據(jù)；在初始階段，載荷位移曲線近似呈線性關(guān)系，當(dāng)達(dá)到屈服載荷時(shí)，玉米秸稈開始屈服，并且維持一定時(shí)間；隨著位移繼續(xù)增加，載荷逐漸減小，最終在某一定值范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖6 彎曲試驗(yàn)載荷-位移曲線

試驗(yàn)達(dá)到屈服階段時(shí)，載荷大小有所波動(dòng)，這是因?yàn)橛衩捉斩捛嗥ぞ哂幸欢ǖ拇嘈?，試?yàn)過(guò)程中，逐漸劈裂導(dǎo)致的。此外，因試樣中部受到壓頭擠壓，導(dǎo)致秸稈有液體流出，試樣含水率越高，液體越多。

2.3.2 玉米莖稈彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1分析可得出：該批莖稈試樣直徑平均值為20.49mm，對(duì)這批試樣進(jìn)行彎曲破壞所需最大力均值為82.85N，彎曲彈性模量均值為72.35MPa。

表1 彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表1

2.3.3 莖稈壓縮過(guò)程分析

由圖7可看出：對(duì)于軸向壓縮試驗(yàn)，隨位移增加，載荷近似呈線性增加；當(dāng)載荷達(dá)到最大值后，試樣發(fā)生破壞，載荷隨位移增加而減小，此后載荷具有一定的波動(dòng)性；當(dāng)試樣壓實(shí)，載荷隨位移的增加而急速增大。

(a) 軸向壓縮

(b) 徑向壓縮 圖7 壓縮試驗(yàn)載荷-位移曲線

對(duì)于徑向壓縮試驗(yàn)：初始階段，載荷隨位移增加而緩慢增大，曲線近似呈線性關(guān)系；當(dāng)試樣壓實(shí)后，載荷急速增加，直到達(dá)到所設(shè)定的壓縮高度比；徑向壓縮試驗(yàn)，曲線波動(dòng)性較小。

軸向壓縮時(shí)，玉米秸稈皮、芯發(fā)生一定程度的分離，有些皮會(huì)出現(xiàn)局部劈裂，致使作用力有一定的波動(dòng)性；而徑向壓縮，秸稈皮也會(huì)劈裂，但試驗(yàn)對(duì)象為玉米鮮秸稈，含水率較高，使青皮和芯的韌性較強(qiáng)，因此作用力波動(dòng)性較軸向壓縮并不明顯。

2.3.4 玉米莖稈壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1)有節(jié)軸向壓縮。由表2分析可得出：該批莖稈試樣直徑平均值為27.83mm，對(duì)這批試樣進(jìn)行壓縮破壞所需最大力均值為709.11N，抗壓強(qiáng)度均值為4.80 MPa，壓縮彈性模量均值為31.90MPa。

2)無(wú)節(jié)軸向壓縮。由表3分析可得出：該批莖稈試樣直徑平均值為24.56mm，對(duì)這批試樣進(jìn)行壓縮破壞所需最大力均值為798.62N，抗壓強(qiáng)度均值為1.65 MPa，壓縮彈性模量均值為42.15MPa。

表2 有節(jié)莖稈軸向壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表2

表3 無(wú)節(jié)莖稈軸向壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)玉米鮮秸稈進(jìn)行彎曲、壓縮等力學(xué)特性試驗(yàn)研究，得出其載荷-位移等相關(guān)曲線，使我們更加了解玉米秸稈的彎曲、壓縮等變化過(guò)程，為打捆關(guān)鍵部件壓縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)研究提供了參考依據(jù)。

2)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定出玉米鮮秸稈承載能力大小依次為：有節(jié)軸向壓縮、無(wú)節(jié)軸向壓縮、彎曲。該研究可為設(shè)計(jì)玉米秸稈打捆機(jī)時(shí)選擇破壞形式提供參考。

[1] 陳爭(zhēng)光，王德福，李利橋，等.玉米秸稈皮拉伸和剪切特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012,28(21):59-65.

[2] Kronbergs E. Mechanical strength testing of stalk materials and compacting energy evaluation[J].Industrial Crops and Products,2000(11):211-216.

[3] 王琪，史宇亮，李濟(jì)寧，等.玉米秸稈板加工工藝優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007,38(8)：199-201.

[4] 韓魯佳，閆巧娟，劉向陽(yáng)，等.中國(guó)農(nóng)作物秸稈資源及其利用現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002,18(3):87-91.

[5] 劉婭.農(nóng)作物秸稈治理與綜合利用[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2003(1)：18-23.

[6] 王鋒德，陳志，王俊友，等.4YF-1300型大方捆打捆機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009,40(11):36-41.

[7] 廖娜，韓魯佳，黃光群，等.基于ANSYS的玉米秸稈軸向壓縮過(guò)程數(shù)值模擬研究[C]//中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)2009年學(xué)術(shù)年會(huì)，2009.

[8] 高振華，邸明偉.生物質(zhì)材料及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[9] 劉一星，趙廣杰.木質(zhì)資源材料學(xué)[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2006.

[10] 陳聲顯.玉米秸稈力學(xué)模型及壓縮成型設(shè)備研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2011.

[11] 孟海波.秸稈切割破碎與揉切機(jī)刀片耐用性試驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005.

[12] 崔英.實(shí)芯植物秸稈的力學(xué)模型及受壓縮狀態(tài)應(yīng)力分析研究[M].北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2005.