郭　茜， 張西良， 徐云峰， 李萍萍， 陳　成

[1.無錫技師學(xué)院(江蘇省無錫立信中等專業(yè)學(xué)校)電氣工程系，江蘇無錫 214053；2.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；3.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江 212013；4.南京林業(yè)大學(xué)森林資源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210037]

中國(guó)設(shè)施園藝面積已發(fā)展到420多萬hm2，占全世界面積的89.3%，其中茄子等茄果類蔬菜食用方便，富含維生素A、C以及多種有益礦物質(zhì)，深受消費(fèi)者喜愛，已成為目前主要的蔬菜作物。以茄果類為主體的藤莖類秸稈與殘茬數(shù)量巨大，為重要的生物資源，其開發(fā)利用日益受到重視[1]。這些秸稈還田破碎和腐熟處理困難，作業(yè)機(jī)械在設(shè)施園藝上難于展開[2-5]，隨意廢棄致使病蟲害嚴(yán)重發(fā)生，而普遍焚燒處理又嚴(yán)重威脅交通安全、污染社會(huì)環(huán)境[6]。因此，急須開展茄子藤秸稈資源化綜合利用研究。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)秸稈力學(xué)性能相關(guān)研究已有諸多報(bào)道。如O’Dogherty等測(cè)試得到麥稈的剪切強(qiáng)度為4.91～7.26 MPa，彈性模量為4.76～6.58 Gpa[7]。Chatopadhyay等在萬能試驗(yàn)機(jī)上對(duì)高粱莖稈的壓縮、剪切和彎曲特性進(jìn)行了測(cè)定，對(duì)壓縮強(qiáng)度、壓縮過程和彎曲過程中吸收的能量變化規(guī)律進(jìn)行了探索[8]。Chancellor試驗(yàn)測(cè)得梯牧草勁性模量為1 260～3 900 N/mm2[9]。泉裕巳等應(yīng)用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)甘蔗進(jìn)行拉伸、壓入和抗壓試驗(yàn)[10]。Prasad等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加載速度從20 cm/min增加到100 cm/min，玉米稈的平均最大剪切強(qiáng)度從3.3 MPa降低到2 MPa[11]。陳爭(zhēng)光等通過試驗(yàn)研究得到，影響剪切強(qiáng)度較顯著的因素為剪切速度和含水率[12]。于勇等研究了玉米秸稈不同部位的含水率特性和拉壓特性[13]。李玉道等對(duì)棉花秸稈的剪切力學(xué)性能試驗(yàn)表明，秸稈的剪切強(qiáng)度與含水率關(guān)系密切，并且確定了剪切強(qiáng)度與剪切功之間的關(guān)系[14]。孫占峰等通過試驗(yàn)研究了稻草秸稈的壓縮、剪切和彎曲力學(xué)特性[15]。

從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，研究主要集中在高粱、小麥、玉米、棉花等農(nóng)作物秸稈力學(xué)特性上，以試驗(yàn)研究為主，而對(duì)于如茄子藤這樣的藤莖類秸稈的力學(xué)特性研究卻少見報(bào)道[16-18]。秸稈資源綜合利用的首要環(huán)節(jié)就是秸稈切割，而切割時(shí)秸稈的品種、成熟狀況、收割后存放風(fēng)化時(shí)間(具有不同的含水率)、不同部位微觀組織結(jié)構(gòu)及其橫截面積、連接方式等因素都與其力學(xué)特性有著密切的關(guān)系。本試驗(yàn)以茄子藤秸稈為研究對(duì)象，開展其不同部位、不同含水率下剪切力學(xué)特性研究，為研發(fā)收獲及加工機(jī)械提供基本數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)，對(duì)促進(jìn)其資源化綜合利用有著十分重要的意義。

1　材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料選取

選取成熟期茄子藤秸稈為試驗(yàn)對(duì)象。茄子藤取自江蘇省無錫市某農(nóng)莊溫室大棚，收獲季節(jié)為7月，要求秸稈試樣生長(zhǎng)良好、表皮無開裂或損傷等明顯缺陷，無蟲害損傷。秸稈存放于自然通風(fēng)條件下保存，以待試驗(yàn)。

根部試樣為主莖稈上距離根部端點(diǎn)100 mm的截取部分，頂部試樣為主莖稈上距離頂部的端點(diǎn)100 mm的截取部分，中部試樣為根部與頂部中間部分截取100 mm的部分，每個(gè)試樣兩端各留10 mm用于夾持。

1.2　試驗(yàn)方法

含水率測(cè)定方法：利用干燥法測(cè)定茄子藤秸稈收割后存放風(fēng)化不同時(shí)間(1～15 d)、不同部位(根部、中部和頂部)的平均含水率。

秸稈橫截面積測(cè)定方法：由于茄子藤秸稈為中空內(nèi)芯，因此根據(jù)秸稈上3個(gè)不同部位的實(shí)際橫截面積分別計(jì)算出1個(gè)形狀因子，再利用形狀因子和秸稈直徑估算各部位實(shí)際的橫截面積，在計(jì)算機(jī)中輸入計(jì)算數(shù)據(jù)，精確至0.1 mm。3個(gè)部位實(shí)際橫截面積的計(jì)算公式為：

S=ad2。

(1)

式中：a為形狀因子，通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的方法得到實(shí)際面積S；d為秸稈直徑。由式(1)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到a根部=0.71，a中部0.69，a頂部=0.46。

剪切試驗(yàn)方法：將秸稈試樣兩端水平固定在質(zhì)構(gòu)儀的夾具之間，剪切刀片垂直安裝于試樣上方，刀片的中心位置對(duì)準(zhǔn)試樣的中部。加載速度為20 mm/min，質(zhì)構(gòu)儀以均勻速率加載荷直至刀片切斷試樣，記錄下剪切載荷，準(zhǔn)確至10 N。計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)記錄下載荷F-位移ε值。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析方法：對(duì)茄子藤秸稈3個(gè)部位各采樣15個(gè)試樣，分別進(jìn)行拉伸斷裂試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，采用線性回歸的方法對(duì)試驗(yàn)所得的曲線中近似線性的離散數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別得到秸稈3個(gè)部位的拉伸和剪切的應(yīng)力σ-應(yīng)變?chǔ)徘€，分析秸稈拉伸斷裂和剪切的力學(xué)特性[19]。

2　結(jié)果與分析

2.1　茄子藤秸稈平均含水率變化及其對(duì)切割性能的影響分析

茄子藤秸稈收割后存放風(fēng)化不同時(shí)間、不同部位的平均含水率如圖1所示。3個(gè)部位收獲1 d后平均含水率分別為69%、57%、42%，15 d后平均含水率分別降為30%、23%、19%。

秸稈中的水分并不是均勻分布的，采用干燥法測(cè)定的根部、中部和頂部的含水率存在明顯不同，根部的含水率約是頂部含水率的1.5倍。這是因?yàn)橥寥捞峁┙o秸稈的水分從根部向頂部傳導(dǎo)，遠(yuǎn)離土壤的部分水分越少，因此秸稈含水率從根部到頂部呈下降分布的趨勢(shì)。

隨著存放風(fēng)化時(shí)間增加，3個(gè)部位的含水率逐漸下降，并趨于水分平衡。從圖1可以看出，秸稈不同部位達(dá)到水分平衡的時(shí)間從頂部到根部逐漸延長(zhǎng)(頂部約9 d，中部約 12 d，

根部超過15 d)，并且各部位達(dá)到水分平衡后，各部位的平衡含水率也不相同，從頂部到根部逐漸升高。這是由于各部位的組織結(jié)構(gòu)不同，根部的組織結(jié)構(gòu)比較致密，鎖水性能較好，故達(dá)到水分平衡的時(shí)間較長(zhǎng)，平衡含水率較高。

水分本身是影響秸稈力學(xué)特性的主要因素，在對(duì)茄子藤秸稈切割試驗(yàn)研究后發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)切割電能和切割時(shí)間有較大影響[20]。在含水率超過60%的試驗(yàn)中，一方面，含水率的增加使秸稈細(xì)胞壁結(jié)合較緊密，秸稈強(qiáng)度大，需要的切割能大；另一方面，秸稈中的水分蒸發(fā)成水蒸氣，使切割粉碎室中的細(xì)小秸稈結(jié)塊黏結(jié)在齒板上，增加了切割電能和切割時(shí)間，同時(shí)黏結(jié)的秸稈顆粒會(huì)堵塞出料口，降低出料效果。因此，被切割的秸稈含水率不宜過高，一般可以在收獲后干燥一段時(shí)間再進(jìn)行切割處理[20]。下文主要針對(duì)收割后存放15 d的茄子藤秸稈進(jìn)行的試驗(yàn)分析。

2.2　茄子藤秸稈不同部位組織結(jié)構(gòu)變化及其對(duì)力學(xué)特性影響分析

茄子藤秸稈不同部位的微觀組織結(jié)構(gòu)如圖2所示，通過公式(1)計(jì)算得到：根部的橫截面積一般在23.07～42.09 mm2之間，中部的橫截面積一般在12.17～30.97 mm2之間，頂部的橫截面積一般在3.11～15.47 mm2之間。

從圖2可以看出，茄子藤秸稈是一種復(fù)合材料，其微觀組織結(jié)構(gòu)主要包括表皮、皮層、維管束和髓，呈分布不均勻的篩孔狀。秸稈表皮有1層排列緊密較小的細(xì)胞，細(xì)胞壁外壁角質(zhì)化的角質(zhì)層屬于初生保護(hù)組織，對(duì)秸稈有保護(hù)作用，通常，這種組織結(jié)構(gòu)非常有利于秸稈抵抗破碎。靠近表皮內(nèi)側(cè)的排列緊密較小的皮層細(xì)胞具有厚壁組織，無細(xì)胞間隙，具有支撐作用。排列在橫切面形成1環(huán)的維管束，由木質(zhì)部、韌皮部和形成層組成，在薄壁組織之間分散排列。由排列疏松體積較大的薄壁細(xì)胞組成的髓被維管束圍繞在秸稈中央，髓具有一定的儲(chǔ)存能力。

前期研究表明，當(dāng)秸稈具有較厚的表皮、較多的維管束和較發(fā)達(dá)的機(jī)械組織時(shí)，秸稈抵抗變形的能力就較強(qiáng)[5]。秸稈抵抗破碎的強(qiáng)度主要來自于表皮、皮層和維管束，而髓主要起連接和傳遞載荷的作用。雖然秸稈3個(gè)部位的顯微結(jié)構(gòu)基本相同，但由于不同部位的各種組織結(jié)構(gòu)比例、連接方式等不相同，導(dǎo)致秸稈不同部位呈現(xiàn)不同的特性。從圖2可以看出，表皮、皮層和維管束的面積在根部中所占比例較大，而在中部和頂部中所占的比例較小，茄子藤根部的機(jī)械組織比較發(fā)達(dá)，維管束較多，表皮較厚，因此根部抵抗變形的能力均高于中部和頂部。

由此可見，茄子藤秸稈的微觀組織結(jié)構(gòu)無論是組成部分還是組織結(jié)構(gòu)比例等均不同于常見的大田農(nóng)作物秸稈，因此也就具有不同的力學(xué)特性。

2.3　茄子藤秸稈剪切特性測(cè)試分析

2.3.1茄子藤秸稈剪切變形過程的應(yīng)力-應(yīng)變曲線從圖3可以看出，剪切曲線的初始階段，隨著載荷的緩慢增加，變形也緩慢增大，這是因?yàn)榻斩挼闹胁繛榭招慕Y(jié)構(gòu)，表皮逐步被壓扁；隨著載荷的進(jìn)一步增加，秸稈發(fā)生破裂，空心的秸稈變?yōu)楸砥ど舷聦咏佑|的實(shí)體，因此剪切時(shí)所需的應(yīng)力越來越大，直至秸稈完全被切斷，剪切過程完成。

從圖3還可以看出，在剪切變形的過程中，秸稈根部的剪切應(yīng)力均高于中部和頂部。這是由于根部的含水率比較高，根部組織的木質(zhì)化程度比較嚴(yán)重，纖維含量也較高，抵抗變形的能力較強(qiáng)。

2.3.2茄子藤秸稈剪切力學(xué)特性分析根據(jù)剪切強(qiáng)度和剪切模量的計(jì)算公式，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中計(jì)算可以得到表1。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)方差分析得到秸稈不同部位的剪切強(qiáng)度和剪切模量的方差分析表，如表2和表3所示。

表1　茄子藤秸稈不同部位的剪切強(qiáng)度和剪切模量

表2　茄子藤秸稈不同部位的剪切強(qiáng)度方差分析

表3　茄子藤秸稈不同部位的剪切模量方差分析

從表1可以看出，茄子藤秸稈的剪切強(qiáng)度和剪切模量從根部到頂部逐漸減小，這與剪切應(yīng)力的變化趨勢(shì)相一致。從表2、表3可知，茄子藤秸稈不同部位對(duì)剪切強(qiáng)度和剪切模量的影響均是顯著的(P<0.05)。這是因?yàn)楹适怯绊懡斩捈羟辛W(xué)特性的一個(gè)重要因素。當(dāng)含水率較低時(shí)，脆性變形占主導(dǎo)，在剪切過程中容易破壞；當(dāng)含水率較高時(shí)，秸稈具有一定的彈性，其剪切強(qiáng)度也有所提高。此外，由于秸稈根部的木質(zhì)化程度比較高，因此剪切強(qiáng)度也更高。

根據(jù)研究報(bào)道可以得到其他秸稈的剪切力學(xué)特性指標(biāo)[15，21-23]，結(jié)果如表4所示。將表4中的秸稈與茄子藤秸稈進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，茄子藤秸稈3個(gè)部位對(duì)剪切強(qiáng)度和剪切模量的影響趨勢(shì)與其他幾種秸稈的趨勢(shì)是一致的，即從根部到頂部，剪切強(qiáng)度和剪切模量均呈下降趨勢(shì)；茄子藤秸稈的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其余幾種秸稈。這說明茄子藤秸稈抵抗剪切應(yīng)力的能力比較弱，材料的剛性比較差，這是由于茄子藤秸稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)、微觀組織結(jié)構(gòu)的性能及組成比例與其他幾種秸稈顯著不同所導(dǎo)致的。

表4　其他秸稈剪切力學(xué)特性指標(biāo)

3　結(jié)論

通過對(duì)茄子藤秸稈纖維組織結(jié)構(gòu)微觀觀察分析發(fā)現(xiàn)，茄子藤秸稈是一種復(fù)合材料，其微觀組織結(jié)構(gòu)主要包括表皮、皮層、維管束和髓，呈分布不均勻的篩孔狀。秸稈抵抗破碎的強(qiáng)度主要來自于表皮、皮層和維管束，而髓主要起連接和傳遞載荷的作用。茄子藤根部的機(jī)械組織比較發(fā)達(dá)，維管束較多，表皮較厚，因此根部抵抗變形的能力均高于中部和頂部。

通過試驗(yàn)研究茄子藤秸稈的剪切力學(xué)特性，獲得了其剪切力學(xué)特性指標(biāo)。秸稈的剪切應(yīng)力、剪切強(qiáng)度和剪切模量從根部到頂部均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，并且秸稈的不同部位對(duì)剪切強(qiáng)度和剪切模量的影響均極顯著。與其他秸稈相比，茄子藤秸稈的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其余幾種秸稈。

以上研究結(jié)論為茄子藤秸稈的收獲及加工機(jī)械研發(fā)、確定切割時(shí)的工作參數(shù)，提供了必要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)，有助于促進(jìn)藤莖類秸稈資源化綜合利用技術(shù)應(yīng)用和推廣。

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