魏俞涌，錢少平，姚文超，盛奎川

(1.嘉興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 嘉興314036； 2.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州310058)

0 引言

水稻作為我國主要糧食作物之一，其秸稈年產(chǎn)量高達(dá)2.1×109t[1]。目前，大量水稻秸稈被直接還田或被任意堆放廢棄，造成嚴(yán)重資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[2]。如何實(shí)現(xiàn)水稻秸稈資源的高值化利用，已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[3-4]。近年來，稻秸已成功應(yīng)用于復(fù)合材料、飼料、菌菇培養(yǎng)基、厭氧消化、成型燃料和制炭等諸多領(lǐng)域[5-12]。而在稻秸利用前，多種工藝過程均涉及水稻的收獲和稻秸粉碎兩個(gè)步驟，這與稻秸的剪切力學(xué)性能密切相關(guān)。因此，研究不同部位水稻秸稈的剪切性能，獲得其切斷規(guī)律，可為設(shè)計(jì)新型收割和粉碎設(shè)備提供參考。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于稻秸剪切的研究較少，相關(guān)剪切工藝參數(shù)仍不明確。郭茜[13]研究了刀片類型、含水率、單次加料量對(duì)藤莖類秸稈的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)藤莖類秸稈與一般農(nóng)作物秸稈在力學(xué)特性上存在差異。ZAREIFOROUSH H等[14]研究了5、10和15 mm/min加載速度對(duì)稻秸力學(xué)性能的影響，由于剪切速度較慢，該研究中的剪切效率較低。李小城等[15]研究了不同加載速度下麥秸的剪切力，發(fā)現(xiàn)麥秸在剪切過程中力的變化呈先上升，后減小，再上升直至切斷，最后卸載的過程。王妍等[16]分別測試了不同含水率、不同剪切速度下玉米秸稈的剪切力，發(fā)現(xiàn)不同刀具厚度對(duì)玉米秸稈剪切力影響較大。郭俊等[17]研究了稻麥秸稈旋耕作業(yè)中受力與位移分析。耿愛軍等[18]和吳明亮等[19]對(duì)農(nóng)作物秸稈的切割力和功耗進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)滑切最省力，且切割速度和切割位置對(duì)切割力的影響最大。王宏立等[20]分析了剪切速度、切刀刃型及剪切方式對(duì)玉米根茬剪切性能的影響規(guī)律。然而，由于不同農(nóng)作物秸稈的組成成分、結(jié)構(gòu)存在差異，甚至同一秸稈的不同部位也會(huì)對(duì)剪切參數(shù)及性能產(chǎn)生影響，對(duì)于水稻秸稈在不同速度下的剪切性能仍需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。本文研究不同部位水稻秸稈的剪切性能與剪切規(guī)律，以期獲取稻秸的力學(xué)特征基本參數(shù)，為提高稻秸切割及粉碎設(shè)備的加工性能和剪切效率提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1試驗(yàn)材料

稻秸取自浙江嘉興(品種為嘉58)，取2017年10月成熟稻秸，經(jīng)手工去葉留鞘后，存放于實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)陰涼處，氣干至平衡含水率。

1.2試驗(yàn)儀器設(shè)備

微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(CNT-7014，美特斯工業(yè)系統(tǒng)有限公司)；烘箱(DHG-9030A，上海精宏實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)；電子天平[SECURA124，賽多利斯(上海)貿(mào)易有限公司]；游標(biāo)卡尺(PREISSER，德國律佰)；自制剪切夾具等。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1樣品含水率W

將氣干后樣品稱重m1后，在105 ℃烘箱干燥24 h，再次稱重記為m2，由式(1)計(jì)算。

(1)

1.3.2樣品采樣方法

隨機(jī)取樣，剔除損傷開裂、表皮剝落或霉變、受蟲害等現(xiàn)象的莖稈，選主莖順直且粗細(xì)均勻的稻秸，用剪刀將稻秸剪斷取樣。從地表向上80 mm處取80 mm為試樣1(下部試樣)；從地表向上220 mm再取80 mm為試樣2(中部試樣)；從地面上430 mm處截取長度80 mm為試樣3(上部試樣)；以上試樣均去節(jié)，具體稻秸取樣示意如圖1所示。

圖1 稻秸取樣示意和樣品實(shí)物Fig.1 Sampling of rice straws

1.3.3含水率與外徑

如表1所示，不同部位稻秸含水率略有不同，下部含水率最低，中部最高，上部居中。因?yàn)樗驹谏L時(shí)上部組織生命活動(dòng)旺盛，但組織發(fā)育不成熟，水分含量較易散發(fā)，而下部組織結(jié)構(gòu)衰老、水分含量相對(duì)較少。由于稻秸稈是空心材料，本試驗(yàn)量取稻稈外徑以便后續(xù)分析稻秸形變載荷過程。

表1 不同部位稻秸含水率和外徑

1.3.4剪切夾具

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種新型剪切夾具，如圖2所示，由上下兩部分組成，分別安裝于萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。夾具有合適孔徑的小孔與稻秸直徑對(duì)應(yīng)，夾具孔間放置試樣。試驗(yàn)過程中，上下夾具相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使孔中稻秸試樣發(fā)生剪切破壞。為分析不同切割速度的影響，本試驗(yàn)設(shè)置了6個(gè)加載速率，分別為20、50、100、150、200和250 mm/min。萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)以均勻速率加向上載荷，夾具上下分離，直至試樣被破壞，記錄位移-荷載曲線，得到破壞載荷。節(jié)部采用單一節(jié)剪切，將節(jié)部放入剪切孔中進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，參照GB/T28731—2012，測定破壞后稻秸試樣的含水率。

圖2 剪切試驗(yàn)裝置示意和夾具外觀Fig.2 Shearing test device and fixture features

1.4數(shù)據(jù)處理及分析方法

所有樣品數(shù)據(jù)均在5個(gè)試樣的測試基礎(chǔ)上取平均值，采用挪威CAMO公司的Unscrambler X 10.3軟件對(duì)剪切力影響因素進(jìn)行t檢驗(yàn)顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1試驗(yàn)因素對(duì)剪切力的影響

水稻秸稈不同部位在20～250 mm/min剪切速度下的剪切力如圖3所示。不同部位對(duì)秸稈力學(xué)性能的影響較大。在恒定剪切速度情況下，剪切力隨取樣部位的升高而降低，這可能是由于稻秸根部的剪切模量大于稍部。由于水稻自下而上生長，其根部纖維素成熟度高于稍部，且節(jié)部的剪切力均低于上、中、下部位的剪切力。此外，還可發(fā)現(xiàn)節(jié)部的含水率亦較上、中、下部位低，這可能由于節(jié)部的組織成分與其他部位的不同差異，節(jié)部的纖維素含量較低，木質(zhì)素含量較高，而在切割過程中起主要支架作用的是纖維素。水稻秸稈不同部位試樣在低速時(shí)(20 mm/min)的最大剪切力分別為52.50、58.25、61.10和45.59 N。由此可知，隨著剪切速度的升高，剪切力均會(huì)有所下降。當(dāng)?shù)退偌羟袝r(shí)，秸稈切割特性類似于塑性材料，其柔韌性較好，不易斷裂。而剪切速率提高時(shí)，其切割特性趨近于脆性材料，柔韌性減弱，脆性增強(qiáng)，易斷裂。

圖3 不同部位和不同剪切速度對(duì)稻秸最大剪切力的影響Fig.3 Shearing force of rice straw with different part and speed

為進(jìn)一步探討剪切速度對(duì)剪切力的影響，對(duì)試樣部位和剪切速度的最大剪切力進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表2所示。在剪切速度20～250 mm/min范圍內(nèi)，稻秸部位、剪切速度及兩者的相互作用均對(duì)最大剪切力有極顯著影響(P<0.01)。

表2 剪切速度對(duì)稻秸不同部位剪切力的方差分析

2.2不同部位剪切力分析

水稻秸稈上部試樣位移-載荷曲線如圖4所示。稻秸在20 mm/min低速剪切時(shí)剪切力最大，隨剪切速度的增加，剪切力總體呈下降趨勢。但在剪切速度處于100～200 mm/min時(shí)，剪切力基本保持穩(wěn)定，隨后略有下降。這可能是由于稻秸上部的纖維排列不緊密、纖維素含量較低及葉綠素等物質(zhì)含量較高，導(dǎo)致剪切過程中稻秸的塑性較高，這會(huì)對(duì)剪切速度起到一定的緩沖調(diào)節(jié)作用，造成對(duì)速度影響不靈敏。當(dāng)速度過大時(shí)，較短時(shí)間的剪切距離已對(duì)稻秸造成剪切破壞。從圖中亦可知，在150 mm/min左右的剪切速度下，初始階段位移所產(chǎn)生的剪切力較小，而后急劇上升，這也說明了中速剪切速度對(duì)上部稻秸的最大剪切力影響不大。

圖4 稻秸上部不同剪切速率下的剪切特性Fig.4 Shearing property of top rice straws under different speed

水稻秸稈中部試樣位移-載荷如圖5所示。最大剪切力在20～100 mm/min剪切速度下達(dá)到較大值，當(dāng)剪切速度高于150 mm/min時(shí)剪切力逐漸下降。值得注意的是，由于中部稻秸的外徑逐漸變大，中空的結(jié)構(gòu)使剪切開始時(shí)，夾具對(duì)稻秸有一個(gè)明顯的壓縮過程，若稻秸在該壓縮過程發(fā)生剪切斷裂，則剪切最大力時(shí)的位移較小，反之則較大。因此，圖5中的稻秸斷裂位移不一致，出現(xiàn)2 mm左右的差異，這也是低速剪切(20 mm/min)時(shí)曲線呈非線性波動(dòng)的原因。此外，稻秸中部含水率較上部高，纖維素結(jié)晶區(qū)較上部高，故不同速度下中部的剪切力均要高于稻秸上部。

圖5 稻秸中部不同剪切速率下的剪切特性Fig.5 Shearing property of middle rice straws under different speed

圖6反映了水稻秸稈根部試樣的位移-載荷曲線。稻秸根部剪切破壞位移基本一致，且在低速剪切時(shí)的剪切力大于中高速剪切。由于根部稻秸直徑較大，所有曲線在初始階段均有一個(gè)預(yù)壓變形階段，隨后出現(xiàn)力急劇上升階段，即剪切破壞階段，最后出現(xiàn)破壞松弛。根部稻秸在不同剪切速度下，剪切起始點(diǎn)與剪切力上升斜率基本保持一致，說明剪切速度只對(duì)最大剪切力有影響，而對(duì)剪切過程影響不大。這是由于根部稻秸生長成熟，纖維素含量較高，纖維素分子鏈呈緊密排布，形成規(guī)則有序的結(jié)晶區(qū)。另外，根部稻秸含水率較低，導(dǎo)致秸稈脆性增加，一旦壓縮變形后，剪切阻力變化很小即發(fā)生破壞?？紤]實(shí)際生產(chǎn)，較大的剪切速度意味著較大能耗，采用適中速度剪切，既滿足剪切過程要求，又可以節(jié)能。

圖6 稻秸下部不同剪切速率下的剪切特性Fig.6 Shearing property of bottom rice straws under different speed

節(jié)部稻秸剪切曲線如圖7所示。由于節(jié)部較硬，不易產(chǎn)生擠壓形變，故隨著剪切位移的產(chǎn)生，剪切力增加明顯，且剪切破壞位移較小。由圖中可知，不同剪切速度下的剪切力變化差異較大，對(duì)于稻秸節(jié)部剪切，速度在中速為宜。

3 結(jié)論

在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析水稻秸稈不同部位在不同剪切速率下剪切力的變化情況。方差分析結(jié)果表明，稻秸部位、剪切速度及兩者的相互作用均對(duì)最大剪切力有極顯著影響(P<0.01)。在不同剪切速度下，稻秸上部剪切力為37.00～52.50 N，中部剪切力為40.89～58.24 N，下部剪切力為45.32～68.10 N，節(jié)部剪切力為32.25～45.53 N。稻秸自上而下不同部位的含水率輕微下降，剪切力呈上升趨勢。稻秸在不同剪切速度下的剪切力變化較大，但總體而言，高剪切速率下(100～150 mm/min)的剪切力要低于低剪切速率(20～100 mm/min)。因此，適當(dāng)加快剪切速度，有利于提高剪切設(shè)備的效率。

圖7 稻秸節(jié)部不同剪切速率下的剪切特性Fig.7 Shearing property of joint part of rice straws under different speed