張燕青,崔清亮,李紅波
(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院,山西晉中 030801)
燕麥?zhǔn)歉吆貐^(qū)農(nóng)牧民主要種植的一種禾谷類作物。燕麥秸稈中粗蛋白含量高、適口性好、消化率高、飼用價值優(yōu)良[1-2]。燕麥秸稈在收獲和加工過程中受到復(fù)雜機(jī)械外力作用,存在粉碎效果差、加工耗能大等問題,制約著燕麥秸稈利用率的提升[3-5]。作物生物力學(xué)性質(zhì)研究是其收獲和加工裝備研發(fā)的理論基礎(chǔ)[6],研究燕麥秸稈形態(tài)特性及生物力學(xué)性質(zhì)可為燕麥機(jī)械化收獲、粉碎、分段及壓榨等加工作業(yè)裝備的研發(fā)及新材料開發(fā)提供設(shè)計依據(jù)。
近年來,國內(nèi)外學(xué)者對玉米、小麥、水稻等作物秸稈生物力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量研究。梁莉等人[6]研究了玉米、大豆、谷子等作物的形態(tài)特性指標(biāo)與生物力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性。郭維俊等人[7]分析了小麥莖稈生物力學(xué)性質(zhì)與其化學(xué)組分的關(guān)系。陰妍等人[8]通過研究不同生長期玉米、高粱等作物莖稈的生物力學(xué)性質(zhì),為其收獲加工機(jī)具的設(shè)計提供了相關(guān)參數(shù)。陳爭光等人[9]研究了玉米秸稈皮拉伸和剪切力學(xué)性質(zhì),為設(shè)計和改進(jìn)玉米秸稈皮穰葉分離機(jī)械提供了重要依據(jù)。廖宜濤等人[10]對蘆竹底部莖稈機(jī)械物理特性進(jìn)行了研究,分析了蘆竹切割過程中應(yīng)力、應(yīng)變分布狀態(tài),為確定蘆竹切割力和專用切割刀具、切割方式等提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)。以上學(xué)者的研究成果為作物秸稈生物力學(xué)性質(zhì)的探索提供了一定的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)方法,但不同作物的生物力學(xué)性質(zhì)各不相同。針對燕麥秸稈進(jìn)行生物學(xué)形態(tài)特性參數(shù)測量和生物力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),測定了各節(jié)間燕麥秸稈的彎曲強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),為燕麥機(jī)械化收獲、粉碎、分段、壓榨等作業(yè)技術(shù)和裝備的研發(fā)提供參考依據(jù)。
試驗(yàn)采用山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院右玉農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站培育的燕麥,品種為晉燕18號,含水率為12.51%,隨機(jī)選取未折斷且無病蟲害的燕麥植株、秸稈作為試驗(yàn)樣本。
測量已采集燕麥的株高、葉鞘高、秸稈質(zhì)量等整株形態(tài)特性參數(shù),燕麥秸稈整株形態(tài)特性參數(shù)測量完成后,將秸稈削去根部、頂部,手工去葉后,自節(jié)間處鋸斷,從基部莖節(jié)處依次向上標(biāo)號,選取基部以上2~5節(jié)作為研究對象,每節(jié)取5個試樣,測量其節(jié)間含水率、節(jié)間長度、節(jié)間密度等生物學(xué)形態(tài)特性指標(biāo)[11]。燕麥秸稈橫截面近似圓形,用游標(biāo)卡尺測量每節(jié)上、中、下直徑各3次,求其平均值作為整節(jié)秸稈外徑值。
燕麥秸稈生物學(xué)形態(tài)特性參數(shù)測量完成后,制備燕麥基部以上2~5節(jié)秸稈試樣,對其進(jìn)行三點(diǎn)彎曲和剪切生物力學(xué)性質(zhì)測試試驗(yàn),每節(jié)試樣長度150 mm,所制試樣置入密封袋,并放入冰箱冷藏且不超過24 h。燕麥秸稈橫截面近似空心薄壁圓截面,彎曲、剪切力學(xué)試驗(yàn)前測量受力點(diǎn)直徑3次,求平均值作為外徑值,試驗(yàn)后測量受力點(diǎn)壁厚3次,求平均值。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)加載速率10 mm/min,剪切試驗(yàn)加載速率為5 mm/min。
針對燕麥秸稈生物材料,處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了不同節(jié)間燕麥秸稈載荷-位移曲線,從而得到燕麥秸稈彎曲載荷F1、剪切力F2,通過公式(1) ~(4)計算秸稈彎曲強(qiáng)度σ1、彈性模量E、慣性矩Iz、抗彎剛度EI、剪切強(qiáng)度τ等生物力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)[12]。
式中:F1max——秸稈試樣在彎曲變形中的最大載荷,N;
D——秸稈受力點(diǎn)外徑,mm;
l——標(biāo)距,兩支點(diǎn)之間的距離,本文l=100 mm;
y——試樣中點(diǎn)的彎曲撓度,mm;
a——試樣在受力點(diǎn)的壁厚,mm;
一輛2007款一汽大眾速騰,搭載手動擋變速器和1.6L發(fā)動機(jī),發(fā)動機(jī)無法正常關(guān)閉。因此故障曾在其他維修廠進(jìn)行過維修,更換了點(diǎn)火開關(guān)仍然無法排除故障,才轉(zhuǎn)到我廠進(jìn)一步維修。
F2max——試樣在剪切變形中的最大載荷,N;
A——試樣在受剪切力點(diǎn)的橫截面積,mm2。
使用Excel 2003、Origin 9.0和SAS9.0等軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。
在燕麥秸稈生物力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)前測量了燕麥株高、葉鞘高、穗長、穗重、千粒重等整株生物學(xué)形態(tài)特性參數(shù)及各節(jié)間秸稈含水率、干質(zhì)量、體積、密度等參數(shù)。
燕麥整株形態(tài)特性參數(shù)見表1,燕麥各節(jié)間秸稈形態(tài)特性參數(shù)見表2。
表1 燕麥整株形態(tài)特性參數(shù)
由表1可知,燕麥植株株高97.5~110.0 cm,均值為104.03 cm;葉鞘高63.8~95.5 cm,均值為80.14 cm;秸稈干質(zhì)量1.73~3.36 g,均值為2.89 g;穗長12.8~24.0 cm,均值為18.49 cm;穗質(zhì)量0.91~5.56 g,均值為3.61 g;穗粒數(shù)35~135粒,均值為94.5粒;穗粒質(zhì)量0.77~2.91 g,均值為2.04 g。
由表2可知,燕麥秸稈各節(jié)間形態(tài)特性參數(shù)不同,燕麥基部秸稈節(jié)間距隨高度的增加而增加;燕麥基部以上第2節(jié)間秸稈質(zhì)量、體積顯著小于第3~5節(jié)間秸稈(p<0.05);基部以上第2節(jié)秸稈密度顯著大于第3~5節(jié)間秸稈(p<0.05)。燕麥植株與秸稈形態(tài)特性參數(shù)可為其機(jī)械加工裝備的研制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
表2 燕麥各節(jié)間秸稈形態(tài)特性參數(shù)
采用5544型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)得到了燕麥秸稈試樣在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中彎曲載荷與橫向位移(撓度)間的關(guān)系。
燕麥秸稈彎曲載荷-位移曲線見圖1。
圖1 燕麥秸稈彎曲載荷-位移曲線
由圖1可知,在試驗(yàn)初始階段,燕麥秸稈處于彈性階段,隨著試驗(yàn)進(jìn)行,逐漸達(dá)到屈服階段,彎曲力達(dá)到最大,此時燕麥秸稈并未折斷,繼續(xù)加載,彎曲力逐漸減小,直至試驗(yàn)停止。
燕麥秸稈彎曲力學(xué)性質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表3,不同節(jié)間燕麥秸稈彎曲力學(xué)性質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律見圖2。
表3 燕麥秸稈彎曲力學(xué)性質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果
由表3可知,燕麥秸稈基部以上節(jié)間的彎曲強(qiáng)度 23.36~40.44 MPa,彈性模量 3 045.12~8 650.53 MPa,抗彎剛度0.02~0.10 N·m2。由圖2可知,燕麥秸稈各節(jié)間彎曲力學(xué)性質(zhì)參數(shù)不同,秸稈慣性矩自下而上呈緩慢增大后減小的趨勢,其中基部第5節(jié)間的慣性矩顯著小于第2~4節(jié)間(p<0.05);彎曲強(qiáng)度、彈性模量自下而上呈先減小后增大的趨勢,其中第3節(jié)間秸稈彎曲強(qiáng)度顯著小于第2節(jié)間秸稈(p<0.05);基部第4節(jié)間秸稈彈性模量顯著小于第2、5節(jié)間秸稈(p<0.05);抗彎剛度自下而上呈減小的趨勢,且不同節(jié)間部位的秸稈抗彎剛度顯著不同(p<0.05)。燕麥秸稈彎曲力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的獲取為其加工機(jī)械的優(yōu)化提供設(shè)計參數(shù),對發(fā)掘燕麥抗倒伏種質(zhì)資源具有重要意義。
圖2 不同節(jié)間燕麥秸稈彎曲力學(xué)性質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律
采用5544型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)和自制圓筒式剪切試驗(yàn)夾具得到了燕麥秸稈試樣剪切力與壓縮位移間的關(guān)系及剪切力學(xué)性質(zhì)參數(shù)[13]。
燕麥秸稈剪切力-位移曲線見圖3。
圖3 燕麥秸稈剪切力-位移曲線
剪切試驗(yàn)初始階段,剪切力均勻增長,隨后達(dá)到屈服階段后,剪切力有所減小,之后又急劇增長達(dá)到最大剪切力將燕麥秸稈切斷,燕麥秸稈切斷后,剪切力趨于零。
燕麥秸稈剪切力學(xué)性質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見表4,不同節(jié)間燕麥秸稈剪切力學(xué)性質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律見圖4。
表4 燕麥秸稈剪切力學(xué)性質(zhì)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果
圖4 不同節(jié)間燕麥秸稈剪切力學(xué)性質(zhì)參數(shù)變化規(guī)律
由表2可知,燕麥秸稈基部以上節(jié)間的最大剪切力20.00~54.03 N,剪切強(qiáng)度5.74~8.96 MPa,剪切能耗0.03~0.10 J。由圖3可知,燕麥秸稈各節(jié)間剪切力學(xué)性質(zhì)參數(shù)不同,剪切強(qiáng)度自下而上呈先減小后增大的趨勢,其中基部第4節(jié)間秸稈的剪切強(qiáng)度顯著小于第2、3、5節(jié)間秸稈(p<0.05);剪切能耗自下而上呈先增大后減小的趨勢,且不同節(jié)間秸稈剪切能耗差異顯著(p<0.05),其中基部以上第5節(jié)間秸稈剪切能耗最小。燕麥秸稈剪切力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的獲取為其切割、粉碎等相關(guān)加工設(shè)備關(guān)鍵零部件的優(yōu)化提供設(shè)計參數(shù)。同時,秸稈剪切力與其粗飼料適口性具有較強(qiáng)的相關(guān)性[5,14],為燕麥秸稈飼料的高效利用提供參考。
通過試驗(yàn)獲取了燕麥植株和秸稈的生物學(xué)形態(tài)特性參數(shù),獲取了燕麥秸稈彎曲力學(xué)性質(zhì)和剪切力學(xué)性質(zhì)參數(shù),且秸稈節(jié)間部位對其彎曲強(qiáng)度、抗彎剛度、剪切強(qiáng)度、剪切能耗均有不同程度的影響。研究結(jié)果旨在為燕麥秸稈機(jī)械化收獲、粉碎、分段及壓榨等加工作業(yè)裝備的優(yōu)化設(shè)計及燕麥秸稈資源化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。