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）

0 引言

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)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

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。

1.2 試驗(yàn)方法

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。

1.3 相關(guān)力學(xué)理論

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。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

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。

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥秸稈生物學(xué)形態(tài)特性參數(shù)

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)

2.2 燕麥秸稈彎曲力學(xué)性質(zhì)分析

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

2.3 燕麥秸稈剪切力學(xué)性質(zhì)分析

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。

3 結(jié)論

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。