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

燕麥是高寒地區(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)計和改進玉米秸稈皮穰葉分離機械提供了重要依據(jù)。廖宜濤等人[10]對蘆竹底部莖稈機械物理特性進行了研究，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，測定了各節(jié)間燕麥秸稈的彎曲強度、剪切強度、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)指標，為燕麥機械化收獲、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 試驗材料與儀器

試驗采用山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院右玉農(nóng)業(yè)試驗站培育的燕麥，品種為晉燕18號，含水率為12.51%，隨機選取未折斷且無病蟲害的燕麥植株、秸稈作為試驗樣本。

1.2 試驗方法

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[11]。燕麥秸稈橫截面近似圓形，用游標卡尺測量每節(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，對其進行三點彎曲和剪切生物力學(xué)性質(zhì)測試試驗，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)試驗前測量受力點直徑3次，求平均值作為外徑值，試驗后測量受力點壁厚3次，求平均值。三點彎曲試驗加載速率10 mm/min，剪切試驗加載速率為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）計算秸稈彎曲強度σ1、彈性模量E、慣性矩Iz、抗彎剛度EI、剪切強度τ等生物力學(xué)性質(zhì)指標[12]。

式中：F1max——秸稈試樣在彎曲變形中的最大載荷，N；

D——秸稈受力點外徑，mm；

l——標距，兩支點之間的距離，本文l=100 mm；

y——試樣中點的彎曲撓度，mm；

a——試樣在受力點的壁厚，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，發(fā)動機無法正常關(guān)閉。因此故障曾在其他維修廠進行過維修，更換了點火開關(guān)仍然無法排除故障，才轉(zhuǎn)到我廠進一步維修。

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機得到了燕麥秸稈試樣在三點彎曲試驗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，在試驗初始階段，燕麥秸稈處于彈性階段，隨著試驗進行，逐漸達到屈服階段，彎曲力達到最大，此時燕麥秸稈并未折斷，繼續(xù)加載，彎曲力逐漸減小，直至試驗停止。

燕麥秸稈彎曲力學(xué)性質(zhì)參數(shù)試驗結(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)試驗結(jié)果

由表3可知，燕麥秸稈基部以上節(jié)間的彎曲強度 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機和自制圓筒式剪切試驗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

剪切試驗初始階段，剪切力均勻增長，隨后達到屈服階段后，剪切力有所減小，之后又急劇增長達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)間部位對其彎曲強度、抗彎剛度、剪切強度、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。