黃淮海地區(qū)大豆莖稈力學(xué)特性的多品種對(duì)比試驗(yàn)研究

劉 基，金誠謙,2，梁蘇寧，倪有亮，王 昕，李澤峰

(1.農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014；2.山東理工大學(xué)，山東 淄博 255000)

0 引言

機(jī)械化收獲在大豆生產(chǎn)過程中起著重要作用，目前黃淮海地區(qū)的大豆收獲大多使用稻麥聯(lián)合收割機(jī)[1]，大豆專用收割機(jī)較少，且收獲效果并不理想，損失率和破碎率都比較高。改進(jìn)大豆收獲機(jī)械的工作性能可以有效提高收獲質(zhì)量，減少收獲環(huán)節(jié)的損失，推進(jìn)大豆產(chǎn)業(yè)更好的發(fā)展[2]。大豆收割機(jī)的作用對(duì)象是大豆莖稈、大豆籽粒及豆莢，從作用對(duì)象的物理特性入手，掌握物料的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)[3-4]，可以更加準(zhǔn)確地對(duì)收割機(jī)的機(jī)械部件進(jìn)行改進(jìn)。在收割機(jī)的脫粒滾筒中，莖稈與大豆籽粒、豆莢以及釘齒和凹版篩之間有相互作用力[5]，掌握莖稈的物理特性[6]可以更加準(zhǔn)確地對(duì)收割機(jī)的脫粒系統(tǒng)進(jìn)行研究[7-8]。

國內(nèi)對(duì)作物莖稈的力學(xué)特性進(jìn)行了一些研究。閆以勛[9]等人從免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)的角度對(duì)成熟期的大豆莖稈進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)底部節(jié)間能承受的彎曲力較大。吳杰、王艷云[10-11]等人對(duì)棉稈的壓縮特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。何曉莉[12]等人從大豆莖稈倒伏的角度出發(fā)，通過軸向壓縮試驗(yàn)對(duì)干濕大豆莖稈做了對(duì)比研究。李紅波[13]等人從抗倒伏的角度出發(fā)，通過折彎試驗(yàn)對(duì)小麥莖稈進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)生長期會(huì)引起抗倒伏特性的變化。袁志華[14]等人建立了適用于小麥、水稻等作物莖稈的與倒伏相關(guān)的力學(xué)模型。劉慶庭[15]等人認(rèn)為，作物莖稈力學(xué)特性的研究應(yīng)該考慮生物材料的各向異性及復(fù)雜結(jié)構(gòu)。王芬娥[16]等人對(duì)小麥莖稈的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。周揚(yáng)[17]等人對(duì)大麻莖稈的力學(xué)特性進(jìn)行研究，獲得了大麻莖稈的剪切模量等參數(shù)。目前，還沒有從優(yōu)化脫粒裝置的角度對(duì)大豆莖稈進(jìn)行的多品種對(duì)比研究。

考慮到莖稈是作為一個(gè)整體與滾筒部件及大豆籽粒產(chǎn)生相互作用力，本文對(duì)大豆莖稈的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。先把莖稈按照?qǐng)A柱體[18]模型進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，再結(jié)合莖稈的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。由于黃淮海地區(qū)的大豆品種多樣，各個(gè)品種的大豆莖稈物理特性不盡相同，為了使研制的大豆收割機(jī)通用性較強(qiáng)，有必要對(duì)多個(gè)品種的莖稈做對(duì)比分析[19]，找到共性及各自的特點(diǎn)，為之后大豆收割機(jī)上脫粒裝置的研究提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試樣選用成熟期安徽柳豐種業(yè)良繁基地的5個(gè)大豆品種(見圖1)，每個(gè)品種隨機(jī)取30株，試樣均貼地表面截取，平均含水率65%。阜豆15的平均株高為764mm，荷豆19的平均株高為613mm，柳豆109的平均株高為782mm，皖豆28的平均株高為687mm，皖豆33的平均株高為684mm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

UTM6503電子萬能試驗(yàn)機(jī)(見圖2)、測(cè)試夾具、DM.3數(shù)字電子稱、滬制01130048游標(biāo)卡尺、烘干箱、直尺、卷尺及鐮刀等。

圖1 試驗(yàn)材料

圖2 試驗(yàn)設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方法

5個(gè)大豆品種分別取10株進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、10株進(jìn)行剪切試驗(yàn)，量取每株莖稈的高度。每株莖稈去掉頂端最細(xì)一節(jié)(直徑過小不具代表性)，其余部分均勻分成6段，每段量取最小及最大直徑，求得其平均值作為該段的直徑。做彎曲試驗(yàn)時(shí)跨距為40mm，加載速度為10mm/min。

2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

2.1 彎曲試驗(yàn)測(cè)定原理

利用三點(diǎn)彎曲夾具在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，跨距40mm。試驗(yàn)前輸入直徑數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)束后慣性矩I、彈性模量E都可以直接從電腦中讀出，彎曲載荷隨位移的變化曲線在萬能材料試驗(yàn)機(jī)配套軟件中自動(dòng)生成，抗彎剛度由彈性模量E和慣性矩I的乘積計(jì)算得出。

2.2 彎曲試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，莖稈斷裂過程為(見圖3)：在半徑為5mm的刀刃的壓力下，被壓點(diǎn)逐漸被壓縮，載荷逐漸增大；之后接觸點(diǎn)周圍發(fā)生縱向裂開，達(dá)到最大載荷；隨著莖稈被壓彎，其他部位也發(fā)生縱向裂開現(xiàn)象，載荷力逐漸減小，直到下表面橫向斷裂；此時(shí)整個(gè)莖稈瞬間斷開，載荷急劇下降。

圖3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)莖稈斷裂過程

2.3 彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1～表3所示。

表1 莖稈不同高度處的最大彎曲載荷

Table 1 The maximum bending load of different heights of the stem N

試樣編號(hào)彎曲力F阜豆15荷豆19柳豆109皖豆28皖豆331228.60198.69125.52189.60225.752105.82128.0695.1674.11125.61389.7795.0979.1457.8468.88475.2459.1066.7955.5269.51547.3738.2135.7639.0339.67613.7126.7513.7428.4514.68

表2 莖稈不同高度處的慣性矩

Table 2 The moment of inertia of different heights of the stem mm4

試樣編號(hào)慣性矩I阜豆15荷豆19柳豆109皖豆28皖豆331124.74140.93221.93136.37165.502104.9588.71155.3169.77112.56372.5360.2987.6269.7785.49467.9751.0967.9742.3653.29533.2126.4928.3039.3226.49613.8612.828.2414.149.40

表3 莖稈不同高度處的彈性模量

Table 3 The elastic modulus of different heights of the stem N/mm2

試樣編號(hào)彈性模量E阜豆15荷豆19柳豆109皖豆28皖豆331171.00402.12288.84306.52334.632307.00476.79421.75476.99354.853477.00616.38545.91525.05384.724394.00660.87775.06553.10607.325472.00837.911052.36598.32892.016458.001146.661366.57878.06896.36

2.3.1 彎曲載荷

圖4中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)各自顯示的6條曲線分別表示每個(gè)品種的莖稈從底部到頂部的6段試樣受彎曲載荷的情況。觀察這5個(gè)圖，可發(fā)現(xiàn)如下共同點(diǎn)：莖稈從底部到頂部所承受最大彎曲載荷逐漸降低；莖稈底部的承載能力明顯大于其他部位；莖稈頂部的承載能力明顯小于其他部位。不同點(diǎn)是：荷豆19、柳豆109、皖豆33的莖稈承受最大彎曲載荷從底部到頂部均勻減小，阜豆15和皖豆28的莖稈承受最大彎曲載荷從底部到第2段迅速減小，從第2段到頂部緩慢減小。

通過分析，最大彎曲載荷從莖稈底部到頂部逐漸減小的原因如下：一是莖稈底部直徑最大，且隨著高度的增加直徑逐漸減??；二是從頂部到底部，莖稈的木質(zhì)化程度越來越高。5個(gè)品種變化規(guī)律的不同可能是由直徑大小的和木質(zhì)部生長的不規(guī)則變化引起的。

由表1可知：除柳豆109的最大載荷是125.52N外，阜豆15、荷豆19、皖豆28、皖豆33最大載荷都在189～228N之間，最小載荷在13～29N之間。

2.3.2 慣性矩

試驗(yàn)所得各種類莖稈不同高度的慣性矩如表2所示，變化趨勢(shì)如圖5所示。

圖5 慣性矩隨莖稈高度的變化曲線

由圖5可知：試驗(yàn)中5個(gè)品種的大豆莖稈的慣性矩都是從底部到頂部逐漸減小。

2.3.3 彈性模量

彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度。圖6為5個(gè)品種的大豆莖稈的彈性模量隨莖稈高度變化的趨勢(shì)。

圖6 彈性模量隨莖稈高度的變化曲線

由圖6可知：從莖稈底部到頂部彈性模量逐漸增大。這一結(jié)論與閆以勛[9]等人提出的從莖稈底部到頂部彈性模量先減小、后增大的結(jié)論不一致，原因可能是測(cè)量方法不同。本試驗(yàn)是從整體考慮，樣式使用莖稈原有的形態(tài)，未對(duì)莖稈進(jìn)行切片[18]。即本文中的彈性模量是莖稈整體的彈性模量，是受莖稈結(jié)構(gòu)的變化影響的，而不是傳統(tǒng)意義上材料的彈性模量。分析莖稈的原始結(jié)構(gòu)可知：莖稈底部的木質(zhì)層較厚，并且隨莖稈高度的增加木質(zhì)化程度呈降低的趨勢(shì)，因此從底部到頂部管狀結(jié)構(gòu)越來越明顯，抵抗變形的能力越來越強(qiáng)[20]。導(dǎo)致這一現(xiàn)象發(fā)生的其他原因有待進(jìn)一步研究。

2.3.4 抗彎剛度

抗彎剛度是指物體抵抗其彎曲變形的能力，用彈性模量E和慣性矩I的乘積EI表示?？箯潉偠入S莖稈高度的變化曲線如圖7所示。

圖7 抗彎剛度隨莖稈高度的變化曲線

由圖7可知：除阜豆15莖稈的抗彎剛度是從底部到頂部先增大、后減小之外，荷豆19、柳豆109、皖豆28、皖豆33等4個(gè)品種的抗彎剛度都是從莖稈的底部到頂部呈逐漸減小的趨勢(shì)，且柳豆109的抗彎剛度最大，阜豆15的抗彎剛度最小。

3 剪切試驗(yàn)

3.1 測(cè)定原理

試驗(yàn)利用剪切夾具在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。直徑在試驗(yàn)前測(cè)得并輸入到與試驗(yàn)機(jī)配套的軟件中，剪切力隨位移變化的曲線隨著試驗(yàn)的進(jìn)行在軟件中自動(dòng)生成，最大剪切力在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)自動(dòng)生成，切應(yīng)力由剪切力和截面積計(jì)算求得。

3.2 試驗(yàn)過程

剪切試驗(yàn)(見圖8)過程中發(fā)現(xiàn)：剪切第1段試樣(莖稈最底端)時(shí)，刀刃逐漸切入莖稈中，當(dāng)切到半徑處時(shí)，剪切力達(dá)到最大值；隨后割刀繼續(xù)向下深入，并在很短的時(shí)間內(nèi)斷裂，整個(gè)過程中莖稈沒有明顯的被壓縮現(xiàn)象。剪切第2段試樣時(shí)，刀刃接觸到莖稈后切入莖稈中，在刀刃向下深入的同時(shí)，伴隨著莖稈的徑向壓縮和縱向開裂，剪切力產(chǎn)生很大波動(dòng)；當(dāng)?shù)度猩钊氲桨霃轿恢脮r(shí)達(dá)到最大剪切力，隨后剪切力以比之前較快的速度減小，直到莖稈被剪斷，剪切力瞬間降低。剪切第3段及更高部位的莖稈時(shí)，刀刃接觸莖稈后，首先對(duì)莖稈徑向壓縮，壓縮過程伴隨著莖稈的縱向開裂，直到把莖稈壓縮到接近片狀時(shí)，刀刃開始深入到莖稈中對(duì)莖稈進(jìn)行剪切，剪切力會(huì)有明顯增大；此時(shí)的莖稈相當(dāng)于雙層的板材結(jié)構(gòu)，當(dāng)上層被切斷時(shí)剪切力達(dá)到最大值，隨后切斷下層，剪切力瞬間減小。

通過對(duì)莖稈的斷面觀察可知：莖稈由表皮、木質(zhì)部、中心髓部組成，且髓部呈泡沫狀，質(zhì)地柔軟，分析受力時(shí)可忽略。從莖稈第2段開始一直到頂部，莖稈的木質(zhì)化程度較底部有明顯降低，木質(zhì)部厚度逐漸減小，莖稈管狀化結(jié)構(gòu)越來越明顯。當(dāng)?shù)度袑?duì)莖稈徑向施力時(shí)，莖稈被徑向壓縮，壓縮到一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)莖稈的縱向開裂；當(dāng)莖稈被壓縮到接近板材形狀時(shí)，刀刃才開始切入到莖稈中。

圖8 剪切試驗(yàn)過程

3.3 剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 莖稈不同高度處的直徑、最大剪切力

3.3.1 剪切載荷

觀察5個(gè)品種的大豆莖稈特性曲線可知，其所呈現(xiàn)的規(guī)律大致相同，因此做統(tǒng)一分析。

圖9中每個(gè)圖中的6條曲線分別為莖稈底部到頂部的6段試樣所受剪切力隨位移的變化情況。由圖9可知:莖稈底部所需的剪切力遠(yuǎn)大于其他部位，且隨著莖稈的高度增加，所需剪切力逐漸減小。其原因是：一方面大豆莖稈底部較為粗壯，直徑比較大；另一方面莖稈底部木質(zhì)化程度較大，莖稈的強(qiáng)度較大，在剪切過程中突然斷裂。從第2條曲線開始，剪切力隨刀刃位移的波動(dòng)較大，開始階段剪切力均勻增大，之后開始有較大波動(dòng)，且增大的速率比之前小；當(dāng)達(dá)到一個(gè)峰值后開始緩慢減小，減小到一定程度后瞬間降為零。這與在試驗(yàn)過程中觀察到的刀刃與莖稈之間的作用力情況一致。起初階段刀刃對(duì)莖稈進(jìn)行壓縮，之后出現(xiàn)莖稈的縱向開裂；當(dāng)壓縮到一定程度時(shí)刀刃切入莖稈中，把莖稈上層切斷后達(dá)到最大值，刀刃繼續(xù)向下，把下層切斷時(shí)剪切力瞬間降為零。

圖9 剪切力-位移曲線

3.3.2 直徑

圖10中的5條曲線分別為5個(gè)品種的大豆莖稈直徑隨莖稈高度的變化趨勢(shì)。由圖10可知：從莖稈底部到頂部直徑整體呈下降的趨勢(shì)，但并不是嚴(yán)格的下降，中部會(huì)有微小浮動(dòng)。這說明，大豆莖稈不是規(guī)則的錐形圓柱體，也符合作物隨機(jī)生長的特性，但這種浮動(dòng)對(duì)莖稈整體力學(xué)性能趨勢(shì)的研究影響不大。

圖10 直徑隨莖稈高度的變化曲線

3.3.3 切應(yīng)力

物體由于外因(受力、濕度變化等)而變形時(shí)，在物體內(nèi)各部分之間產(chǎn)生相互作用的內(nèi)力，以抵抗這種外因的作用，并力圖使物體從變形后的位置恢復(fù)到變形前的位置。在所考察的截面某一點(diǎn)單位面積上的內(nèi)力稱為應(yīng)力，同截面相切的稱為剪應(yīng)力或切應(yīng)力。切應(yīng)力為

(1)

圖11中分別為5個(gè)品種的大豆莖稈切應(yīng)力隨莖稈高度的變化趨勢(shì)。由圖11可知：隨莖稈高度的增加，切應(yīng)力呈逐漸減小的趨勢(shì)，從底部到頂部變化較大。柳豆109從底部到第5段變化較為緩慢，最后一段迅速減小；其他4個(gè)品種從底部到第3段迅速減小，第3段到最后一段減小較為緩慢。

圖11 切應(yīng)力隨莖稈高度的變化曲線

4 結(jié)論

1)通過對(duì)成熟期5個(gè)不同大豆品種的三點(diǎn)彎曲和剪切試驗(yàn)，得到了最大彎曲力、最大剪切力、慣性矩、最大切應(yīng)力、彈性模量及抗彎剛度等力學(xué)參數(shù)，掌握了大豆莖稈不同高度承受彎曲力及剪切力的一般規(guī)律，為今后大豆收獲機(jī)械的研究提供了參考依據(jù)，對(duì)研制不同品種通用的大豆收獲機(jī)械有重要的意義。

2)大豆受彎曲力及剪切力表現(xiàn)出來的特性和莖稈的直徑變化、不同部位的木質(zhì)化程度相關(guān)。

3)阜豆15、荷豆19、柳豆109、皖豆28、皖豆33莖稈整體的彈性模量都是從底部到頂部逐漸增大，造成這一現(xiàn)象的一個(gè)原因是莖稈的管狀化程度從底部到頂部越來越明顯，其他方面的原因有待進(jìn)一步研究。

4)隨大豆莖稈高度的增加，荷豆19、柳豆109、皖豆28、皖豆33的抗彎剛度都是逐漸降低，阜豆15莖稈的抗彎剛度是從底部到頂部先增大、后減小，在中段靠下部位達(dá)到最大。

5)隨莖稈高度的增加，5個(gè)品種的切應(yīng)力都呈逐漸減小的趨勢(shì)，且從底部到頂部變化較大。

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