不同玉米果穗位姿與含水率對(duì)穗柄斷裂特性的影響

付乾坤，付 君,3，陳 志，張立波，任露泉

不同玉米果穗位姿與含水率對(duì)穗柄斷裂特性的影響

付乾坤1,2，付 君1,2,3※，陳 志2,3，張立波4，任露泉1,2

（1. 吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022；2. 吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京 100083；4. 河北中農(nóng)博遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)裝備有限公司，石家莊 050000）

為解決現(xiàn)有摘穗機(jī)構(gòu)功耗大、苞葉殘留多的問(wèn)題，該文以手工摘穗為研究模本，提煉出基于果穗位姿變化的穗柄受力斷裂模型。以4種不同含水率的收獲期玉米為試驗(yàn)材料，以果穗偏轉(zhuǎn)角度為因素，進(jìn)行了2組穗柄拉伸斷裂隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著果穗偏轉(zhuǎn)角度增大，穗柄拉斷力、斷裂拉伸量及苞葉殘留率會(huì)在一臨界角度產(chǎn)生突變；當(dāng)籽粒含水率分別為34.8%、30.2%、25.1%和20.3%時(shí)，該臨界角度分別為50°～55°、50°～55°、45°～50°和45°～50°；穗柄偏轉(zhuǎn)達(dá)到臨界角度后，玉米穗柄拉斷力分別降低了80%、86%、84%和80%，斷裂拉伸量增加了72%、70%、93%和84%，苞葉去除率增加了41%、34%、32%和36%；結(jié)果表明，對(duì)莖稈施加拉力時(shí)對(duì)果穗施加橫向載荷，使果穗發(fā)生大于臨界角度的偏轉(zhuǎn)，可實(shí)現(xiàn)低耗摘穗；分析發(fā)現(xiàn)，穗柄斷裂行為突變的誘因是表層纖維的受力由拉應(yīng)力變?yōu)閺澢龖?yīng)力，導(dǎo)致裂紋的萌生和擴(kuò)展機(jī)理發(fā)生變化。該研究可為新型摘穗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；斷裂；力學(xué)；玉米；位姿；摘穗；試驗(yàn)

0 引 言

玉米是中國(guó)種植面積最大、產(chǎn)量最高的的糧食作物[1]。實(shí)現(xiàn)玉米高效、低損的機(jī)械化生產(chǎn)，對(duì)于中國(guó)糧食安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。摘穗是玉米收獲的首要步驟，摘穗割臺(tái)是玉米機(jī)械化收獲的主要工作部件[2]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)割臺(tái)作業(yè)的適用含水率及果穗損失率、籽粒損失率及籽粒破碎率等性能指標(biāo)做了明確規(guī)定[3]，但在實(shí)際生產(chǎn)中，摘穗割臺(tái)并未完全滿足以上技術(shù)指標(biāo)，果穗與割臺(tái)的高速直線撞擊引發(fā)果穗啃傷、籽粒飛濺及破碎等問(wèn)題[4-5]，此外，拉伸摘穗作業(yè)功耗較大，摘穗后苞葉殘留較多，增加籽粒直收型玉米收獲機(jī)的剝皮、清選難度[6-7]。

針對(duì)割臺(tái)損失，張海勇等[8]分析了影響割臺(tái)籽粒損失的因素，認(rèn)為果穗與摘穗部件的接觸方式是主因；陳美舟等[9]運(yùn)用高速攝像試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，果穗被摘下時(shí)受到的摩擦和碰撞，及在摘穗部件上彈跳，造成了籽粒損失和損傷；耿愛(ài)軍等[10]建立了摘穗時(shí)果穗受力數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)果穗被摘下時(shí)受到的摩擦和獲得的加速度，是籽粒損失損傷的主因；賀俊林等[11]用5種摘穗輥型做了3種作業(yè)速度下的組合試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摘穗凸棱和拉莖段參數(shù)是影響籽粒損失損傷的主要因素。為避免碰撞與摩擦造成的損失，張道林等[12-15]設(shè)計(jì)了立棍式摘穗機(jī)構(gòu)，并對(duì)輥型和運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)效果較好；張智龍等[16]設(shè)計(jì)了梳齒式摘穗機(jī)構(gòu)，采用向上梳脫的方式將果穗摘下；美國(guó)DRAGO公司開(kāi)發(fā)了具有緩沖彈簧的摘穗板來(lái)降低果穗碰撞造成的籽粒損失[17]；JOHN DEERE公司的700C系列割臺(tái)，配置了液壓式摘穗板，可根據(jù)莖稈和果穗尺寸調(diào)節(jié)工作參數(shù)[18]；OXBO 3000系列割臺(tái)采用錐形刀輥，以降低果穗與摘穗板的沖擊加速度，降低籽粒損失[19]。

根據(jù)仿生學(xué)原理，張莉等[20-22]分別根據(jù)人工單手摘穗原理，設(shè)計(jì)了由上向下施力的摘穗機(jī)構(gòu)，可有效降低載荷，減少摘穗損失；但摘穗部件行程大，運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，果穗苞葉殘留較多。而在人工雙手摘穗時(shí)，以一手支撐、另一手施加彎矩掰穗，可避免損失損傷、高能耗和苞葉殘留等問(wèn)題，但目前對(duì)雙手摘穗中支撐手的作用缺乏研究，對(duì)穗柄在彎曲變形斷裂的認(rèn)識(shí)不足。

綜上，本研究將以人工雙手摘穗時(shí)穗柄受力為原型，構(gòu)建玉米穗柄的受力斷裂模型，對(duì)該模型下的穗柄斷裂行為進(jìn)行分析，探究不同含水率、不同果穗位姿下玉米穗柄的斷裂規(guī)律，以確定基于果穗位姿變化的仿生摘穗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，為新型玉米摘穗裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 玉米穗柄受力模型研究

目前應(yīng)用范圍較廣的摘穗輥式割臺(tái)和拉莖輥-摘穗板組合式割臺(tái)上，玉米果穗穗柄的斷裂方式為單一拉伸斷裂，且莖稈的拉伸方向?yàn)榇怪毕蛳隆６谌斯るp手摘穗時(shí)，同時(shí)對(duì)玉米穗柄施加彎曲載荷和拉伸載荷，相較于單一的拉伸方式，玉米穗柄更容易斷裂，且摘穗后苞葉殘留量顯著降低。與當(dāng)前采用的摘穗割臺(tái)相比，人工雙手摘穗的主要特點(diǎn)在于，施力手施加的彎矩引起果穗的位姿變化，導(dǎo)致了穗柄的斷裂行為產(chǎn)生變化。

人工雙手掰穗的原理如圖1a所示。作業(yè)中以支撐手握住穗柄及莖稈，對(duì)玉米果穗的穗柄下部形成固定作用；以施力手在果穗頂端向下壓，對(duì)果穗施加繞支撐手旋轉(zhuǎn)的力矩。由于斷裂點(diǎn)位于穗柄中上部，因此在果穗被摘下時(shí)，大部分苞葉會(huì)與未摘下的穗柄一起遺留在玉米莖稈上，使果穗上附帶的苞葉層數(shù)顯著減少，從而降低了后續(xù)的剝皮、脫粒作業(yè)的工作量。

玉米果穗被摘下瞬間，穗柄的受力如圖1b所示。施力手對(duì)果穗上部施加壓力時(shí)，支撐手對(duì)果穗下部形成支撐作用，在支撐手的杠桿作用下，果穗對(duì)底部穗柄施加向上的拉力。穗柄下端生長(zhǎng)在玉米莖稈上，莖稈對(duì)穗柄產(chǎn)生向下的拉力。同時(shí)，施力手驅(qū)動(dòng)果穗彎曲時(shí)，通過(guò)果穗對(duì)穗柄施加彎矩。

1.施力手 2.玉米果穗 3.支撐手 4.玉米莖稈 5.玉米穗柄

1.Picking hand 2. Corn ear 3.Supporting hand 4.Corn stalk 5.Corn peduncle

注：為施力手施加在果穗上的壓力，N；為施力手施加在果穗上的彎矩，N·m；為支撐手施加在果穗上的力，N；N為支撐手對(duì)玉米果穗底部的支撐力，N；N為支撐手對(duì)穗柄的壓力，N；為果穗對(duì)穗柄的拉力，N；為莖稈對(duì)穗柄的拉力，N；為果穗傳遞到穗柄的彎矩，N·m。

Note:is the pressure force applied on corn ear by picking hand, N;is the bending moment applied on corn ear by picking hand, N·m;is the force by supporting hand, N;Nis supporting force applied on bottom of corn ear by supporting hand, N;Nis the pressure applied on corn peduncle by supporting hand, N;is the tensile force applied on corn peduncle by corn ear, N;is the tensile force applied on corn peduncle by corn stalk, N;is the bending moment applied on corn peduncle by corn ear, N·m.

圖1 雙手掰穗時(shí)果穗及穗柄受力圖

Fig.1 Force diagram of corn ear and peduncle when picking corn ear by people’s hands

實(shí)際生產(chǎn)中，欲通過(guò)機(jī)械部件握持穗柄并對(duì)果穗施加彎矩完成摘穗，存在較大設(shè)計(jì)難度。按照仿生設(shè)計(jì)中目標(biāo)功能有效實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)則，將模本功能的實(shí)現(xiàn)作為設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)[23]。通過(guò)改變玉米果穗受力時(shí)的位置姿態(tài)，使其發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，對(duì)莖稈施加向下的拉力，穗柄即受到拉力和彎矩的共同作用。其與手工摘穗的不同點(diǎn)在于：手工摘穗時(shí)，穗柄受力以彎矩為主，拉力次之；而在不同玉米位姿下對(duì)莖稈施加拉力，穗柄受力以拉力為主，彎矩次之。若能通過(guò)改變果穗位姿，通過(guò)對(duì)莖稈施加拉力，實(shí)現(xiàn)穗柄在較小拉力下的斷裂，則模本的核心功能即得到了有效實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有拉莖輥-摘穗板式玉米割臺(tái)基礎(chǔ)上，參照人工雙手摘穗時(shí)穗柄的受力模型，按照上述仿生模本目標(biāo)功能實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)出預(yù)先改變果穗位姿的玉米摘穗機(jī)構(gòu)，如圖2所示。該摘穗機(jī)構(gòu)在玉米果穗接觸割臺(tái)時(shí)，對(duì)果穗底部施加側(cè)向力，引起果穗的位姿變化，使其偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，同時(shí)使穗柄產(chǎn)生彎曲變形，然后在拉莖輥的拉力下完成玉米果穗的摘取。該摘穗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是減小穗柄拉斷力，降低割臺(tái)功耗，減少剝皮機(jī)作業(yè)量，降低脫粒機(jī)脫出物的含雜率，提高玉米機(jī)械化收獲的效率和質(zhì)量。

1. 玉米果穗2. 摘穗板3. 拉莖輥4. 玉米穗柄5. 側(cè)向施力機(jī)構(gòu)

1. Corn ear 2. Deck plate 3. Snapping roll 4. Peduncle of corn ear 5. Lateral force mechanism

注：為拉莖輥對(duì)穗柄的拉力，N；F為施加在果穗上的側(cè)向力，N；為果穗的偏轉(zhuǎn)角度，(°)；為拉莖輥的角速度，r·min-1。

Note:is the tensile force applied on corn peduncle by snapping rolls, N;Fis the lateral force applied on corn ear, N;is the deflection angle of corn ear, (°);is the angular velocity of snapping rolls, r·min-1.

圖2 預(yù)先改變果穗位姿的摘穗機(jī)構(gòu)示意圖

Fig.2 Structure diagram of snapper applying tension and bending load on corn ear

然而，欲確定上述摘穗機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，須首先確定玉米穗柄在果穗不同位姿下斷裂的受力、變形等邊界條件。本試驗(yàn)以不同含水率下的收獲期玉米為研究對(duì)象，通過(guò)預(yù)先將玉米果穗以不同偏轉(zhuǎn)角度進(jìn)行固定，使穗柄產(chǎn)生不同的彎曲變形量，再對(duì)不同位姿下的玉米果穗進(jìn)行穗柄的拉伸斷裂試驗(yàn)，以獲取拉伸莖稈時(shí)穗柄的“載荷-位移”數(shù)據(jù)及苞葉殘留量，探究穗柄的斷裂規(guī)律。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)所用玉米品種為飛天358。其主要性狀為：株高301 cm左右，穗位123 cm左右，成株葉片20～21片；穗柄平均直徑為20 mm左右（含苞葉）；果穗為筒形，穗長(zhǎng)17.7 cm左右，穗行數(shù)16~18 行；籽粒為黃色，馬齒形，百粒質(zhì)量40.1 g左右。該品種與東北地區(qū)廣泛種植的穗收型玉米品種性狀相近，以該品種為試驗(yàn)對(duì)象，具有較強(qiáng)的代表性。試驗(yàn)所用帶莖稈的果穗為2018年9月28日至10月21日間分批次采集于吉林大學(xué)農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地。選取穗柄及莖稈無(wú)蟲(chóng)蛀、無(wú)病害，果穗大小均勻、莖稈粗細(xì)一致的果穗進(jìn)行采集。采集方式為人工用鐮刀在玉米結(jié)穗處將上部和下部莖稈砍斷，僅保留約300 mm左右的莖稈，從而便于試驗(yàn)時(shí)夾持。為使試驗(yàn)材料盡可能接近田間生長(zhǎng)狀態(tài)，采集前，測(cè)量玉米果穗的籽粒含水率，在籽粒含水率略高于控制含水率時(shí)，將玉米果穗采下備用。采集后，經(jīng)自然晾曬至籽粒含水率達(dá)到控制含水率，再進(jìn)行各含水率下的玉米穗柄斷裂試驗(yàn)，同時(shí)測(cè)量果穗其他各部位的含水率。

根據(jù)東北地區(qū)玉米收獲期的籽粒含水率要求[24]，按照35%、30%、25%和20%的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)籽粒含水率進(jìn)行控制，允許籽粒含水率在標(biāo)準(zhǔn)上下浮動(dòng)0.3%。經(jīng)測(cè)量，試驗(yàn)時(shí)籽粒及果穗的其他部位含水率變化如圖3所示。果穗各部位在收獲期內(nèi)的含水率均隨時(shí)間推移而降低，但變化率并不一致。當(dāng)籽粒含水率分別為34.8%、30.2%、25.1%和20.3%時(shí)，穗柄含水率為81.8%、80.2%、78.3%和60.7%，苞葉含水率為57.3%、42.9%、27.5%和18.1%。以籽粒含水率作為試驗(yàn)因素能夠較客觀地體現(xiàn)果穗各部位的綜合含水率，試驗(yàn)結(jié)果能夠反映出玉米穗柄在不同成熟狀態(tài)下的力學(xué)特性。

圖3 果穗各部位含水率隨時(shí)間變化圖

試驗(yàn)的主要設(shè)備為DNS系列電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，用于測(cè)量玉米果穗穗柄的拉斷力和拉斷時(shí)的變形量；LDS-1G型谷物水分測(cè)定儀，用于快速測(cè)量玉米果穗在采摘前的籽粒含水率；DZF-6050型電熱恒溫真空烘干箱用于采用烘干法測(cè)量玉米籽粒、苞葉和穗柄的含水率。DNS系列電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的示值誤差為±0.5%，負(fù)荷傳感器量程為10 kN，精度為0.5%。LDS-1G型谷物水分測(cè)定儀的測(cè)量誤差范圍為±0.5%。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前，將玉米果穗及莖稈分別固定在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的夾具上，玉米果穗及莖稈的夾持如圖4所示。玉米果穗通過(guò)定位座和U形螺栓固定在角度板上，角度板通過(guò)連接板夾持在上夾具上；玉米莖稈固定在莖稈固定板上，并夾持在下夾具上；上夾具與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上橫梁連接，下夾具通過(guò)載荷傳感器與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)橫梁連接。試驗(yàn)中通過(guò)更換不同的角度板實(shí)現(xiàn)玉米果穗偏轉(zhuǎn)角度的變化，以模擬玉米果穗在割臺(tái)上受到側(cè)向力之后的位姿變化。果穗的偏轉(zhuǎn)方向與其自然生長(zhǎng)方向一致，試驗(yàn)中果穗偏轉(zhuǎn)角度是果穗生長(zhǎng)角度與果穗變形角度之和。由于果穗底部苞葉較松弛，其自由伸縮量可避免苞葉對(duì)本試驗(yàn)中對(duì)穗柄的拉伸斷裂性能產(chǎn)生影響。

1. 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上橫梁2. 上夾具3. 連接板4. 下夾具5. 莖稈固定板6. 載荷傳感器7. 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)橫梁8. 莖稈9. 果穗10. U形螺栓11. 角度板12. 螺母13.定位座

由于果穗和莖稈分別固定在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的上橫梁和活動(dòng)橫梁上，試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)橫梁向下移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)玉米穗柄的拉伸，以模擬拉莖輥對(duì)莖稈的下拉作用。萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)活動(dòng)橫梁以2 mm/min的速度向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)玉米果穗穗柄被拉斷時(shí)，會(huì)發(fā)出較大聲響，同時(shí)顯示器上的拉力曲線會(huì)突然出現(xiàn)劇烈的向下變化，此時(shí)，試驗(yàn)停止，保存相應(yīng)的載荷及位移數(shù)據(jù)。將玉米果穗和莖稈連同角度板一同取下，觀察玉米穗柄斷裂的位置，并分別測(cè)量留在玉米莖稈上和果穗上的苞葉質(zhì)量。每個(gè)因素水平進(jìn)行10次試驗(yàn)，求取各試驗(yàn)指標(biāo)的平均值。

2.3 試驗(yàn)因素和指標(biāo)

2.3.1 大范圍隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)

選取玉米果穗偏轉(zhuǎn)角度、玉米籽粒含水率作為試驗(yàn)因素。果穗偏轉(zhuǎn)角度為試驗(yàn)中果穗的偏轉(zhuǎn)方向與莖稈的拉伸方向間的夾角。試驗(yàn)中果穗偏轉(zhuǎn)角度為0°～75°，每隔15°為一個(gè)水平，共6個(gè)水平，不同偏轉(zhuǎn)角度下的果穗夾持如圖5所示。玉米籽粒的含水率分為4個(gè)等級(jí)，完成大范圍隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)全部共24組。

在玉米收獲機(jī)割臺(tái)作業(yè)時(shí)，載荷和工作效率是重要的技術(shù)指標(biāo)，因此，將影響上述指標(biāo)的因素——玉米穗柄拉斷力和穗柄斷裂時(shí)拉伸量作為試驗(yàn)指標(biāo)；同時(shí)，考慮到不同摘穗方式下果穗上的殘留苞葉對(duì)后續(xù)作業(yè)有較大影響，故以穗柄斷裂后苞葉去除率作為第3項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)。苞葉去除率采用式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中yhusk為苞葉去除率，%；Mrmv為與果穗脫離的苞葉質(zhì)量，g；Mrsd為果穗上殘留的苞葉質(zhì)量，g。

本試驗(yàn)采用雙因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)[25-26]，試驗(yàn)因素及結(jié)果如表1所示。

表1 玉米穗柄斷裂力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，在各籽粒含水率下，當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)角度由45°增加到60°時(shí)，玉米穗柄拉斷力及斷裂拉伸量均發(fā)生了突變。因此，需對(duì)果穗偏轉(zhuǎn)角度45°～60°范圍內(nèi)的玉米穗柄進(jìn)行進(jìn)一步的斷裂試驗(yàn)。

2.3.2 突變區(qū)隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)

按照雙因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)方法，分別對(duì)玉米果穗偏轉(zhuǎn)角度為50°、55°時(shí)各籽粒含水率下的玉米穗柄進(jìn)行拉伸斷裂試驗(yàn)。各角度下玉米果穗及莖稈的夾持固定如圖6所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

a. 50°夾持a. 50° fixingb. 55°夾持b. 55° fixing

表2 50°和55°果穗偏轉(zhuǎn)角度下的試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 玉米穗柄斷裂行為分析

3.1.1 試驗(yàn)因素對(duì)穗柄拉斷力的影響

不同籽粒含水率下玉米穗柄拉斷力隨果穗偏轉(zhuǎn)角度變化的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。在不同的含水率下，隨果穗偏轉(zhuǎn)角度的變化，玉米穗柄拉斷力呈現(xiàn)出相同的規(guī)律。即在果穗偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到某一值前，玉米穗柄拉斷力較大，且隨果穗偏轉(zhuǎn)角度的增加，穗柄拉斷力無(wú)顯著變化；當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到一臨界值后，玉米穗柄拉斷力發(fā)生突變，此時(shí)的穗柄拉斷力遠(yuǎn)低于臨界偏轉(zhuǎn)角度前的拉斷力。分析可知，在果穗偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到臨界角度前，玉米穗柄的主要斷裂方式為拉伸斷裂，而此時(shí)彎曲角度對(duì)于穗柄斷裂力的影響不顯著；當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到臨界角度后，玉米穗柄的主要斷裂形式為彎曲斷裂，在此后階段，偏轉(zhuǎn)角度對(duì)于拉斷力有一定的影響。

另一方面，玉米果穗在各偏轉(zhuǎn)角度下，穗柄的拉斷力均隨籽粒含水率的降低而顯著減小，同時(shí)，隨籽粒含水率的降低，穗柄拉斷力突變的臨界角度也有所減小。當(dāng)籽粒含水率為34.8%和30.2%時(shí)，玉米果穗穗柄拉斷力發(fā)生突變的臨界角度為50°～55°。當(dāng)籽粒含水率為25.1%和20.3%時(shí)，臨界角度減小為45°～50°。

圖7 試驗(yàn)因素對(duì)穗柄拉斷力的影響

對(duì)果穗偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到臨界角度前后的穗柄拉斷力進(jìn)行比較，結(jié)果如表3所示，在果穗偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到臨界角度后，籽粒含水率為34.8%、30.2%、25.1%和20.3%的穗柄拉斷力分別由之前的717.18 、676.49、611.23和462.86 N降低為139.98、94.70、97.72和90.54 N，分別降低了80%、86%、84%和80%。

表3 臨界角度前后穗柄拉斷力變化

在預(yù)先改變果穗位姿的玉米摘穗機(jī)構(gòu)作業(yè)時(shí)，為達(dá)到降低拉莖輥載荷的目標(biāo)，同時(shí)適應(yīng)各含水率下玉米果穗的采摘要求，玉米果穗的偏轉(zhuǎn)角度不應(yīng)小于55°。

本試驗(yàn)中，果穗偏轉(zhuǎn)方向與生長(zhǎng)方向一致，果穗偏轉(zhuǎn)角度為自然生長(zhǎng)角度與變形角度之和。而玉米植株在割臺(tái)摘穗道內(nèi)的方向具有隨機(jī)性。由三角函數(shù)知識(shí)可知，當(dāng)果穗變形方向與其生長(zhǎng)方向不一致時(shí)，穗柄拉斷力發(fā)生突變的臨界角度將小于試驗(yàn)得出的結(jié)果。實(shí)際生產(chǎn)中，以本試驗(yàn)中得出的偏轉(zhuǎn)角度對(duì)果穗進(jìn)行位姿調(diào)整，對(duì)割臺(tái)摘穗道內(nèi)各種姿態(tài)下的玉米植株均有降低穗柄拉斷力的作用。

3.1.2 試驗(yàn)因素對(duì)拉伸變形量的影響

穗柄斷裂拉伸量隨籽粒含水率及果穗偏轉(zhuǎn)角度的變化如圖8所示。各含水率下，在玉米果穗偏轉(zhuǎn)角度小于臨界角度之前，穗柄的斷裂拉伸量基本無(wú)變化；當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到臨界臨界后，穗柄的斷裂拉伸量顯著增加；當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)角度大于臨界值后，穗柄斷裂拉伸量仍隨偏轉(zhuǎn)角度的增加而緩慢增加。分析可知，穗柄的斷裂拉伸量決定于其斷裂形式，當(dāng)穗柄以拉伸為主要斷裂形式時(shí)，斷裂拉伸量較小，當(dāng)穗柄以彎曲為主要斷裂形式時(shí)，穗柄斷裂拉伸量顯著增加。

含水率對(duì)穗柄斷裂拉伸量的影響隨玉米果穗偏轉(zhuǎn)角度的增大分為3個(gè)階段：當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)角度為0～45°時(shí)，穗柄斷裂拉伸量與籽粒含水率呈正相關(guān)。當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)角度為45°～55°時(shí)，因含水率的變化影響了玉米穗柄的斷裂形式，因此，在果穗偏轉(zhuǎn)角度為50°時(shí)，低含水率穗柄由拉伸斷裂突變?yōu)閺澢鷶嗔眩瑪嗔牙炝匡@著增加且大于高含水率的穗柄；果穗偏轉(zhuǎn)角度為55°時(shí)，高含水率穗柄也由拉伸斷裂突變?yōu)閺澢鷶嗔?，其斷裂拉伸量也顯著增加。當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)角度為55°～75°時(shí)，穗柄斷裂拉伸量再次隨含水率的降低而減小。

圖8 試驗(yàn)因素對(duì)穗柄斷裂拉伸量的影響

同樣可得，在籽粒含水率分別為34.8%、30.2%、25.1%和20.3%時(shí)，果穗偏轉(zhuǎn)角度增加到臨界角度后，穗柄的平均斷裂拉伸量分別由16.81、16.03、13.10和 13.76 mm增加到28.95、27.26、25.35和25.32 mm，分別增加了72%、70%、93%和84%。因此，在設(shè)計(jì)預(yù)先改變果穗位姿的玉米摘穗機(jī)構(gòu)時(shí)，欲使作業(yè)效率維持不變，拉莖輥的轉(zhuǎn)速應(yīng)適當(dāng)提高。

3.1.3 試驗(yàn)因素對(duì)苞葉去除率的影響

苞葉去除率隨籽粒含水率及果穗偏轉(zhuǎn)角度的變化如圖9所示。由圖9可知，當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)角度由0°增加到15°時(shí)，果穗的苞葉去除率有所降低；當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)角度大于15°時(shí)，各含水率下的苞葉去除率均隨角度的增大而增加，其中，當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)到穗柄斷裂方式突變的臨界角度時(shí)，苞葉去除率的增加最為明顯。由此表明，在穗柄拉伸斷裂時(shí)，隨著果穗偏轉(zhuǎn)角度的增大，穗柄斷裂點(diǎn)的位置更加靠近果穗一端。當(dāng)玉米果穗穗柄的斷裂方式由拉伸斷裂突變?yōu)閺澢鷶嗔褧r(shí)，穗柄斷裂點(diǎn)的位置迅速靠近穗柄上端與果穗的連接處。

含水率對(duì)玉米穗柄斷裂后的苞葉去除率亦有顯著影響。由圖9可知，在不同的果穗偏轉(zhuǎn)角度下，苞葉去除率均隨籽粒含水率的降低而增加。因苞葉含水率與籽粒含水率的變化趨勢(shì)一致，表明隨著苞葉含水率的降低，玉米穗柄斷裂時(shí)，會(huì)有更多的苞葉與果穗上脫離而殘留在莖稈上。究其原因，一方面隨著玉米果穗成熟度的提高，苞葉變得更加松散，苞葉與果穗的粘附力降低；另一方面，在低含水率下，苞葉與苞葉間的摩擦系數(shù)減小，造成苞葉與玉米果穗間的摩擦力減小。因此，穗柄斷裂后果穗的苞葉殘留量，取決于穗柄的斷裂位置和苞葉的受力情況。

圖9 試驗(yàn)因素對(duì)苞葉去除率的影響

通過(guò)計(jì)算可得，在玉米果穗偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到臨界角度后，各控制含水率下的苞葉去除率分別由臨界角度之前的48.48%、55.76%、62.05%和67.23%增加到68.20%、74.73%、81.88%和91.58%，分別增加了41%、34%、32%和36 %。因此，通過(guò)同時(shí)施加側(cè)向載荷，改變玉米果穗與割臺(tái)接觸時(shí)的位姿，使玉米果穗的偏轉(zhuǎn)角度大于臨界角度，可有效減少采收后果穗的苞葉殘留量，顯著降低后續(xù)工序的工作量。

3.1.4 穗柄含水率對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

在玉米收獲期內(nèi)，穗柄含水率與籽粒含水率呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。穗柄作為摘穗中直接的受力與斷裂部位，其含水率變化對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)也有一定的影響。圖10為不同籽粒含水率下各試驗(yàn)指標(biāo)在臨界角度前后與穗柄含水率變化曲線的對(duì)比圖。

果穗固定角度小于臨界角度時(shí)，穗柄拉斷力與斷裂拉伸量均隨籽粒含水率的降低而呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。穗柄拉斷力的變化曲線與穗柄含水率較一致（圖10 a）；拉伸斷裂量變化趨勢(shì)與穗柄含水率不同，表現(xiàn)為穗柄含水率出現(xiàn)大幅降低時(shí)，拉伸斷裂量并未顯著減小（圖10 c）。苞葉去除率隨籽粒含水率的降低而增加，與穗柄含水率的變化趨勢(shì)相反，當(dāng)籽粒含水率由25.1%降至20.3%時(shí)，穗柄含水率大幅降低，而苞葉去除率的增幅無(wú)明顯改變（圖10 e）。

果穗固定角度達(dá)到臨界角度后，穗柄拉斷力與拉伸斷裂量均隨籽粒含水率的降低而降低。但與穗柄含水率的變化趨勢(shì)并不一致，表現(xiàn)為穗柄含水率大幅降低時(shí)，穗柄拉斷力（圖10 b）與斷裂拉伸量（圖10 d）均未出現(xiàn)明顯減小。苞葉去除率此時(shí)依然隨籽粒含水率降低而增加，當(dāng)穗柄含水率大幅降低時(shí)，苞葉去除率的增幅無(wú)明顯變化（圖10 f）。

圖10 臨界角度前后穗柄含水率與各試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系

3.2 試驗(yàn)結(jié)果回歸分析

為研究特定含水率下穗柄斷裂時(shí)果穗偏轉(zhuǎn)角度與穗柄拉斷力、斷裂拉伸量及苞葉去除率的影響，本文以上述3個(gè)指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，以玉米果穗的偏轉(zhuǎn)角度為自變量，采用Origin 2016軟件對(duì)各籽粒含水率下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行一元非線性回歸分析。由各指標(biāo)隨玉米果穗偏轉(zhuǎn)角度的變化折線圖可知，穗柄拉斷力、斷裂拉伸量的最優(yōu)擬合函數(shù)為L(zhǎng)ogistic函數(shù)[27]：

式中i為目標(biāo)函數(shù)：其中1為穗柄拉斷力，N，2為斷裂拉伸量，mm；為果穗偏轉(zhuǎn)角度，（°）；、、、分別為待定系數(shù)。

苞葉去除率的最優(yōu)擬合函數(shù)為一元三次多項(xiàng)式：

式中3為苞葉去除率，%。

各籽粒含水率下目標(biāo)函數(shù)的擬合結(jié)果及回歸系數(shù)如表4所示。由表4可知，穗柄拉斷力回歸擬合的決定系數(shù)2最低為0.982 2，斷裂拉伸量回歸擬合的決定系數(shù)2最低為0.968 9，苞葉去除率的回歸擬合決定系數(shù)2最低為0.935 8，表明上述回歸方程對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的擬合程度較高。

表4 回歸分析結(jié)果

3.3 不同偏轉(zhuǎn)角度下穗柄斷裂機(jī)理分析

在各含水率下，當(dāng)玉米果穗偏轉(zhuǎn)角度增加到臨界角度時(shí)，玉米穗柄的斷裂方式由拉伸斷裂變?yōu)閺澢鷶嗔?，玉米穗柄的斷裂力、斷裂時(shí)拉伸變形量及苞葉去除率均發(fā)生較大變化。以25.1%含水率下穗柄的斷裂為例，結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)象及試驗(yàn)結(jié)果，分別對(duì)果穗偏轉(zhuǎn)角度為45°和60°的“載荷-位移”曲線進(jìn)行分析。

3.3.1 拉伸為主要形式的斷裂

當(dāng)果穗偏轉(zhuǎn)角度為45°時(shí)，玉米穗柄的“載荷-位移”曲線如圖11所示。此時(shí)，玉米穗柄變形斷裂的主要形式為拉伸斷裂。其“載荷-位移”曲線可分為3個(gè)階段[28]。彈性階段OA：該階段內(nèi)，玉米穗柄的變形量與載荷成正比，載荷消除，穗柄的變形將消失；塑性階段AB：隨著載荷的增加，穗柄所受的拉應(yīng)力超過(guò)了其彈性極限，但是穗柄并未斷裂，在載荷的作用下繼續(xù)拉伸，“載荷-位移”曲線的斜率發(fā)生略微變化，中間伴隨著苞葉的局部斷裂，發(fā)出輕微斷裂聲，載荷出現(xiàn)鋸齒狀的下降；斷裂階段BC：當(dāng)載荷增至B點(diǎn)時(shí)，穗柄開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，伴隨有輕微的響聲，由于穗柄為非均勻材料，載荷呈階躍式下降，并伴隨有撕裂的聲音，在較短時(shí)間內(nèi)，載荷突然降低，同時(shí)發(fā)出較大的斷裂響聲，穗柄被拉斷。

同時(shí)，可從圖11分析得出，苞葉的局部斷裂，會(huì)使穗柄的拉伸載荷曲線產(chǎn)生鋸齒狀的下降，但并不影響曲線總體的運(yùn)行規(guī)律，即苞葉對(duì)于穗柄的拉伸力學(xué)特性沒(méi)有顯著的影響。

圖11 果穗偏轉(zhuǎn)角度為45°時(shí)穗柄拉伸的載荷-位移曲線

3.3.2 彎曲為主要形式的斷裂

船舶污染物接收處置能力的建設(shè)模式目前主要有3種，分別是自建自營(yíng)模式、企業(yè)簽約服務(wù)模式和政府購(gòu)買(mǎi)服務(wù)模式。

當(dāng)籽粒含水率為25.1%，果穗偏轉(zhuǎn)角度為60°時(shí)，玉米穗柄拉伸的“載荷-位移”曲線如圖12所示。此時(shí)，玉米穗柄斷裂的主要原因?yàn)閺澢冃?，其斷裂過(guò)程可分為3個(gè)階段。直線階段OA：此階段為加載的初始階段，玉米果穗穗柄表面不產(chǎn)生側(cè)向裂紋，拉伸變形量與載荷基本呈正比關(guān)系；裂紋擴(kuò)展階段AB：當(dāng)載荷增至A點(diǎn)時(shí)，穗柄表面萌生橫向裂紋，隨著載荷增加，裂紋擴(kuò)展，不斷發(fā)出輕微開(kāi)裂聲，由于穗柄斷面內(nèi)材料的不均勻性，裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生波動(dòng)，“載荷-位移”曲線出現(xiàn)多次鋸齒狀的下降；非穩(wěn)定斷裂階段BC：當(dāng)載荷達(dá)到最大值后，穗柄被拉斷，同時(shí)發(fā)出較大的響聲，由于苞葉的影響及穗柄材料各組分彈性系數(shù)的差異，穗柄各部分持續(xù)彎曲斷裂，“載荷-位移”曲線呈現(xiàn)階躍式下降。

圖12 果穗偏轉(zhuǎn)角度為60°時(shí)穗柄的載荷-位移曲線

3.3.3 2種斷裂方式下的力學(xué)比較

由上述分析可知，在以拉伸為主的斷裂方式下，穗柄在裂紋萌生后短時(shí)間內(nèi)斷裂，穗柄斷裂時(shí)的載荷與裂紋萌生時(shí)的載荷相比，變化較小。而在以彎曲為主要形式的斷裂方式下，穗柄在裂紋萌生后持續(xù)出現(xiàn)鋸齒狀的波動(dòng)，并產(chǎn)生較大的拉伸變形，由于存在應(yīng)力集中等原因，這一階段，載荷與拉伸時(shí)相比，并未產(chǎn)生顯著增加，穗柄斷裂拉伸的最大載荷與裂紋萌生時(shí)的載荷差值較小。因此，在2種斷裂方式中，穗柄的斷裂行為均始于表面裂紋的萌生，裂紋萌生時(shí)穗柄所受的拉力，能夠在數(shù)值上客觀反應(yīng)穗柄斷裂力。

由玉米穗柄的微觀結(jié)構(gòu)可知，其表層主要結(jié)構(gòu)為纖維束[29]。穗柄表面裂紋的萌生，是拉力超過(guò)纖維束極限載荷而斷裂的宏觀表現(xiàn)。將穗柄橫截面視為圓形，由材料力學(xué)知識(shí)可知，在拉伸情況下，材料的斷裂條件為[30]

式中σ為材料的拉伸極限應(yīng)力，MPa；F為果穗偏轉(zhuǎn)角度小于臨界角度時(shí)的拉伸載荷，N；為穗柄的橫截面積，mm2；為穗柄半徑，mm。

在彎曲情況下，穗柄表面裂紋萌生的誘因是彎曲正應(yīng)力超過(guò)材料的極限應(yīng)力，即

由于玉米穗柄在拉伸與彎曲形式下的極限應(yīng)力，均為穗柄表面纖維束均受到拉力作用而斷裂的極限應(yīng)力，故σ=σ。則由式（4）和式（5）可得拉伸斷裂與彎曲斷裂條件下拉伸載荷的關(guān)系為：

因此，在彎曲載荷與拉伸載荷共同作用下，當(dāng)玉米果穗偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到臨界角度，穗柄由拉伸斷裂突變?yōu)閺澢鷶嗔?，其根本原因?yàn)樗氡砻媪鸭y萌生的誘因發(fā)生突變，裂紋的擴(kuò)展方式也隨之改變。而在仿人工雙手摘穗機(jī)構(gòu)中，欲達(dá)到降低拉莖輥載荷及苞葉殘留量的目的，則施加的橫向作用力，須使玉米果穗的偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到上述臨界角度。

4 結(jié) 論

1）玉米果穗位姿的變化顯著影響穗柄的拉伸斷裂行為：隨著果穗偏轉(zhuǎn)角度增大，穗柄拉斷力、斷裂拉伸量及苞葉殘留率會(huì)在一臨界角度產(chǎn)生突變；在籽粒含水率分別為34.8%、30.2%、25.1%和20.3%時(shí)，臨界角度分別為50°～55°、50°～55°、45°～50°和45°～50°，達(dá)到臨界角度后，玉米穗柄的拉伸斷裂力分別降低了80%、86%、84%和80%，穗柄拉伸量分別增加了72%、70%、93%和84%，苞葉去除率分別增加了41%、34%、32%和36%。

2）隨著果穗偏轉(zhuǎn)角度的增大，穗柄的斷裂機(jī)理發(fā)生改變：偏轉(zhuǎn)角度小于臨界角度時(shí)，裂紋萌生誘因是拉應(yīng)力超過(guò)材料極限應(yīng)力，穗柄為拉伸斷裂，穗柄在裂紋產(chǎn)生后迅速斷裂；偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到臨界角度后，裂紋萌生是由于彎曲正應(yīng)力超過(guò)材料的極限應(yīng)力，穗柄為彎曲斷裂，穗柄在較長(zhǎng)時(shí)間的裂紋擴(kuò)展后發(fā)生斷裂。

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Influence of different corn ear position and orientation and water content on fracture mechanics of corn peduncle

Fu Qiankun1,2, Fu Jun1,2,3※, Chen Zhi2,3, Zhang Libo4, Ren Luquan1,2

(1.,,,130022,; 2.,,130022,; 3.100083,; 4.,050000,)

There are many problems exsist in the harvesting process of corn head. Firstly, kernels are likely to shed and broken because of the collision and friction between corn head and corn ears. Secondly, the working principle of the existing corn head is to snap corn ears by stretching, which needs a large amount of power consumption. Thirdly, most husks are remained around the corn ears, as the fracture point are mostly located at the growing point of the peduncle, which aggravates the difficulty of dehusking of corn ears and cleaning of corn kernels. However, the mentioned problems above could be avoided effectively when people picking corn ears with their two hands. People apply bending moment with the loading hand and hold peduncle and stalk together tightly with the supporting hand at the same time. Corn peduncles are subjected to tensile forces by the corn ear and tensile force by the stalk. Besides, a bending moment is applied on the peduncle by corn ear, as corn ear are subjected to lever action by people’s hand. A fracture model of corn peduncle was refined in the progress of picking corn ear by people’s hands in this research. The fracture behavior of corn peduncle could be altered by changing the position and orientation of corn ears. Through the fracture model, a design idea for corn ear snapping was proposed based on the existing corn heads. It worked with the principle of applyinglateral force to corn ear when it got in collision with the deck plates. Researches were made to explore the fracture behavior of peduncle at different position and orientation under a range of moisture content and deflection angle. The test material were corn ears with the kernels moisture contents of 34.8%, 30.2%, 25.1% and 20.3%. The fracture force of peduncles, the stretching amount when peduncle fracture and the removal rate of husks were taken as the test indices. The first series of randomized block experiments were carried out on corn ears fixed with a deflection angle relative to the corn stalk. The deflection angle included six treatment from 0° to 75° with an incremental interval of 15°. The sceond series of randomized block experiments were conducted with the deflection angle of 50° and 55° as data jumped greatly between 45°and 60 °. The results showed that there were critical angles of peduncles with the kernels moisture of 34.8%, 30.2%, 25.1% and 20.3%. The critical angles were 50° to 55°, 50° to 55°, 45° to 50° and 45° to 50° corresponding to the moisture contents above. As the deflection angle of corn ears increased to the critical angle, the average fracture force of peduncles decreased from 717.18, 676.49, 611.23 and 462.86 N to 139.98, 94.70, 97.72 and 90.54 N, with the decreasing ratio of 80%, 86%, 84%, and 80%, corresponding to kernels moisture of 34.8%, 30.2%, 25.1% and 20.3%. Also, the stretching amount when peduncle fracture increased with the ratio of 72%, 70%, 93% and 84%, while the removal rate of husks increased by 41%, 34%, 32% and 36%. The Logistic function was the optimal approximation function for the fitting of fracture force of peduncles and the stretching amount when peduncle fracture, while a cubic functions of one variable was optimal for the removal rate of husks. By analysing the “l(fā)oad-displacement” curves of corn peduncles with the deflection angle of 45° and 60° at the moisture content of 25.1%, it showed that the acute change of data was attributed to the change of peduncle fracture mechanism. When the deflection angle was less than the critical angle, the peduncle fractured instantly after crack formation on the surface. The reason for the formation of crack was tensile stress getting higher than the stress limit. Otherwise, the peduncle fractured slowly after crack formation, with the formation reason of crack was bending normal stress getting higher than the stress limit. As an instructive conclusion, the bionic corn ear snapping device could be implemented by applying lateral force on corn ears to change their position and orientation. This study provides not only theory basis but also support data for the design and improvement of bionic corn snapping mechanism.

agricultural machinery; fracture; mechanics; corn; position and orientation; ear snapping; experiment

2019-03-24

2019-06-04

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51705193）；吉林大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（101832018C008）

付乾坤，博士生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)。Email：fuqk17@mails.jlu.edu.cn

付 君，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事仿生收獲技術(shù)與裝備研究，Email：fu_jun@jlu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.007

S225.5+1

A

1002-6819(2019)-16-0060-10

付乾坤，付 君，陳 志，張立波，任露泉.不同玉米果穗位姿與含水率對(duì)穗柄斷裂特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(16)：60－69. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.007 http://www.tcsae.org

Fu Qiankun, Fu Jun, Chen Zhi, Zhang Libo, Ren Luquan.Influence of different corn ear position and orientation and water content on fracture mechanics of corn peduncle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16):60－69. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.16.007 http://www.tcsae.org