飼用苧麻基部莖稈彎曲特性測(cè)試

馬蘭，劉佳杰，向偉，顏波，呂江南*，文慶華

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院麻類研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410205；2.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

苧麻是蕁麻科（Urticaces）苧麻屬（Boehmeria Jacq.）多年生植物，是中國(guó)傳統(tǒng)的特色經(jīng)濟(jì)作物，具有悠久的歷史文化底蘊(yùn)，俗稱“中國(guó)草”。苧麻除了作為傳統(tǒng)的紡織纖維原料外，其嫩莖葉還富含蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，與苜蓿相近，是很好的植物蛋白飼料原料［1-3］。苧麻作飼料用或培育的飼用苧麻新品種（以下簡(jiǎn)稱飼用苧麻），一般一年可收割8～10次，其嫩莖葉全年生物產(chǎn)量可達(dá)19 t/hm2（干物質(zhì)），飼用品質(zhì)優(yōu)良［4-6］。南方畜牧業(yè)特別是反芻動(dòng)物需要蛋白含量高的草料，以提高肉的品質(zhì)和保證家畜的健康。我國(guó)南方養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展受到草料供給不足的制約［7］，每年均需從國(guó)外進(jìn)口或從我國(guó)東北等北方地區(qū)調(diào)運(yùn)，長(zhǎng)途運(yùn)輸成本較高。我國(guó)南方蛋白牧草缺乏，不利于“節(jié)糧型”畜牧業(yè)的發(fā)展。全國(guó)種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃《2016-2020》在第（一）條品種結(jié)構(gòu)調(diào)整重點(diǎn)第6點(diǎn)飼草作物調(diào)整中指出：“南方地區(qū)重點(diǎn)發(fā)展黑麥草、三葉草、狼尾草、飼用油菜、飼用苧麻、飼用桑葉等”。因此，飼用苧麻是我國(guó)南方地區(qū)未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的飼料作物之一［8-9］。國(guó)內(nèi)蘇工兵［10］、黃海東［11］、沈成［12］、晏科滿［13］、徐鑫［14］等分別對(duì)纖維用苧麻莖稈的力學(xué)特性進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)和相關(guān)研究。雖然纖用苧麻莖稈力學(xué)的研究可以為飼用苧麻的研究提供借鑒，但纖用苧麻和飼用苧麻生長(zhǎng)期以及培育目標(biāo)等不同，導(dǎo)致二者之間有一定的力學(xué)特性差異，不便于采用傳統(tǒng)的纖維用機(jī)械收獲，而針對(duì)飼用苧麻莖稈的力學(xué)特性研究有待豐富。研究飼用苧麻基部莖稈的力學(xué)特性，探明不同品種飼用苧麻的彎曲特性差異，找出莖稈直徑、重量等因素與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系，可為飼用苧麻專用收獲加工機(jī)械的研發(fā)提供設(shè)計(jì)參數(shù)，亦可為飼用苧麻的品種選育提供參考［15］。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用國(guó)家種質(zhì)長(zhǎng)沙苧麻圃種植的7個(gè)苧麻品種（品系）（見表1）為試驗(yàn)材料，在飼用收獲期收獲，進(jìn)行苧麻基部力學(xué)彎曲試驗(yàn)，每個(gè)品種取10株。莖稈基部10 cm處平均直徑為13.42 mm，采用105℃烘干法（GB/T 5497—1985）測(cè)定鮮莖稈含水率，平均含水率為77.35%。采樣日期為2020年10月3日，試驗(yàn)日期是當(dāng)天。苧麻取回后去葉，緊靠基部地上莖，整齊切割150 mm的一段。三點(diǎn)彎曲法測(cè)定苧麻莖稈的彎曲應(yīng)力，試樣跨距為100 mm，兩段外延長(zhǎng)度為25 mm。

表1 7個(gè)苧麻品種莖稈性狀表Table 1 The charactertable of 7 varieties ramie stem

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

采用微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（上海拓豐儀器有限公司生產(chǎn)），型號(hào)TFW-508，選用5 KN的傳感器，力傳感器以及位移傳感器的精度都在±0.1%內(nèi)。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為加載速度5.0 mm/min，跨距100 mm。判斷停機(jī)條件為力值下降超過(guò)峰值力的80%。采用三點(diǎn)彎曲的方法，如圖1所示。點(diǎn)擊開始試驗(yàn)按鈕進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)由萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)軟件自動(dòng)采集，得到試驗(yàn)的力-位移曲線。試驗(yàn)7個(gè)品種分為7組，每組取樣10株。使用游標(biāo)卡尺測(cè)量各個(gè)試樣的幾何參數(shù)（外徑d、重量G），并記錄。莖稈彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)參照GB/T 1937規(guī)定進(jìn)行。

圖1 飼用苧麻莖稈彎曲試驗(yàn)Fig.1 Bending test of forage ramie stem

其他儀器：精度為0.1 mg的電子秤、精度為0.01 mm的電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺、砂輪磨光機(jī)等。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2013進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

根據(jù)彈性力學(xué)理論分析，對(duì)于橫截面高度（試樣直徑dm）遠(yuǎn)小于跨距l(xiāng)w的細(xì)長(zhǎng)苧麻莖稈（類似于細(xì)長(zhǎng)梁），橫截面上的附加正應(yīng)力和縱向纖維間的正應(yīng)力都非常微小，采用純彎曲時(shí)梁橫截面上的正應(yīng)力材料力學(xué)公式［16］（式1）來(lái)計(jì)算每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的彎曲應(yīng)力，與苧麻莖稈內(nèi)的真實(shí)壓力相比，不會(huì)產(chǎn)生很大誤差，能夠滿足工程問(wèn)題所要求的精度。

式中：σw—彎曲應(yīng)力即抗彎強(qiáng)度，MPa；

Fwmax—最大彎曲力，N；

dm—試樣外圓截面直徑，mm；

lw—試樣跨距，mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同品種苧麻間彎曲應(yīng)力的差異

飼用苧麻基部彎曲載荷與位移關(guān)系曲線如圖2所示，不同品種苧麻莖稈基部彎曲載荷與位移的關(guān)系類似。莖稈在載荷的作用下，先進(jìn)入近似線性的彈性變形階段，當(dāng)載荷值增大到極限值后，試件開始產(chǎn)生局部微觀破壞，曲線下降。

圖2 彎曲載荷與位移關(guān)系曲線Fig.2 Curve of the relationship between load and displacement

從圖3可以看出，不同品種苧麻的莖稈抗彎強(qiáng)度有明顯的差異，同一個(gè)品種，莖稈的抗彎強(qiáng)度差異亦明顯。飼用苧麻G59的整體抗彎強(qiáng)度小于其他6個(gè)品種，飼用苧麻品種TG5的平均抗彎強(qiáng)度大于其他6個(gè)品種的。7個(gè)苧麻品種基部莖稈彎曲應(yīng)力平均為0.988 MPa。

圖3 彎曲應(yīng)力與品種的關(guān)系Fig.3 Relationship between bending stress and varieties

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，各飼用苧麻品種的抗彎強(qiáng)度近似服從正態(tài)分布。不同品種的抗彎強(qiáng)度方差分析見表2，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，P-value＝2.36E-13＜0.01，F(xiàn)0.05＝2.246 4，F(xiàn)0.01＝FINV（0.01，6，60）＝3.12，F(xiàn)＝20.985 7＞F0.01，表明上述7個(gè)苧麻品種飼用時(shí)的抗彎強(qiáng)度差異極顯著。

表2 不同品種的抗彎強(qiáng)度方差分析Table 2 Bending strengthanalysis of variance about different varieties of forage ramie

2.2 不同品種苧麻莖稈橫截面積和重量對(duì)抗彎強(qiáng)度的影響

中苧1號(hào)基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖4所示，線性相關(guān)系數(shù)為0.596，可見該品種基部橫截面積和重量的變化趨勢(shì)相同，有一定的線性正相關(guān)關(guān)系。該品種的抗彎強(qiáng)度與橫截面積之間是非線性關(guān)系，抗彎強(qiáng)度與重量之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系，如圖5所示。

圖4 中苧1號(hào)基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系Fig.4 Correlation of cross section area and weight of Zhongzhu No.1

圖5 中苧1號(hào)基部莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系Fig.5 Correlation of bending strength and cross section area or weight of Zhongzhu No.1

中苧3號(hào)基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖6所示，相關(guān)系數(shù)為0.967，該品種基部橫截面積和重量之間具有線性正相關(guān)性。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖7所示。該苧麻品種的莖稈橫截面積抗彎強(qiáng)度之間是非線性關(guān)系，其重量與抗彎強(qiáng)度之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。

圖6 中苧3號(hào)基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系Fig.6 Correlation of cross section area and weight of Zhongzhu No.3

圖7 中苧3號(hào)基部莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系Fig.7 Correlation of bending strength and cross section area or weight of Zhongzhu No.3

苧麻0501基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖8所示，可見該品種基部橫截面積和重量之間具有線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.895。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖9所示，其抗彎強(qiáng)度與莖稈橫截面積之間是非線性關(guān)系，與重量之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。

圖8 苧麻0501莖稈橫截面積和重量的關(guān)系Fig.8 Correlation of cross section area and weight of ramie 0501

圖9 苧麻0501莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系Fig.9 Correlation of bending strength and cross section area or weight of ramie 0501

苧麻G59基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖10所示，可見該品種基部橫截面積和重量之間具有線性正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.972。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖11所示，其抗彎強(qiáng)度與莖稈橫截面積之間是非線性關(guān)系，與重量之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。

圖10 苧麻G59莖稈橫截面積和重量的關(guān)系Fig.10 Correlation of cross section area and weight of ramie G59

圖11 苧麻G59莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系Fig.11 Correlation of bending strength and cross section area or weight of ramie G59

苧麻TG5基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖12所示，決定系數(shù)為0.950，可見該品種基部莖稈橫截面積和重量之間擬合度高，相關(guān)系數(shù)為0.975，具有很強(qiáng)的線性相關(guān)性，呈正相關(guān)。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖13所示，其橫截面積與抗彎強(qiáng)度之間是非線性關(guān)系，其重量與抗彎強(qiáng)度之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。

圖12 TG5基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系Fig.12 Correlation of cross section area and weight of ramie TG5

圖13 TG5基部莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系Fig.13 Correlation of bending strength and cross section area or weight of ramie TG5

苧麻TG6基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖14所示，可見該品種基部橫截面積和重量之間的變化趨勢(shì)相同，相關(guān)系數(shù)為0.852，呈線性正相關(guān)。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖15所示，該品種的抗彎強(qiáng)度與莖稈橫截面積是非線性關(guān)系，與重量之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。

圖14 苧麻TG6莖稈橫截面積和重量的關(guān)系Fig.14 Correlation of cross section area and weight of ramie TG6

圖15 苧麻TG6莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系Fig.15 Correlation of bending strength and cross section area or weight of ramie TG6

苧麻四川DB基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖16所示，可見該品種基部橫截面積與重量之間具有較高的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.901。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖17所示，苧麻四川DB的莖稈的抗彎強(qiáng)度與該段橫截面積之間是非線性關(guān)系，與該段重量之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。

圖16 苧麻四川DB基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系Fig.16 Correlation of cross section area and weight of ramie sichuan DB

圖17 苧麻四川DB基部莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系Fig.17 Correlation of bending strength and cross section area or weight of ramie sichuan DB

2.3 7個(gè)品種基部莖稈橫截面積與重量的關(guān)系

7個(gè)苧麻品種基部莖稈橫截面積與重量的關(guān)系如圖18所示，其基部莖稈橫截面積與重量之間具有較高的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.938。

圖18 苧麻基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系Fig.18 Correlation of cross section area and weight about the basal stem of ramie

3 結(jié)論與討論

（1）飼用苧麻飼用價(jià)值較高，是一種新型的優(yōu)質(zhì)蛋白飼料，從物理機(jī)械特性角度出發(fā)，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，測(cè)定了收獲期7個(gè)品種飼用苧麻莖稈的最大抗彎力，計(jì)算出其基部莖稈抗彎強(qiáng)度，不同飼用苧麻品種抗彎強(qiáng)度差異達(dá)極顯著水平，最大抗彎強(qiáng)度為1.529 MPa。中飼苧1號(hào)的抗彎強(qiáng)度從0.699 Mpa到0.867 MPa；中飼苧3號(hào)的抗彎強(qiáng)度范圍是0.859 MPa到1.226 MPa；飼用苧麻0501的抗彎強(qiáng)度從0.532 MPa到1.154 MPa；飼用苧麻G9抗彎強(qiáng)度從0.350 MPa到0.781 MPa；飼用苧麻TG5的抗彎強(qiáng)度從1.062 MPa到1.670 MPa；飼用苧麻四川DB的抗彎強(qiáng)度從0.879 MPa到1.529 MPa；飼用苧麻TG6的抗彎強(qiáng)度從0.823 MPa到1.523 MPa。飼用苧麻莖稈基部彎曲特性的測(cè)定為設(shè)計(jì)與此相適應(yīng)的收獲機(jī)械及加工機(jī)械提供依據(jù)，亦可為飼料用苧麻品種選育提供參考。

（2）收獲期，同一苧麻品種的基部莖稈抗彎強(qiáng)度與橫截面積之間沒有線性關(guān)系，從公式（1）可以看出，它們是冪函數(shù)關(guān)系；同一品種莖稈抗彎強(qiáng)度與重量之間不存在顯著性相關(guān)關(guān)系，但7個(gè)苧麻品種的基部莖稈橫截面積與重量之間具有線性正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)是0.938，其中飼用苧麻TG5基部莖稈橫截面積和重量之間擬合度高，相關(guān)系數(shù)為0.975；中飼苧1號(hào)底部莖稈橫截面積和重量之間的線性相關(guān)系數(shù)為0.596。苧麻基部莖稈橫截面積與重量的關(guān)系式，可為建立苧麻莖稈的仿真模型提供參考。

（3）飼用苧麻的抗彎強(qiáng)度與纖用苧麻的抗彎強(qiáng)度差異較大，原因可能是品種培育差別、生長(zhǎng)期不同。雖然飼用苧麻的抗彎強(qiáng)度小于纖用苧麻，纖用苧麻的收割機(jī)械可以收割飼用苧麻，但是存在動(dòng)力浪費(fèi)，噪音大等問(wèn)題，不利于苧麻產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展。

（4）飼用苧麻一年收獲多次，不同季次的收獲期飼用苧麻力學(xué)性能是否存在顯著差異有待進(jìn)一步研究，以便為飼用苧麻專用收獲加工機(jī)械設(shè)計(jì)提供依據(jù)。