豆禾牧草刈割期莖稈抗彎特性試驗研究

趙春花 ，曹致中

(1.甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室，中-美草地畜牧業可持續研究中心，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農業大學工學院，甘肅蘭州 730070)

研究植物莖稈的生物力學，并以此作為評價指標對植物進行優種特性評價已引起農業工程領域和農學家的廣泛注意，研究成果主要集中在生物力學抗倒伏評價以及植物形態特性指標與倒伏相關性研究等方面[1-3]。應用生物力學性質指標對莖稈作物進行評價，在作物優種篩選和選育中起指導作用。近年來，隨著畜牧業的快速發展，對牧草資源的開發利用在國內外引起高度重視，各種加工機具、配套工藝和牧草產品應運而生；對牧草物料加工特性的研究也有了較快的發展，為進一步設計開發新機具、新工藝提供了理論依據[4，5]。研究牧草莖稈生物力學特性的意義為:(1)農業機械設計階段考慮牧草的特性有利于確定機器的工作情況，減少研發成本與縮短研發周期[6，7]；(2)牧草的機械處理如切斷、壓縮打捆、制草顆粒、草產品等有重大的經濟價值，但有關牧草物理機械特性方面的研究卻很少；(3)隨著遺傳工程的發展，人為培育優質高產、抗逆的牧草，牧草莖稈的力學研究為遺傳工程改變牧草內部結構與機械性能指出了明確的目標。國內外學者對小麥、水稻、玉米等主要糧食作物的抗倒伏和副產品的開發利用進行了大量的研究工作[8-10]。但這些研究中，對牧草莖稈的力學性能，尤其是抗彎特性的研究還未見報道。研究選用多年生豆科牧草甘農3號苜蓿、匍匐型小冠花、直立型小冠花(新育品系)和禾本科無芒雀麥、扁穗冰草5種牧草刈割期底部莖稈為研究材料，對其抗彎特性進行了測定和研究，為設計、合理選擇多功能豆禾牧草收割機[11]技術參數提供理論支持，也為進一步培育優良品種、開發草產品深加工技術提供一定的參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料在甘肅景泰縣蘭化302農場(試驗區)生長多年的初花期甘農3號紫花苜蓿(Medicago sativa cv.Gannong No.3)、匍匐型小冠花(creeping type crownvetch)、直立型小冠花(Erect crownvetch strain)和禾本科瑪格納無芒雀麥(Bromus inermis cv.Mag-na)、A.C帕克蘭德扁穗冰草(Agropyron cristatum cv.Ac Parkland)5種豆禾牧草，在2009年6月 18日刈割期對莖稈進行隨機采樣，選取生長良好，無病蟲害的新鮮植株，并盡量避免對莖稈的機械損傷，截取豆禾牧草底部(地表30～150 mm)的莖稈為試驗樣本，選取測定的不同直徑樣本要保證其形態一致性，長度約80 mm。試樣采回后立刻送實驗室在4℃保存 ，各種牧草選100株，按莖稈直徑大小分5組，每組由樣本直徑相近的植株20株組成，標距為50 mm。

1.2 試驗方法

試驗在甘肅農業大學材料力學實驗室進行，用設備為深圳SANS公司制造的CMT2502型微機控制電子萬能試驗機，該機最大試驗力500 N，加載速率為10 mm/min；感量為0.01 g的電子天平；游標卡尺。在如下力學性質指標簡化計算分析基礎上采用常規材料力學性能測試方法進行3點彎曲試驗，測取彎折極限載荷及應力-變形關系對應的數。試驗過程中，為防止牧草莖稈在彎曲夾具上滑移，選擇與莖稈空腔直徑相適應的長為50 mm的螺紋桿，將兩根螺桿分別從兩端穿入莖稈空腔25 mm，用細線順螺紋方向緊緊纏繞莖稈，并涂一層504膠。此時，莖稈、螺桿和細線構成試件夾持部分，0.5 h后將試件裝在試驗機夾具內。

1.3 力學性質指標計算依據

由于牧草莖稈的材料組織結構差異很大，生物力學性質指標在試驗測定值基礎上運用何種力學模型計算需要針對性地選擇，為此從宏觀力學層面進行分析[12]。首先分析彈性模量試驗和計算的依據。該常數反映了材料在彈性范圍內的固有特性，是表達材料受力時應力與應變關系的重要參量。對于莖稈材料來說，若采用復合材料力學模型進行強度分析，則3點彎曲對應的彎曲強度，

式中 Pmax— 彎折極限載；f—彎曲撓度；b、h—分別為矩形試件的寬度和高度。

試驗需要制作標準矩形梁試件，且針對纖維層增強型復合材料來構造較為合理。研究針對的牧草莖稈雖屬于復合材料(表皮呈木質纖維，中間為多孔泡沫狀材料)，但整體受力時材料常數可處理為當量彈性模量，因此在豆禾牧草彈性模量計算時應用了較簡單的關系其中，I—莖稈截面慣性矩。

表1 5種豆禾牧草收獲期莖稈抗彎試驗結果Table 1 Bending tests results of Stems of legume forage and grasses stems at harvesting period

圖1 5種豆禾牧草莖稈彎曲試驗應力-應變曲線Fig.1 Curve of bending tests stress-strain of legumes forage and grasses stems

2 結果與分析

彎曲強度、抗彎剛度是評價作物抗倒伏優種特性的兩個重要指標[13]。牧草莖稈的力學特性影響牧草收獲和加工過程中的切割力，切割功耗，切割器的結構等，在設計收割機切割器時，應考慮莖稈彈性模量對夾持力的影響，飼料作物切割時需要剪切強度、彎曲強度、密度和摩擦等，其結構形態參數有長度、外徑和壁厚[14]。試驗以10 mm/min的試驗速度對試樣進行 3點彎曲試驗，研究了刈割期莖稈力學指標與刈割直徑的變化情況，測得供試豆禾牧草莖稈的最大載荷，最大抗彎強度(彎曲破壞應力)，抗彎剛度，彈性模量等力學性能指標。測得5種牧草甘農3號、匍匐型小冠花、直立型小冠花和禾本科牧草無芒雀麥、扁穗冰草刈割期莖稈(表1)平均直徑分別為:3.848±0.85 mm，3.120±0.82 mm，4.500±0.87 mm，1.790±0.59 mm，1.544±0.12 mm；最大抗彎強度(彎曲破壞應力)平均值分別為 1.442±0.54 MPa，1.128±0.58 MPa，1.168±0.55 MPa，1.014±0.23 MPa，4.706±7.95 MPa；彎曲彈性模量平均值分別為 57.914±5.38 MPa，20.550 ±12.25 MPa，25.612 ±10.83 MPa，31.474±4.99 MPa，60.880±22.78 MPa。

圖1為5種牧草500株試件刈割區莖稈彎曲試驗結果最佳的應力-應變曲線圖，其外徑依次為4.0 mm，2.7 mm ，5.6 mm ，1.74 mm 和1.68 mm的刈割區莖稈彎曲試驗最佳，由圖可見，莖稈在整個彎曲過程中，大致經歷了3個階段:①近似線彈性階段。載荷從零緩慢增加到σ p附近，應力與應變近似呈線性關系，材料服從虎克定律。②非線彈性階段。當繼續加載，薄壁圓管彎曲變成橢圓，發生Brazier效應[15]，Brazier屈曲能使薄壁管狀植物結構產生倒伏的重要原因。③變形斷裂階段。彎曲應力超過最大抗彎強度后牧草莖稈斷裂，應力下降，莖稈瞬間被破壞，斷口發生在莖稈的橫截面內。

圖1和表1表明，豆科牧草莖稈直立型小冠花與甘農三號彎曲應力-應變曲線圖相似，甘農三號外徑4.0 mm時，最大應力為1.39 MPa，最大負荷應變區間3.06%～5.19%，直立型小冠花外徑5.6 mm時，最大應力為 1.51 MPa，最大負荷應變區間 1.66%～11.8%，即這兩種豆科牧草莖稈的柔韌性直立型小冠花大于甘農三號；而匍匐型小冠花與直立型小冠花應力-應變曲線圖差異大，匍匐型小冠花彈性階段較長，材料粘彈性、柔韌性最強，結合其形態學性狀農藝性狀(匍匐纏繞、莖稈縱橫交錯)，機械化收獲較難，符合生產實際情況；禾本科牧草彎曲應力-應變曲線差異大，扁穗冰草當外徑1.68 mm時，最大應力達4.2 MPa，即扁穗冰草抗彎曲能力最強，不易倒伏，切割性能好。

3 結論

(1)多年生豆科和禾本科牧草莖稈具有良好的彈性，是粘彈性材料；5種牧草試件的彎曲應力-應變曲線均顯現出①近似線彈性階段；②非線彈性階段；③變形斷裂3個階段。

(2)試驗結果表明:同科牧草刈割期莖桿外徑差異不大，但豆科牧草莖稈外徑是禾本科牧草的2～3倍；禾本科牧草莖稈最大抗彎強度是豆禾牧草的3～4倍；豆科牧草最大抗彎強度變化相差不大(1.128 MPa～1.784 MPa)，而彈性模量差異較大(20.55～57.914 MPa)，禾本科牧草莖稈抗彎強度、彈性模量變化相差很大，表明，不同牧草或同科不同品種牧草莖稈力學性質差異很大，牧草的形態指標(株型、株高、外徑等)與其抗彎強度和彈性模量相關，收獲此類牧草(抗彎強度小)不宜采用傳統的切割方式與切割刀具。

(3)豆科和禾本科牧草莖稈的最大抗彎強度、彎曲彈性模量差異很大，也是影響牧草機械化收獲質量的重要因素，此研究為設計、合理選擇多功能豆禾牧草收割機技術參數提供理論支持，也為指導牧草優種篩選和選育、田間機械化管理、收獲及進一步實現草產品加工提供理論依據。

[1] 梁莉，郭玉明.作物莖稈生物力學性質與形態特性相關性研究[J].農業工程學報，2008，24(7):1-6.

[2] Ince A ，Ugurluay S，Gǜzel E，et al.Bending and Shearing characteristics of Sunflower Stalk Residue[J].Biosystems Engineering ，2005 ，92(2):175-181.

[3] 馬洪順，張忠君，曹龍奎.薇菜類蔬菜生物力學性質試驗研究[J].農業工程學報，2004，9(5):74-77.

[4] 高夢祥，郭康權，楊中平.玉米秸稈的力學特性測試研究[J].農業機械學報，2003，34(4)47-49.

[5] 趙春花，曹致中.手扶牧草收割機輸送系統的試驗研究[J].草原與草坪，2007(4):80-82.

[6] 劉慶庭，區穎剛，卿上樂.農作物莖稈的力學特性研究進展[J].農業機械學報，2007(7):172-176.

[7] 蘇工兵，劉儉英，王樹才，等.苧麻莖稈木質部力學性能試驗[J].農業機械學報，2007，38(5):62-65.

[8] Schulgasser K，Witztum A.On the strength of herbaceous vascular plant stems[J].Annals of Botany ，1997，80:35-44.

[9] Hirai Y ，Inove E ，Mori K.Application of a quasi-static stalk bending analysis to the dynamic response of rice and wheat stalk s gathered by a combine harvester reel[J].Biosystem Engineering ，2004，88(3):281-294.

[10] 廖宜濤，廖慶喜，田波平.收割期蘆竹底部莖稈機械物理特性參數的試驗研究[J].農業工程學報，2007，38(4):124-129.

[11] 趙春花.帶有動力分禾裝置的多功能手扶豆禾牧草收割機:中國，200820116110.4[P].2009-04-01.

[12] 劉建輝.農作物材料的力學分析[M]//余同希.英國應用力學前沿研究課題選介.北京:科學出版社，1996:215-222.

[13] 袁志華，馮寶萍，趙安慶，等.作物莖稈抗倒伏的力學分析及綜合評價探討[J].農業工程學報，2002，18(6):30-31.

[14] 趙春花，張鋒偉，曹致中.豆禾牧草莖稈的力學特性試驗研究[J].農業工程學報，2009，25(9):122-126.

[15] Brazier L G.On the Flexure of Thin Cylindrical shells and other‘ Thin’Sections[C]//Proceeding of the Royal Society of London A，1927:4-14.