玉米秸稈自干后的材料力學性質研究

武翠卿，李　楠，張　帥，郭玉明

(山西農業(yè)大學 工學院，山西 太谷　030801)

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玉米秸稈自干后的材料力學性質研究

武翠卿，李楠，張帥，郭玉明

(山西農業(yè)大學 工學院，山西 太谷030801)

摘要：玉米秸稈直接還田或漚肥是大量增加土壤有機質的優(yōu)質有機肥，也是生物質能源轉化及混合飼料利用的重要資源。目前，在這幾方面的應用中均需進行粉碎、揉絲、切段等加工，針對加工參數(shù)的優(yōu)化需要研究其力學性質。為此，試驗研究了越冬后自然干燥的玉米秸稈的彎曲強度、皮質層和內芯的剪切強度、拉伸強度、彈性模量及穿刺強度等力學性質指標，以及應力應變規(guī)律、抗彎折特性、莖稈不同節(jié)間的力學性質變化等材料力學特性，為相關加工設備及工藝參數(shù)優(yōu)化提供了理性參考依據(jù)。

關鍵詞：玉米秸稈;自然干燥;力學性質;莖稈材料強度

0引言

玉米秸稈的材料結構是由外部硬度較高的皮質層包裹著內部彈性較好的胞體蜂窩狀材料構成，有著獨特的材料力學性質特性。秸稈直接還田或漚肥是大量增加土壤有機質的優(yōu)質有機肥，也是生物質能源轉化及混合飼料利用的重要資源。目前，在這幾方面的應用中均需進行粉碎、揉絲、切段等加工，還有就是秸稈作為生物質資源進行成型燃料加工轉化利用時一般已儲藏越冬自然干燥。因此，需要專門研究自然干燥后的玉米高粱秸稈的力學性質，為相關加工裝備設計和加工工藝參數(shù)優(yōu)化提供設計參數(shù)和理論參考依據(jù)。有關作物秸稈生物力學性質的研究主要集中在生長期，包括對玉米秸稈力學性質試驗和力學性質與抗倒伏及取樣條件等因素的影響研究[1-5]、對小麥莖稈生物力學性質及抗倒伏特性的研究[ 6-7 ]，以及對小麥、谷子、玉米、高粱、大豆等莖稈作物莖稈材料力學性質的試驗研究[ 8-10 ]。因此，測試了莖稈作物的形態(tài)特性指標和拉伸、剪切、彎曲等基本變形形式下的拉伸強度、剪切強度、彎曲強度、彈性模量等力學性質指標，并研究了它們之間的相關關系和應用生物力學性質指標，評價莖稈作物抗倒伏特性，創(chuàng)建力學評價體系及評價方法。

1試驗材料與方法

1.1　試驗樣本采集及制備

試驗用樣本選自山西農大所在地太谷縣北洸農民儲存越冬的玉米秸稈，含水率為1.454%；挑選節(jié)間、直徑粗細均勻，且沒有破損、彎折的整稈，削去根須、頂部，去除葉鞘、包葉等，將處理好的莖稈運回實驗室保存，以備試驗。

1.2　試驗儀器

試驗所用儀器為CMT6104型微機控制電子萬能試驗機，本文進行的莖稈彎曲、拉伸、剪切均由其配套的相應夾具完成。其它儀器或工具：3KFG-01電熱恒溫鼓風干燥箱；精度為0.1 mg的電子分析天平；精度為0.01mm的電子數(shù)顯游標卡尺等。

1.3　試驗方法

將采集好的莖稈自節(jié)間處鋸斷，從根部節(jié)向上依次標號，然后用數(shù)顯游標卡尺測定試樣受力點的外徑。由于玉米莖稈橫截面是橢圓形，彎曲試件取其長短軸測量3次平均值作為外徑。莖稈皮質層和內芯材料的試件在不同節(jié)間切取，制作成標準試件備用，測取所需原始數(shù)據(jù)。按材料力學性質測試方法設計出不同變形形式對應下的試驗方案，按方案進行相應試驗；由計算機系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)點，并自動繪制載荷位移曲線，按材料力學算式計算出相關材料力學性質指標值。

2試驗結果與分析

2.1　試驗結果

2.1.1玉米莖稈彎曲試驗

圖1為玉米莖稈彎曲時的載荷位移曲線。由圖1可以看出：當載荷達到預加載荷后，計算機系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)點并繪制載荷位移曲線；在試驗初始階段，載荷位移曲線近似呈線性；當達到強度極限后,莖稈出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，達到最大載荷時試驗停止。

圖1　玉米彎曲載荷位移曲線

2.1.2莖稈皮質層材料拉伸試驗

圖2為計算機自動采集數(shù)據(jù)并繪制出的拉伸載荷位移曲線。當載荷達到玉米莖稈皮質層最大承載能力時，試樣被拉斷并伴有清脆斷裂聲，試驗結束。

圖2　玉米莖稈表皮拉伸載荷位移曲線

2.1.3玉米莖稈皮質層和內芯材料剪切試驗

圖3和圖4分別是玉米莖稈皮質層和內芯剪切載荷位移曲線。

圖3　玉米莖稈皮質層剪切載荷位移曲線

圖4　玉米莖稈內芯剪切載荷位移曲線

2.2　試驗結果處理與分析

2.2.1玉米莖稈彎曲力學性質分析

表1　玉米莖稈彎曲力學性質指標

F為最大彎折載荷，σ為抗彎強度，E為彈性模量。

繪制出玉米莖稈不同節(jié)間的最大彎曲載荷、抗彎強度和彈性模量的變化圖，如圖5～圖7所示。

圖5　玉米莖稈最大彎曲載荷的變化趨勢

圖6　玉米莖稈抗彎強度的變化趨勢

圖7　玉米莖稈彈性模量的變化趨勢

由圖7可知：玉米莖稈的最大彎曲載荷隨著節(jié)間高度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，即取樣的高度越高，莖稈最大彎曲載荷越小；抗彎強度與最大彎曲載荷的變化趨勢一致，也是隨著取樣高度增加，抗彎強度呈現(xiàn)下降趨勢；取樣高度對彈性模量的影響較小，呈現(xiàn)出略微的上升趨勢。

2.2.2莖稈皮質層拉伸力學性質分析

對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到不同節(jié)間玉米莖稈皮質層的拉伸最大載荷，抗拉強度σ=F/A，彈性模量E=σ/ε，如表2所示。

玉米莖稈不同節(jié)間皮質層拉伸最大載荷、抗拉強度和彈性模量的變化圖，如圖8～圖10所示。

表2　不同節(jié)間玉米莖稈皮質層的拉伸力學性質指標

F為最大拉伸載荷，σ為抗拉強度，E為彈性模量。

圖8　玉米最大拉力隨節(jié)間的變化趨勢

圖9　抗拉強度隨節(jié)間的變化趨

圖10　彈性模量隨節(jié)間的變化趨勢

由圖8～圖10可知：玉米莖稈皮質層拉伸試驗，最大拉力和抗拉強度均隨著取樣節(jié)間位置向上而減小，彈性模量的趨勢也大致相同。

2.2.3玉米莖稈皮質層剪切力學性質分析

對試驗數(shù)據(jù)進行處理,得到不同節(jié)間玉米莖稈皮質層剪切最大載荷，剪切強度τ=F/A，如表3所示。

表3　玉米莖稈皮質層剪切數(shù)據(jù)

F為最大剪切載荷，τ為抗剪強度。

玉米莖稈不同節(jié)間皮質層剪切最大載荷、剪切強度的變化圖，如圖11和圖12所示。

圖11　玉米莖稈皮質層最大剪切力隨節(jié)間的變化趨勢

圖12　玉米莖稈皮質層剪切強度隨節(jié)間的變化趨勢

由圖11和圖12可知：玉米莖稈皮質層的最大剪切力和剪切強度都隨節(jié)間的增大而減小。

2.2.4玉米莖稈內芯剪切力學性質分析

對數(shù)據(jù)進行處理,得到不同節(jié)間玉米莖稈內芯剪切最大載荷、剪切強度，如表4所示。

表4　玉米莖稈內芯剪切力學性質

F為最大剪切載荷，τ為抗剪強度。

玉米莖稈不同節(jié)間內芯剪切最大載荷、剪切強度的變化圖，如圖13和圖14所示。

圖13　玉米莖稈內芯最大剪切力隨節(jié)間的變化趨勢

圖14　玉米莖稈內芯剪切強度隨節(jié)間的變化趨勢

由圖13和圖14可知：玉米莖稈內芯的最大剪切力和剪切強度的變化趨勢與玉米莖稈表皮的變化趨勢一致，即隨著取樣高度的增加，最大剪切力和剪切強度減小。

2.2.5玉米莖稈皮質層穿刺強度性質分析

利用生物材料物性分析儀，選擇橫截面積為1mm2的探頭，對玉米莖稈的皮質層進行了穿刺強度試驗，得到試驗結果如表5所示。

由表5可知:玉米莖稈皮質層的穿刺強度隨著取樣高度的增加而降低,如圖15所示。

表5　玉米莖稈皮質層穿刺強度

圖15　玉米莖稈皮質層穿刺強度隨節(jié)間的變化趨勢

3結論與討論

1) 玉米莖稈的最大彎曲載荷和抗彎強度隨著莖稈節(jié)間部位的不同而變化，從根部起越往上彎曲強度越小；而不同節(jié)間的彈性模量變化不大。這反映出整體玉米莖稈的材料性質基本相同；根部節(jié)間抗彎強度大，表明其抗倒伏能力強，符合生物遺傳的優(yōu)良形態(tài)特征。

2) 玉米莖稈皮質層的拉伸強度和剪切強度均隨不同節(jié)間部位有變化，趨勢也為從根部起越往上越小，彈性模量的變化趨勢也大致相同。這反映出玉米莖稈不同節(jié)間的皮質層材料性質有變化，根部的皮質層材料特性要強。

3) 莖稈不同節(jié)間的內芯材料剪切強度的變化趨

勢與上述結論大體一致，但玉米莖稈內芯材料的抗剪強度遠小于其莖稈皮質層。這反映出其單獨承載能力較弱，但與皮質層構成的復合材料結構有著優(yōu)良的生物材料微結構特性。

4)莖稈的穿刺強度隨不同節(jié)間部位有變化，趨勢為從根部起越往上越小。這反映出玉米莖稈不同節(jié)間的皮質層材料性質不同，根部的皮質層材料特性要強。

由此看出：玉米秸稈干燥后力學性質隨節(jié)間部位的不同有變化，在生物質加工和利用目標不同時應有針對性地進行選擇。

參考文獻：

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Study on Mechanical Properties of Air Drying Corn Stalk

Wu Cuiqing, Li Nan, Zhang Shuai, Guo Yuming

(College of Engineering and Technology, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)

Abstract：The corn stalk direct-application or waterlogged compost was the high quality organic fertilizer, largely increase soil organic matter, and it also was an important resource of biomass energy conversion and mixed feed utilization. Processing such as smashing, rubbing and cutting should be performed in these applications, so we studied its mechanical properties for optimization of process parameters.We tested the bending strength of air drying corn stalk after winter,and the shear strength,tensile strength, elasticity modulus,puncture strength of the cortical layer and inner core, and studied regularity of the stress and strain, bending resistance and the mechanical properties regulation of different internodes. The study provides rational reference basis for related processing equipment and optimization of process parameter.

Key words：corn stalk; air drying; mechanical properties; stalk material strength

中圖分類號：S121；S216.2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0146-05

作者簡介：武翠卿(1972-)，女，山西太谷人，講師，博士， (E-mail)gcywcq@163.com。

基金項目：高等學校博士學科點專項科研基金項目(20111403130001)；山西省重點實驗室基金項目(2013011066-9)

收稿日期：2015-08-11