玉米鮮秸稈力學特性試驗研究

王 帥，張 彬，李顯旺，沈 成，田昆鵬，黃繼承

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

0 引言

農作物秸稈是一種重要的生物質資源，全世界每年產量超過20億t。中國作為一個農業大國，其秸稈資源非常豐富，每年生產的農作物秸稈超過7億t，其中玉米秸稈占其總量的三分之一[1-5]；但因秸稈物料松散、存儲困難，因此將秸稈打捆貯存，是降低秸稈原料的收集成本、促進秸稈的規模化工業利用的關鍵[6]。

在玉米收獲過程中，打捆作為玉米收獲過程中的關鍵環節，也是一直制約我國玉米產業更好發展的瓶頸。雖然現在針對玉米收獲的研究有很多，但這些研究的重點往往集中在機械機構設計或局部優化等方向，忽視了對被加工物料玉米秸稈的力學特性的研究，致使現有機械不能更好地進行作業。

此外，許多學者們針對小麥、向日葵、竹子等作物秸稈進行了模型的建立及力學特性的分析，但是這些模型均是針對空心作物秸稈的，而對于玉米秸稈等實芯作物秸稈的加工具有一定的局限性[7]。

因此，本文以玉米鮮秸稈為試驗對象，運用復合材料力學理論建立玉米秸稈的力學模型，并利用萬能試驗機測定玉米秸稈的力學特性參數，從而確定玉米秸稈的本構關系和材料特性，為研制出一種玉米秸稈青貯打捆收獲機提供理論依據和參考。

1 莖稈力學模型建立

1.1 玉米秸稈的組織結構

玉米秸稈是一年生禾本科植物的植株，主要包括莖稈和葉兩部分[8-9]。莖稈主要由葉、青皮層及髓芯構成。玉米秸稈的顯著特點為莖稈中含有較多的髓芯，青皮和髓芯的質量比大約7∶3；此外，玉米莖稈有很多的節[10]。玉米秸稈由表皮組織、基本薄壁組織及維管組織構成，其橫截面如圖1所示。

圖1 玉米秸稈截面圖

根據其他學者們的研究報道，秸稈的結構較為復雜，有較明顯的脈管結構特征，不同的部位具有不同的細觀結構[7]。例如：玉米秸稈表皮內的機械組織，具有細胞小、排列緊密、無細胞間隙及在莖內連成一環的特點；莖內其余部分由基本組織充滿，外面多而小，向內漸少，大維管束散生在基本組織中。維管束分布狀況為外面多且小，向內逐漸變少且變大。因此，玉米秸稈這種試驗材料在微觀尺度上具有明顯的不連續性，且空間排列的方向性明顯，從而導致了材料的各向異性[11-12]。

1.2 幾何模型的假定

本研究主要為玉米鮮秸稈的打捆提供理論依據，由于與葉子對打捆的影響相比，莖稈的影響更為重要，因此在進行研究時，所取用的研究對象均為去除葉子之后的玉米莖稈。

玉米莖稈的橫截面近似圓形，橫截面從內到外分別為髓芯及青皮層。因考慮到玉米秸稈個體之間以及不同部位之間的差異性，需對其幾何形狀進行抽象簡化。假定玉米截面為某一直徑尺寸的圓形截面，各組分材料、直徑、壁厚均勻。根據玉米的結構特點，假設玉米莖稈為雙層正交各向異性材料，并且橫觀各向同性；結構對稱，不考慮節處徑向尺寸局部差異，也就是將其視為結構通直；各部分纖維均沿軸向整齊的排列。因此，假設玉米秸稈的幾何形狀為雙層復合薄壁實芯圓柱體，如圖2所示。

圖2 玉米秸稈幾何模型

1.3 理論分析

根據復合材料力學的理論，正交各向異性材料有9個獨立的彈性參數：橫向彈性模量Ex、Ey及軸向彈性模量Ez；3個剪切面的剪切模量Gxy、Gyz、Gzx；3個作用方向的泊松比Vxy、Vyz、Vzx。對于橫觀各向同性材料，橫向彈性模量滿足關系式(1)，即

Ex=Ey

(1)

軸向剪切模量滿足關系式(2),即

Gyz=Gzx

(2)

各向同性材料泊松比為0.3，且同性面內橫向剪切模量Gxy滿足關系式(3)，即

(3)

2 玉米莖稈力學試驗

2.1 試驗設備及材料

2.1.1 試驗設備

該試驗設備采用的是SUNS-UTM6503微機控制電子萬能試驗機，其測試量程為5kN，力傳感器和位移傳感器的精度都在±0.1%之內。此外，其他輔助工具包括測試夾具、游標卡尺及直尺等輔助測量工具。

2.1.2 試驗材料采集與制備

1)采集。試驗材料為已經成熟但秸稈還新鮮的玉米植株，采集時間為2016年9月30日。采集樣本時，需挑選外徑相當、秸稈通直、生長良好、沒有病蟲害且未被破損及彎折的植株。采樣時，與地面平齊將植株切斷，去除根須、頂部、葉鞘及包葉等，將處理好的玉米秸稈帶回實驗室，以備試驗。

試驗材料測量的莖稈材料含水率大約為：70%～80%。

2)制備。該力學試驗主要分為兩大部分：一是玉米莖稈的彎曲試驗；二是玉米莖稈的壓縮試驗。其中，彎曲試驗采用的是三點彎曲法；壓縮試驗又分為軸向壓縮和徑向壓縮，考慮到玉米莖稈上節的影響，又將有節莖稈和無節莖稈進行了區分。

該試驗主要為打捆提供支持，因此試驗對象為若干小段玉米莖稈，具體如下：

1)進行彎曲試驗的莖稈試樣平均長度為148mm，跨距為固定長度100mm，共20組試樣，其平均直徑大約為21mm，如圖3所示。

圖3 玉米莖稈彎曲試驗試樣

2)進行壓縮試驗的莖稈試樣分為有節和無節兩部分，各40個試樣，每部分又分為兩小部分分別進行軸向壓縮和徑向壓縮。試樣長度大約38mm，直徑平均值為25mm，如圖4所示。

2.2 試驗方法

2.2.1彎曲試驗

將測量好的莖稈試樣放在三點彎曲試驗夾具的支座和壓頭間，使跨距滿足100mm，啟動預緊力<5N，試驗加載速度100mm/min，共20組試驗。具體操作如圖5所示。

(a) 無節莖稈

(b) 有節莖稈 圖4 玉米莖稈壓縮試驗試樣

圖5 玉米莖稈試樣彎曲試驗過程

2.2.2 壓縮試驗

將測量好的試樣放在兩壓塊之間，啟動預緊力<5N，試驗加載速度為100mm/min，按照有節軸向、有節徑向、無節軸向及無節徑向分別進行20組試驗。

2.3 試驗結果

2.3.1 玉米莖稈彎曲過程分析

由圖6分析可以得出玉米秸稈試樣彎曲試驗大致過程：當載荷達到預加載荷時，計算機開始采集數據；在初始階段，載荷位移曲線近似呈線性關系，當達到屈服載荷時，玉米秸稈開始屈服，并且維持一定時間；隨著位移繼續增加，載荷逐漸減小，最終在某一定值范圍內波動。

圖6 彎曲試驗載荷-位移曲線

試驗達到屈服階段時，載荷大小有所波動，這是因為玉米秸稈青皮具有一定的脆性，試驗過程中，逐漸劈裂導致的。此外，因試樣中部受到壓頭擠壓，導致秸稈有液體流出，試樣含水率越高，液體越多。

2.3.2 玉米莖稈彎曲試驗數據

由表1分析可得出：該批莖稈試樣直徑平均值為20.49mm，對這批試樣進行彎曲破壞所需最大力均值為82.85N，彎曲彈性模量均值為72.35MPa。

表1 彎曲試驗數據

續表1

2.3.3 莖稈壓縮過程分析

由圖7可看出：對于軸向壓縮試驗，隨位移增加，載荷近似呈線性增加；當載荷達到最大值后，試樣發生破壞，載荷隨位移增加而減小，此后載荷具有一定的波動性；當試樣壓實，載荷隨位移的增加而急速增大。

(a) 軸向壓縮

(b) 徑向壓縮 圖7 壓縮試驗載荷-位移曲線

對于徑向壓縮試驗：初始階段，載荷隨位移增加而緩慢增大，曲線近似呈線性關系；當試樣壓實后，載荷急速增加，直到達到所設定的壓縮高度比；徑向壓縮試驗，曲線波動性較小。

軸向壓縮時，玉米秸稈皮、芯發生一定程度的分離，有些皮會出現局部劈裂，致使作用力有一定的波動性；而徑向壓縮，秸稈皮也會劈裂，但試驗對象為玉米鮮秸稈，含水率較高，使青皮和芯的韌性較強，因此作用力波動性較軸向壓縮并不明顯。

2.3.4 玉米莖稈壓縮試驗數據

1)有節軸向壓縮。由表2分析可得出：該批莖稈試樣直徑平均值為27.83mm，對這批試樣進行壓縮破壞所需最大力均值為709.11N，抗壓強度均值為4.80 MPa，壓縮彈性模量均值為31.90MPa。

2)無節軸向壓縮。由表3分析可得出：該批莖稈試樣直徑平均值為24.56mm，對這批試樣進行壓縮破壞所需最大力均值為798.62N，抗壓強度均值為1.65 MPa，壓縮彈性模量均值為42.15MPa。

表2 有節莖稈軸向壓縮試驗數據

續表2

表3 無節莖稈軸向壓縮試驗數據

3 結論

1)通過對玉米鮮秸稈進行彎曲、壓縮等力學特性試驗研究，得出其載荷-位移等相關曲線，使我們更加了解玉米秸稈的彎曲、壓縮等變化過程，為打捆關鍵部件壓縮機構的設計研究提供了參考依據。

2)通過試驗測定出玉米鮮秸稈承載能力大小依次為：有節軸向壓縮、無節軸向壓縮、彎曲。該研究可為設計玉米秸稈打捆機時選擇破壞形式提供參考。

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