甜葉菊秧苗莖稈拉伸力學特性試驗研究

于鳳超，李曉英，貝桂芝，郭小立，曹鳴乾，趙曉順

（1.河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001；2.任丘市農業農村局，河北 任丘 062550；3.任丘市石門橋鎮農業綜合服務中心，河北 任丘 062550；4.任丘市益澤機械制造有限公司，河北 任丘 062550）

甜葉菊是我國引進的一種新型甜料作物，在我國種植已有30多年歷史。從甜葉菊中提取的甜菊糖具有甜度高、熱量低的特點，深受消費者喜愛，其產品被廣泛應用在食品、醫療等領域[1-3]。我國甜葉菊產量巨大，2018年，我國甜菊種植面積達到1.81×104hm2[4-5]。雖然我國的甜葉菊需求量及產量巨大，但甜葉菊種植機械化水平很低。

甜葉菊主要采用前期育苗，后期對秧苗進行移栽的種植模式，甜葉菊秧苗狀態可分為缽苗和裸苗兩種。目前，裸苗種植是甜葉菊種植的主要方式，裸苗種植對甜葉菊秧苗的苗齡和苗高有著嚴格要求[6-7]；由于裸苗種植過程中甜葉菊秧苗與機械或者操作人員直接接觸，拉伸破壞為秧苗主要傷苗形式。甜葉菊莖稈的拉伸力學特性是影響甜葉菊機械化作業的重要因素之一[8-10]。本文分別對甜葉菊秧苗莖稈的上部和下部進行了拉伸試驗，測定了秧苗莖稈遭到破壞時受到的最大拉力、抗拉強度和最大變形等參數，試驗結果可為甜葉菊所需的移栽機構、取苗機構、喂苗機構等結構的設計與優化提供參考和理論依據，對實現甜葉菊機械化種植，促進甜葉菊產業化發展具有重要意義。

1 甜葉菊秧苗力學特性研究

1.1 試驗材料與工具

本試驗以甜葉菊譜星六號為研究對象。所用樣本選用無病無損傷的健康秧苗。首先，對甜葉菊秧苗的密度與含水率進行了測量，測得密度為0.649 g/cm3，含水率為82.51%。

試驗儀器采用上海衡翼精密儀器有限公司生產的HY-0580型電子萬能材料試驗機，見圖1。由電腦進行控制，額定負荷5 kN。在試驗運行過程中，電腦可以實時動態顯示加載力大小和甜葉菊秧苗莖稈變形量曲線，并可以實現試驗數據的采集與保存。除萬能試驗機外，此試驗還需直尺、游標卡尺、剪刀等工具。

圖1 HY-0580型電子萬能材料試驗機Fig.1 The HY-0580 electronic universal material testing machine

1.2 試驗方法

本次試驗在河北農業大學力學性能實驗室進行。用直尺測量甜葉菊秧苗長度，如圖2（a）所示。將甜葉菊秧苗的中點作為分界點，并用剪刀將甜葉菊秧苗分為上部下部兩部分，其中靠近根部的為下部，如圖2（b）所示。進行拉伸試驗時，將秧苗莖稈上下兩端固定于夾具上，探頭加載速度設定為10 mm/min，運行萬能材料試驗機，試驗結束后記錄數據，共進行10組試驗。

圖2 甜葉菊秧苗Fig.2 The stevia seedlings

1.3 試驗結果

依據10組甜葉菊秧苗拉伸試驗，試驗結果如表1所示。由表可得甜葉菊秧苗的甜葉菊秧苗下、上兩部分的平均抗拉強度分別為11.77 MPa和3.14 MPa。

表1 試驗結果Tab.1 The test results

2 結論

甜葉菊秧苗莖稈的的拉伸力學性質對機械作業具有重要的影響。其抗拉強度力學性能指標在很大程度上決定了甜葉菊機械作業的傷苗情況。

抗拉強度的計算公式為：

式中：σ——抗拉強度，MPa；Fb——試樣拉斷時所承受的最大力，N；S0——試樣原始橫截面積，mm2。

甜葉菊秧苗下部在遭到破壞時受到最大力、抗拉強度、最大變形量和最大力伸長率都要大于秧苗上部。甜葉菊秧苗莖稈上部莖稈較嫩，莖稈直徑更細，相較于下部，更容易發生拉伸破壞，甜葉菊秧苗莖稈下部更靠近根部，莖稈更成熟，更不容易發生拉伸破壞。在甜葉菊種植作業及其實驗過程中，操作人員應該盡量手持甜葉菊秧苗下部，以免對秧苗造成損傷。甜葉菊種植機械的設計與優化過程中，應該盡量避免甜葉菊秧苗上部與機構的接觸。