谷子稈莖斷裂特性與拉伸試驗研究

閆 安，趙 軍，張海洋

（1.黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 1637112；2.黑龍江八一農墾大學 農學院，黑龍江 大慶 163711）

谷子學名Setaria italica，屬禾本科的一種植物。古稱稷、粟，亦稱粱，谷子經脫皮后成為小米。谷子作為一年生草本植物，在20世紀的中國仍為主要糧食作物，后因水稻、玉米等作物的大量種植，導致谷子種植面積減少，產量下降[1-4]。

隨著人們生活水平的提升，人們越來越注重食品營養，而谷子由于含豐富的蛋白質、脂肪和維生素等營養，受到人們的喜愛。據中央衛生研究院的分析，谷子含蛋白質9.7%，脂肪1.7%，碳水化合物77%，而且在每100 g 小米中，含有胡蘿卜素0.12 mg，維生素B10.66 mg 和維生素B20.09 mg 以及煙酸、鈣、鐵等[5]。由于谷子種植歷史以亞洲大陸為主，因此谷子在發達國家（如美國、加拿大、法國、澳大利亞等）僅有少量種植并且主要以飼草形式種植，采用牧草類收獲機器進行收割[6-9]。而我國谷子始終作為主要雜糧作物生產。截至20 世紀80年代末期，谷子在全國的播種面積約150×104hm2，成為重要的雜糧作物[10]。谷子的收獲雖采用機械化，但收獲機械都選用其他收獲機的改裝機，雖然效果普遍可使谷農滿意，但相對于水稻、大豆等仍有差距。

谷子收獲的第一步是將谷子通過分禾輪和割臺從田間輸送到收獲機的喂料口，在谷子收獲時，往往因谷子自身稈莖過長，造成割臺攪龍的纏繞，進而導致谷子無法更好的喂入收獲口，因此探尋谷子稈莖的力學性質，為解決谷子稈莖纏繞的問題提供更有利的數據支持。文章采用龍谷31 號為研究對象，對谷子莖節進行拉伸試驗，測量谷子稈莖間莖節連接力，并對谷子稈莖的各個部位連接力進行分析，探尋變化規律[11]。

1 材料與方法

1.1 測量材料

試驗谷子的品種為龍谷31號，收獲于黑龍江八一農墾大學附屬的安達縣試驗田，收獲樣品時間為2021 年9 月，收獲樣本采取人工收割打捆運輸，并處理成稈莖試驗切割樣本。谷子稈莖呈現細長條狀，且莖節分明，稈莖高度可達800～1 100 mm，稈莖直徑3.06～8.58 mm，且隨著高度的增加直徑減少，稈莖末端連接谷碼與谷穗，稈莖底端較粗，谷子底部稈莖含水率為25.7%。

1.2 儀器設備

本試驗所需工具及儀器如下：50 分度游標卡尺，量程0～150 mm；水分測定儀，型號MS-100；微機控制電子萬能試驗機，型號CTM2050，選取力學傳感器型號為S9M，量程范圍0～50 kg。其中CTM2050型號微機操控電子萬能試驗機見圖1。

圖1 CTM2050型微控電子萬能試驗機Fig.1 The CTM2050 micro controlled electronic universal testing machine

1.3 測量方法

谷子植物稈莖不同位置的莖節直徑也各不相同，且直徑大小由下到上逐節降低，谷子在成熟后一般長有9～13 節莖節，為更好地測得谷子稈莖的力學性質，將谷子稈莖分為上、中、下3 部分，見圖2。使用游標卡尺分別測量各部位莖節直徑，測得谷子上端稈莖直徑3.06～4.72 mm，中端稈莖直徑4.54～5.22 mm，底端稈莖直徑5.04～8.58 mm。隨機選取10 株谷子莖稈，隨后分別取其上、中、下部分各一節莖節作為試驗材料，測量莖節拉伸變化時，以每個莖節為試驗單位，由公式1分別測得莖節直徑。莖節材料處理見圖3。

圖2 谷子稈莖部位示意圖Fig.2 The schematic diagram of millet stem

圖3 稈莖拉伸試驗材料Fig.3 The stem tensile test material

2 試驗研究

2.1 試驗過程

試驗前，首先調節上下兩端夾具，使夾具兩端距離適當，取谷子稈莖拉伸試驗材料，將其固定于上下兩端夾具并夾緊，如圖4 所示。開始測試；試驗機活動橫梁以預設的速度5 mm/min 勻速移動，谷子莖節被緩慢拉扯，在莖節受力拉伸時，系統開始記錄S9M 傳感器信號數據；谷子稈莖莖節因拉伸斷裂分開，拉伸力消失，出現瞬間載荷衰減60%載荷峰值時，系統控制活動橫梁運動停止，以此算作一次拉伸試驗，測試結束；查看載荷曲線，對所獲得的數據進行保存。移動橫梁進行復位，回歸到初始位置，為下一次拉伸試驗做準備，重復試驗10 株谷子，每株分上、中、下部，各進行1 次試驗。莖節拉伸斷裂過程見圖5。

圖4 莖節夾緊固定Fig.4 The clamping and fixing of stem joint

圖5 拉斷過程（a裝夾b拉斷）Fig.5 The breaking process

2.2 試驗結果與分析

2.2.1 莖節斷裂特性

由于谷子在收獲過程中，會受到攪龍和根莖的拉伸，導致莖節在此期間壓扁，通過查閱資料可知，谷子莖節拉伸力主要由莖節內部纖維導致，因此莖節形狀對拉伸結果沒有影響。通過CTM2050試驗機對稈莖進行試驗測試，得到谷子稈莖間連接力曲線主要呈現形式為：當拉力曲線位置到達某一距離時，谷子稈莖的莖節瞬間斷裂。

由斷裂曲線可以看出，曲線達到A 點之前趨勢平穩可分為以下階段：拉伸力曲線先小幅度上升，隨后呈現平穩曲線，在經過持續平穩上升后曲線達到A 點時，產生瞬間斷裂曲線，拉伸力顯示大幅度降低，并由于機器載荷消失，設備停止拉伸，此階段谷子稈莖莖節之間已完全斷裂分離，稈莖莖節狀態見圖6。

圖6 拉力曲線Fig.6 The tension curve

2.2.2 莖節位置及直徑對斷裂所需力的影響

記錄拉斷曲線峰值，即為谷子稈莖莖節間連接力的值，在不同的谷子稈莖莖節的直徑與莖節長度范圍下，測得谷子莖節拉力數值，見表1。繪制稈莖連接力與直徑和莖節長度范圍曲線見圖7、圖8。

表1 試驗測定拉力值Tab.1 The tensile force measured by test N

圖7 不同莖節長度下莖節直徑對連接力的影響Fig.7 The effect of stem node diameter on connecting force under different stem node length

圖8 不同莖節直接下莖節長度對連接力的影響Fig.8 The effect of stem node length on connecting force under different stem node direct

由不同稈莖的莖節長度和莖節直徑與連接力曲線圖可知，連接力隨著莖節直徑增大而增大。利用SPSS軟件分別對不同長度范圍的莖節下曲線做線性回歸分析，結果見表2。6組的數據線性回歸皆顯著，由此可證明在試驗稈莖長度范圍內，莖節間的連接力與莖節直徑均呈現線性關系。對所得的線性回歸模型分析，得到分析模型斜率分別為1.697、1.945、2.499、2.468、2.119、2.226，均體現為正相關，且當稈莖莖節長度增加時，斜率也隨之增加。這說明，莖節直徑越大，莖節間連接力可隨著上升，當莖節長度增加時，莖節直徑對莖節間連接力的影響也就越大。

表2 莖節長度范圍對連接力影響線性回歸模型Tab.2 The linear regression model of influence of stem node length range on connecting force

2.2.3 谷子稈莖莖節長度對稈莖間莖節連接力影響

根據不同谷子稈莖的莖節長度的區間范圍與谷子稈莖莖節的連接力得到的曲線圖可知，連接力隨著莖節長度范圍增加而增大，利用SPSS軟件分別對不同稈莖的莖節直徑下的曲線做線性回歸分析，結果見表3，5組數據均顯著，為此證明稈莖莖節的長度與莖節直徑呈線性關系。分析線性模型的回歸關系，模型斜率的結果為1.643、1.833、2.170、2.107、1.915、1.920，均為正相關，且隨著莖節的直徑增加斜率也隨之增加，這也證明了當莖節長度增加時，莖節間的連接力也隨之改變，其力的數值也越大。

表3 莖節直徑對連接力影響線性回歸模型Tab.3 The linear regression model of influence of stem node diameter on connecting force

2.2.4 試驗結果分析

根據上述可知，稈莖莖節長度與稈莖直徑對稈莖莖節存在影響，且當莖節長度與莖節直徑增加時，稈莖莖節間的連接力也隨之增大，伴隨著莖節的直徑越大莖節長度對連接力影響效果也越顯著，同理，莖節長度越高，稈莖莖節直徑對莖節間連接力的影響效果也越顯著。谷子稈莖由下向上生長，因此稈莖下端莖節生長時間長，直徑相對于中、上端要粗，因此下端莖節的連接力也較大；而上端部分的莖節生長時間短，為此上端部分莖節直徑小、莖節間連接力也較小。鑒于谷子稈莖的結構和生長性質等特點造成的谷子稈莖莖節間連接力從下端部分到上端部分的連接力不斷增大，且隨著各莖節間莖節長度增大而增大。因此在莖節長度較長的部分，莖節間連接力較為顯著增加，將給割臺攪龍收獲喂入時造成纏繞，為后續收獲造成困難，影響收獲效率。

3 結論

（1）測量谷子稈莖各部位的莖節直徑，得到結論，谷子莖節各部位直徑不同，符合谷子植株從底端向上生長的特點，莖節位置越靠上部，直徑越小。

（2）通過谷子稈莖莖節拉伸試驗得到的莖節拉伸力曲線，顯示谷子稈莖莖節在收獲過程中瞬間斷裂的情況，觀察試驗得到莖節長度越短，直徑越小，瞬間斷裂得越快。

（3）探究了谷子稈莖莖節長度、直徑與連接力的關系，分別對這因素進行分析，可得知兩因素與莖節間連接力線性關系顯著。通過分析線性回歸方程，可以得出斜率伴隨莖節直徑和莖節長度增大而上升。為此在割臺攪龍進行收獲時，需要調整相應力度，以應對因稈莖連接力增大的收獲難度。