趙春花 ，曹致中

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)研究中心，甘肅蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

研究植物莖稈的生物力學(xué)，并以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)植物進(jìn)行優(yōu)種特性評(píng)價(jià)已引起農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域和農(nóng)學(xué)家的廣泛注意，研究成果主要集中在生物力學(xué)抗倒伏評(píng)價(jià)以及植物形態(tài)特性指標(biāo)與倒伏相關(guān)性研究等方面[1-3]。應(yīng)用生物力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)對(duì)莖稈作物進(jìn)行評(píng)價(jià)，在作物優(yōu)種篩選和選育中起指導(dǎo)作用。近年來，隨著畜牧業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)牧草資源的開發(fā)利用在國內(nèi)外引起高度重視，各種加工機(jī)具、配套工藝和牧草產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生；對(duì)牧草物料加工特性的研究也有了較快的發(fā)展，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)開發(fā)新機(jī)具、新工藝提供了理論依據(jù)[4，5]。研究牧草莖稈生物力學(xué)特性的意義為:(1)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)階段考慮牧草的特性有利于確定機(jī)器的工作情況，減少研發(fā)成本與縮短研發(fā)周期[6，7]；(2)牧草的機(jī)械處理如切斷、壓縮打捆、制草顆粒、草產(chǎn)品等有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但有關(guān)牧草物理機(jī)械特性方面的研究卻很少；(3)隨著遺傳工程的發(fā)展，人為培育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、抗逆的牧草，牧草莖稈的力學(xué)研究為遺傳工程改變牧草內(nèi)部結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能指出了明確的目標(biāo)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)小麥、水稻、玉米等主要糧食作物的抗倒伏和副產(chǎn)品的開發(fā)利用進(jìn)行了大量的研究工作[8-10]。但這些研究中，對(duì)牧草莖稈的力學(xué)性能，尤其是抗彎特性的研究還未見報(bào)道。研究選用多年生豆科牧草甘農(nóng)3號(hào)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(duì)其抗彎特性進(jìn)行了測定和研究，為設(shè)計(jì)、合理選擇多功能豆禾牧草收割機(jī)[11]技術(shù)參數(shù)提供理論支持，也為進(jìn)一步培育優(yōu)良品種、開發(fā)草產(chǎn)品深加工技術(shù)提供一定的參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料在甘肅景泰縣蘭化302農(nóng)場(試驗(yàn)區(qū))生長多年的初花期甘農(nóng)3號(hào)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(duì)莖稈進(jìn)行隨機(jī)采樣，選取生長良好，無病蟲害的新鮮植株，并盡量避免對(duì)莖稈的機(jī)械損傷，截取豆禾牧草底部(地表30～150 mm)的莖稈為試驗(yàn)樣本，選取測定的不同直徑樣本要保證其形態(tài)一致性，長度約80 mm。試樣采回后立刻送實(shí)驗(yàn)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(biāo)距為50 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，用設(shè)備為深圳SANS公司制造的CMT2502型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，該機(jī)最大試驗(yàn)力500 N，加載速率為10 mm/min；感量為0.01 g的電子天平；游標(biāo)卡尺。在如下力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)簡化計(jì)算分析基礎(chǔ)上采用常規(guī)材料力學(xué)性能測試方法進(jìn)行3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測取彎折極限載荷及應(yīng)力-變形關(guān)系對(duì)應(yīng)的數(shù)。試驗(yàn)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(yīng)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(xì)線順螺紋方向緊緊纏繞莖稈，并涂一層504膠。此時(shí)，莖稈、螺桿和細(xì)線構(gòu)成試件夾持部分，0.5 h后將試件裝在試驗(yàn)機(jī)夾具內(nèi)。

1.3 力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)計(jì)算依據(jù)

由于牧草莖稈的材料組織結(jié)構(gòu)差異很大，生物力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)在試驗(yàn)測定值基礎(chǔ)上運(yùn)用何種力學(xué)模型計(jì)算需要針對(duì)性地選擇，為此從宏觀力學(xué)層面進(jìn)行分析[12]。首先分析彈性模量試驗(yàn)和計(jì)算的依據(jù)。該常數(shù)反映了材料在彈性范圍內(nèi)的固有特性，是表達(dá)材料受力時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的重要參量。對(duì)于莖稈材料來說，若采用復(fù)合材料力學(xué)模型進(jìn)行強(qiáng)度分析，則3點(diǎn)彎曲對(duì)應(yīng)的彎曲強(qiáng)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(yàn)需要制作標(biāo)準(zhǔn)矩形梁試件，且針對(duì)纖維層增強(qiáng)型復(fù)合材料來構(gòu)造較為合理。研究針對(duì)的牧草莖稈雖屬于復(fù)合材料(表皮呈木質(zhì)纖維，中間為多孔泡沫狀材料)，但整體受力時(shí)材料常數(shù)可處理為當(dāng)量彈性模量，因此在豆禾牧草彈性模量計(jì)算時(shí)應(yīng)用了較簡單的關(guān)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(yàn)結(jié)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(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Curve of bending tests stress-strain of legumes forage and grasses stems

2 結(jié)果與分析

彎曲強(qiáng)度、抗彎剛度是評(píng)價(jià)作物抗倒伏優(yōu)種特性的兩個(gè)重要指標(biāo)[13]。牧草莖稈的力學(xué)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(jié)構(gòu)等，在設(shè)計(jì)收割機(jī)切割器時(shí)，應(yīng)考慮莖稈彈性模量對(duì)夾持力的影響，飼料作物切割時(shí)需要剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、密度和摩擦等，其結(jié)構(gòu)形態(tài)參數(shù)有長度、外徑和壁厚[14]。試驗(yàn)以10 mm/min的試驗(yàn)速度對(duì)試樣進(jìn)行 3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，研究了刈割期莖稈力學(xué)指標(biāo)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(qiáng)度(彎曲破壞應(yīng)力)，抗彎剛度，彈性模量等力學(xué)性能指標(biāo)。測得5種牧草甘農(nóng)3號(hào)、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(qiáng)度(彎曲破壞應(yīng)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(qū)莖稈彎曲試驗(yàn)結(jié)果最佳的應(yīng)力-應(yīng)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(qū)莖稈彎曲試驗(yàn)最佳，由圖可見，莖稈在整個(gè)彎曲過程中，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段:①近似線彈性階段。載荷從零緩慢增加到σ p附近，應(yīng)力與應(yīng)變近似呈線性關(guān)系，材料服從虎克定律。②非線彈性階段。當(dāng)繼續(xù)加載，薄壁圓管彎曲變成橢圓，發(fā)生Brazier效應(yīng)[15]，Brazier屈曲能使薄壁管狀植物結(jié)構(gòu)產(chǎn)生倒伏的重要原因。③變形斷裂階段。彎曲應(yīng)力超過最大抗彎強(qiáng)度后牧草莖稈斷裂，應(yīng)力下降，莖稈瞬間被破壞，斷口發(fā)生在莖稈的橫截面內(nèi)。

圖1和表1表明，豆科牧草莖稈直立型小冠花與甘農(nóng)三號(hào)彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖相似，甘農(nóng)三號(hào)外徑4.0 mm時(shí)，最大應(yīng)力為1.39 MPa，最大負(fù)荷應(yīng)變區(qū)間3.06%～5.19%，直立型小冠花外徑5.6 mm時(shí)，最大應(yīng)力為 1.51 MPa，最大負(fù)荷應(yīng)變區(qū)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(nóng)三號(hào)；而匍匐型小冠花與直立型小冠花應(yīng)力-應(yīng)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(qiáng)，結(jié)合其形態(tài)學(xué)性狀農(nóng)藝性狀(匍匐纏繞、莖稈縱橫交錯(cuò))，機(jī)械化收獲較難，符合生產(chǎn)實(shí)際情況；禾本科牧草彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線差異大，扁穗冰草當(dāng)外徑1.68 mm時(shí)，最大應(yīng)力達(dá)4.2 MPa，即扁穗冰草抗彎曲能力最強(qiáng)，不易倒伏，切割性能好。

3 結(jié)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(yīng)力-應(yīng)變曲線均顯現(xiàn)出①近似線彈性階段；②非線彈性階段；③變形斷裂3個(gè)階段。

(2)試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度是豆禾牧草的3～4倍；豆科牧草最大抗彎強(qiáng)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(qiáng)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(xué)性質(zhì)差異很大，牧草的形態(tài)指標(biāo)(株型、株高、外徑等)與其抗彎強(qiáng)度和彈性模量相關(guān)，收獲此類牧草(抗彎強(qiáng)度小)不宜采用傳統(tǒng)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(qiáng)度、彎曲彈性模量差異很大，也是影響牧草機(jī)械化收獲質(zhì)量的重要因素，此研究為設(shè)計(jì)、合理選擇多功能豆禾牧草收割機(jī)技術(shù)參數(shù)提供理論支持，也為指導(dǎo)牧草優(yōu)種篩選和選育、田間機(jī)械化管理、收獲及進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)草產(chǎn)品加工提供理論依據(jù)。

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