豆禾牧草刈割期茎秆抗弯特性试验研究

赵春花 ，曹致中

(1.甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，中-美草地畜牧业可持续研究中心，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学工学院，甘肃兰州 730070)

研究植物茎秆的生物力学，并以此作为评价指标对植物进行优种特性评价已引起农业工程领域和农学家的广泛注意，研究成果主要集中在生物力学抗倒伏评价以及植物形态特性指标与倒伏相关性研究等方面[1-3]。应用生物力学性质指标对茎秆作物进行评价，在作物优种筛选和选育中起指导作用。近年来，随着畜牧业的快速发展，对牧草资源的开发利用在国内外引起高度重视，各种加工机具、配套工艺和牧草产品应运而生；对牧草物料加工特性的研究也有了较快的发展，为进一步设计开发新机具、新工艺提供了理论依据[4，5]。研究牧草茎秆生物力学特性的意义为:(1)农业机械设计阶段考虑牧草的特性有利于确定机器的工作情况，减少研发成本与缩短研发周期[6，7]；(2)牧草的机械处理如切断、压缩打捆、制草颗粒、草产品等有重大的经济价值，但有关牧草物理机械特性方面的研究却很少；(3)随着遗传工程的发展，人为培育优质高产、抗逆的牧草，牧草茎秆的力学研究为遗传工程改变牧草内部结构与机械性能指出了明确的目标。国内外学者对小麦、水稻、玉米等主要粮食作物的抗倒伏和副产品的开发利用进行了大量的研究工作[8-10]。但这些研究中，对牧草茎秆的力学性能，尤其是抗弯特性的研究还未见报道。研究选用多年生豆科牧草甘农3号苜蓿、匍匐型小冠花、直立型小冠花(新育品系)和禾本科无芒雀麦、扁穗冰草5种牧草刈割期底部茎秆为研究材料，对其抗弯特性进行了测定和研究，为设计、合理选择多功能豆禾牧草收割机[11]技术参数提供理论支持，也为进一步培育优良品种、开发草产品深加工技术提供一定的参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料在甘肃景泰县兰化302农场(试验区)生长多年的初花期甘农3号紫花苜蓿(Medicago sativa cv.Gannong No.3)、匍匐型小冠花(creeping type crownvetch)、直立型小冠花(Erect crownvetch strain)和禾本科玛格纳无芒雀麦(Bromus inermis cv.Mag-na)、A.C帕克兰德扁穗冰草(Agropyron cristatum cv.Ac Parkland)5种豆禾牧草，在2009年6月 18日刈割期对茎秆进行随机采样，选取生长良好，无病虫害的新鲜植株，并尽量避免对茎秆的机械损伤，截取豆禾牧草底部(地表30～150 mm)的茎秆为试验样本，选取测定的不同直径样本要保证其形态一致性，长度约80 mm。试样采回后立刻送实验室在4℃保存 ，各种牧草选100株，按茎秆直径大小分5组，每组由样本直径相近的植株20株组成，标距为50 mm。

1.2 试验方法

试验在甘肃农业大学材料力学实验室进行，用设备为深圳SANS公司制造的CMT2502型微机控制电子万能试验机，该机最大试验力500 N，加载速率为10 mm/min；感量为0.01 g的电子天平；游标卡尺。在如下力学性质指标简化计算分析基础上采用常规材料力学性能测试方法进行3点弯曲试验，测取弯折极限载荷及应力-变形关系对应的数。试验过程中，为防止牧草茎秆在弯曲夹具上滑移，选择与茎秆空腔直径相适应的长为50 mm的螺纹杆，将两根螺杆分别从两端穿入茎秆空腔25 mm，用细线顺螺纹方向紧紧缠绕茎秆，并涂一层504胶。此时，茎秆、螺杆和细线构成试件夹持部分，0.5 h后将试件装在试验机夹具内。

1.3 力学性质指标计算依据

由于牧草茎秆的材料组织结构差异很大，生物力学性质指标在试验测定值基础上运用何种力学模型计算需要针对性地选择，为此从宏观力学层面进行分析[12]。首先分析弹性模量试验和计算的依据。该常数反映了材料在弹性范围内的固有特性，是表达材料受力时应力与应变关系的重要参量。对于茎秆材料来说，若采用复合材料力学模型进行强度分析，则3点弯曲对应的弯曲强度，

式中 Pmax— 弯折极限载；f—弯曲挠度；b、h—分别为矩形试件的宽度和高度。

试验需要制作标准矩形梁试件，且针对纤维层增强型复合材料来构造较为合理。研究针对的牧草茎秆虽属于复合材料(表皮呈木质纤维，中间为多孔泡沫状材料)，但整体受力时材料常数可处理为当量弹性模量，因此在豆禾牧草弹性模量计算时应用了较简单的关系其中，I—茎秆截面惯性矩。

表1 5种豆禾牧草收获期茎秆抗弯试验结果Table 1 Bending tests results of Stems of legume forage and grasses stems at harvesting period

图1 5种豆禾牧草茎秆弯曲试验应力-应变曲线Fig.1 Curve of bending tests stress-strain of legumes forage and grasses stems

2 结果与分析

弯曲强度、抗弯刚度是评价作物抗倒伏优种特性的两个重要指标[13]。牧草茎秆的力学特性影响牧草收获和加工过程中的切割力，切割功耗，切割器的结构等，在设计收割机切割器时，应考虑茎秆弹性模量对夹持力的影响，饲料作物切割时需要剪切强度、弯曲强度、密度和摩擦等，其结构形态参数有长度、外径和壁厚[14]。试验以10 mm/min的试验速度对试样进行 3点弯曲试验，研究了刈割期茎秆力学指标与刈割直径的变化情况，测得供试豆禾牧草茎秆的最大载荷，最大抗弯强度(弯曲破坏应力)，抗弯刚度，弹性模量等力学性能指标。测得5种牧草甘农3号、匍匐型小冠花、直立型小冠花和禾本科牧草无芒雀麦、扁穗冰草刈割期茎秆(表1)平均直径分别为: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；最大抗弯强度(弯曲破坏应力)平均值分别为 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；弯曲弹性模量平均值分别为 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。

图1为5种牧草500株试件刈割区茎秆弯曲试验结果最佳的应力-应变曲线图，其外径依次为4.0 mm，2.7 mm ，5.6 mm ，1.74 mm 和1.68 mm的刈割区茎秆弯曲试验最佳，由图可见，茎秆在整个弯曲过程中，大致经历了3个阶段:①近似线弹性阶段。载荷从零缓慢增加到σ p附近，应力与应变近似呈线性关系，材料服从虎克定律。②非线弹性阶段。当继续加载，薄壁圆管弯曲变成椭圆，发生Brazier效应[15]，Brazier屈曲能使薄壁管状植物结构产生倒伏的重要原因。③变形断裂阶段。弯曲应力超过最大抗弯强度后牧草茎秆断裂，应力下降，茎秆瞬间被破坏，断口发生在茎秆的横截面内。

图1和表1表明，豆科牧草茎秆直立型小冠花与甘农三号弯曲应力-应变曲线图相似，甘农三号外径4.0 mm时，最大应力为1.39 MPa，最大负荷应变区间3.06%～5.19%，直立型小冠花外径5.6 mm时，最大应力为 1.51 MPa，最大负荷应变区间 1.66%～11.8%，即这两种豆科牧草茎秆的柔韧性直立型小冠花大于甘农三号；而匍匐型小冠花与直立型小冠花应力-应变曲线图差异大，匍匐型小冠花弹性阶段较长，材料粘弹性、柔韧性最强，结合其形态学性状农艺性状(匍匐缠绕、茎秆纵横交错)，机械化收获较难，符合生产实际情况；禾本科牧草弯曲应力-应变曲线差异大，扁穗冰草当外径1.68 mm时，最大应力达4.2 MPa，即扁穗冰草抗弯曲能力最强，不易倒伏，切割性能好。

3 结论

(1)多年生豆科和禾本科牧草茎秆具有良好的弹性，是粘弹性材料；5种牧草试件的弯曲应力-应变曲线均显现出①近似线弹性阶段；②非线弹性阶段；③变形断裂3个阶段。

(2)试验结果表明:同科牧草刈割期茎杆外径差异不大，但豆科牧草茎秆外径是禾本科牧草的2～3倍；禾本科牧草茎秆最大抗弯强度是豆禾牧草的3～4倍；豆科牧草最大抗弯强度变化相差不大(1.128 MPa～1.784 MPa)，而弹性模量差异较大(20.55～57.914 MPa)，禾本科牧草茎秆抗弯强度、弹性模量变化相差很大，表明，不同牧草或同科不同品种牧草茎秆力学性质差异很大，牧草的形态指标(株型、株高、外径等)与其抗弯强度和弹性模量相关，收获此类牧草(抗弯强度小)不宜采用传统的切割方式与切割刀具。

(3)豆科和禾本科牧草茎秆的最大抗弯强度、弯曲弹性模量差异很大，也是影响牧草机械化收获质量的重要因素，此研究为设计、合理选择多功能豆禾牧草收割机技术参数提供理论支持，也为指导牧草优种筛选和选育、田间机械化管理、收获及进一步实现草产品加工提供理论依据。

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