黄淮海地区大豆茎秆力学特性的多品种对比试验研究

刘 基，金诚谦,2，梁苏宁，倪有亮，王 昕，李泽峰

(1.农业部南京农业机械化研究所，南京 210014；2.山东理工大学，山东 淄博 255000)

0 引言

机械化收获在大豆生产过程中起着重要作用，目前黄淮海地区的大豆收获大多使用稻麦联合收割机[1]，大豆专用收割机较少，且收获效果并不理想，损失率和破碎率都比较高。改进大豆收获机械的工作性能可以有效提高收获质量，减少收获环节的损失，推进大豆产业更好的发展[2]。大豆收割机的作用对象是大豆茎秆、大豆籽粒及豆荚，从作用对象的物理特性入手，掌握物料的各项力学参数[3-4]，可以更加准确地对收割机的机械部件进行改进。在收割机的脱粒滚筒中，茎秆与大豆籽粒、豆荚以及钉齿和凹版筛之间有相互作用力[5]，掌握茎秆的物理特性[6]可以更加准确地对收割机的脱粒系统进行研究[7-8]。

国内对作物茎秆的力学特性进行了一些研究。闫以勋[9]等人从免耕播种机设计的角度对成熟期的大豆茎秆进行了试验研究，发现底部节间能承受的弯曲力较大。吴杰、王艳云[10-11]等人对棉秆的压缩特性进行了试验研究。何晓莉[12]等人从大豆茎秆倒伏的角度出发，通过轴向压缩试验对干湿大豆茎秆做了对比研究。李红波[13]等人从抗倒伏的角度出发，通过折弯试验对小麦茎秆进行了研究，发现生长期会引起抗倒伏特性的变化。袁志华[14]等人建立了适用于小麦、水稻等作物茎秆的与倒伏相关的力学模型。刘庆庭[15]等人认为，作物茎秆力学特性的研究应该考虑生物材料的各向异性及复杂结构。王芬娥[16]等人对小麦茎秆的微观结构进行了研究。周扬[17]等人对大麻茎秆的力学特性进行研究，获得了大麻茎秆的剪切模量等参数。目前，还没有从优化脱粒装置的角度对大豆茎秆进行的多品种对比研究。

考虑到茎秆是作为一个整体与滚筒部件及大豆籽粒产生相互作用力，本文对大豆茎秆的整体结构进行分析。先把茎秆按照圆柱体[18]模型进行力学试验，再结合茎秆的内部结构对试验结果进行分析。由于黄淮海地区的大豆品种多样，各个品种的大豆茎秆物理特性不尽相同，为了使研制的大豆收割机通用性较强，有必要对多个品种的茎秆做对比分析[19]，找到共性及各自的特点，为之后大豆收割机上脱粒装置的研究提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试样选用成熟期安徽柳丰种业良繁基地的5个大豆品种(见图1)，每个品种随机取30株，试样均贴地表面截取，平均含水率65%。阜豆15的平均株高为764mm，荷豆19的平均株高为613mm，柳豆109的平均株高为782mm，皖豆28的平均株高为687mm，皖豆33的平均株高为684mm。

1.2 试验设备

UTM6503电子万能试验机(见图2)、测试夹具、DM.3数字电子称、沪制01130048游标卡尺、烘干箱、直尺、卷尺及镰刀等。

图1 试验材料

图2 试验设备

1.3 试验方法

5个大豆品种分别取10株进行三点弯曲试验、10株进行剪切试验，量取每株茎秆的高度。每株茎秆去掉顶端最细一节(直径过小不具代表性)，其余部分均匀分成6段，每段量取最小及最大直径，求得其平均值作为该段的直径。做弯曲试验时跨距为40mm，加载速度为10mm/min。

2 三点弯曲试验

2.1 弯曲试验测定原理

利用三点弯曲夹具在万能材料试验机上进行试验，跨距40mm。试验前输入直径数据，试验结束后惯性矩I、弹性模量E都可以直接从电脑中读出，弯曲载荷随位移的变化曲线在万能材料试验机配套软件中自动生成，抗弯刚度由弹性模量E和惯性矩I的乘积计算得出。

2.2 弯曲试验过程

试验过程中发现，茎秆断裂过程为(见图3)：在半径为5mm的刀刃的压力下，被压点逐渐被压缩，载荷逐渐增大；之后接触点周围发生纵向裂开，达到最大载荷；随着茎秆被压弯，其他部位也发生纵向裂开现象，载荷力逐渐减小，直到下表面横向断裂；此时整个茎秆瞬间断开，载荷急剧下降。

图3 三点弯曲试验茎秆断裂过程

2.3 弯曲试验数据分析

弯曲试验数据如表1～表3所示。

表1 茎秆不同高度处的最大弯曲载荷

Table 1 The maximum bending load of different heights of the stem N

试样编号弯曲力F阜豆15荷豆19柳豆109皖豆28皖豆331228.60198.69125.52189.60225.752105.82128.0695.1674.11125.61389.7795.0979.1457.8468.88475.2459.1066.7955.5269.51547.3738.2135.7639.0339.67613.7126.7513.7428.4514.68

表2 茎秆不同高度处的惯性矩

Table 2 The moment of inertia of different heights of the stem mm4

试样编号惯性矩I阜豆15荷豆19柳豆109皖豆28皖豆331124.74140.93221.93136.37165.502104.9588.71155.3169.77112.56372.5360.2987.6269.7785.49467.9751.0967.9742.3653.29533.2126.4928.3039.3226.49613.8612.828.2414.149.40

表3 茎秆不同高度处的弹性模量

Table 3 The elastic modulus of different heights of the stem N/mm2

试样编号弹性模量E阜豆15荷豆19柳豆109皖豆28皖豆331171.00402.12288.84306.52334.632307.00476.79421.75476.99354.853477.00616.38545.91525.05384.724394.00660.87775.06553.10607.325472.00837.911052.36598.32892.016458.001146.661366.57878.06896.36

2.3.1 弯曲载荷

图4中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)各自显示的6条曲线分别表示每个品种的茎秆从底部到顶部的6段试样受弯曲载荷的情况。观察这5个图，可发现如下共同点：茎秆从底部到顶部所承受最大弯曲载荷逐渐降低；茎秆底部的承载能力明显大于其他部位；茎秆顶部的承载能力明显小于其他部位。不同点是：荷豆19、柳豆109、皖豆33的茎秆承受最大弯曲载荷从底部到顶部均匀减小，阜豆15和皖豆28的茎秆承受最大弯曲载荷从底部到第2段迅速减小，从第2段到顶部缓慢减小。

通过分析，最大弯曲载荷从茎秆底部到顶部逐渐减小的原因如下：一是茎秆底部直径最大，且随着高度的增加直径逐渐减小；二是从顶部到底部，茎秆的木质化程度越来越高。5个品种变化规律的不同可能是由直径大小的和木质部生长的不规则变化引起的。

由表1可知：除柳豆109的最大载荷是125.52N外，阜豆15、荷豆19、皖豆28、皖豆33最大载荷都在189～228N之间，最小载荷在13～29N之间。

2.3.2 惯性矩

试验所得各种类茎秆不同高度的惯性矩如表2所示，变化趋势如图5所示。

图5 惯性矩随茎秆高度的变化曲线

由图5可知：试验中5个品种的大豆茎秆的惯性矩都是从底部到顶部逐渐减小。

2.3.3 弹性模量

弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度。图6为5个品种的大豆茎秆的弹性模量随茎秆高度变化的趋势。

图6 弹性模量随茎秆高度的变化曲线

由图6可知：从茎秆底部到顶部弹性模量逐渐增大。这一结论与闫以勋[9]等人提出的从茎秆底部到顶部弹性模量先减小、后增大的结论不一致，原因可能是测量方法不同。本试验是从整体考虑，样式使用茎秆原有的形态，未对茎秆进行切片[18]。即本文中的弹性模量是茎秆整体的弹性模量，是受茎秆结构的变化影响的，而不是传统意义上材料的弹性模量。分析茎秆的原始结构可知：茎秆底部的木质层较厚，并且随茎秆高度的增加木质化程度呈降低的趋势，因此从底部到顶部管状结构越来越明显，抵抗变形的能力越来越强[20]。导致这一现象发生的其他原因有待进一步研究。

2.3.4 抗弯刚度

抗弯刚度是指物体抵抗其弯曲变形的能力，用弹性模量E和惯性矩I的乘积EI表示。抗弯刚度随茎秆高度的变化曲线如图7所示。

图7 抗弯刚度随茎秆高度的变化曲线

由图7可知：除阜豆15茎秆的抗弯刚度是从底部到顶部先增大、后减小之外，荷豆19、柳豆109、皖豆28、皖豆33等4个品种的抗弯刚度都是从茎秆的底部到顶部呈逐渐减小的趋势，且柳豆109的抗弯刚度最大，阜豆15的抗弯刚度最小。

3 剪切试验

3.1 测定原理

试验利用剪切夹具在万能材料试验机上进行。直径在试验前测得并输入到与试验机配套的软件中，剪切力随位移变化的曲线随着试验的进行在软件中自动生成，最大剪切力在试验结束时自动生成，切应力由剪切力和截面积计算求得。

3.2 试验过程

剪切试验(见图8)过程中发现：剪切第1段试样(茎秆最底端)时，刀刃逐渐切入茎秆中，当切到半径处时，剪切力达到最大值；随后割刀继续向下深入，并在很短的时间内断裂，整个过程中茎秆没有明显的被压缩现象。剪切第2段试样时，刀刃接触到茎秆后切入茎秆中，在刀刃向下深入的同时，伴随着茎秆的径向压缩和纵向开裂，剪切力产生很大波动；当刀刃深入到半径位置时达到最大剪切力，随后剪切力以比之前较快的速度减小，直到茎秆被剪断，剪切力瞬间降低。剪切第3段及更高部位的茎秆时，刀刃接触茎秆后，首先对茎秆径向压缩，压缩过程伴随着茎秆的纵向开裂，直到把茎秆压缩到接近片状时，刀刃开始深入到茎秆中对茎秆进行剪切，剪切力会有明显增大；此时的茎秆相当于双层的板材结构，当上层被切断时剪切力达到最大值，随后切断下层，剪切力瞬间减小。

通过对茎秆的断面观察可知：茎秆由表皮、木质部、中心髓部组成，且髓部呈泡沫状，质地柔软，分析受力时可忽略。从茎秆第2段开始一直到顶部，茎秆的木质化程度较底部有明显降低，木质部厚度逐渐减小，茎秆管状化结构越来越明显。当刀刃对茎秆径向施力时，茎秆被径向压缩，压缩到一定程度时会出现茎秆的纵向开裂；当茎秆被压缩到接近板材形状时，刀刃才开始切入到茎秆中。

图8 剪切试验过程

3.3 剪切试验数据分析

剪切试验数据如表4所示。

表4 茎秆不同高度处的直径、最大剪切力

3.3.1 剪切载荷

观察5个品种的大豆茎秆特性曲线可知，其所呈现的规律大致相同，因此做统一分析。

图9中每个图中的6条曲线分别为茎秆底部到顶部的6段试样所受剪切力随位移的变化情况。由图9可知:茎秆底部所需的剪切力远大于其他部位，且随着茎秆的高度增加，所需剪切力逐渐减小。其原因是：一方面大豆茎秆底部较为粗壮，直径比较大；另一方面茎秆底部木质化程度较大，茎秆的强度较大，在剪切过程中突然断裂。从第2条曲线开始，剪切力随刀刃位移的波动较大，开始阶段剪切力均匀增大，之后开始有较大波动，且增大的速率比之前小；当达到一个峰值后开始缓慢减小，减小到一定程度后瞬间降为零。这与在试验过程中观察到的刀刃与茎秆之间的作用力情况一致。起初阶段刀刃对茎秆进行压缩，之后出现茎秆的纵向开裂；当压缩到一定程度时刀刃切入茎秆中，把茎秆上层切断后达到最大值，刀刃继续向下，把下层切断时剪切力瞬间降为零。

图9 剪切力-位移曲线

3.3.2 直径

图10中的5条曲线分别为5个品种的大豆茎秆直径随茎秆高度的变化趋势。由图10可知：从茎秆底部到顶部直径整体呈下降的趋势，但并不是严格的下降，中部会有微小浮动。这说明，大豆茎秆不是规则的锥形圆柱体，也符合作物随机生长的特性，但这种浮动对茎秆整体力学性能趋势的研究影响不大。

图10 直径随茎秆高度的变化曲线

3.3.3 切应力

物体由于外因(受力、湿度变化等)而变形时，在物体内各部分之间产生相互作用的内力，以抵抗这种外因的作用，并力图使物体从变形后的位置恢复到变形前的位置。在所考察的截面某一点单位面积上的内力称为应力，同截面相切的称为剪应力或切应力。切应力为

(1)

图11中分别为5个品种的大豆茎秆切应力随茎秆高度的变化趋势。由图11可知：随茎秆高度的增加，切应力呈逐渐减小的趋势，从底部到顶部变化较大。柳豆109从底部到第5段变化较为缓慢，最后一段迅速减小；其他4个品种从底部到第3段迅速减小，第3段到最后一段减小较为缓慢。

图11 切应力随茎秆高度的变化曲线

4 结论

1)通过对成熟期5个不同大豆品种的三点弯曲和剪切试验，得到了最大弯曲力、最大剪切力、惯性矩、最大切应力、弹性模量及抗弯刚度等力学参数，掌握了大豆茎秆不同高度承受弯曲力及剪切力的一般规律，为今后大豆收获机械的研究提供了参考依据，对研制不同品种通用的大豆收获机械有重要的意义。

2)大豆受弯曲力及剪切力表现出来的特性和茎秆的直径变化、不同部位的木质化程度相关。

3)阜豆15、荷豆19、柳豆109、皖豆28、皖豆33茎秆整体的弹性模量都是从底部到顶部逐渐增大，造成这一现象的一个原因是茎秆的管状化程度从底部到顶部越来越明显，其他方面的原因有待进一步研究。

4)随大豆茎秆高度的增加，荷豆19、柳豆109、皖豆28、皖豆33的抗弯刚度都是逐渐降低，阜豆15茎秆的抗弯刚度是从底部到顶部先增大、后减小，在中段靠下部位达到最大。

5)随茎秆高度的增加，5个品种的切应力都呈逐渐减小的趋势，且从底部到顶部变化较大。

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