秸秆类物料的力学特性研究现状与探索

刘晓东，郭文斌，王春光，杜晓雪，靳 敏，王鹏鹏，赵方超

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

0 引言

秸秆类物料是指水稻、小麦、玉米及高粱等禾本科农作物成熟脱粒后剩余的茎叶部分。查阅以往数据可以看出：我国是农作物秸秆年产量大国，持续关注着农作物秸秆问题，因其不管是从经济方面还是环境方面，都对我国的发展起着重要的作用[1-2]。秸秆松散、堆积密度低、存储困难及运输成本高等特点一直是制约其高效利用的原因之一[3-5]。秸秆力学性能的研究可以作为相关机械设计、探索新的秸秆加工方法提供理论依据和设计参数指导,从而提高加工处理质量、降低运输成本、解决储运困难等问题，并且减少其在收获、加工、储运中由于机械损伤导致的养分损失[6]。本文对秸秆类物料压缩、剪切等力学特性的研究现状进行了综述，并对其发展趋势进行了分析。

1 秸秆类物料力学特性研究进展

1.1 秸秆压缩特性

1.1.1 秸秆碎料的压缩特性

秸秆碎料压缩力学特性的研究对压缩工艺的优化、压捆及压块设备的研制等均有重要的指导意义，一些学者在这些方面已经取得了相当喜人的成果。杨明韶、李旭英[7](1996)等利用高密度压捆机对麦秆进行了压缩试验，指出了压缩存在“松散”和“压紧”两个过程，影响物料压缩过程的两个重要因素是物料的种类和喂入量(初始密度)。王波[8](2005)认为，秸秆在密闭容器内压缩会经历3个过程，分别是松散、过渡和压紧；随后为了验证结论的正确性，对揉切后的玉米秸秆进行压缩试验，试验表明：不同阶段内压力与压缩密度的关系可以用不同的数学模型表示。范林、王春光[9](2008)等通过对揉碎后的玉米秸秆进行压缩试验， 结果表明：揉碎的玉米秸秆的可压缩性与喂入量、含水率、初始密度和压缩速度有关，且当压缩密度超过临近界值230 kg/m3时，其可压缩性会随着压缩密度的增大而逐渐变差。 PhaniAdapa、Lope Tabil[10](2009)等对大麦、小麦秸秆等样品进行压实处理， 确定了秸秆样品压实密度、总比能量的最佳预测系数和标准误差的最佳预测方程。赵何、杨若玲[11](2011)对碎玉米秸秆进行了卷压试验研究 ， 发现了影响秸秆卷压成捆的主要因素：含水率、喂入量和挤草辊转速。 李汝莘[12](2012)等通过碎玉米秸秆的卷压及应力松弛试验，建立了伯格斯模型，得到了应力松弛模型及其相关参数。黄文城、王光辉[13](2012)等通过秸秆二次压缩中的比能耗试验证明：不同的压缩方向对压缩比的能耗没有太大影响，而且秸秆还存在一个最合适的初始压缩密度，使压缩比能耗达到最小。Kenny D. Nona1、BartLenaerts[14](2014)等对麦秸和干草进行压缩性研究，指出皮格斯模型可以恰当地描述出农作物压缩密度在145 kg/m3、干物质(R2>0.8)时的物料特性。马彦华、宣传忠[15](2016)等对玉米秸秆进行了振动压缩过程的应力松弛试验，结果表明：压缩过程的叠加振动能够提升应力松弛速率、减少成型块的残余应力，进而使二次压缩的压缩阻力减小。 MirkoMaraldia、LuisaMolari[16](2017)等对稻草进行单一压缩试验得到： 力和位移曲线确定了草捆力学性能与其几何形状和密度的关系。上述学者在机器的结构和工艺方面提出了优化的措施，并为提高其作业效率提供了一定的理论基础，对我国压捆机、卷捆机的研制与发展有着促进作用。

1.1.2 秸秆整杆的压缩特性

秸秆整杆压缩力学特性的研究可以为其收获及生产加工方式方法、设备的优化提供理论依据和必要的参数。孙占峰、蒋恩臣[17](2007)对稻杆进行挤压试验，结果表明：径向压缩和轴向压缩时，弹性模量、破坏应力等均随含水率的增加而发生不同的改变，径向是增大，轴向是减小。由此可知：含水率对秸秆类物料的压缩特性有一定的影响[18-21]。王芬娥、黄高宝[22](2009)等人测定了小麦成熟期茎秆的力学性能，结果表明：小麦茎秆的强度较高，且茎秆的抗拉强度远远大于抗压强度。陈声显[23](2011)对玉米秸秆进行了压缩力学性能试验，分析得到影响玉米秸秆压缩性能的因素是秸秆髓和秸秆皮，其中秸秆皮影响最大，秸秆髓几乎没有影响。高欣[24](2012)通过对玉米秸秆进行压缩试验得出玉米秸秆压缩过程变化规律，玉米秸秆的轴向与径向压缩并不完全相同：轴向压缩时，载荷随着位移变化会出现一定明显的波动，而径向压缩无明显波动。李强[25](2014)通过实验数据的横向对比发现：玉米秸秆的抗压强度、抗压弹性模随着含水率的增大而增大。朱振伟、张开飞[26](2017)等通过对玉米秸秆进行压缩试验得出：当在玉米秸秆的根部、中部、上部施加相同的加载速度时，秸秆根部所需要的压缩力最大；在同一部位,加载速度越大，压缩载荷也就越大，两者成正比例增长。上述研究可以看出相关学者在秸秆整杆力学特性和构成方面做了大量研究，研究结果有利于深入了解秸秆类物料的物性特点，优化收获、加工设备的工作参数，改善设备生产作业效果，减少研发成本与缩短研发周期。

1.2 秸秆的剪切力学特性的研究

传统秸秆类物料的收获大部分采用手工收割，存在收割劳动强度大、生产率低、收割刀刀片磨损严重更换频繁等问题。到了成熟季节，为保持良好的植物营养价值，必须在短时间内将秸秆收割完。随着生产规模的扩大，收割效率及效果成为收获的关键，研究秸秆类物料的剪切力学特性可以为切割器乃至收获机械的设计、制造和优化提供理论依据和有效的参数，从而提高收获效率，降低设备能耗。国内外对作物茎秆剪切力学特性的研究较多，大多数集中在针对玉米、小麦等作物茎秆剪切力学特性参数的测定研究上。O’Dogherty(1995)[27]对小麦秸秆进行了一系列的物理实验测量其物理性能，结果表明：抗拉强度范围为21～31.2MPa；剪切强度范围为4.91～7.26MPa。吴子岳、高焕文[28](2001)等通过研究玉米秸秆切速度与切断功耗的关系，得出切断根数与切断功耗成线性增长。向家伟[29](2007)等人对甘蔗收获机切割器的切割参数进行优化，得到切割损失和切割功耗均较小的最佳切割参数组合。A. Esehagbeygi[30](2009)等通过对小麦秸秆的试验研究，得出小麦秸秆的含水率、剪切高度与剪切应力、弯曲应力之间的关系，继而发现玉米秸秆皮的剪切强度与取样高度有很大的关系。Gathinathane(2009-2011)等国外学者研究对新鲜玉米秸秆进行了剪切应力试验研究，得到了新鲜玉米秸秆的剪切能耗模[31-33]。侯加林、蒋韬[34](2011)等人设计了往复式切割试验台，从切割位置、切割速度、刀片间隙和切割倾角等几方面对试验台进行了优化，并且得到了较优的切割性能组合。刘伟峰、赵满全[35](2011)等人根据研究分析得出割刀相对茎秆的位置对切割阻力和功耗有一定影响，并验证了斜切的效果，有利于减少切割阻力，改善切割性能[36-38]。陈争光、王德福[39](2012)等进行了含水率、取样高度和切割速度与秸秆皮剪切特性关系的研究，认为玉米秸秆皮的剪切强度会受到割刀的剪切速度和含水率的影响。上述研究说明：目前对茎秆物料的剪切力学特性研究主要集中在切割速度、切割刀具、切割力大小、切割角度、刀的间隙及含水率等对切割的影响上，研究结果可以为秸秆类物料的机械化收割提供试验依据和技术支持。

1.3 秸秆拉伸和弯曲的力学特性研究

1.3.1 秸秆拉伸力学特性研究

秸秆拉伸力学特性的研究可以为收获、加工时物料的定位、支撑及夹持方式提供参考，对开辟秸秆物料收获、加工的新方法有着重要意义。谭露露、王春耀[40](2003)等对棉花秸秆进行拉伸试验，得出了棉花秸秆的抗拉强与含水率和秸秆直径之间的关系：棉花秸秆的抗拉强度随着含水率和秸秆直径的增大而增大，秸秆直径越大破坏时所需的最大弯曲力越小。赵春花[41](2009)等对牧草茎秆进行拉伸试验，结果表明：豆禾牧草的茎秆直径越大，其所呈现出来的抗拉强度就越小。研究发现：相同大小尺寸的茎秆，豆禾牧草的抗拉强度要强于禾本科牧草。

尹秋、王涛[42](2013)等对香蕉秸秆进行了拉伸试验，结果表明：影响秸秆拉断力的因素主要有含水率、加载速度及加载部位。已有研究表明：学者们对秸秆拉伸力学特性的研究取得了一定的成果，然而相比较秸秆类物料其它力学特性研究而言，秸秆类物料拉伸特性的研究仍然较少。

1.3.2 秸秆弯曲的力学特性研究

倒伏对秸秆的产量有着重要的影响，而秸秆的弯曲特性与抗倒伏有着一定关系，因此秸秆物料弯曲力学特性的研究对提高秸秆抗倒伏能力有着重要意义。李晓东[43](2011)等对玉米秸秆进行了弯曲试验，结果表明：随着秸秆含水率的增大，秸秆弯曲载荷先减小后基本不变；随着位移增大，弯曲载荷呈线性快速增加，达到最大值后缓慢减小。张开飞、李赫[44](2016)等对大豆秸秆进行弯曲试验，结果表明：在相同的加载速度下，大豆秸秆根部需要较大的力才能使秸秆弯曲，而中部和顶部需要的力较小；当加载不同的速度时，速度越大，需要的剪切力就越小，则弯曲力就会增大。陈超科、李法德等[45](2016)利用万能试验机对高粱秸秆进行弯曲试验测试，结果表明：有节处的弯曲功是1.50～2.44N·m，无节处的弯曲功是0.69～1.25N·m。上述研究对秸秆弯曲特性进行了试验分析并取得了一定成果，对提高秸秆物料的抗倒伏能力有一定的积极作用，然而弯曲力学特性参数对秸秆实际生产收获与加工的其它方面的影响仍有待进一步深入探索。

2 秆类物料力学特性研究展望与探讨

不同作物秸秆之间的形态有一定的差异，压缩力学特性也有所不同，目前已有研究针对的物料多为玉米秸秆。随着生物质物料多元化的发展，未来秸秆类物料力学特性的研究势必由玉米秸秆逐渐扩展到其它作物秸秆，如高粱、水稻、小麦等。而对秸秆整杆压缩力学特性的研究，也将逐步与秸秆含糖量、含水率等物理特性联系起来，进行综合分析，为实际收获、生产、储运及加工服务。

已有的秸秆剪切试验研究为了解物料的剪切特性、设计相关收获机械提供了重要参考，但试验中的剪切速度低，达不到实际作业速度，一直是制约剪切特性研究的主要问题。因此，未来通过设计制作能够达到实际速度要求的剪切试验台，完成剪切力学特性试验研究，改进试验效果将成为发展趋势。此外，秸秆的拉伸与弯曲特性作为秸秆力学特性的一部分，由于目前相关研究较少，其与实际生产和加工之间的联系有待进一步深入研究，研究结果将为秸秆的收获、加工及相关机械的设计提供新的思路与参考。

秸秆类物料的压缩、剪切、拉伸、弯曲等力学特性的研究对相关收获及加工机械的设计有着重要的参考意义。未来如果将上述各种力学特性参数结合起来进行分析，互为补充，其结果势必事半功倍，既可以为新型机械的设计与开发提供精确的参数，还可以为已有机器的进一步优化提供理论基础与数据。