收获期杂交构树力学特性研究

刘天宏,王强,杨庆璐,3,田富洋,3,隋海涛,李法德,3,董世平,聂言顺,宋占华,3*

收获期杂交构树力学特性研究

刘天宏1,王强2,杨庆璐1,3,田富洋1,3,隋海涛1,李法德1,3,董世平4,聂言顺5,宋占华1,3*

1. 山东农业大学机械与电子工程学院, 山东 泰安 271018 2. 中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司, 内蒙古 呼和浩特 010000 3. 农业生产机械装备国家工程研究中心, 山东 泰安 271018 4. 中国农业机械化科学研究院集团有限公司, 北京 100000 5. 山东丰唐生态农业科技有限公司, 山东 泰安 271018

针对杂交构树收割过程中的损伤问题及杂交构树收获机的研制，本文以科构101号为研究对象，利用快速水分测定仪测量杂交构树不同取样部位上的含水率，并利用万能试验机和生物力学检测仪对不同取样部位上的韧皮部和木质部进行了剪切、压缩、弯曲、扭转和撕裂力学特性试验。科构101号不同取样部位上的韧皮部的含水率，剪切、撕裂力学特性参数有显著差异（<0.05）；木质部的含水率，剪切、压缩、弯曲和扭转力学特性参数（除弯曲弹性模量）有显著差异（<0.05）。该研究结果可为杂交构树收获机的设计与优化提供参数依据。

构树; 木材的力学性质; 植物生理

杂交构树作为一种具有高蛋白和营养均衡特征的优质木本植物，具有较强的适应性、土壤改良性能，能提供安全、健康、营养丰富的饲料，可缓解粗蛋白饲料的短缺，同时还可以实现解决“人畜争地”的矛盾、扩大耕地面积、防风固沙、抗干旱、释氧固碳等多重生态功能，替代一部分粮食作物，降低养殖成本，实现生态保护与发展养殖业联系的统一，成为畜牧业可持续发展领域的一种营养丰富、消化利用率高的新型蛋白质饲料[1,4]。目前由于缺乏关于杂交构树力学性质的数据，会导致在收割过程中易造成杂交构树韧皮部撕裂和木质部破损，影响其正常生长，因此需要获取有关损伤参数，以降低杂交构树割茬的损害程度。

秸秆类植物力学特性试验主要包括剪切、压缩、弯曲、扭转等[5,12]。李红波等[13]对不同节间的谷物茎秆、叶梢、叶片和叶环各部位进行拉伸力学特性测试，分析了不同部位拉伸力学特性的变化规律。尹政等[14]对红麻的茎秆力学特性进行了研究，测定红麻茎秆各组分的弹性参数，为红麻茎秆收获机械的设计提供理论基础。Igathinathane C等[15]利用万能试验机研究了不同割刀倾角对玉米秸秆的切割力学特性的影响，为玉米切割器的设计提供了参考。

选取科构101号杂交构树主干的上部、中部和下部为研究对象，对杂交构树不同部位的含水率进行了测量；对杂交构树不同部位韧皮部的剪切、撕裂力学特性进行了试验；对杂交构树不同部位木质部的剪切、压缩、弯曲和扭转力学特性进行了试验。力学试验测得韧皮部、木质部不同部位的力学特性参数及变化规律，可以为杂交构树收获机等机械装备的设计和优化提供一定的参数依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取科构101号为研究对象。杂交构树取自山东省泰安市宁阳县。取样时间为2022年7月18号，杂交构树高度为1.3 m左右。

选取无病虫害，长势良好，没有明显的损伤的杂交构树主干作为试验材料，将杂交构树主枝干分为三部分（上部、中部、下部）制作试样。杂交构树条取回后，用保鲜膜包裹后放入冰箱（4 ℃）内保存。保证试验期间数据的一致性。

图1 试样选取部位

1.2 试验方法

由于杂交构树髓部较软且较多部分枝条内无髓部，与木质部相比，其剪切力、剪切强度、抗压力、抗压强度、压缩弹性模量、剪切模量、抗扭强度、抗弯强度和弯曲弹性模量等力学特性参数远远小于木质部。所以，对去皮杂交构树条的力学特性试验可看成对木质部的力学特性试验，可通过木质部面积，计算木质部的剪切力、剪切强度、抗压力、抗压强度、压缩弹性模量、剪切模量、抗扭强度、抗弯强度和弯曲弹性模量等力学特性。

1.2.1 杂交构树含水率测定杂交构树力学特性试验前需先测量每组试样（10组）的含水率。将韧皮部和木质部分别用剪刀剪碎，分别利用卤素快速水分测定仪（ZTXY-101型，上海准权仪器设备有限公司）在设定温度为105 ℃的条件下对其进行含水率的检测。

1.2.2 杂交构树韧皮部剪切试验将上部、中部和下部韧皮部试样放到V型剪切夹具（底座V形口角度为90°，刀具V形口角度为60°）中，万能试验机（WDW-5E型，济南试金集团有限公司）以30 mm/min的加载速率进行剪切试验，共三组，一组10次。试验前利用游标卡尺（Mitutoyo500-153，日本三丰）测量韧皮部的厚度。试验结束后计算韧皮部的剪切强度，计算公式如下[16,17]：

式中：1—剪切强度，MPa；1max—最大剪切力，N；1—横截面积，mm2。

1.2.3 杂交构树韧皮部撕裂试验从上部、中部和下部样品中截取20×30 mm韧皮部撕裂试样，试验前利用游标卡尺测量韧皮部的厚度，利用生物力学检测仪（EZ-SX型，日本岛津）以10 mm/min对其沿垂直纤维方向进行撕裂试验，直至试样被撕裂，共3组，一组10次。根据试验结果计算其撕裂强度。撕裂强度计算公式如下所示[18]：

式中：2—撕裂强度，MPa；2max—最大撕裂力，N；2—撕裂处横截面积，mm2。

1.2.4 杂交构树木质部剪切试验将上部、中部和下部木质部试样放到V型剪切夹具（底座V形口角度为90°，刀具V形口角度为60°）中，万能试验机以30 mm/min的加载速率进行剪切试验，共3组，一组10次。试验前利用游标卡尺测量木质部的内外径。根据公式（1）计算木质部的剪切强度。

1.2.5 杂交构树木质部压缩试验从上部、中部和下部样品中截取20 mm木质部压缩试样，利用砂纸将试样两端磨平放置在万能试验机压缩夹具的中心部位，以2 mm/min的速度加载，沿试样轴向压缩，直至试样被压溃，共3组，一组10次。试验前用游标卡尺测量木质部内外径。试验后，根据试验数据计算木质部轴向抗压强度，并根据木质部弹性阶段数据计算其轴向压缩弹性模量。根据式2和式3计算其轴向抗压强度和轴向压缩弹性模量。从上部、中部和下部样品中截取20 mm木质部压缩试样，放置在万能试验机压缩夹具的中心部位，以2 mm/min的速度加载，沿试样径向压缩，直至试样被压溃。试验前用游标卡尺测量木质部内外径。其径向压缩弹性模量的计算公式如下所示[19]：

式中：c—径向压缩弹性模量，MPa；c—压应力，MPa；c—木质部试样的应变；c—刚性平板压缩木质部的等效宽度，mm；—刚性平板压缩木质部的压缩位移，mm；S—木质部试样长度，mm。

1.2.6 杂交构树木质部弯曲试验将上部、中部和下部木质部试样放到弯曲试验台上（弯曲试验台支座之间距离为70 mm），利用万能试验机对其进行弯曲试验，下压速度设为5 mm/min，共3组，一组10次。试验前利用游标卡尺测量木质部内外径，试样的弯曲强度和弯曲弹性模量的计算公式如下所示[20]：

式中：σ—抗弯强度，MPa；Fmax—最大弯曲力，N；E—弯曲弹性模量，MPa；l—木质部弯曲长度，mm；D—木质部外径，mm；d—木质部内孔径，mm；ΔF—弯曲力-挠度曲线上线性段的弯曲力变化量，MPa；Δ—弯曲力-挠度曲线上线性段的挠度变化量。

1.2.7 杂交构树木质部扭转试验从上部、中部和下部样品中截取80 mm扭转试样，试验前利用游标卡尺测量其内外径，利用扭转试验机（KN-100PLW型）以15 °/min对其进行扭转试验，共三组，一组10次。根据试验结果计算其抗扭强度和剪切模量。抗扭强度和剪切模量计算公式如下所示[21,22]：

式中：τ—抗扭强度，MPa；T—最大扭矩，N·mm；—截面系数，mm3；—剪切模量，MPa；L—标距，mm；I—极惯性矩，mm4；—扭矩-扭转角曲线上线性段的扭矩变化量，N·mm；Δ—扭矩-扭转角曲线上线性段的扭转角变化量，°。

1.3 数据处理方法

含水率每种试样测量20组，力学特性试验每组重复10组，利用 Excel 2016（Microsoft Office 2016，微软公司）对试验数据进行整理和预处理；利用SAS 9.2（STATISTICAL ANALYSIS SYSTEM，SAS INSTITUTE INC）软件对试验数据进行方差分析，在=0.05的水平上进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 杂交构树含水率结果分析

试验前对每组试样进行含水率的测量：韧皮部上部、中部和下部试样三部分的含水率分别为65.98%±3.40%、66.00%±2.47%和71.86%±2.11%；木质部上部、中部和下部试样三部分的含水率分别为64.84%±2.69%、64.91%±3.25%和57.09%±3.43%。韧皮部的含水率从上往下呈递增趋势，木质部的含水率从上往下呈现先增后减的趋势。

2.2 杂交构树韧皮部试验分析

2.2.1 杂交构树韧皮部剪切试验分析

图2 韧皮部剪切力学特性与取样部位的关系

注：杂交构树试样分为上部、中部和下部三部分：表中数据采用的是算数平均值±标准差的形式（=10），不同小写字母表示不同部位在0.05水平差异显著，下同。

Note: The hybrid tree sample is divided into three parts: upper, middle and lower: the data in the table are in the form of arithmetic mean ± standard deviation (=10), and different lowercase letters indicate that different parts have significant differences at the level of 0.05, the same below.

韧皮部剪切时上部的平均厚度为0.57 mm，平均单位厚度最大剪切力为158.57 N/mm，平均剪切强度为15.51 MPa，平均单位面积剪切功耗为0.0638 J/mm2；中部的平均厚度为0.72 mm，平均单位厚度最大剪切力为150.05 N/mm，平均剪切强度为13.88 MPa，平均单位面积剪切功耗为0.1122 J/mm2；下部的平均厚度为0.93 mm，平均单位厚度最大剪切力为131.34 N/mm，平均剪切强度为15.99 MPa，平均单位面积剪切功耗为0.959 J/mm2。不同取样部位的杂交构树韧皮部的单位厚度最大剪切力有显著差异（＜0.05），单位厚度最大剪切力由大到小部位分别为上部、中部和下部。不同取样部位的杂交构树韧皮部的剪切强度有显著差异（＜0.05），剪切强度由大到小部位分别为下部、上部和中部。不同取样部位的杂交构树韧皮部的单位面积剪切功耗有显著差异（＜0.05），单位面积剪切功耗由大到小部位分别为中部、下部和上部。由于下部韧皮部木质化程度略高，故剪切强度略高。

2.2.2 韧皮部撕裂试验分析韧皮部撕裂时的上部的平均厚度为0.55 mm，平均单位厚度最大撕裂力为15.32 N/mm，平均撕裂强度为0.53 MPa，平均单位面积撕裂功耗为0.00085 J/mm2；中部的平均厚度为0.67 mm，平均单位厚度最大撕裂力为16.72 N/mm,平均撕裂强度为0.59 MPa，平均单位面积撕裂功耗为0.0013 J/mm2；下部的平均厚度为0.76 mm，平均单位厚度最大撕裂力为23.91 N/mm，平均撕裂强度为0.81 MPa，平均单位面积撕裂功耗为0.0016 J/mm2。不同取样部位的韧皮部的单位厚度最大撕裂力有显著差异（＜0.05），单位厚度最大撕裂力由大到小的部位分别为下部、中部和上部。不同取样部位的韧皮部的撕裂强度有显著差异（＜0.05），撕裂强度由大到小的部位分别为下部、中部和上部。不同取样部位的韧皮部的单位面积撕裂功耗有显著差异（＜0.05），单位面积撕裂功耗由大到小的部位分别为下部、中部和上部。横向撕裂时垂直于纤维方向，而沿着纤维方向的抗拉能力基本一致，所以单位厚度最大撕裂力和撕裂强度呈相同趋势。

图3 韧皮部撕裂力学特性与取样部位的关系

2.3 杂交构树木质部试验分析

2.3.1 杂交构树木质部剪切试验分析木质部剪切时的上部的平均内径为0.91 mm，平均外径为6.64 mm，平均单位直径最大剪切力为10.29 N/mm，平均剪切强度为4.41 MPa，平均单位面积剪切功耗为0.028 J/mm2；中部的平均内径为1.98 mm，平均外径为9.02 mm，平均单位直径最大剪切力为20.20 N/mm，平均剪切强度为4.20 MPa，平均单位面积剪切功耗为0.028 J/mm2；下部的平均内径为3.13 mm，平均外径为10.72 mm，平均单位直径最大剪切力为35.02 N/mm，平均剪切强度为4.98 MPa，平均单位面积剪切功耗为0.043 J/mm2。不同取样部位的杂交构树木质部的单位直径最大剪切力有显著差异（＜0.05），单位直径最大剪切力由大到小部位分别为下部、中部和上部。不同取样部位的杂交构树木质部的剪切强度有显著差异（＜0.05），剪切强度由大到小部位分别为下部、上部和中部。不同取样部位的杂交构树木质部的单位面积剪切功耗有显著差异（＜0.05），单位面积剪切功耗由大到小部位分别为下部、中部和上部。由于下部木质化程度最高，故下部木质部的单位直径最大剪切力，剪切强度和单位面积剪切功耗略高。

图4 木质部剪切力学特性与取样部位的关系

2.3.2 木质部轴向压缩试验分析木质部轴向压缩时的上部的平均内径为1.57 mm，平均外径为6.52 mm，平均单位直径最大轴向压缩力为26.58 N/mm，平均轴向抗压强度为5.64 MPa，平均轴向弹性模量为53.2 MPa，平均单位面积轴向压缩功耗为0.011 J/mm2；中部的平均内径为1.82 mm，平均外径为8.47 mm，平均单位直径最大轴向压缩力为54.45 N/mm，平均轴向抗压强度为8.66 MPa，平均轴向弹性模量为111.21 MPa，平均单位面积轴向压缩功耗为0.035 J/mm2；下部的平均内径为3.54 mm，平均外径为9.94 mm，平均单位直径最大轴向压缩力为62.51 N/mm，平均轴向抗压强度为9.38 MPa，平均轴向弹性模量为59.73 MPa，平均单位面积轴向压缩功耗为0.043 J/mm2。不同取样部位的杂交构树木质部的单位直径最大轴向压缩力有显著差异（＜0.05），单位直径最大轴向压缩力由大到小部位分别为下部、中部和上部。不同取样部位的杂交构树木质部的轴向抗压强度有显著差异（＜0.05），抗压强度由大到小部位分别为下部、中部和上部。不同取样部位的杂交构树木质部的轴向压缩弹性模量有显著差异（＜0.05），轴向压缩弹性模量由大到小部位分别为中部、上部和下部。不同取样部位的杂交构树木质部的单位面积轴向压缩功耗有显著差异（＜0.05），单位面积轴向压缩功耗由大到小的部位分别为下部、中部和上部。由于木质化程度不同，下部的最大压缩力和抗压强度均最大；中部的轴向压缩弹性模量最大的原因可能为中部还有部分髓部，而下部无髓。

图5 木质部轴向压缩力学特性与取样部位的关系

2.3.3 木质部径向压缩试验分析木质部径向压缩时的上部的平均内径为1.33 mm，平均外径为7.29 mm，平均单位直径最大径向压缩力为5.57 N/mm，平均径向弹性模量为4.48 MPa，平均单位面积径向压缩功耗为0.00036 J/mm2；中部的平均内径为2.62 mm，平均外径为10.22 mm，平均单位直径最大径向压缩力为6.21 N/mm，平均径向弹性模量为6.02 MPa，平均单位面积径向压缩功耗为0.00036 J/mm2；下部的平均内径为4.37 mm，平均外径为12.90 mm，平均单位直径最大径向压缩力为10.43 N/mm，平均径向弹性模量为8.16 MPa，平均单位面积径向压缩功耗为0.00096 J/mm2。

图6 木质部径向压缩力学特性与取样部位的关系

不同取样部位的杂交构树木质部的单位直径最大径向压缩力有显著差异（＜0.05），单位直径最大径向压缩力由大到小部位分别为下部、中部和上部。不同取样部位的杂交构树木质部的径向压缩弹性模量有显著差异（＜0.05），径向压缩弹性模量由大到小部位分别为下部、中部和上部。不同取样部位的杂交构树木质部的单位面积径向压缩功耗有显著差异（＜0.05），单位面积径向压缩功耗由大到小的部位分别为下部、上部和中部。木质部的木质化自上而下呈递增趋势，随着木质化的增加，单位直径最大径向压缩力、径向压缩弹性模量和单位面积径向压缩功耗呈递增趋势。

2.3.4 木质部弯曲试验结果分析木质部弯曲时的上部的平均内径为1.72 mm，平均外径为6.06 mm，平均单位直径最大弯曲力为2.41 N/mm，平均抗弯强度为11.71 MPa，平均弯曲弹性模量为497.7 MPa，平均弯曲功耗为0.011 J；中部的平均内径为1.68 mm，平均外径为7.58 mm，平均单位直径最大弯曲力为4.72 N/mm，平均抗弯强度为16.36 MPa，平均弯曲弹性模量为506.4 MPa，平均弯曲功耗为0.44 J；下部的平均内径为2.66 mm，平均外径为8.86 mm，平均单位直径最大弯曲力为9.76 N/mm，平均抗弯强度为21.68 MPa，平均弯曲弹性模量为515.1 MPa，平均弯曲功耗为0.8 J。不同取样部位的木质部的抗弯强度有显著差异（＜0.05），抗弯强度由大到小的部位分别为下部、中部和上部。不同取样部位的木质部的弯曲弹性模量没有显著差异（＞0.05），弯曲弹性模量由大到小的部位分别为中部、下部和上部。不同取样部位的木质部的弯曲功耗有显著差异（＜0.05），弯曲功耗由大到小的部位分别为下部、中部和上部。结果表明各部位的木质部抗弯曲能力大致相同，但由于木质部自上而下呈现木质化递增的趋势，所以单位直径最大弯曲力、抗弯强度和弯曲功耗自上而下呈递增趋势。

图7 木质部弯曲力学特性与取样部位的关系

2.3.5 木质部扭转试验结果分析木质部扭转时的上部的平均内径为1.22 mm，平均外径为7.76 mm，平均单位直径最大扭矩为32.09 J，平均抗扭强度为3.99 MPa，平均剪切模量为2 MPa；中部的平均内径为1.92 mm，平均外径为9.44 mm，平均单位直径最大扭矩为60.16 J，平均抗扭强度为4.01 MPa，平均剪切模量为3.42 MPa；下部的平均内径为3.00 mm，平均外径为10.64 mm，平均单位直径最大扭矩为122.70 J，平均抗扭强度为5.92 MPa，平均剪切模量为4.42 MPa。不同取样部位的木质部的单位直径最大扭矩有显著差异（＜0.05），单位直径最大扭矩由大到小部位分别为下部、中部和上部。不同取样部位的木质部的抗扭强度有显著差异（＜0.05），抗扭强度由大到小部位分别为下部、中部和上部。不同取样部位的木质部的剪切模量有显著差异（＜0.05），剪切模量由大到小部位分别为下部、中部和上部。由于木质部自上而下呈现木质化递增的趋势，所以单位直径最大扭矩、抗扭强度和剪切模量自上而下呈递增趋势。

图8 木质部扭转力学特性与取样部位的关系

3 结论

对不同部位的木质部、韧皮部进行剪切、压缩、弯曲、扭转和撕裂力学特性试验，得到结论如下：

1）科构101号收获时韧皮部的含水率为65.98%～71.86%，木质部的含水率为57.09%～64.91%。除木质部呈现中部含水率最高，下部含水率最低的规律以外，韧皮部的含水率从上往下呈递增趋势。

2）对韧皮部的剪切强度、撕裂强度及相对应功耗进行测定。结果表明，韧皮部的剪切强度、撕裂强度及相对应功耗自上而下均呈递增规律；

3）对木质部的力学特性参数进行测定。结果表明，径向压缩弹性模量、抗扭强度、抗弯强度、剪切模量、剪切功耗、轴向压缩功耗、径向压缩功耗、扭转功耗、弯曲功耗自上而下均呈递增规律；剪切强度呈现为下部最高，中部最低；轴向抗压强度和弯曲弹性模量呈现为中部最高，上部最低；轴向压缩弹性模量呈现为中部最高，下部最低；

4）杂交构树的大部分力学特性自上而下呈递增趋势，因此可以在收获时适当提高切割位置以减少切割功耗。这种特性适用于收获机切割器的设计，也可作为输送装置的参考依据；

5）杂交构树一年收获多次，不同季次的收获期杂交构树的力学特性是否存在显著差异有待进一步研究。

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Study on Mechanical Characteristics of Hybridduring Harvest Period

LIU Tian-hong1, WANG Qiang2, YANG Qing-lu1,3, TIAN Fu-yang1,3, SUI Hai-tao1,LI Fa-de1,3, DOng Shi-ping4, NIE Yan-shun5, SONG Zhan-hua1,3*

1.271018,2.010000,3.271018,4.100000,5.271018,

In view of the damage problem in the harvesting process of hybridand the development of theharvester, this paper takes Kegu 101 as the research object, uses a rapid moisture tester to measure the moisture content of different sampling parts of the hybrid, and uses a universal testing machine and a biomechanical detector to carry out shear, compression, tension, torsion, tear, puncture and bending mechanical properties tests on the phloem, xylem and leaves of different sampling parts. There were significant differences in the moisture content, shear, tensile and tear mechanical properties of phloem at different sampling positions of Kegu 101 (<0.05); The moisture content of xylem, shear, compression, bending and torsion mechanical characteristic parameters ( except bending elastic modulus ) have significant differences (<0.05); There were significant differences in water content and tear strength ofleaves (<0.05), but there were no significant differences in shear strength, tensile strength, tensile modulus of elasticity and puncture strength (>0.05). The research results can provide parameter basis for the design and optimization ofharvester.

;woody mechanical properties; plant biology

S781.2

A

1000-2324(2023)04-0595-10

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.04.016

2023-02-28

2023-03-14

国家重点研发计划子课题:杂交构树根系低扰动平茬切割机理研究(2021YFD1000103-1);国家重点研发计划子课题:构树高效低损收获关键技术研究(2022YFD2001905-03)

刘天宏(1999-),男,硕士研究生,专业方向:智能农机化装备. E-mail:1832992502@qq.com

通讯作者:Author for correspondence. E-mail:songzh@sdau.edu.cn