谷子茎秆叶鞘叶片及其结合部位的拉伸力学性能

2020-12-02李红波薛晋霞王炳轩张燕青武新慧李晓斌崔清亮杨作梅

农业工程学报 2020年18期

李红波，薛晋霞，王炳轩，张燕青，武新慧，李晓斌，崔清亮，杨作梅

李红波1，薛晋霞1，王炳轩1，张燕青1，武新慧1，李晓斌1，崔清亮1※，杨作梅2

（1. 山西农业大学工学院，太谷 030801；2. 太原理工大学机械与运载工程学院，太原 030024）

针对谷子机械收获作业过程中存在的秆叶易缠绕问题，该研究以晋谷21、张杂10为对象，分别对谷子不同节间的茎秆、叶鞘、叶片和叶环各部位进行拉伸力学测试，并利用SAS统计软件对测试数据做分析，在此基础上分析了相关力学参数沿茎秆节间的变化规律。2个谷子品种的茎秆在上下节间处的弹性模量、抗拉力和抗拉强度均差异显著（<0.05）。由茎秆表皮拉伸测试测得晋谷21的茎秆弹性模量为4.15～6.64 GPa，抗拉强度为67.65～130.13 MPa，抗拉力为343.97～1 598.37 N；张杂10的茎秆弹性模量为4.54～7.98 GPa，抗拉强度为73.22～136.50 MPa，抗拉力为167.66～567.54 N。2个谷子品种在不同节间位置、不同部位（叶鞘、叶片及叶环）的抗拉力和抗拉强度差异均极显著（<0.01）。晋谷21的中上部节间叶鞘、叶片及叶环平均抗拉强度分别为13.30、10.13和4.18 MPa，平均抗拉力分别为122.16、41.23和25.80 N。张杂10的中上部节间叶鞘、叶片及叶环平均抗拉强度分别为13.30、11.77和4.24 MPa，平均抗拉力分别为104.30、59.48和22.87 N。测试结果表明，谷子茎秆、叶鞘、叶片和叶环部位中抗拉强度最弱位置在鞘叶相连接的叶环位置处。谷子机械收获时可选择在茎秆中部以上、穗部第2节间以下各节间的叶环位置处进行秆叶分离，施力大小20～25 N。研究结果可为谷子收获装置的设计与优化提供参数依据。

作物；收获；试验；谷子；拉伸特性；强度；茎秆；叶鞘；叶片

0 引言

谷子是中国北方地区广泛种植的代表性杂粮作物，产区主要分布在北方各省的干旱、半干旱地区。近年来谷子产业发展势头良好，生产面积稳中有升，规模化、标准化生产得到了进一步提高[1-2]，已成为许多地方发展绿色有机农业实现乡村振兴的支柱产业。目前谷子生产存在收获作业过程机械化水平不高、专用联合收割机较少的问题，严重制约着谷子产业的发展。

谷子茎秆细长，株高0.8～2.0 m。一方面谷子茎秆普遍具有韧性强、强度大的特点，沿茎秆长度方向不容易拉断；另一方面，灌浆后期穗部较重，茎秆中空易弯折倒伏，机械收获作业时，茎秆在外力作用下易压扁折弯，加之谷穗低垂、谷叶较长且摩擦系数大，使穗、秆、叶以及茎秆相互缠绕难以分离，导致机械收获作业中易形成割台两侧绞穗、割台掉穗和拨禾轮缠绕，搅龙和喂入装置等部位缠绕堵塞现象，影响作业效率且谷物损失严重。忽略谷子强韧、高弹、秆细、穗重、易缠绕等特点，在原有水稻收割机或小麦收割机基础上对拨禾轮、割台等部位进行改造的装备存在适用性不强、割台易缠绕、损失率高、含杂率高、生产效率低等问题[3-6]，因此亟需对谷子茎秆开展力学特性研究。

茎秆类植物生物力学特性测试方法一般有拉伸压缩、弯曲、剪切、扭转等[7-10]。Wright等[11]对小麦、大麦和玉米等茎秆作物开展了力学测试。梁莉等[12]测试研究了小麦、玉米、高粱、大豆、谷子等茎秆作物惯性矩、弹性模量、抗弯刚度、抗弯强度等生物力学指标与抗倒性之间的关系。刘庆庭等[13-14]对植物茎秆力学理论和测试方法做了综述报道。Leblicq等[15]以小麦和大麦为研究对象，对空心植物茎秆弯曲力学特性做了理论推导和力学测试，考虑了弯曲过程中空心茎秆局部椭圆化和屈曲对茎秆弯曲力学特性的影响。在农业机械收获作业过程中需对茎秆各组成部分相互间的连接力加以考虑，高梦祥等[16]以玉米秸秆为研究对象，对茎叶连接力、叶鞘的抗拉特性以及茎秆、叶鞘的抗冲击特性进行了测试，发现相关力学参数与叶鞘所处部位、茎叶含水率密切相关。陈争光等[17]对玉米秸秆表皮做了拉伸和剪切测试，分析了秸秆皮抗拉强度、抗剪强度与茎秆含水率以及取样高度的关系。牟何伟等[18-22]则对甘蔗叶鞘破坏力学机理以及剥叶方式等做了大量试验研究。相关研究为开展谷子茎秆力学特性研究提供了方法参考。张燕青等[23]通过对谷子茎秆做剪切测试研究了谷子茎秆的剪切力学特性，考虑了茎秆切割部位、切割倾角、刀片斜角、切割速度等对茎秆切割力、切割功耗等参数的影响。张宁等[24-25]开展了谷子叶片与不同金属薄板的摩擦特性和叶片拉伸力学特性研究。

由于组织结构不同，谷子不同节间、同一节间不同部位包括茎秆、叶鞘和叶片的拉伸力学特性也存在很大差异，在设计谷子收获机械时需要对谷子作物各节间、各部位的力学指标加以考虑。本文选取收获期的代表性谷子品种晋谷21和张杂10为研究对象，分别对茎秆不同节间的茎秆表皮机械组织、叶鞘、叶片和鞘叶结合部即叶环等做拉伸力学测试，测取并分析谷子茎秆不同位置处抗拉力、抗拉强度、弹性模量等力学指标的变化规律，以期为机械化生产装备的改进与优化提供参数支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验对象为河北、山西等地区广泛种植的晋谷21和张杂10两个谷子品种。选取成熟收获期谷子节数及粗细相近且没有虫蛀或开裂的完整谷子茎秆（其中晋谷21节数16节、张杂10节数15节）制备试样。将试样从根部节间截取后，用保鲜袋包裹并带回实验室进行相关力学特性测试。

1.2 试验仪器

试验在山西农业大学农业生物力学实验室的高精度万能材料试验机（INSTRON5544，USA）上进行（图1），采用拉伸测试方法分别对茎秆、叶鞘、叶片以及鞘叶结合部位开展力学测试。

“有着殖民地半殖民地人民最可宝贵的性格，即没有丝毫的奴颜与媚骨”[1]698的鲁迅是一个无可非议的爱国者。人们注意到的更多的，或许是他在文学所展现的“格式的特别和表现的深切”，然而这些还远远不够，作为爱国者的鲁迅，救国才是其思想发展的主流，鲁迅的救国思想不断发展变化，经历了从科技救国到文艺救国到革命救国的转变。

1.立柱 2.测力传感器 3.夹头 4.控制面板 5.测试系统界面

1.3 试验方法

按作物品种分类，从试样中随机选取完整茎秆，按下列步骤分别取样：

1）用数显式游标卡尺测量谷子各节间、叶鞘、叶片长度尺寸；

(4)深入配合施工现场。安排一位有经验的配合施工技术人员作为项目导师，带领其参加1个大型项目的站前、站后工程配合施工工作。在配合施工过程中解决现场问题，将现场实际与设计理论有机结合，帮助深入理解设计工作。

由最大抗拉力计算抗拉强度：

3）从根部到穗部依次对去鞘茎秆进行切割、排序并用数显式游标卡尺测量茎秆长短径尺寸（茎秆近似椭圆形，沿垂直方向分别测量其长短径），保鲜袋保存。

2.3.1 抗拉力沿节间变化

5）对各节间叶鞘、叶片及叶环做拉伸力学测试：依次取出各节间带叶叶鞘，按部位将其分割成叶鞘、叶环及叶片3部分，分别做拉伸测试。测试速度为10 mm/s。重复测量5次取平均值。

对2个谷子品种中上部节间不同部位处抗拉强度和抗拉力测试结果均表明，抗拉强度最薄弱位置在叶环位置处，即鞘叶相结合的部位。

张杂10不同节间位置、不同部位（叶鞘、叶片及叶环）的抗拉强度差异也极显著（<0.01）。张杂10叶鞘抗拉强度沿节间自下向上整体呈递增趋势，中上部节间（8～15节）平均抗拉强度为13.30 MPa；叶片的抗拉强度自下向上（1～6节）迅速增大，第6节间增至最大（18.17 MPa），向上又逐渐减小，在第11～15节间较为接近（8.56 MPa），中上部节间平均抗拉强度为11.77 MPa；叶环抗拉强度自下向上逐渐增加，中上部节间平均4.24 MPa。可以看出：中上部节间（8～15节）处抗拉强度由大到小依次是叶鞘、叶片、叶环（叶鞘、叶片抗拉强度分别为叶环的3.1、2.8倍）。张杂10与晋谷21相同，叶环部位抗拉强度最弱。

2）用锋利刀片从各茎节位置处沿环向割取并剥离带叶叶鞘，实施叶鞘、茎秆分离；

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