魏俞涌，钱少平，姚文超，盛奎川

(1.嘉兴职业技术学院，浙江 嘉兴314036； 2.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，浙江 杭州310058)

0 引言

水稻作为我国主要粮食作物之一，其秸秆年产量高达2.1×109t[1]。目前，大量水稻秸秆被直接还田或被任意堆放废弃，造成严重资源浪费和环境污染[2]。如何实现水稻秸秆资源的高值化利用，已成为当前的研究热点[3-4]。近年来，稻秸已成功应用于复合材料、饲料、菌菇培养基、厌氧消化、成型燃料和制炭等诸多领域[5-12]。而在稻秸利用前，多种工艺过程均涉及水稻的收获和稻秸粉碎两个步骤，这与稻秸的剪切力学性能密切相关。因此，研究不同部位水稻秸秆的剪切性能，获得其切断规律，可为设计新型收割和粉碎设备提供参考。

目前，国内外学者对于稻秸剪切的研究较少，相关剪切工艺参数仍不明确。郭茜[13]研究了刀片类型、含水率、单次加料量对藤茎类秸秆的力学特性，发现藤茎类秸秆与一般农作物秸秆在力学特性上存在差异。ZAREIFOROUSH H等[14]研究了5、10和15 mm/min加载速度对稻秸力学性能的影响，由于剪切速度较慢，该研究中的剪切效率较低。李小城等[15]研究了不同加载速度下麦秸的剪切力，发现麦秸在剪切过程中力的变化呈先上升，后减小，再上升直至切断，最后卸载的过程。王妍等[16]分别测试了不同含水率、不同剪切速度下玉米秸秆的剪切力，发现不同刀具厚度对玉米秸秆剪切力影响较大。郭俊等[17]研究了稻麦秸秆旋耕作业中受力与位移分析。耿爱军等[18]和吴明亮等[19]对农作物秸秆的切割力和功耗进行了试验，发现滑切最省力，且切割速度和切割位置对切割力的影响最大。王宏立等[20]分析了剪切速度、切刀刃型及剪切方式对玉米根茬剪切性能的影响规律。然而，由于不同农作物秸秆的组成成分、结构存在差异，甚至同一秸秆的不同部位也会对剪切参数及性能产生影响，对于水稻秸秆在不同速度下的剪切性能仍需进一步试验研究。本文研究不同部位水稻秸秆的剪切性能与剪切规律，以期获取稻秸的力学特征基本参数，为提高稻秸切割及粉碎设备的加工性能和剪切效率提供基础理论依据。

1 试验部分

1.1试验材料

稻秸取自浙江嘉兴(品种为嘉58)，取2017年10月成熟稻秸，经手工去叶留鞘后，存放于实验室通风阴凉处，气干至平衡含水率。

1.2试验仪器设备

微机控制电子万能材料试验机(CNT-7014，美特斯工业系统有限公司)；烘箱(DHG-9030A，上海精宏实验设备有限公司)；电子天平[SECURA124，赛多利斯(上海)贸易有限公司]；游标卡尺(PREISSER，德国律佰)；自制剪切夹具等。

1.3试验方法

1.3.1样品含水率W

将气干后样品称重m1后，在105 ℃烘箱干燥24 h，再次称重记为m2，由式(1)计算。

(1)

1.3.2样品采样方法

随机取样，剔除损伤开裂、表皮剥落或霉变、受虫害等现象的茎秆，选主茎顺直且粗细均匀的稻秸，用剪刀将稻秸剪断取样。从地表向上80 mm处取80 mm为试样1(下部试样)；从地表向上220 mm再取80 mm为试样2(中部试样)；从地面上430 mm处截取长度80 mm为试样3(上部试样)；以上试样均去节，具体稻秸取样示意如图1所示。

图1 稻秸取样示意和样品实物Fig.1 Sampling of rice straws

1.3.3含水率与外径

如表1所示，不同部位稻秸含水率略有不同，下部含水率最低，中部最高，上部居中。因为水稻在生长时上部组织生命活动旺盛，但组织发育不成熟，水分含量较易散发，而下部组织结构衰老、水分含量相对较少。由于稻秸秆是空心材料，本试验量取稻秆外径以便后续分析稻秸形变载荷过程。

表1 不同部位稻秸含水率和外径

1.3.4剪切夹具

试验设计了一种新型剪切夹具，如图2所示，由上下两部分组成，分别安装于万能力学试验机。夹具有合适孔径的小孔与稻秸直径对应，夹具孔间放置试样。试验过程中，上下夹具相对运动，使孔中稻秸试样发生剪切破坏。为分析不同切割速度的影响，本试验设置了6个加载速率，分别为20、50、100、150、200和250 mm/min。万能力学试验机以均匀速率加向上载荷，夹具上下分离，直至试样被破坏，记录位移-荷载曲线，得到破坏载荷。节部采用单一节剪切，将节部放入剪切孔中进行试验。试验结束后，参照GB/T28731—2012，测定破坏后稻秸试样的含水率。

图2 剪切试验装置示意和夹具外观Fig.2 Shearing test device and fixture features

1.4数据处理及分析方法

所有样品数据均在5个试样的测试基础上取平均值，采用挪威CAMO公司的Unscrambler X 10.3软件对剪切力影响因素进行t检验显著性分析。

2 结果与讨论

2.1试验因素对剪切力的影响

水稻秸秆不同部位在20～250 mm/min剪切速度下的剪切力如图3所示。不同部位对秸秆力学性能的影响较大。在恒定剪切速度情况下，剪切力随取样部位的升高而降低，这可能是由于稻秸根部的剪切模量大于稍部。由于水稻自下而上生长，其根部纤维素成熟度高于稍部，且节部的剪切力均低于上、中、下部位的剪切力。此外，还可发现节部的含水率亦较上、中、下部位低，这可能由于节部的组织成分与其他部位的不同差异，节部的纤维素含量较低，木质素含量较高，而在切割过程中起主要支架作用的是纤维素。水稻秸秆不同部位试样在低速时(20 mm/min)的最大剪切力分别为52.50、58.25、61.10和45.59 N。由此可知，随着剪切速度的升高，剪切力均会有所下降。当低速剪切时，秸秆切割特性类似于塑性材料，其柔韧性较好，不易断裂。而剪切速率提高时，其切割特性趋近于脆性材料，柔韧性减弱，脆性增强，易断裂。

图3 不同部位和不同剪切速度对稻秸最大剪切力的影响Fig.3 Shearing force of rice straw with different part and speed

为进一步探讨剪切速度对剪切力的影响，对试样部位和剪切速度的最大剪切力进行方差分析，结果如表2所示。在剪切速度20～250 mm/min范围内，稻秸部位、剪切速度及两者的相互作用均对最大剪切力有极显著影响(P<0.01)。

表2 剪切速度对稻秸不同部位剪切力的方差分析

2.2不同部位剪切力分析

水稻秸秆上部试样位移-载荷曲线如图4所示。稻秸在20 mm/min低速剪切时剪切力最大，随剪切速度的增加，剪切力总体呈下降趋势。但在剪切速度处于100～200 mm/min时，剪切力基本保持稳定，随后略有下降。这可能是由于稻秸上部的纤维排列不紧密、纤维素含量较低及叶绿素等物质含量较高，导致剪切过程中稻秸的塑性较高，这会对剪切速度起到一定的缓冲调节作用，造成对速度影响不灵敏。当速度过大时，较短时间的剪切距离已对稻秸造成剪切破坏。从图中亦可知，在150 mm/min左右的剪切速度下，初始阶段位移所产生的剪切力较小，而后急剧上升，这也说明了中速剪切速度对上部稻秸的最大剪切力影响不大。

图4 稻秸上部不同剪切速率下的剪切特性Fig.4 Shearing property of top rice straws under different speed

水稻秸秆中部试样位移-载荷如图5所示。最大剪切力在20～100 mm/min剪切速度下达到较大值，当剪切速度高于150 mm/min时剪切力逐渐下降。值得注意的是，由于中部稻秸的外径逐渐变大，中空的结构使剪切开始时，夹具对稻秸有一个明显的压缩过程，若稻秸在该压缩过程发生剪切断裂，则剪切最大力时的位移较小，反之则较大。因此，图5中的稻秸断裂位移不一致，出现2 mm左右的差异，这也是低速剪切(20 mm/min)时曲线呈非线性波动的原因。此外，稻秸中部含水率较上部高，纤维素结晶区较上部高，故不同速度下中部的剪切力均要高于稻秸上部。

图5 稻秸中部不同剪切速率下的剪切特性Fig.5 Shearing property of middle rice straws under different speed

图6反映了水稻秸秆根部试样的位移-载荷曲线。稻秸根部剪切破坏位移基本一致，且在低速剪切时的剪切力大于中高速剪切。由于根部稻秸直径较大，所有曲线在初始阶段均有一个预压变形阶段，随后出现力急剧上升阶段，即剪切破坏阶段，最后出现破坏松弛。根部稻秸在不同剪切速度下，剪切起始点与剪切力上升斜率基本保持一致，说明剪切速度只对最大剪切力有影响，而对剪切过程影响不大。这是由于根部稻秸生长成熟，纤维素含量较高，纤维素分子链呈紧密排布，形成规则有序的结晶区。另外，根部稻秸含水率较低，导致秸秆脆性增加，一旦压缩变形后，剪切阻力变化很小即发生破坏。考虑实际生产，较大的剪切速度意味着较大能耗，采用适中速度剪切，既满足剪切过程要求，又可以节能。

图6 稻秸下部不同剪切速率下的剪切特性Fig.6 Shearing property of bottom rice straws under different speed

节部稻秸剪切曲线如图7所示。由于节部较硬，不易产生挤压形变，故随着剪切位移的产生，剪切力增加明显，且剪切破坏位移较小。由图中可知，不同剪切速度下的剪切力变化差异较大，对于稻秸节部剪切，速度在中速为宜。

3 结论

在试验基础上，分析水稻秸秆不同部位在不同剪切速率下剪切力的变化情况。方差分析结果表明，稻秸部位、剪切速度及两者的相互作用均对最大剪切力有极显著影响(P<0.01)。在不同剪切速度下，稻秸上部剪切力为37.00～52.50 N，中部剪切力为40.89～58.24 N，下部剪切力为45.32～68.10 N，节部剪切力为32.25～45.53 N。稻秸自上而下不同部位的含水率轻微下降，剪切力呈上升趋势。稻秸在不同剪切速度下的剪切力变化较大，但总体而言，高剪切速率下(100～150 mm/min)的剪切力要低于低剪切速率(20～100 mm/min)。因此，适当加快剪切速度，有利于提高剪切设备的效率。

图7 稻秸节部不同剪切速率下的剪切特性Fig.7 Shearing property of joint part of rice straws under different speed