玉米秸稈自干后的材料力學(xué)性質(zhì)研究

武翠卿，李　楠，張　帥，郭玉明

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷　030801)

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玉米秸稈自干后的材料力學(xué)性質(zhì)研究

武翠卿，李楠，張帥，郭玉明

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷030801)

摘要：玉米秸稈直接還田或漚肥是大量增加土壤有機(jī)質(zhì)的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，也是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化及混合飼料利用的重要資源。目前，在這幾方面的應(yīng)用中均需進(jìn)行粉碎、揉絲、切段等加工，針對加工參數(shù)的優(yōu)化需要研究其力學(xué)性質(zhì)。為此，試驗(yàn)研究了越冬后自然干燥的玉米秸稈的彎曲強(qiáng)度、皮質(zhì)層和內(nèi)芯的剪切強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彈性模量及穿刺強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，以及應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律、抗彎折特性、莖稈不同節(jié)間的力學(xué)性質(zhì)變化等材料力學(xué)特性，為相關(guān)加工設(shè)備及工藝參數(shù)優(yōu)化提供了理性參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈;自然干燥;力學(xué)性質(zhì);莖稈材料強(qiáng)度

0引言

玉米秸稈的材料結(jié)構(gòu)是由外部硬度較高的皮質(zhì)層包裹著內(nèi)部彈性較好的胞體蜂窩狀材料構(gòu)成，有著獨(dú)特的材料力學(xué)性質(zhì)特性。秸稈直接還田或漚肥是大量增加土壤有機(jī)質(zhì)的優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，也是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化及混合飼料利用的重要資源。目前，在這幾方面的應(yīng)用中均需進(jìn)行粉碎、揉絲、切段等加工，還有就是秸稈作為生物質(zhì)資源進(jìn)行成型燃料加工轉(zhuǎn)化利用時一般已儲藏越冬自然干燥。因此，需要專門研究自然干燥后的玉米高粱秸稈的力學(xué)性質(zhì)，為相關(guān)加工裝備設(shè)計(jì)和加工工藝參數(shù)優(yōu)化提供設(shè)計(jì)參數(shù)和理論參考依據(jù)。有關(guān)作物秸稈生物力學(xué)性質(zhì)的研究主要集中在生長期，包括對玉米秸稈力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)和力學(xué)性質(zhì)與抗倒伏及取樣條件等因素的影響研究[1-5]、對小麥莖稈生物力學(xué)性質(zhì)及抗倒伏特性的研究[ 6-7 ]，以及對小麥、谷子、玉米、高粱、大豆等莖稈作物莖稈材料力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)研究[ 8-10 ]。因此，測試了莖稈作物的形態(tài)特性指標(biāo)和拉伸、剪切、彎曲等基本變形形式下的拉伸強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，并研究了它們之間的相關(guān)關(guān)系和應(yīng)用生物力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，評價莖稈作物抗倒伏特性，創(chuàng)建力學(xué)評價體系及評價方法。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1　試驗(yàn)樣本采集及制備

試驗(yàn)用樣本選自山西農(nóng)大所在地太谷縣北洸農(nóng)民儲存越冬的玉米秸稈，含水率為1.454%；挑選節(jié)間、直徑粗細(xì)均勻，且沒有破損、彎折的整稈，削去根須、頂部，去除葉鞘、包葉等，將處理好的莖稈運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室保存，以備試驗(yàn)。

1.2　試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所用儀器為CMT6104型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，本文進(jìn)行的莖稈彎曲、拉伸、剪切均由其配套的相應(yīng)夾具完成。其它儀器或工具：3KFG-01電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱；精度為0.1 mg的電子分析天平；精度為0.01mm的電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺等。

1.3　試驗(yàn)方法

將采集好的莖稈自節(jié)間處鋸斷，從根部節(jié)向上依次標(biāo)號，然后用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測定試樣受力點(diǎn)的外徑。由于玉米莖稈橫截面是橢圓形，彎曲試件取其長短軸測量3次平均值作為外徑。莖稈皮質(zhì)層和內(nèi)芯材料的試件在不同節(jié)間切取，制作成標(biāo)準(zhǔn)試件備用，測取所需原始數(shù)據(jù)。按材料力學(xué)性質(zhì)測試方法設(shè)計(jì)出不同變形形式對應(yīng)下的試驗(yàn)方案，按方案進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)；由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)點(diǎn)，并自動繪制載荷位移曲線，按材料力學(xué)算式計(jì)算出相關(guān)材料力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)值。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1玉米莖稈彎曲試驗(yàn)

圖1為玉米莖稈彎曲時的載荷位移曲線。由圖1可以看出：當(dāng)載荷達(dá)到預(yù)加載荷后，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)點(diǎn)并繪制載荷位移曲線；在試驗(yàn)初始階段，載荷位移曲線近似呈線性；當(dāng)達(dá)到強(qiáng)度極限后,莖稈出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，達(dá)到最大載荷時試驗(yàn)停止。

圖1　玉米彎曲載荷位移曲線

2.1.2莖稈皮質(zhì)層材料拉伸試驗(yàn)

圖2為計(jì)算機(jī)自動采集數(shù)據(jù)并繪制出的拉伸載荷位移曲線。當(dāng)載荷達(dá)到玉米莖稈皮質(zhì)層最大承載能力時，試樣被拉斷并伴有清脆斷裂聲，試驗(yàn)結(jié)束。

圖2　玉米莖稈表皮拉伸載荷位移曲線

2.1.3玉米莖稈皮質(zhì)層和內(nèi)芯材料剪切試驗(yàn)

圖3和圖4分別是玉米莖稈皮質(zhì)層和內(nèi)芯剪切載荷位移曲線。

圖3　玉米莖稈皮質(zhì)層剪切載荷位移曲線

圖4　玉米莖稈內(nèi)芯剪切載荷位移曲線

2.2　試驗(yàn)結(jié)果處理與分析

2.2.1玉米莖稈彎曲力學(xué)性質(zhì)分析

表1　玉米莖稈彎曲力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

F為最大彎折載荷，σ為抗彎強(qiáng)度，E為彈性模量。

繪制出玉米莖稈不同節(jié)間的最大彎曲載荷、抗彎強(qiáng)度和彈性模量的變化圖，如圖5～圖7所示。

圖5　玉米莖稈最大彎曲載荷的變化趨勢

圖6　玉米莖稈抗彎強(qiáng)度的變化趨勢

圖7　玉米莖稈彈性模量的變化趨勢

由圖7可知：玉米莖稈的最大彎曲載荷隨著節(jié)間高度的增加呈現(xiàn)下降趨勢，即取樣的高度越高，莖稈最大彎曲載荷越小；抗彎強(qiáng)度與最大彎曲載荷的變化趨勢一致，也是隨著取樣高度增加，抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢；取樣高度對彈性模量的影響較小，呈現(xiàn)出略微的上升趨勢。

2.2.2莖稈皮質(zhì)層拉伸力學(xué)性質(zhì)分析

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到不同節(jié)間玉米莖稈皮質(zhì)層的拉伸最大載荷，抗拉強(qiáng)度σ=F/A，彈性模量E=σ/ε，如表2所示。

玉米莖稈不同節(jié)間皮質(zhì)層拉伸最大載荷、抗拉強(qiáng)度和彈性模量的變化圖，如圖8～圖10所示。

表2　不同節(jié)間玉米莖稈皮質(zhì)層的拉伸力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

F為最大拉伸載荷，σ為抗拉強(qiáng)度，E為彈性模量。

圖8　玉米最大拉力隨節(jié)間的變化趨勢

圖9　抗拉強(qiáng)度隨節(jié)間的變化趨

圖10　彈性模量隨節(jié)間的變化趨勢

由圖8～圖10可知：玉米莖稈皮質(zhì)層拉伸試驗(yàn)，最大拉力和抗拉強(qiáng)度均隨著取樣節(jié)間位置向上而減小，彈性模量的趨勢也大致相同。

2.2.3玉米莖稈皮質(zhì)層剪切力學(xué)性質(zhì)分析

對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到不同節(jié)間玉米莖稈皮質(zhì)層剪切最大載荷，剪切強(qiáng)度τ=F/A，如表3所示。

表3　玉米莖稈皮質(zhì)層剪切數(shù)據(jù)

F為最大剪切載荷，τ為抗剪強(qiáng)度。

玉米莖稈不同節(jié)間皮質(zhì)層剪切最大載荷、剪切強(qiáng)度的變化圖，如圖11和圖12所示。

圖11　玉米莖稈皮質(zhì)層最大剪切力隨節(jié)間的變化趨勢

圖12　玉米莖稈皮質(zhì)層剪切強(qiáng)度隨節(jié)間的變化趨勢

由圖11和圖12可知：玉米莖稈皮質(zhì)層的最大剪切力和剪切強(qiáng)度都隨節(jié)間的增大而減小。

2.2.4玉米莖稈內(nèi)芯剪切力學(xué)性質(zhì)分析

對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到不同節(jié)間玉米莖稈內(nèi)芯剪切最大載荷、剪切強(qiáng)度，如表4所示。

表4　玉米莖稈內(nèi)芯剪切力學(xué)性質(zhì)

F為最大剪切載荷，τ為抗剪強(qiáng)度。

玉米莖稈不同節(jié)間內(nèi)芯剪切最大載荷、剪切強(qiáng)度的變化圖，如圖13和圖14所示。

圖13　玉米莖稈內(nèi)芯最大剪切力隨節(jié)間的變化趨勢

圖14　玉米莖稈內(nèi)芯剪切強(qiáng)度隨節(jié)間的變化趨勢

由圖13和圖14可知：玉米莖稈內(nèi)芯的最大剪切力和剪切強(qiáng)度的變化趨勢與玉米莖稈表皮的變化趨勢一致，即隨著取樣高度的增加，最大剪切力和剪切強(qiáng)度減小。

2.2.5玉米莖稈皮質(zhì)層穿刺強(qiáng)度性質(zhì)分析

利用生物材料物性分析儀，選擇橫截面積為1mm2的探頭，對玉米莖稈的皮質(zhì)層進(jìn)行了穿刺強(qiáng)度試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可知:玉米莖稈皮質(zhì)層的穿刺強(qiáng)度隨著取樣高度的增加而降低,如圖15所示。

表5　玉米莖稈皮質(zhì)層穿刺強(qiáng)度

圖15　玉米莖稈皮質(zhì)層穿刺強(qiáng)度隨節(jié)間的變化趨勢

3結(jié)論與討論

1) 玉米莖稈的最大彎曲載荷和抗彎強(qiáng)度隨著莖稈節(jié)間部位的不同而變化，從根部起越往上彎曲強(qiáng)度越?。欢煌?jié)間的彈性模量變化不大。這反映出整體玉米莖稈的材料性質(zhì)基本相同；根部節(jié)間抗彎強(qiáng)度大，表明其抗倒伏能力強(qiáng)，符合生物遺傳的優(yōu)良形態(tài)特征。

2) 玉米莖稈皮質(zhì)層的拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均隨不同節(jié)間部位有變化，趨勢也為從根部起越往上越小，彈性模量的變化趨勢也大致相同。這反映出玉米莖稈不同節(jié)間的皮質(zhì)層材料性質(zhì)有變化，根部的皮質(zhì)層材料特性要強(qiáng)。

3) 莖稈不同節(jié)間的內(nèi)芯材料剪切強(qiáng)度的變化趨

勢與上述結(jié)論大體一致，但玉米莖稈內(nèi)芯材料的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其莖稈皮質(zhì)層。這反映出其單獨(dú)承載能力較弱，但與皮質(zhì)層構(gòu)成的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有著優(yōu)良的生物材料微結(jié)構(gòu)特性。

4)莖稈的穿刺強(qiáng)度隨不同節(jié)間部位有變化，趨勢為從根部起越往上越小。這反映出玉米莖稈不同節(jié)間的皮質(zhì)層材料性質(zhì)不同，根部的皮質(zhì)層材料特性要強(qiáng)。

由此看出：玉米秸稈干燥后力學(xué)性質(zhì)隨節(jié)間部位的不同有變化，在生物質(zhì)加工和利用目標(biāo)不同時應(yīng)有針對性地進(jìn)行選擇。

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Study on Mechanical Properties of Air Drying Corn Stalk

Wu Cuiqing, Li Nan, Zhang Shuai, Guo Yuming

(College of Engineering and Technology, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)

Abstract：The corn stalk direct-application or waterlogged compost was the high quality organic fertilizer, largely increase soil organic matter, and it also was an important resource of biomass energy conversion and mixed feed utilization. Processing such as smashing, rubbing and cutting should be performed in these applications, so we studied its mechanical properties for optimization of process parameters.We tested the bending strength of air drying corn stalk after winter,and the shear strength,tensile strength, elasticity modulus,puncture strength of the cortical layer and inner core, and studied regularity of the stress and strain, bending resistance and the mechanical properties regulation of different internodes. The study provides rational reference basis for related processing equipment and optimization of process parameter.

Key words：corn stalk; air drying; mechanical properties; stalk material strength

中圖分類號：S121；S216.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0146-05

作者簡介：武翠卿(1972-)，女，山西太谷人，講師，博士， (E-mail)gcywcq@163.com。

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目(20111403130001)；山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目(2013011066-9)

收稿日期：2015-08-11