典型農(nóng)業(yè)物料機(jī)械特性研究進(jìn)展

王東洋，金　鑫，姬江濤，楊傳華，王世光

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)　471003；2.佳木斯大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯　154003；3 .中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京　100083)

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典型農(nóng)業(yè)物料機(jī)械特性研究進(jìn)展

王東洋1，金鑫1，姬江濤1，楊傳華2，王世光3

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003；2.佳木斯大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154003；3 .中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，北京100083)

摘要：農(nóng)業(yè)物料的機(jī)械特性不僅為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)、工藝過(guò)程檢測(cè)與控制等方面提供理論依據(jù)，而且其在一定程度上決定了農(nóng)業(yè)新技術(shù)的發(fā)展方向。為此，以我國(guó)主要糧食作物(水稻、小麥、玉米)和重要經(jīng)濟(jì)作物(油菜、棉花)為對(duì)象，從生物力學(xué)、理論力學(xué)和材料力學(xué)角度，分析總結(jié)了作物關(guān)鍵部位機(jī)械特性的研究進(jìn)展，并結(jié)合現(xiàn)有研究成果對(duì)物料機(jī)械特性的研究方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物料；機(jī)械特性；研究進(jìn)展

0引言

農(nóng)業(yè)物料通常是指與工業(yè)工程直接相關(guān)的動(dòng)物、植物、微生物等農(nóng)產(chǎn)品及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接相關(guān)的一些生產(chǎn)資料(如種子、果實(shí)、莖稈等)。農(nóng)業(yè)物料的種類不同，其機(jī)械特性也不同。農(nóng)業(yè)物料的機(jī)械特性主要包括農(nóng)業(yè)物料的基本物理特性、力學(xué)特性，以及某些特性之間的相互影響[1-2]。近幾年，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)業(yè)精細(xì)化的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的不少專家學(xué)者對(duì)農(nóng)作物的機(jī)械特性做了大量的研究。本文回顧了小麥、玉米、大豆、油菜和棉花典型農(nóng)作物機(jī)械特性的研究進(jìn)展，總結(jié)了研究中的問(wèn)題，并對(duì)以后的研究方法提出了一些建議和展望。

1小麥機(jī)械特性研究

1.1小麥莖稈機(jī)械特性

小麥莖稈的彈性模量、剪切強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度極限、和抗拉極限等機(jī)械特性對(duì)小麥莖稈的抗倒伏性有顯著影響。研究小麥莖稈的這些機(jī)械特性可為解決小麥莖稈倒伏和折斷問(wèn)題提供參考。因此，國(guó)內(nèi)外的不少學(xué)者從不同的方面、運(yùn)用不同的實(shí)驗(yàn)原理和方法對(duì)小麥莖稈的機(jī)械特性做了大量的研究。

梁莉等[3]運(yùn)用生物學(xué)理論和研究方法，以不同生長(zhǎng)期的小麥莖稈為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行拉伸、彎曲和剪切實(shí)驗(yàn)，全面研究了小麥莖稈生物力學(xué)性質(zhì)與形態(tài)、生理指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，得出了結(jié)論：①小麥莖稈材料的各生物力學(xué)指標(biāo)與小麥莖稈形態(tài)、各生理指標(biāo)有不同的相關(guān)度；不同生長(zhǎng)期，不同品種的小麥其生物力學(xué)性質(zhì)有較大的差異。②隨著小麥的生長(zhǎng)，莖稈含水率對(duì)莖稈各生物力學(xué)性能的影響逐漸減小。該研究為建立實(shí)用的生物力學(xué)評(píng)價(jià)體系奠定基礎(chǔ)。運(yùn)用生物力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)評(píng)價(jià)莖稈，可指導(dǎo)農(nóng)藝和發(fā)展農(nóng)業(yè)新技術(shù)。

王秀娥等[4]運(yùn)用復(fù)合材料力學(xué)理論，從微觀組織結(jié)構(gòu)入手，揭示小麥莖稈宏觀力學(xué)性能與微觀組織之間的內(nèi)在關(guān)系，測(cè)定了小麥成熟期莖稈的力學(xué)性能(小麥莖稈的抗拉強(qiáng)度為30.36～52.65MPa，彈性模量為1.14～2.05GPa)，研究了莖稈軸向拉伸和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律；試驗(yàn)觀察了莖稈的微觀組織結(jié)構(gòu)，得到了莖稈掃描電鏡下的解剖構(gòu)造圖像(見(jiàn)圖 1)；分析了小麥莖稈承載能力與微觀組織結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，建立了莖稈橫截面的力學(xué)模型。研究發(fā)現(xiàn)：小麥莖稈是一種典型的多相、篩狀、不連續(xù)、不均勻和各向異性的復(fù)合材料，莖稈具有較高的強(qiáng)度和良好的彈性，其承載能力取決于機(jī)械組織的厚度、維管束的數(shù)量及各組織及其細(xì)胞之間的連接形式和連接強(qiáng)度。小麥莖稈力學(xué)性能與微觀組織之間內(nèi)在聯(lián)系為莖稈回收利用及開(kāi)發(fā)新型天然材料提供了參考。

袁志華等[5]運(yùn)用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)方法，研究了小麥莖稈力學(xué)特性與氮、磷、鉀含量之間的關(guān)系，以周麥18號(hào)、溫麥6號(hào)、矮抗58號(hào)、鄭麥9023為材料，在孕穗期，測(cè)試了第2、3、4節(jié)間去鞘莖稈的抗彎剛度、彎曲強(qiáng)度、彈性模量、慣性矩等力學(xué)特性，以及氮、磷、鉀含量。運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論和統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，對(duì)力學(xué)特性與氮、磷、鉀含量之間的關(guān)系進(jìn)行定量分析。研究結(jié)果表明：孕穗期，彈性模量、慣性矩、彎曲強(qiáng)度在品種之間的差異顯著；慣性矩與鉀/氮含量比值的關(guān)聯(lián)度最大；在一定范圍內(nèi)，慣性矩與鉀/氮含量比值成正相關(guān)。這一理論為小麥精準(zhǔn)施肥，增強(qiáng)莖稈抗倒伏性能，提高籽粒產(chǎn)量提供參考依據(jù)。

(a)　橫截面　　　　　　　　(b)　縱截面

趙多佳等[6]對(duì)不同節(jié)和不同含水率小麥莖稈的抗拉性能進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，分析拉力和應(yīng)力、應(yīng)變之間的力學(xué)特性及應(yīng)力—應(yīng)變的變化規(guī)律(見(jiàn)圖 2和圖 3)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，求取了小麥莖稈的彈性模量和強(qiáng)度極限平均值的大致范圍(自然干燥狀態(tài)下分別為3 577.5MPa和78.0MPa,含水率51.3%時(shí)分別為1 278.2MPa和64.6MPa)，為增強(qiáng)小麥莖稈的抗倒伏性提供了科學(xué)依據(jù)。

圖2　小麥莖稈應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖3　小麥莖稈負(fù)荷—時(shí)間曲線

圖4　小麥莖稈負(fù)荷—變形曲線

胡婷等[7]以京東8號(hào)小麥莖稈為研究對(duì)象，依據(jù)風(fēng)力學(xué)原理，運(yùn)用四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)方法對(duì)小麥莖稈進(jìn)行了彎曲實(shí)驗(yàn)，建立了小麥莖稈雙層復(fù)合材料的有限元模型；對(duì)傾倒力實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了幾何和物理參數(shù)對(duì)抗倒伏性能的影響并得出了小麥莖稈抗彎綜合系數(shù)α為

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式中D1—第1莖節(jié)直徑；

t1—第1莖節(jié)處的壁厚；

D2—第2莖節(jié)處的直徑；

t2—第2莖節(jié)處的壁厚；

L1—第1莖節(jié)莖長(zhǎng)；

L2—第2莖節(jié)莖長(zhǎng)。

1.2小麥根系機(jī)械特性

小麥的根系在生長(zhǎng)的過(guò)程中主要受到兩個(gè)方面的外力：一是在鋤草、施肥、澆水和收割等田間管理過(guò)程中，由于人工或機(jī)械原因，必然會(huì)引起土壤狀態(tài)的變化，根系可能受到擠壓、剪切或彎曲；二是根系自身在發(fā)育伸長(zhǎng)過(guò)程中，會(huì)受到土壤在各個(gè)方向的阻力。這些外力，對(duì)小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成過(guò)程具有重要影響。因此，許多學(xué)者就小麥的根系特性等方面進(jìn)行了研究。

郭維俊等[8]以成熟期小麥根系為研究對(duì)象，運(yùn)用材料力學(xué)原理對(duì)小麥同一根系、不同部位的初生根和次生根進(jìn)行了拉伸對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到了根的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律(見(jiàn)圖5),測(cè)得小麥初生根和次生根的強(qiáng)度極限分別為21.21～57.25MPa和3.08～13.07MPa，并依據(jù)微觀組織結(jié)構(gòu)建立了小麥根的橫截面的力學(xué)模型。通過(guò)觀察和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小麥根是一種典型的多相、篩狀、不連續(xù)、不均勻、各向異性的符合材料，根具有一定的強(qiáng)度和良好的彈性，其承載能力取決于機(jī)械組織厚度、維管束數(shù)量及各組織及其細(xì)胞之間的連接形式和連接強(qiáng)度。該研究提供了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)小麥特定生長(zhǎng)期根系與土壤相互作用力學(xué)原理的依據(jù)。

圖5　小麥根拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

胡軍成等[9]以小麥不同類型根系在植株不同節(jié)位的拓?fù)潢P(guān)系和不同類型根系幾何結(jié)構(gòu)隨生物進(jìn)程的動(dòng)態(tài)變化為研究目的，基于小麥根系實(shí)驗(yàn)，研究不同結(jié)構(gòu)單元小麥根系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系及形態(tài)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，建立了根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及形態(tài)的模型和根系伸長(zhǎng)過(guò)程線性方程式(2)和根系總長(zhǎng)度方程式(3)，對(duì)模型的敏感性進(jìn)行了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)分析。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：不同生育時(shí)期小麥總根長(zhǎng)和根系數(shù)量的均方差與相對(duì)誤差分別為370.68cm和1.27個(gè)，相對(duì)誤差分別為0.27和0.16，模擬值和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值之間具有較好的一致性和符合度。根系生長(zhǎng)形態(tài)模型的建立對(duì)提高小麥水分和養(yǎng)分的吸收利用率和耕生長(zhǎng)期小麥的耕作管理方式提供參考。則在

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其中，GDD(growing degree-day)表示生長(zhǎng)度日(℃·d)；RLGDDm×n×o×p(root length at GDD)表示第m分蘗第n節(jié)位第o條1次分枝上第p條2次分枝在GDD時(shí)的長(zhǎng)度(cm);RLMAXk表示k次分枝根的最大長(zhǎng)度(cm)；RPAm×n×o×p(relative physiological age at GDD)表示第m分蘗第n節(jié)位第o條1次分枝上第P條2次分枝在GDD時(shí)的相對(duì)生理年齡(℃·d);GDDFLRk(growing degree-day reaching final root length)表示為k次分枝根類定長(zhǎng)時(shí)所經(jīng)歷的生長(zhǎng)度日(℃·d)；TRLGDD(total root length at GDD)根系總長(zhǎng)度(cm)；k表示分枝級(jí)數(shù)。

2玉米機(jī)械特性研究

2.1玉米秸稈的機(jī)械特性

玉米秸稈的主要力學(xué)性能指標(biāo)包括：抗剪、抗彎、抗壓、彈性模量及強(qiáng)度極限等，運(yùn)用材料力學(xué)和工程力學(xué)等其它的基本理論和基本方法，研究玉米秸稈的抗剪、抗拉和抗壓的機(jī)械特性問(wèn)題，為玉米秸稈材料的工業(yè)利用開(kāi)發(fā)提供必要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，并可為玉米收獲及其秸稈的加工機(jī)械的研發(fā)與設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

高夢(mèng)祥等[10]以自然條件下未受雨淋、通風(fēng)堆放的玉米秸稈為試驗(yàn)材料，以莖葉含水率、葉鞘含水率、莖稈直徑、莖稈含水率，以及葉鞘所處莖稈的部位為試驗(yàn)因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)。對(duì)玉米莖稈的莖葉連接力、葉鞘的抗拉特性和莖稈、葉鞘的沖擊特性進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)測(cè)得莖葉連接力為0.7～16N，莖稈的葉鞘抗拉力為3～12N，葉鞘的抗沖擊能量為0.5～3.8J，莖稈抗沖擊能量為2.3～42.8J。通過(guò)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論：①莖葉連接力與葉鞘所處莖稈部位、莖葉含水率密切相關(guān)；②葉鞘不同方向上抗拉力不同，橫向抗拉力為0.6～5.5N，縱向是橫向的2～4倍，并與葉鞘的含水率密切相關(guān)；③葉鞘與莖稈的抗沖擊能量與葉鞘含水率、莖稈含水率、莖稈直徑及莖稈的保存方式密切相關(guān)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)論可為研究玉米莖葉分離設(shè)備的研究提供參考。

陳艷軍等[11]以簡(jiǎn)支梁和懸臂梁為理論依據(jù)，設(shè)計(jì)了玉米莖稈彎曲強(qiáng)度和彈性模量測(cè)定儀，以抗倒伏性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)5種不同玉米品種的秸稈進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明：①對(duì)于不同品種的玉米莖稈，當(dāng)彎曲強(qiáng)度減小時(shí)，其抗倒伏性能降低；②玉米莖稈的抗倒伏性隨著莖稈的彈性模量的降低而降低；③不同玉米品種的抗倒伏能力與其彎曲強(qiáng)度和彈性模量均呈正相關(guān)關(guān)系。

于勇等[12]以玉米秸稈不同部位的含水率為研究對(duì)象，以最大拉伸力為試驗(yàn)參數(shù)，通過(guò)把整株玉米莖稈分成5段，對(duì)含水率不同的不同段的莖稈進(jìn)行了拉伸特性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：①玉米莖稈同一部位的最大拉伸力隨著含水率的提高而下降；②在相同的含水率下，不同部位的玉米莖稈的最大拉伸力值存在較大差異，越接近根部，最大拉伸力值越大；③玉米莖稈不同部位對(duì)其最大拉伸力的影響，大于含水率的影響。這一研究對(duì)指導(dǎo)玉米的種植管理和玉米莖稈回收利用的設(shè)備的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

吳之岳等[13]利用當(dāng)年自然風(fēng)干的玉米莖稈為試驗(yàn)材料在自制的秸稈切碎試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)兩端自由支撐的玉米秸稈的切斷功耗和切斷速度進(jìn)行了三因素(切割方式、受切根數(shù)、含水率)兩水平(切割速度、切割功耗)正交試驗(yàn)，對(duì)各種因素進(jìn)行了定量分析。分析表明：切割方式對(duì)切割速度的影響最大，受切根數(shù)影響切斷功耗最顯著。針對(duì)秸稈、根茬切碎機(jī)的設(shè)計(jì)要求和實(shí)際切割條件，對(duì)受切根數(shù)進(jìn)行了單因素試驗(yàn)，分析了切斷速度和切斷功耗的變化趨勢(shì)，試驗(yàn)測(cè)得了在兩端自由支撐條件下保持13.6mm/s的切割速度，完全能切斷雙根玉米秸稈。研究為玉米的收獲和秸稈粉碎機(jī)械的設(shè)計(jì)提供了理論的參考。

袁志華等[14]從力學(xué)角度利用勢(shì)能駐值原理研究了玉米秸稈的抗倒伏特性，建立了玉米植株的簡(jiǎn)化力學(xué)模型(見(jiàn)圖 6)，得到了整株玉米抗倒伏性狀的參數(shù)關(guān)系式，根據(jù)式(4)可得出結(jié)論：①莖粗系數(shù)(莖粗/莖高)值越大，莖稈越不易倒伏；穗高系數(shù)(穗高/莖高)值越小，莖稈越不易倒伏；增大莖粗系數(shù)，減小莖高系數(shù)可以提高玉米植株的抗倒伏性。②莖稈的截面慣性矩越大，越不易倒伏；在截面積相同的情況下，空心稈比實(shí)心稈的截面慣性矩大，培育出空心稈的玉米，可進(jìn)一步增強(qiáng)玉米的抗倒伏能力。研究為培育抗倒伏玉米新品種和玉米的田間管理方法的發(fā)展提供了新的理論基礎(chǔ)。式(4)為

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(a)　玉米植株的簡(jiǎn)化　　　　　(b)　玉米植株倒伏的臨界

曹玉等[15]以秸稈切割功耗、秸稈切割力為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以切割速度、切刀與秸稈相對(duì)位置和定刀形式為影響因素進(jìn)行了玉米秸稈切割過(guò)程的正交試驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)：①切割速度越大，峰值切割力和切割功耗越小；②定刀形式對(duì)玉米植株的切割功耗和切割力的影響很大；③在同樣的切割速度下，單定刀片所需的切割功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙定刀片；④當(dāng)切割速度一定，削切角在20°左右時(shí)，峰值切割力和切割功耗比橫斷切和其它削切角度時(shí)都小，且切割性能較優(yōu)。這一研究，為確定秸稈切割裝置的設(shè)計(jì)提供了參考。

李耀明等[16]為了探究切割角、切割速度、切割位置、莖稈外皮和節(jié)點(diǎn)等因素對(duì)切割力及功耗的影響，利用自制擺切式莖稈切割試驗(yàn)臺(tái)，采用懸臂梁稱重傳感器、高頻數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件組成的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)玉米莖稈進(jìn)行了切割力學(xué)性能影響因素實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①峰值切割力和切割功耗隨著切割速度的增大和切割位置的增高而減小；切割速度為1.7和2.2m/s時(shí)，峰值切割力和切割功耗比切割速度為1.1m/s時(shí)降低了24.1%和39.3%。②當(dāng)切割速度一定時(shí)，切割角為20°左右時(shí)，切割性能較好。③峰值切割力和切割功耗隨著在節(jié)點(diǎn)處比在節(jié)間增加56%，外皮所需切割力占63%～83%。該研究對(duì)降低功耗及機(jī)器磨損，提高收割機(jī)的作業(yè)效率具有重要意義。

陳爭(zhēng)光等[17]以玉米莖稈皮的拉伸和剪切特性為目標(biāo)，以抗拉強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度分別作為拉伸和剪切實(shí)驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，以含水率和取樣高度為抗拉強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)因素，含水率、取樣高度和剪切速度為莖稈抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)因素進(jìn)行了二次回歸正交旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①含水率對(duì)玉米莖稈皮的抗拉強(qiáng)度影響顯著，玉米莖稈皮的抗拉強(qiáng)度隨著取樣高度的增加而減小，在含水率為30%、玉米莖稈下部稍偏上的位置的莖稈皮的抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)到67.2MPa。②取樣高度對(duì)玉米莖稈皮的剪切強(qiáng)度的影響不顯著，含水率和剪切速度對(duì)玉米莖稈皮的剪切強(qiáng)度影響較顯著。當(dāng)含水率較高時(shí)，玉米莖稈皮的剪切強(qiáng)度隨剪切速度的提高而提高，最高值可達(dá)18MPa。該研究為玉米秸稈皮穣葉分離機(jī)械的設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供有價(jià)值的理論參考。

2.2玉米根系的機(jī)械特性

玉米根系的力學(xué)特性和形狀等機(jī)械特性影響著玉米植株地上部分的生長(zhǎng)發(fā)育狀況。因此，研究玉米根系對(duì)提高玉米產(chǎn)量和抗倒伏意義重大。

鄭朝元等[18]從植物根系原位固土機(jī)理入手，采用自制的剪切箱和錨桿拉力機(jī)對(duì)玉米根系在10cm和20cm兩個(gè)深度和空地樣方的固土能力進(jìn)行了原始測(cè)定比較。測(cè)定結(jié)果表明：施加相同載荷時(shí)，兩種深度空地樣方位移大于有根玉米樣方；20cm深度樣方位移為4個(gè)樣方中最小，即作物扎根越深，達(dá)到剪切分離樣方特征點(diǎn)所需的載荷越大。該方法直接量化測(cè)定玉米根系的固土能力，為農(nóng)業(yè)水土保持領(lǐng)域開(kāi)展水土保持評(píng)價(jià)提供了有效的理論依據(jù)。

袁志華等[19]以材料的拉伸力學(xué)特性為依據(jù)，對(duì)玉米根系的拉伸特性進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)取了豫單5766和浚單18兩個(gè)玉米品種不同直徑根系的最大拉力及抗拉強(qiáng)度，分析了玉米根系的拉伸特性。測(cè)試數(shù)據(jù)表明：在根系受拉后的初始階段，拉力變形線為直線，外皮破裂后，拉力變形線為曲線，其變形屬于非線性變形；玉米根系的抗拉強(qiáng)度不僅與品種有關(guān)，還與根的直徑的大小有關(guān)；不同品種的抗拉強(qiáng)度不同；同一品種，直徑越大，抗拉強(qiáng)度越小。這一研究為玉米育種和玉米根茬破碎機(jī)械設(shè)計(jì)提供了理論的支持。

3水稻莖稈機(jī)械特性

水稻莖稈的機(jī)械特性一直是眾多學(xué)者的研究對(duì)象。目前，國(guó)內(nèi)外是許多專家對(duì)水稻秸稈的機(jī)械特性進(jìn)行了深入的研究。

H．Tavakoli等[20]利用伊朗廣泛種植的兩個(gè)水稻品種的秸稈進(jìn)行了水稻秸稈力學(xué)的研究，并對(duì)兩個(gè)品種水稻力學(xué)特性進(jìn)行了分析對(duì)比。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)品種的水稻在力學(xué)特性上有顯著差異；同一品種水稻，其剪切強(qiáng)度和彈性模量都隨著取樣高度的增加而減小。這一研究成果對(duì)水稻的收獲、脫粒和加工機(jī)械的設(shè)計(jì)提供了理論參考。

姜元華等[21]以雜交秈粳稻為研究對(duì)象，選用雜交粳稻、常規(guī)粳稻和雜交秈稻為對(duì)比參照對(duì)象在機(jī)插條件下進(jìn)行了不同品種水稻莖稈的力學(xué)特性對(duì)比實(shí)驗(yàn)；運(yùn)用質(zhì)構(gòu)特性分析方法測(cè)定了莖稈的載荷-時(shí)間，穿刺-時(shí)間特征。根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了4種類型水稻品種的抗倒性差異，抗倒伏性：秈粳雜交稻﹥雜交粳稻﹥常規(guī)粳稻﹥雜交秈稻。同時(shí)，從理化角度對(duì)其差異的形成機(jī)理進(jìn)行了初步的探索，明確了機(jī)插條件下秈粳雜交稻具有較強(qiáng)的抗倒性能。研究結(jié)果為機(jī)械化抗倒栽培提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

向波等[22]從力學(xué)角度出發(fā)，選取5個(gè)田間表現(xiàn)抗倒性較強(qiáng)的品種，測(cè)量了早晚稻稈節(jié)間的彈性模量和拉伸強(qiáng)度極限，以及不同時(shí)期干物質(zhì)量，并做了顯著性測(cè)驗(yàn)和多重比較，同時(shí)做了相關(guān)性狀的相關(guān)分析。結(jié)果表明：不同品種莖稈同一節(jié)間的彈性模量和拉伸極限強(qiáng)度存在差異，差異顯著性受品種的遺傳特性、節(jié)間位置和發(fā)育時(shí)期影響；節(jié)間橫實(shí)截面積、節(jié)間莖粗、節(jié)間莖壁厚與節(jié)間拉伸強(qiáng)度極限、彈性模量存在負(fù)相關(guān)。這一研究對(duì)提高水稻莖稈力學(xué)性質(zhì)有重要的意義。

段傳人等[23]從材料力學(xué)方面入手，通過(guò)比較高、中、矮和雜交典型水稻品種莖稈的細(xì)觀機(jī)構(gòu)，測(cè)定了水稻莖稈的拉伸強(qiáng)度極限和彈性模量，分析其細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的關(guān)系，認(rèn)為水稻莖稈是典型的生物復(fù)合材料，有著優(yōu)良的力學(xué)性能，能起到支撐和抗倒伏的作用。研究結(jié)果表明：中稈類型水稻莖稈的結(jié)構(gòu)更為合理，拉伸強(qiáng)度極限和彈性模量最大；其大、小維管束目最多，莖粗、莖壁厚中等，抗倒伏能力最強(qiáng)。研究結(jié)果為高產(chǎn)抗倒伏水稻品種的育種提供了參考。

袁志華等[24]利用力學(xué)理論和方法，建立了水稻莖稈的力學(xué)模型，根據(jù)建立的模型，分析了典型風(fēng)載荷對(duì)水稻莖稈的影響。綜合風(fēng)、雨、土壤、莖稈性狀等各種因素，給出了水稻莖稈抗倒伏的各種性質(zhì)參數(shù)的關(guān)系式(抗倒伏力矩M*，風(fēng)和莖稈自重產(chǎn)生的力矩M)，此關(guān)系式可對(duì)水稻莖稈的抗倒伏能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)，為水稻作物的田間管理提供理論依據(jù)。

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其中，m為稻穗的質(zhì)量；m*為莖稈單位長(zhǎng)度質(zhì)量；L為稻穗長(zhǎng)度；L1為水稻莖稈土上部分長(zhǎng)度；μ為土壤的摩擦因數(shù)；γ為土壤容重；h為莖稈在土中的深度，θ為根須與莖稈根部的夾角；α為根須長(zhǎng)；P0為風(fēng)力載荷；E為莖稈彈性模量；I為截面慣性矩。

楊惠杰等[25]從生物力學(xué)和分子角度研究了水稻莖稈性狀與抗倒性的關(guān)系，以16個(gè)超高產(chǎn)水稻品種為對(duì)象進(jìn)行了正交試驗(yàn)，并給出彎曲力矩和倒伏指數(shù)計(jì)算公式：彎曲力矩=節(jié)間基部至穗頂長(zhǎng)度(cm)×該節(jié)間基部至穗頂鮮重(g),倒伏指數(shù)=彎曲力矩÷抗折力×100%。試驗(yàn)結(jié)果表明：莖稈較粗可孕育較大穗子；莖稈貯藏物質(zhì)對(duì)籽粒發(fā)育有積極作用；莖稈的抗折力與莖稈貯藏的干物質(zhì)量和稈壁厚度呈顯著相關(guān)；倒伏指數(shù)與株高、彎曲力矩呈顯著正相關(guān)，與稈壁厚度和抗折力呈負(fù)相關(guān)。

4棉花莖稈機(jī)械特性

棉花莖稈機(jī)械特性研究可為解決我國(guó)目前使用的棉稈收獲機(jī)械存在收獲效率較低，漏拔率和拔斷率較高，不能實(shí)現(xiàn)收獲、集堆和捆扎聯(lián)合作業(yè)等問(wèn)題提供理論支撐。

沈茂等[26]依據(jù)生物力學(xué)理論，利用RGM-3005微機(jī)控制全數(shù)字化電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)收獲期含水率為25%的棉稈底部不同段位莖稈進(jìn)行了拉伸、壓縮和彎曲試驗(yàn)，測(cè)得最大抗拉強(qiáng)度為59MPa，最大抗壓強(qiáng)度為18MPa，最大抗彎強(qiáng)度為50MPa。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所得到的拉伸載荷-位移曲線、壓縮載荷-位移曲線和彎曲載荷-位移曲線及其變化規(guī)律可以為棉稈收獲機(jī)械的起拔方式和起拔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

王艷云等[27]選用不同節(jié)間、不同含水率為影響棉稈軸向彈性模量和抗壓強(qiáng)度的主要因素，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)棉稈進(jìn)行了軸向壓縮實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：棉稈在相同加載速率、不同節(jié)間、不同含水率條件下，其軸向彈性模量與抗壓強(qiáng)度不同；棉稈的節(jié)間位置、含水率對(duì)彈性模量和抗壓強(qiáng)度的影響顯著；干棉稈的彈性模量與軸向抗壓強(qiáng)度明顯高于濕棉稈，而彈性模量與軸向抗壓強(qiáng)度受節(jié)間影響。

李怡等[28]探討了土壤、棉稈直徑、起拔角度等因素對(duì)棉稈起拔阻力的影響，基于虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套棉稈田間起拔力實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，并以土壤含水率、棉稈根部直徑、起拔角度、起拔線速度為影響因素，進(jìn)行了棉稈起拔阻力測(cè)量單因素實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：土壤含水率對(duì)棉稈起拔力存在顯著影響，棉稈起拔力隨棉稈根部直徑增大而增大。對(duì)起拔角度和起拔線速度的回歸分析表明：起拔角度對(duì)棉稈起拔力存在顯著影響，起拔線速度對(duì)棉稈起拔力的影響受土壤條件差異影響；在土壤含水率較低時(shí)，起拔線速度對(duì)起拔力影響顯著。采集的數(shù)據(jù)可為棉稈收獲機(jī)械提供參考，合理選擇棉稈收獲機(jī)械起拔角度，有利于減少動(dòng)力消耗、提高生產(chǎn)效率。

沈曉陽(yáng)等[29]根據(jù)制漿造紙雙螺旋磨漿機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)棉稈莖稈進(jìn)行了順紋壓縮、橫紋壓縮和橫紋剪切實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得棉稈莖稈應(yīng)力-應(yīng)變的有關(guān)規(guī)律(見(jiàn)圖 7)和強(qiáng)度極限。

棉稈順紋壓縮在彈性階段應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，平均強(qiáng)度極限為21.26MPa，彈性模量為2 082.65MPa；橫紋壓縮的強(qiáng)度極限僅為順紋壓縮的12.70%，兩者的比例與木材接近；橫壓彈性模量為124.0MPa；棉稈橫紋剪切的強(qiáng)度極限約為順紋壓縮的76.55%。此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可為棉稈收獲機(jī)械提供參考。

圖7　棉稈莖稈順紋壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

5油菜機(jī)械特性

5.1油菜莖稈機(jī)械特性

目前，實(shí)現(xiàn)油菜生產(chǎn)機(jī)械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于機(jī)械化播種和收割。切割是油菜收割的主要工序，油菜植株下部莖稈粗壯且堅(jiān)韌，不易割斷，切割過(guò)程中，切割器對(duì)油菜莖稈沖擊作用引起莖稈振動(dòng)導(dǎo)致角果炸裂損失嚴(yán)重，因而油菜收割機(jī)的割臺(tái)損失在總損失中占很大比例[30]。為此研究油菜莖稈的機(jī)械特性，具有重要意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)油菜莖稈機(jī)械特性的研究較多。

吳明亮等[31]以莖稈力學(xué)特性參數(shù)和切割力的主要影響因素為研究對(duì)象，選擇切割方式、莖稈切割位置、切割速度和切割刀片形式為主要影響因素在自制切割試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了單因素和多因素，切割力測(cè)試試驗(yàn)。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明；切割方式以滑切最為省力；切割速度和切割位置對(duì)切割力影響最大，切割速度越大，切割位置離地面越高，切割力越??；鋸齒形刀的切割力比光刀的切割力要小。多因素試驗(yàn)結(jié)果表明：切割位置離地400mm、切割速度為200mm/s，采用鋸齒形刀滑切的方式，切割力最小。研究結(jié)果為設(shè)計(jì)工作效率高、性能可靠的切割結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

羅海峰等[32]為了提高油菜分廂收獲的適應(yīng)性，從油菜莖稈物料特性出發(fā)，研究油菜在分廂收獲過(guò)程中受到側(cè)向擠壓是所表現(xiàn)出的抗擠壓物理特性。為了獲取合理的擠壓位置、擠壓角度和擠壓力大小等工作參數(shù)，選取偏移量和擠壓力大小為測(cè)試指標(biāo)，對(duì)油菜莖稈直徑大小、擠壓部位離地高度、擠壓偏角及油菜成熟度等進(jìn)行了單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：莖稈直徑、擠壓部位離地高度、擠壓偏角、成熟度等對(duì)擠壓力和偏移量影響顯著。以回彈比和單位擠壓力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)擠壓部位離地高度、擠壓偏角、油菜成熟度等進(jìn)行正交試驗(yàn)。結(jié)果表明：擠壓偏角為30°、離地高度為600mm， 中等成熟階段的莖稈擠壓效果好， 回彈比小于20%，單位擠壓力低于0.25N/mm。研究為油菜分廂成行作業(yè)機(jī)械提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

劉兆朋等[33]采用經(jīng)典力學(xué)測(cè)試方法，以“湘雜油743”成熟期莖稈為試驗(yàn)材料，分別測(cè)定了其彈性模量、剪切彈性模量及剪切力。實(shí)驗(yàn)測(cè)得：成熟期油菜莖稈彈性模量為160MPa，剪切彈性模量為11kPa，第1分支處的最大剪切力為115N。同時(shí)，得到了彈性模量、剪切彈性模量和剪切力隨含水率變化的趨勢(shì)(見(jiàn)圖8～圖10)，最大剪切力隨含水率的減小，先增大后減小，最后穩(wěn)定在115N左右；彈性模量和剪切彈性模量隨莖稈含水率的減小而增大。研究為設(shè)計(jì)高效、低耗油菜聯(lián)合收割機(jī)切割裝置提供理論依據(jù)。

圖8　最大切割力隨含水率變化曲線

圖9　彈性模量隨含水率變化曲線

圖10　剪切彈性模量隨含水率變化曲線

田保明等[34]從力學(xué)角度研究了油菜莖稈的抗倒伏性，建立了油菜植株的力學(xué)模型(見(jiàn)圖11、圖12)，給出了油菜莖稈抗倒伏的參數(shù)關(guān)系式，如式(7)和式(8)所示，并對(duì)油菜的抗倒伏能力進(jìn)行了綜合分析和評(píng)價(jià)。分析表明：對(duì)于同一油菜品種，油菜莖稈系數(shù)小、彈性模量大，且抗倒伏能力強(qiáng)。則有

(7)

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5.2油菜角果抗裂角性

油菜收獲時(shí)的裂果現(xiàn)象容易給生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。所以，油菜角果的抗裂角力研究對(duì)多選育耐裂品種，增強(qiáng)油菜品種的抗落粒性，提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

文雁成等[35]利用隨機(jī)碰撞測(cè)試方法，對(duì)甘藍(lán)型油菜品種進(jìn)行了抗裂角指數(shù)測(cè)定。結(jié)果表明：油菜角果抗裂角性主要由品種的遺傳特性決定，但受環(huán)境條件影響；分析顯示，抗裂角指數(shù)與角果密度呈顯著負(fù)相關(guān)，與角皮厚度、角果長(zhǎng)度、角果寬度、角粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，但系數(shù)較小。研究為油菜的育種提供了理論參考。

圖 11　油菜莖稈簡(jiǎn)化模型

圖12　油菜倒伏的臨界平衡狀態(tài)

朱俊奇[36]通過(guò)懸空壓裂油菜角果的方法在WDW-300型萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)不同品種的油菜角果進(jìn)行了抗裂角性的試驗(yàn)，測(cè)得28個(gè)油菜品種的角果抗裂角力范圍為0.898～3.035N。同時(shí)，分析了油菜品種、角果大小、角果含水率等因素對(duì)油菜角果抗裂角力的影響：油菜品種、角果尺寸、成熟度、含水率均對(duì)角果抗裂角力產(chǎn)生影響，角果尺寸大時(shí)其抗裂角力大，成熟度越高含水率越低的油菜角果，其抗裂角力較小，越容易破裂。

譚小力等[37]采用拉裂法定量測(cè)定了油菜角果的開(kāi)裂力。結(jié)果表明：甘藍(lán)型油菜角果的開(kāi)裂力在0.77～3.7N之間，裂角性存在很大的遺傳變異。研究結(jié)果證實(shí)了在甘藍(lán)型油菜中選育適宜于機(jī)械化收獲的耐裂角油菜品種是可行的。

6結(jié)語(yǔ)

農(nóng)作物物料機(jī)械特性研究對(duì)新農(nóng)藝的推廣、農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備開(kāi)發(fā)與研究，以及推動(dòng)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化具有重要意義。

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者從生物力學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué)和微觀組織學(xué)等方面對(duì)小麥、玉米、水稻、油菜和棉花的根系和莖稈的機(jī)械性能的研究，目前的研究多是從單一理論方面進(jìn)行研究，鮮有把多種理論和方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行的研究。

未來(lái)對(duì)農(nóng)作機(jī)械特性的研究應(yīng)把生物力學(xué)、組織結(jié)構(gòu)學(xué)、宏觀力學(xué)、材料學(xué)及微觀力學(xué)結(jié)合起來(lái)，運(yùn)用系統(tǒng)研究理論和先進(jìn)儀器技術(shù)(如高速攝影成像技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù))對(duì)農(nóng)作物機(jī)械特性進(jìn)行研究。

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Abstract ID:1003-188X(2016)07-0001-EA

Review of the Research on Typical Agricultural Crops’Mechanical Properties

Wang Dongyang1， Jin Xin1， Ji Jiangtao，Yang Chuanhua2， Wang Shiguang3

(1.College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2.College of Mechanical Engineering， Jiamusi University， Jiamusi 154003,China;3.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract：Mechanical properties of agricultural crops can not only provide theoretical foundation for agricultural production, development of agricultural equipment, process inspection and control, but can determine direction of developing agricultural new technology to a certain degree.This paper makes our nation’s main food crops (rice, wheat, maize) and cash crops (oilseed rape, cotton) as the object, summarizes the progress of research on the key parts’ mechanical properties of the crop, and makes some prospection on the direction of the research on the crop’s mechanical properties.

Key words：agricultural crops； mechanical property； research progress； review

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0001-08

中圖分類號(hào)：S-1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：王東洋(1990-)，男，河南周口人，碩士研究生，(E-mail)hkd_wdy@163.com。通訊作者：姬江濤(1965-)，男，河南偃師人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)jjt0907@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA10A501)；河南省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目(132107000051)；河南科技大學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目(2015QN004)

收稿日期：2015-06- 06