玉米秸稈力學(xué)特性的研究

朱振偉+張開飛+李赫+張紅梅

摘要：研究玉米秸稈的性質(zhì)、組成結(jié)構(gòu)特性與力學(xué)特性之間的關(guān)系，可為農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及秸稈綜合利用提供理論依據(jù)?；谌f能材料試驗(yàn)機(jī)，對(duì)玉米秸稈的徑向壓縮特性和彎曲力學(xué)特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，相同加載速度下，玉米秸稈根部的壓縮最大載荷力和彎曲應(yīng)力均大于中部和上部；相同部位條件下，加載速度增大，壓縮載荷和彎曲載荷隨之增大。試驗(yàn)結(jié)果可為玉米的增產(chǎn)、增收及我國農(nóng)作物秸稈資源的進(jìn)一步綜合開發(fā)利用、新工藝設(shè)備的開發(fā)研制提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；壓縮試驗(yàn)；彎曲試驗(yàn)；力學(xué)特性

中圖分類號(hào)： S225.5+1；S226文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2017）12-0178-04

針對(duì)玉米秸稈的力學(xué)特性，很多學(xué)者展開了相應(yīng)的研究。何勛等對(duì)玉米秸稈皮的拉伸特性進(jìn)行了研究[1]。劉立意等通過對(duì)玉米秸稈的壓縮等物理特性進(jìn)行研究，從而為優(yōu)化相應(yīng)的機(jī)械提供了數(shù)據(jù)參考[2-4]。陳艷軍等為分析玉米的抗倒伏特性對(duì)玉米秸稈的力學(xué)特性作出了研究[5-9]。高夢(mèng)祥等通過對(duì)玉米秸稈的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)定，得出力學(xué)特性是其固有的特性[10]。于勇等針對(duì)玉米秸稈含水率對(duì)其力學(xué)性能的影響作出了研究[11]。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)不同取樣位置（以節(jié)間為劃分依據(jù)）和不同加載速度條件下的玉米秸稈進(jìn)行壓縮和彎曲試驗(yàn)，分別測(cè)定玉米秸稈在有節(jié)間情況下的抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗彎強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)和指標(biāo)，并分析各個(gè)因素對(duì)力學(xué)指標(biāo)的影響及力學(xué)指標(biāo)隨影響因素變化而變化的規(guī)律，為玉米的優(yōu)選育種、抗倒伏評(píng)價(jià)和相關(guān)收獲加工機(jī)械的設(shè)計(jì)提供參考和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本研究利用萬能材料試驗(yàn)機(jī)以及相關(guān)儀器設(shè)備，對(duì)玉米秸稈的外皮進(jìn)行了壓縮、彎曲特性試驗(yàn)，并對(duì)玉米秸稈特性間的關(guān)系和對(duì)應(yīng)影響因素的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試樣采集生長(zhǎng)良好、無病蟲害侵蝕、且植株沒有明顯破損或彎折的玉米植株。將采集的玉米秸稈樣本去除玉米穗和葉鞘，在通風(fēng)條件下自然存放一段時(shí)間后，進(jìn)行玉米秸稈的壓縮和彎曲試驗(yàn)。

1.2試驗(yàn)方法

壓縮試驗(yàn)前，選取直徑為20～35 mm、長(zhǎng)度為111～162 mm 的供試樣品。試樣分成3段：底部（根部）、中部、上部（頂部）。玉米秸稈的壓縮試驗(yàn)考慮的因素是供試樣品選取的部位和加載速度，故根部長(zhǎng)54.07 mm、中部長(zhǎng) 50.90 mm、上部長(zhǎng)37.22 mm。壓縮供試樣品如圖1所示。

彎曲供試樣品如圖2所示，把根部編號(hào)為1，中部編號(hào)為2，頂部編號(hào)為3。樣品的長(zhǎng)度值范圍為90～160 mm，直徑為8～18 mm。

1.3試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)儀器采用RGT-10型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，該儀器可對(duì)非金屬材料進(jìn)行高精度、多用途的力學(xué)性能測(cè)試。在相應(yīng)的夾具夾持下，能準(zhǔn)確測(cè)定各種材料的拉伸、壓縮、彎曲、剪切等狀態(tài)下力學(xué)特性的物理性能數(shù)據(jù)，并有微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析處理。將供試樣品裝在2個(gè)夾具上夾緊，驅(qū)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)2個(gè)夾具做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過固定在橫梁上的“S”形測(cè)力傳感器和位移傳感器收集試驗(yàn)過程中的載荷和位移變化值，從而計(jì)算出試樣的拉伸、壓縮、剪切、彎曲等性能指標(biāo)。

其他儀器或工具：壓縮試驗(yàn)裝置夾具、彎曲試驗(yàn)裝置夾具、量程為0～150 mm的電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺、剪刀、標(biāo)簽、保鮮袋、工具刀、記號(hào)筆、膠布等。

2玉米秸稈的壓縮、彎曲試驗(yàn)

2.1壓縮試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)方法壓縮試驗(yàn)需要用到特定的夾具（加載平板壓頭），壓縮試驗(yàn)夾持方法如圖3所示。壓縮試驗(yàn)前，將試樣放于2個(gè)金屬平板壓盤之間，確保試樣位于平板壓盤的中心位置。試驗(yàn)時(shí)輸入試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)、試驗(yàn)類型的選擇及試驗(yàn)參數(shù)，位移量為6 mm。徑向壓縮時(shí)，因?yàn)檩d荷并沒有明顯的減小趨勢(shì)，故將壓縮高度比定為50%，即壓縮時(shí)上壓盤的位移為試樣直徑的50%。試驗(yàn)中，對(duì)玉米秸稈的取樣部位作了2個(gè)單因素壓縮特性試驗(yàn)，以便觀察取樣部分與加載速度對(duì)玉米秸稈壓縮性能的影響。

2.1.2相同加載速度下不同部位力學(xué)特性為研究在一定的加載速度下對(duì)玉米秸稈不同部位力學(xué)特性的影響，本研究

取玉米秸稈上、中、下3部分為對(duì)象，在加載速度為 30 mm/min 的情況下對(duì)玉米秸稈不同部位的（徑向）壓縮情況進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)部位3次重復(fù)。經(jīng)過試驗(yàn)獲得玉米秸稈不同部位在同一加載速度下的壓縮特性指標(biāo)（最大載荷、抗壓強(qiáng)度、彈性模量）。玉米秸稈不同部位詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

2.2彎曲試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)方法彎曲試驗(yàn)選擇的方法是3點(diǎn)彎曲法，如圖4所示。在彎曲試驗(yàn)過程中，跨度是個(gè)可變且重要的因素。對(duì)秸稈供試樣品跨度的選取若太大，彎曲力會(huì)很小，這樣就會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果精度降低；若太小，秸稈在大變形后剪應(yīng)力就成為破壞的主要形式，這與彎曲試驗(yàn)的初衷相違背。所以選取了一個(gè)可調(diào)的彎曲工作裝置，以保證彎曲破壞結(jié)果的精度。試驗(yàn)時(shí)，將彎曲裝置下的底座與試驗(yàn)機(jī)底座工作臺(tái)中心對(duì)齊，以確保彎曲過程中試件一直受垂直壓力。在萬能材料物理

試驗(yàn)機(jī)上安裝彎曲壓頭，根據(jù)秸稈直徑設(shè)定試驗(yàn)類型的選擇及試驗(yàn)參數(shù)：彎曲撓度為1.5倍，彎曲位移為30 mm，跨度即標(biāo)距為50 mm。玉米秸稈彎曲試驗(yàn)考慮的因素有加載速度和選取部位，故對(duì)取樣部位做了2次單因素彎曲試驗(yàn)，以觀察取樣部位與加載速度對(duì)彎曲情況的影響。

2.2.2相同速度下不同部位力學(xué)特性為研究玉米秸稈在一定的加載速度情況下對(duì)其不同部位力學(xué)特性的影響，取根部、中部、上部秸稈3部分為研究對(duì)象，在加載速度為 50 mm/min 的情況下，對(duì)玉米秸稈不同部位試驗(yàn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，以獲得不同部位的玉米秸稈在同一加載速度下的最大載荷和抗彎強(qiáng)度。玉米秸稈不同部位詳細(xì)參數(shù)如表3所示。

2.2.3相同部位下不同加載速度力學(xué)特性取玉米秸稈根部為研究對(duì)象，在加載速度分別為30、50、70 mm/min的情況下，測(cè)定玉米秸稈不同部位試樣彎曲的最大載荷、抗彎強(qiáng)度和彈性模量等情況，從而獲得根部玉米秸稈在不同加載速度下的彎曲特性指標(biāo)。玉米秸稈根部數(shù)據(jù)參數(shù)如表4所示。endprint

3.1壓縮試驗(yàn)

由圖5可知，開始時(shí)隨著位移的增加，壓縮載荷斜率較大且近似于呈線性增加。通過分析試驗(yàn)過程可知，試驗(yàn)開始時(shí)隨著上壓頭不斷向下運(yùn)動(dòng)，秸稈的壓縮位移增加，秸稈被壓縮，因此壓縮載荷不斷增加，當(dāng)壓縮位移到達(dá)6 mm時(shí)，試驗(yàn)停止。玉米秸稈的直徑隨著高度的變大而有所減小，故其承受載荷的能力有所減小?？傊?，根部所用的最大壓縮載荷力最大，中部次之，上部最小。

由圖6可知，玉米秸稈不同部位在加載速度一定（30 mm/min）的情況下，最大載荷力隨著取樣高度的增大而減小，表現(xiàn)為根部>中部>上部。這是由于水分使得玉米秸稈中的纖維素等大分子組織塑性提高，所需的壓縮力相對(duì)減小。結(jié)合圖5、圖6可知，越接近根部，最大壓縮力的值越大。這充分說明了不同部位的玉米秸稈的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)存在不同，且對(duì)壓縮力有明顯的影響。因此，在研究秸稈機(jī)械特性時(shí)，玉米秸稈的取樣部位是重要的研究指標(biāo)。

由圖7可知，位移在0～3 mm之間屬于玉米秸稈的壓縮彈性變形階段，根據(jù)應(yīng)力σ=F/A，應(yīng)變?chǔ)?ΔL/L，此圖可以理解為應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，其中σ為應(yīng)力，F(xiàn)為橫截面受力大小，A為橫截面積，ε為應(yīng)變，L為試樣長(zhǎng)度，ΔL為斷裂伸長(zhǎng)長(zhǎng)度。在彈性階段，應(yīng)力σ與應(yīng)變?chǔ)懦烧龋?Eε；彈性模量E=σ/ε，而σ/ε為斜率。故在相同的取樣部位（根部）下，不同的加載速度下最大壓縮力值存在較大差異，在壓縮比為50%時(shí)，加載速度越大（斜率越大），根部所用的壓縮載荷越大。即在研究秸稈機(jī)械特性時(shí)，所用的加載速度也是重要的指標(biāo)。壓縮后的試樣如圖8所示。

由圖8可知，徑向壓縮時(shí)，秸稈皮會(huì)發(fā)生劈裂，由于含水率較大，皮和芯的韌性較強(qiáng)，所以載荷并沒有出現(xiàn)明顯的波折[12]。

通過2次單因素壓縮試驗(yàn)，分別選取玉米秸稈不同、相同的部位，對(duì)應(yīng)的加載速度分別為30、30、50、70 mm/min。通過

數(shù)據(jù)處理得到玉米秸稈的力學(xué)性能指標(biāo)最大壓縮力、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等。最后通過數(shù)據(jù)分析，得出力學(xué)指標(biāo)隨選取部位、加載速度的變化規(guī)律，并得到其對(duì)玉米秸稈力學(xué)指標(biāo)影響的顯著性。

徑向壓縮試驗(yàn)的初始階段，載荷隨著位移的增大而緩慢增大，載荷位移曲線基本呈線性；當(dāng)試樣被壓縮到一定程度后，試樣基本壓實(shí)，載荷增大，直到達(dá)到設(shè)定的壓縮高度比，試驗(yàn)停止?？梢钥闯?，徑向壓縮時(shí)，載荷位移曲線幾乎沒有出現(xiàn)波折。

在相同的加載速度下，玉米秸稈根部所用的最大壓縮力最大，中部次之，上部最小。在相同的取樣部位（根部）下，加載速度增大，玉米秸稈根部的壓縮載荷隨之增大。

通過數(shù)據(jù)分析可知，最大壓縮范圍是97.5～243.5 N，平均值為145.89 N；抗壓強(qiáng)度范圍是0.38～11.80 MPa，平均值為770 MPa；屈服強(qiáng)度范圍是0～11.80 MPa，平均值為 6.97 MPa；彈性模量范圍是0.76～4.62 MPa，平均值為307 MPa。

3.2彎曲試驗(yàn)

由圖9可知，玉米秸稈不同部位在加載速度一定（30 mm/min）的情況下，最大載荷力隨著秸稈選取部位的升高而下降。這是由于水分的存在使得玉米秸稈中纖維素等大分子組織塑性提高，所需彎曲力相對(duì)減小。開始時(shí)隨著位移的增加，彎曲載荷斜率較大且近似于呈線性增加，達(dá)到峰值后隨著位移的繼續(xù)增加彎曲載荷緩慢下降。通過分析試驗(yàn)過程可知，試驗(yàn)開始時(shí)隨著上壓頭不斷向下運(yùn)動(dòng)，秸稈的彎曲位移增加，秸稈被壓縮，因此彎曲載荷不斷增加，當(dāng)彎曲位移在 4～8 mm時(shí)，載荷出現(xiàn)最大值，曲線的峰值即為在加載速度下秸稈的彎曲強(qiáng)度極限。當(dāng)達(dá)到秸稈彎曲強(qiáng)度極限后，兩端逐漸翹起，隨著彎曲位移的增加，彎曲載荷反而隨之減小。因?yàn)橛衩捉斩挼闹睆诫S著高度的變大而有所減小，故其承受載荷的能力有所減小。總之，玉米秸稈根部所用的最大彎曲載荷力最大，中部次之，上部最小。

由圖10可知，壓頭的加速度大時(shí)，秸稈的反力也大。彎曲位移在4～10 mm處，載荷出現(xiàn)最大值，曲線在位移約 10 mm 處有交匯（即反力近似相等）；曲線平滑上升為彈性變形階段；當(dāng)載荷達(dá)到最大值以后，秸稈內(nèi)部開始被破壞，可理解為塑性變形；力值曲線下降，樣品完全被破壞。在取樣部位相同的情況下，加載速度大，所用的彎曲載荷力也大。

彎曲后的供試樣品如圖11所示，試驗(yàn)后，會(huì)在供試樣品中段產(chǎn)生軸向的劈裂，且裂紋較大。

通過2次單因素壓縮試驗(yàn)，分別選取玉米秸稈不同、相同的部位，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)加載速度參數(shù)分別設(shè)定為30、30、50、70 mm/min。通過數(shù)據(jù)分析，得出力學(xué)指標(biāo)隨選取部位、加載速度變化而變化的規(guī)律，通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得到如下結(jié)論。

供試樣品彎曲過程中，載荷隨著位移的增大而增大，載荷位移曲線近似線性。當(dāng)達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，玉米秸稈發(fā)生屈服，載荷的大小發(fā)生一定的波折，最后，隨著位移的增加，載荷逐漸減小，試驗(yàn)結(jié)束。

在相同的加載速度下，玉米秸稈根部所用的最大彎曲載荷最大，中部次之，上部最小。在相同的取樣部位（根部）下，加載速度增大，玉米秸稈根部的彎曲載荷隨之增大。

通過數(shù)據(jù)分析可知，彎曲載荷的最大值為113.2 N；抗彎強(qiáng)度分別為4.60、4.05、5.14 N，最大抗彎強(qiáng)度為5.14 N；彈性模量分別為87.19、83.31、173.23 MPa，最大彈性模量為173.23 MPa。

4結(jié)論

利用萬能試驗(yàn)裝置以及相關(guān)儀器設(shè)備，對(duì)玉米秸稈的外皮進(jìn)行了壓縮、彎曲特性試驗(yàn)，并對(duì)玉米秸稈特性間的關(guān)系和對(duì)應(yīng)影響因素（取樣部位、試驗(yàn)加載速度等）的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行分析。結(jié)果表明，玉米秸稈在相同加載速度下根部的壓縮最大載荷力比中部和上部大。在玉米秸稈的相同部位，加載速度增大，壓縮載荷也隨之增大。玉米秸稈在相同加載速度下根部的彎曲應(yīng)力比中部和上部大。玉米秸稈在相同部位下，加載速度越大，彎曲載荷也越大。

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doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2017.12.048endprint