油菜莖稈切割試驗研究

伍文杰，吳崇友，江 濤

(農業(yè)部南京農業(yè)機械化研究所，南京 210014)

0 引言

油菜是我國主要的油料作物之一，種植區(qū)域廣泛，種植面積大[1]，2014年年種植面積達758.79萬hm2，年產量達1 477.22萬t，種植面積及產量均為世界第一。油菜收獲季節(jié)性強、勞動強度大、勞動效率低，特別是長江流域主產區(qū)，收獲季處于梅雨季節(jié)，而油菜籽容易變質霉爛，所以機械收獲顯得十分必要。然而，由于油菜自身的生物特性，植株高大，莖稈粗壯堅韌，分枝密布交叉，相互牽扯分禾困難，果莢容易開裂落粒，機械化收獲困難，收獲損失率也較高[2]。

油菜切割作業(yè)作為油菜收獲的第1步，也是重要的一步。切割過程中，割刀的振動會造成落粒損失，對于收獲總損失有重要的影響，切割部位的選擇也會影響切割能耗。因此，了解油菜莖稈力學特性對于有效控制收割過程中的振動落粒損失及切割部位選擇尤其重要[3]。國內學者研究了成熟期油菜莖稈彈性模量、剪切彈性模量和剪切力隨含水率的變化[4]，改進了油菜莖稈彈性模量測定方法[5]，測量了垂直加壓條件下油菜莖稈不同結構部位的力學特性[6]等。也有關于其他作物(如玉米、高粱、小麥、棉花、木薯、龍須草等[7-15])莖稈的力學特性方面的研究，但尚無通過油菜莖稈切割力研究改進切割系統(tǒng)的報道。本文通過剪切試驗的方法對油菜莖稈切割力進行分析，研究結果為油菜收割作業(yè)提供實際指導，利于選擇合適的莖稈切割位置，為切割系統(tǒng)動力學仿真、模型建立提供數據參考，為低耗低損、減振高效切割系統(tǒng)的優(yōu)化設計提供理論依據。

1 試驗材料、設備與方法

1.1 試驗材料

試驗所用油菜采自于青海省互助縣國家油菜產業(yè)技術體系互助綜合站試驗基地，所采樣本為青雜5號和青雜7號兩個油菜品種成熟收獲期莖稈；隨機選取生長良好、莖稈豎直、表面沒有明顯損傷和缺陷的完整植株，除去枝丫和莢果，分別在離地高度15cm和30cm處截取不同直徑的主莖稈，如圖1所示。

圖1 莖稈取樣示意圖

為防止水分流失，采用密封袋保存帶回實驗室，試驗樣本如圖2所示。剪切試驗結束后，立即測定含水率。經檢測，青雜5號樣本平均含水率為85.09%，青雜7號樣本平均含水率為76.28%。

圖2 試驗樣本

1.2 試驗設備

油菜莖稈剪切試驗主要在INSTRON3343型單立柱電子萬能材料試驗機(載荷容量1KN)上完成。其他儀器或工具：電熱恒溫鼓風干燥箱，精度為0.1g的電子天平，精度為0.02mm的游標卡尺，直尺，刀具等。

1.3 試驗方法

將取回莖稈樣本分組編號，同一株莖稈按高度不同從下往上依次為A、B段，用游標卡尺測其最大最小外徑取平均值作為直徑，根據測量結果將莖稈分組，分別以不同加載速度600、800、1 000mm/min施加載荷橫向切割莖稈獲得莖稈切斷時橫向剪切力最大值。剪切試驗采用單剪方式，將油菜收割機割刀夾持固定在萬能試驗機夾具上，割刀與自制底座割槽剪切面間隙控制在1mm以內。試驗裝置如圖3所示。

1. INSTRON試驗機 2.夾具 3.割刀 4.底座

油菜莖稈放置在底座上固定且莖稈與割刀保持垂直，選擇中點作為切割位置，以不同加載速度均勻施加載荷。材料試驗機配套的軟件自動完成數據采集得到載荷-位移曲線如圖4所示。

圖4 載荷-位移曲線

剪切試驗結束后，立即參照木材、糧食烘干方法[16-17]測定試樣含水率。將莖稈放入鼓風干燥箱，在105℃溫度下烘3h，然后在75℃溫度下烘5h，其后每隔1h測量試樣質量，直至前后兩次質量不發(fā)生變化為止，即認為試樣被完全烘干。按式(1)計算含水率，即

(1)

式中ω—莖稈含水率(%)；

m—烘干前試樣的質量(g)；

m1—烘干后試樣的質量(g)。

然后，利用數據處理軟件對結果數據進行分析。

2 試驗結果與分析

2.1 不同油菜品種剪切力

試驗測定不同品種不同高度油菜莖稈在加載速度為600mm/min下剪切力大小，兩個品種不同高度段A、B分別選取3個樣本進行試驗，結果如表1所示。

從表1數據可以看出：青雜5號與青雜7號油菜莖稈在相同部位相同加載速度下受到的剪切力有較大差異，同一部位最大相差165.28N。通過DPS數據處理系統(tǒng)[18]對不同品種油菜莖稈在相同加載速度下的剪切力進行方差分析，分析結果如表2所示。分析結果表明：在600mm/min加載速度下，青雜5號與青雜7號油菜莖稈的剪切力有極顯著差異(P<0.01)。這說明，油菜品種對于莖稈切割有顯著影響。

2.2 同株不同高度剪切力

從表1數據可以看出：同一品種、不同高度油菜莖稈在相同切割速度下所受剪切力有微小變化，上部所受剪切力基本小于底部所受剪切力；青雜5號在高度A所受平均剪切力為370.22N，在高度B所受平均剪切力為336.42N；青雜7號在高度A所受平均剪切力為210.70N，在高度B所受平均剪切力為171.14N。對其進行方差分析，分析結果如表3所示。結果表明：在600mm/min加載速度下，同一品種不同高度油菜莖稈剪切力沒有顯著差異(P>0.05)，即A、B高度對油菜莖稈切割影響不顯著。

表1 不同品種不同高度油菜莖稈剪切力

表2 不同品種油菜莖稈剪切力方差分析表

2.3 不同直徑剪切力變化

根據測量分組結果，選取不同直徑的油菜莖稈在600 mm/min加載速度下進行剪切力試驗，試驗分別進行3組，計算取其平均值，得到試驗結果如圖5所示。由圖5可知：青雜5號、青雜7號油菜莖稈所受剪切力均隨莖稈直徑的增大呈現(xiàn)增長趨勢。對其進行線性擬合分析，相關系數分別達到0.916 2和0.978 7，說明二者間線性關系顯著。其主要原因是：直徑較大的莖稈粗壯，纖維量密度分布大，外表層堅韌，機械強度大，切割需要更大的力。在此試驗過程中，尤其在青雜5號油菜莖稈樣本中，出現(xiàn)部分直徑增大、剪切力減小的情況，可能是由于剪切部位對切割影響雖不顯著，但仍然有一定差異，而不同直徑的莖稈可能來自于不同部位，因此存在較小差異。

圖5 不同直徑油菜莖稈剪切力變化

2.4 不同加載速度剪切力變化

選取直徑相近的油菜莖稈(青雜5號選取直徑(20±1)mm，青雜7號選取直徑(10±1)mm)分別在600、800、1 000mm/min不同加載速度下進行剪切力試驗，共3組。青雜5號油菜莖稈在不同加載速度下的平均剪切力為318.57、254.71、249.23N,青雜7號油菜莖稈在不同加載速度下的平均剪切力為192.13、182.70、177.21N，試驗結果如圖6所示。由圖6可知：油菜莖稈所受剪切力整體上隨著割刀加載速度的增加而減小，而青雜7號剪切力變化比青雜5號平緩，變化較小。其原因是：青雜7號莖稈較細，所需剪切力較5號小，相對變化不明顯；另外，二者含水率不同也可能是原因之一。

表3 不同高度油菜莖稈剪切力方差分析表

圖6 不同加載速度下剪切力變化

3 結論

1)通過DPS數據處理系統(tǒng)對不同品種油菜莖稈在相同加載速度下的剪切力進行方差分析，結果表明：在顯著水平α=0.05下，青雜5號與青雜7號油菜莖稈剪切力有極顯著差異，主要與其結構不同有關系，青雜5號莖稈相對粗壯。所以，在實際生產中，青雜7號相對青雜5號更適宜機械化收獲。

2)對同株、不同高度的試驗結果表明：同一品種、不同高度油菜莖稈在相同切割速度下所受剪切力有微小變化，上部所受剪切力小于底部所受剪切力。通過DPS數據處理系統(tǒng)對其進行方差分析表明：在顯著水平α=0.05下，同一品種不同高度油菜莖稈剪切力沒有顯著差異，即高度對油菜莖稈切割影響不顯著。

3)不同直徑油菜莖稈剪切力試驗結果表明：油菜莖稈所受剪切力隨莖稈直徑的增大而增大，二者線性關系顯著，油菜莖稈的直徑大小與剪切力大小呈正相關關系。分析其主要原因是：直徑較大的莖稈粗壯，纖維量密度分布大，外表層堅韌，機械強度大，切割力大。試驗過程中，出現(xiàn)直徑增大，剪切力減小現(xiàn)象可能是由于剪切部位的不顯著切割影響所致。

4)不同加載速度下油菜莖稈剪切力試驗結果表明：油菜莖稈所受剪切力整體上隨著割刀加載速度的增加而減小，而青雜7號剪切力變化比青雜5號平緩，變化較小。原因可能是：青雜7號莖稈較細，所需剪切力較小，相對變化不明顯。

5)油菜莖稈切割是一個復雜力學變化過程，不僅受其特殊生物體結構影響，還受環(huán)境等多因素影響。本研究采用力學試驗方式，雖測定了樣本含水率，但沒有對不同成熟收獲期不同含水率樣本進行對比分析，莖稈的含水率不同可能會對剪切特性有一定影響，有待進一步研究。

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