不同齡期檸條莖稈的拉剪強度試驗與分析

邱述金，崔清亮，武志明，李曉斌，郭玉明

(山西農業(yè)大學 工學院，山西 太谷 030801)

檸條灌木具有很好的生態(tài)環(huán)境效益和固沙沃土功能[1]，又是優(yōu)良的飼料與燃料轉化利用的生物質資源[2]，目前大面積種植于我國西部沙化地區(qū)及晉北黃土高原[3]，其產業(yè)化開發(fā)及機械化生產近年來被廣泛關注。針對檸條收獲作業(yè)的研究主要集中在作業(yè)機械的設計與研制方面，近年來中國農業(yè)機械化科學研究院、山西農業(yè)大學、山西省農業(yè)機械化科學研究院、內蒙古農業(yè)大學、寧夏大學等單位研究了切割部件的運動學、動力學特性，設計了切割部件、輸送部件、底盤、動力傳輸系統、控制系統等，研制了相關檸條機械化收獲作業(yè)裝備，制造了一批機具和換代產品，在生產中已經進行了示范和應用[4～15]。雖然對于檸條平茬收獲機的研究已經有較多成果，但是針對平茬過程中檸條莖稈的生物力學性質還十分匱乏，在檸條收獲機平茬作業(yè)時，檸條的生長年齡與平茬位置對作業(yè)后檸條復壯效果與檸條收獲機的功耗等都有重要影響。通過研究不同生長年齡與不同平茬位置下的檸條莖稈的生物力學性質，可為檸條聯合收獲機的設計與作業(yè)條件的選擇提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗設備

本試驗在山西農業(yè)大學生物力學實驗室完成，主要使用了以下設備：

CMT6104型微機控制電子萬能試驗機及配套拉伸、剪切夾具；

電子游標卡尺，精度0.02 mm；

MP2002型電子天平，精度0.01 g；

DHG—9 055 A型電熱恒溫鼓風干燥箱。

1.2 試驗材料

在山西省定襄縣檸條種植試驗區(qū)，選取3a期與4a期生長檸條的莖稈作為力學性能研究的材料，選取的檸條莖稈生態(tài)健康、無病害、無明顯損傷，均勻取樣。將切割后的檸條莖稈置于恒溫冷藏柜密封保存，以供試驗使用。挑選外觀無機械損傷、無病害、直徑分布均勻的檸條莖稈，去除附帶棘刺、小葉片，按標準制作拉伸試驗試件和剪切試驗試件。

檸條平茬作業(yè)時，收獲機切割部件與檸條莖稈產生作用力的部位為檸條莖稈根部距離地面為5～20 cm之間的平茬區(qū)域，在檸條莖稈拉伸試驗和剪切試驗中，選取平茬作業(yè)區(qū)域的檸條莖稈根部作為主要拉伸試驗對象，在此基礎上在選取一定數量的檸條莖稈中上部區(qū)域作對比研究。

在檸條莖稈拉伸預試驗過程中發(fā)現，由于檸條莖稈樣本抗拉強度相對較大，且樣本表面光滑；又由于檸條莖稈樣本抗壓性能差，在夾具夾持力過大時會徑向壓扁，從而導致樣本的組織結構在試驗前就已經破壞，萬能試驗機自帶夾具很難將標準莖稈試樣固定住。因此我們改良了更加易于夾持的檸條拉伸試件(圖1)。

檸條莖稈剪切試驗試樣采自山西省定襄縣檸條種植基地，采集處理后制成檸條莖稈剪切樣本，規(guī)格為直徑2.5 mm、長度20 mm的圓柱體。制作的拉伸剪切試件如圖2所示。

圖2 檸條莖稈拉伸與剪切試件Fig.2 Tensile and share specimens of Caragana stalk

測試完的試件立即裝入自封袋中，置于恒溫保存箱中保存，待拉伸、剪切試驗完成后統一進行試樣的含水率測試。

檸條莖稈樣本按照木材絕對含水率測量方法[16]進行，按照稱重法來測得檸條樣本的含水率，如公式(1)所示。

(1)

式中，ω為檸條樣本的含水率；m1為濕檸條樣本的重量；m2為絕干檸條樣本的重量。

在實際操作過程中，將拉伸、剪切試驗完的檸條試件，立即使用電子天平進行稱重，并記錄各重量值。然后置于電熱恒溫鼓風干燥箱中，在105 ℃下干燥10 h后，每隔0.5 h測量稱重，最后2次稱量之差小于0.02 g時，即可認為檸條樣本已經干燥，再根據公式(1)可算出每個檸條樣本的含水率。整個干燥稱重過程中操作過程熟練，動作迅速，以減小試驗誤差。測試結果表明，檸條莖稈的含水率約在30%～40%之間。

1.3 試驗方法

為尋找平茬位置、生長年齡對檸條莖稈的拉伸與剪切力學性質影響的規(guī)律，對平茬位置x1、生長年齡x2分別進行編碼，為考察各因子效應及互作效應，采用完全隨機區(qū)組設計，具體方案如表1所示。

表1檸條莖稈力學性能試驗的因素和水平

Table1 Levels and factors of Caragana stalk mechanical property

水平Level平茬位置Location生長年齡Age-1近根部31中上部4

其中，平茬位置的近根部區(qū)域為檸條莖稈地面上方50～200 mm區(qū)域，中上部區(qū)域為檸條莖稈地面上方500～1 000 mm區(qū)域(圖3)。

圖3 平茬位置水平示意圖Fig.3 Diagram of cutting position level

采用完全隨機區(qū)組設計方法[17]，對檸條莖稈拉伸試樣進行拉伸試驗，得到試驗結果如表2所示。

表2 檸條莖稈試樣拉伸斷裂強度的試驗結果Table 2 The test result of tensile breaking strength of Caragana stalk

采用完全隨機區(qū)組設計方法，對檸條莖稈剪切試樣進行剪切試驗，試驗結果如表3所示。

2 結果與分析

對獲得的拉伸試驗數據進行完全隨機區(qū)組設計試驗分析，檸條莖稈拉伸特性方差分析結果如表4所示。

表3 檸條莖稈樣本剪切試驗結果Fig.3 Shear test results of Caragana stalk sample

表4 檸條莖稈拉伸特性方差分析Table 4 ANOVA of Caragana stalk tensile property

檸條莖稈斷裂強度范圍檢驗分析結果如表5所示。

表5 拉伸斷裂強度多重比較Table 5 Duncan’s multiple range test of tensile stress

方差分析結果表明，平茬位置和生長年齡對檸條莖稈拉伸斷裂強度效應均極顯著，顯著性檢驗概率P值分別為0.0005和<0.0001，其中，生長年齡對檸條莖稈拉伸斷裂強度的影響高于平茬位置對其的影響，兩因子互作的拉伸斷裂強度效應不顯著。檸條近根部位置的拉伸斷裂強度高于中上部，4年生長期的拉伸斷裂強度高于3年生長期。影響檸條拉伸斷裂強度的主要因子是生長年齡，平茬位置次之。模型的決定系數達0.9692，具有較高的擬合精度。

對剪切試驗數據采用完全隨機區(qū)組設計試驗分析，得到檸條莖稈剪切特性方差分析結果(表6)。

表6 檸條莖稈剪切特性方差分析Table 6 ANOVA of Caragana stalk shear property

檸條莖稈剪切強度范圍檢驗分析結果如表7所示。

表7 剪切強度多重比較Table 7 Duncan’s multiple range test of shearing stress

3 討論與結論

本文通過檸條莖稈的拉伸與剪切試驗，研究了平茬位置與生長年限對檸條生物力學性質的影響規(guī)律。試驗測得檸條莖稈的抗拉強度均值為138 N·mm-2，檸條莖稈的抗剪強度均值為35 N·mm-2。檸條莖稈的拉伸斷裂強度與平茬位置和生長年齡都密切相關，且生長年齡對其試驗指標的影響大于平茬位置對其的影響。檸條莖稈的抗剪強度與生長年齡密切相關，而與檸條的平茬位置關系不大，因此在設計平茬作業(yè)機具時，需考慮平茬檸條的生長年齡。

(1)生長年齡的影響

檸條隨著年齡的生長，其莖稈的木質化程度逐年增加，導致其抗拉強度與抗剪強度隨之增大。因此，在檸條莖稈木質化程度較低的情況下，更適合平茬作業(yè)，同時多年生的檸條由于莖稈木質化過高，不僅平茬復壯效果較差，且其莖稈營養(yǎng)價值也所剩無幾。

(2)平茬位置的影響

試驗表明，檸條莖稈的拉伸斷裂強度隨平茬位置的上移而減小，檸條莖稈根部組織結構抗拉性能強于其中上部的組織結構。因此，在保證平茬復壯要求的前提下，檸條收獲機的切割鋸盤應選取檸條的較高部位進行切割平茬，可降低切割阻力與功耗。檸條莖稈的抗剪強度與平茬位置關系不大，檸條收獲機在平茬作業(yè)過程中考慮剪切強度影響時，只需確保檸條平茬位置滿足次年平茬復壯要求即可。

該結論與研制檸條聯合收獲機時圓盤鋸式切割部件進行響應面試驗的優(yōu)化結果相吻合[13，14]，從檸條聯合收獲機的關鍵部件設計與檸條莖稈材料本身的拉伸、剪切特性兩個角度獲取切割作業(yè)時的平茬參數，為檸條平茬收獲提供理論參考。