谷子莖稈葉鞘葉片及其結(jié)合部位的拉伸力學(xué)性能

李紅波，薛晉霞，王炳軒，張燕青，武新慧，李曉斌，崔清亮，楊作梅

谷子莖稈葉鞘葉片及其結(jié)合部位的拉伸力學(xué)性能

李紅波1，薛晉霞1，王炳軒1，張燕青1，武新慧1，李曉斌1，崔清亮1※，楊作梅2

（1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，太谷 030801；2. 太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024）

針對(duì)谷子機(jī)械收獲作業(yè)過(guò)程中存在的稈葉易纏繞問(wèn)題，該研究以晉谷21、張雜10為對(duì)象，分別對(duì)谷子不同節(jié)間的莖稈、葉鞘、葉片和葉環(huán)各部位進(jìn)行拉伸力學(xué)測(cè)試，并利用SAS統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)做分析，在此基礎(chǔ)上分析了相關(guān)力學(xué)參數(shù)沿莖稈節(jié)間的變化規(guī)律。2個(gè)谷子品種的莖稈在上下節(jié)間處的彈性模量、抗拉力和抗拉強(qiáng)度均差異顯著（<0.05）。由莖稈表皮拉伸測(cè)試測(cè)得晉谷21的莖稈彈性模量為4.15～6.64 GPa，抗拉強(qiáng)度為67.65～130.13 MPa，抗拉力為343.97～1 598.37 N；張雜10的莖稈彈性模量為4.54～7.98 GPa，抗拉強(qiáng)度為73.22～136.50 MPa，抗拉力為167.66～567.54 N。2個(gè)谷子品種在不同節(jié)間位置、不同部位（葉鞘、葉片及葉環(huán)）的抗拉力和抗拉強(qiáng)度差異均極顯著（<0.01）。晉谷21的中上部節(jié)間葉鞘、葉片及葉環(huán)平均抗拉強(qiáng)度分別為13.30、10.13和4.18 MPa，平均抗拉力分別為122.16、41.23和25.80 N。張雜10的中上部節(jié)間葉鞘、葉片及葉環(huán)平均抗拉強(qiáng)度分別為13.30、11.77和4.24 MPa，平均抗拉力分別為104.30、59.48和22.87 N。測(cè)試結(jié)果表明，谷子莖稈、葉鞘、葉片和葉環(huán)部位中抗拉強(qiáng)度最弱位置在鞘葉相連接的葉環(huán)位置處。谷子機(jī)械收獲時(shí)可選擇在莖稈中部以上、穗部第2節(jié)間以下各節(jié)間的葉環(huán)位置處進(jìn)行稈葉分離，施力大小20～25 N。研究結(jié)果可為谷子收獲裝置的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參數(shù)依據(jù)。

作物；收獲；試驗(yàn)；谷子；拉伸特性；強(qiáng)度；莖稈；葉鞘；葉片

0 引 言

谷子是中國(guó)北方地區(qū)廣泛種植的代表性雜糧作物，產(chǎn)區(qū)主要分布在北方各省的干旱、半干旱地區(qū)。近年來(lái)谷子產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好，生產(chǎn)面積穩(wěn)中有升，規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)得到了進(jìn)一步提高[1-2]，已成為許多地方發(fā)展綠色有機(jī)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的支柱產(chǎn)業(yè)。目前谷子生產(chǎn)存在收獲作業(yè)過(guò)程機(jī)械化水平不高、專用聯(lián)合收割機(jī)較少的問(wèn)題，嚴(yán)重制約著谷子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

谷子莖稈細(xì)長(zhǎng)，株高0.8～2.0 m。一方面谷子莖稈普遍具有韌性強(qiáng)、強(qiáng)度大的特點(diǎn)，沿莖稈長(zhǎng)度方向不容易拉斷；另一方面，灌漿后期穗部較重，莖稈中空易彎折倒伏，機(jī)械收獲作業(yè)時(shí)，莖稈在外力作用下易壓扁折彎，加之谷穗低垂、谷葉較長(zhǎng)且摩擦系數(shù)大，使穗、稈、葉以及莖稈相互纏繞難以分離，導(dǎo)致機(jī)械收獲作業(yè)中易形成割臺(tái)兩側(cè)絞穗、割臺(tái)掉穗和撥禾輪纏繞，攪龍和喂入裝置等部位纏繞堵塞現(xiàn)象，影響作業(yè)效率且谷物損失嚴(yán)重。忽略谷子強(qiáng)韌、高彈、稈細(xì)、穗重、易纏繞等特點(diǎn)，在原有水稻收割機(jī)或小麥?zhǔn)崭顧C(jī)基礎(chǔ)上對(duì)撥禾輪、割臺(tái)等部位進(jìn)行改造的裝備存在適用性不強(qiáng)、割臺(tái)易纏繞、損失率高、含雜率高、生產(chǎn)效率低等問(wèn)題[3-6]，因此亟需對(duì)谷子莖稈開展力學(xué)特性研究。

莖稈類植物生物力學(xué)特性測(cè)試方法一般有拉伸壓縮、彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)等[7-10]。Wright等[11]對(duì)小麥、大麥和玉米等莖稈作物開展了力學(xué)測(cè)試。梁莉等[12]測(cè)試研究了小麥、玉米、高粱、大豆、谷子等莖稈作物慣性矩、彈性模量、抗彎剛度、抗彎強(qiáng)度等生物力學(xué)指標(biāo)與抗倒性之間的關(guān)系。劉慶庭等[13-14]對(duì)植物莖稈力學(xué)理論和測(cè)試方法做了綜述報(bào)道。Leblicq等[15]以小麥和大麥為研究對(duì)象，對(duì)空心植物莖稈彎曲力學(xué)特性做了理論推導(dǎo)和力學(xué)測(cè)試，考慮了彎曲過(guò)程中空心莖稈局部橢圓化和屈曲對(duì)莖稈彎曲力學(xué)特性的影響。在農(nóng)業(yè)機(jī)械收獲作業(yè)過(guò)程中需對(duì)莖稈各組成部分相互間的連接力加以考慮，高夢(mèng)祥等[16]以玉米秸稈為研究對(duì)象，對(duì)莖葉連接力、葉鞘的抗拉特性以及莖稈、葉鞘的抗沖擊特性進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)相關(guān)力學(xué)參數(shù)與葉鞘所處部位、莖葉含水率密切相關(guān)。陳爭(zhēng)光等[17]對(duì)玉米秸稈表皮做了拉伸和剪切測(cè)試，分析了秸稈皮抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度與莖稈含水率以及取樣高度的關(guān)系。牟何偉等[18-22]則對(duì)甘蔗葉鞘破壞力學(xué)機(jī)理以及剝?nèi)~方式等做了大量試驗(yàn)研究。相關(guān)研究為開展谷子莖稈力學(xué)特性研究提供了方法參考。張燕青等[23]通過(guò)對(duì)谷子莖稈做剪切測(cè)試研究了谷子莖稈的剪切力學(xué)特性，考慮了莖稈切割部位、切割傾角、刀片斜角、切割速度等對(duì)莖稈切割力、切割功耗等參數(shù)的影響。張寧等[24-25]開展了谷子葉片與不同金屬薄板的摩擦特性和葉片拉伸力學(xué)特性研究。

由于組織結(jié)構(gòu)不同，谷子不同節(jié)間、同一節(jié)間不同部位包括莖稈、葉鞘和葉片的拉伸力學(xué)特性也存在很大差異，在設(shè)計(jì)谷子收獲機(jī)械時(shí)需要對(duì)谷子作物各節(jié)間、各部位的力學(xué)指標(biāo)加以考慮。本文選取收獲期的代表性谷子品種晉谷21和張雜10為研究對(duì)象，分別對(duì)莖稈不同節(jié)間的莖稈表皮機(jī)械組織、葉鞘、葉片和鞘葉結(jié)合部即葉環(huán)等做拉伸力學(xué)測(cè)試，測(cè)取并分析谷子莖稈不同位置處抗拉力、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，以期為機(jī)械化生產(chǎn)裝備的改進(jìn)與優(yōu)化提供參數(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)對(duì)象為河北、山西等地區(qū)廣泛種植的晉谷21和張雜10兩個(gè)谷子品種。選取成熟收獲期谷子節(jié)數(shù)及粗細(xì)相近且沒(méi)有蟲蛀或開裂的完整谷子莖稈（其中晉谷21節(jié)數(shù)16節(jié)、張雜10節(jié)數(shù)15節(jié)）制備試樣。將試樣從根部節(jié)間截取后，用保鮮袋包裹并帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)力學(xué)特性測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的高精度萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（INSTRON5544，USA）上進(jìn)行（圖1），采用拉伸測(cè)試方法分別對(duì)莖稈、葉鞘、葉片以及鞘葉結(jié)合部位開展力學(xué)測(cè)試。

“有著殖民地半殖民地人民最可寶貴的性格，即沒(méi)有絲毫的奴顏與媚骨”[1]698的魯迅是一個(gè)無(wú)可非議的愛國(guó)者。人們注意到的更多的，或許是他在文學(xué)所展現(xiàn)的“格式的特別和表現(xiàn)的深切”，然而這些還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，作為愛國(guó)者的魯迅，救國(guó)才是其思想發(fā)展的主流，魯迅的救國(guó)思想不斷發(fā)展變化，經(jīng)歷了從科技救國(guó)到文藝救國(guó)到革命救國(guó)的轉(zhuǎn)變。

1.立柱 2.測(cè)力傳感器 3.夾頭 4.控制面板 5.測(cè)試系統(tǒng)界面

1.3 試驗(yàn)方法

按作物品種分類，從試樣中隨機(jī)選取完整莖稈，按下列步驟分別取樣：

1）用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺測(cè)量谷子各節(jié)間、葉鞘、葉片長(zhǎng)度尺寸；

(4)深入配合施工現(xiàn)場(chǎng)。安排一位有經(jīng)驗(yàn)的配合施工技術(shù)人員作為項(xiàng)目導(dǎo)師，帶領(lǐng)其參加1個(gè)大型項(xiàng)目的站前、站后工程配合施工工作。在配合施工過(guò)程中解決現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際與設(shè)計(jì)理論有機(jī)結(jié)合，幫助深入理解設(shè)計(jì)工作。

由最大抗拉力計(jì)算抗拉強(qiáng)度：

3）從根部到穗部依次對(duì)去鞘莖稈進(jìn)行切割、排序并用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺測(cè)量莖稈長(zhǎng)短徑尺寸（莖稈近似橢圓形，沿垂直方向分別測(cè)量其長(zhǎng)短徑），保鮮袋保存。

2.3.1 抗拉力沿節(jié)間變化

5）對(duì)各節(jié)間葉鞘、葉片及葉環(huán)做拉伸力學(xué)測(cè)試：依次取出各節(jié)間帶葉葉鞘，按部位將其分割成葉鞘、葉環(huán)及葉片3部分，分別做拉伸測(cè)試。測(cè)試速度為10 mm/s。重復(fù)測(cè)量5次取平均值。

對(duì)2個(gè)谷子品種中上部節(jié)間不同部位處抗拉強(qiáng)度和抗拉力測(cè)試結(jié)果均表明，抗拉強(qiáng)度最薄弱位置在葉環(huán)位置處，即鞘葉相結(jié)合的部位。

張雜10不同節(jié)間位置、不同部位（葉鞘、葉片及葉環(huán)）的抗拉強(qiáng)度差異也極顯著（<0.01）。張雜10葉鞘抗拉強(qiáng)度沿節(jié)間自下向上整體呈遞增趨勢(shì)，中上部節(jié)間（8～15節(jié)）平均抗拉強(qiáng)度為13.30 MPa；葉片的抗拉強(qiáng)度自下向上（1～6節(jié)）迅速增大，第6節(jié)間增至最大（18.17 MPa），向上又逐漸減小，在第11～15節(jié)間較為接近（8.56 MPa），中上部節(jié)間平均抗拉強(qiáng)度為11.77 MPa；葉環(huán)抗拉強(qiáng)度自下向上逐漸增加，中上部節(jié)間平均4.24 MPa。可以看出：中上部節(jié)間（8～15節(jié)）處抗拉強(qiáng)度由大到小依次是葉鞘、葉片、葉環(huán)（葉鞘、葉片抗拉強(qiáng)度分別為葉環(huán)的3.1、2.8倍）。張雜10與晉谷21相同，葉環(huán)部位抗拉強(qiáng)度最弱。

2）用鋒利刀片從各莖節(jié)位置處沿環(huán)向割取并剝離帶葉葉鞘，實(shí)施葉鞘、莖稈分離；

中國(guó)特色社會(huì)主義進(jìn)入新時(shí)代，對(duì)服務(wù)“三農(nóng)”工作提出新要求。鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電所是國(guó)家電網(wǎng)公司服務(wù)鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、新時(shí)代“三農(nóng)”的前沿陣地。近幾年國(guó)家電網(wǎng)公司全面推進(jìn)“全能型”鄉(xiāng)鎮(zhèn)供電所建設(shè)并實(shí)現(xiàn)全覆蓋，農(nóng)村供電服務(wù)質(zhì)效得到充分提升。在建設(shè)過(guò)程中，我們公司積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，取得了一定成績(jī)，但仍存在著一些不容忽視的問(wèn)題，必須引起我們的重視。例如設(shè)計(jì)的合理性、完整性、統(tǒng)一性和精確性還存在很大問(wèn)題；工程組織方式落后，管理能力參差不齊，企業(yè)信息化水平較低；工藝水平和工程質(zhì)量完成度還有很大的改進(jìn)空間（見圖1）。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS 9.2對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用Duncan法進(jìn)行均值多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸測(cè)試結(jié)果分析

谷子莖稈、葉鞘、葉片及葉環(huán)各部位