成熟期大豆莖稈力學(xué)特性研究

閆以勛，趙淑紅，楊悅乾，田佰亮

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

為保證黑龍江省冬小麥順利越冬，必須在每年8月底～9月初進(jìn)行播種。因這一時(shí)節(jié)大豆、玉米等作物沒有成熟，而玉米莖稈高大，只能在大豆的壟間進(jìn)行冬小麥播種。為了能夠最大限度地降低對(duì)大豆莖稈的打擊，減少播種期間所造成大豆的倒伏以及所造成的損失，需要研制一種在大豆收獲前，壟溝兩側(cè)進(jìn)行播種的冬小麥免耕播種機(jī)。因此需要掌握成熟期大豆莖稈的力學(xué)特性。目前研究者都是從農(nóng)作物抗倒伏特性方向上去研究莖稈力學(xué)特性。李紅波等對(duì)冬小麥莖稈做了彎折試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)抗倒伏特性在不同生長期會(huì)發(fā)生變化[1－2]，袁志華通過理論分析了作物倒伏的臨界力[3]，劉慶庭從材料科學(xué)的觀點(diǎn)研究農(nóng)作物莖稈的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)[4]，梁莉?qū)ψ魑锷锪W(xué)性質(zhì)與形態(tài)特性的關(guān)系進(jìn)行了研究[5]，郭維俊研究了冬小麥莖稈微觀結(jié)構(gòu)[6]。目前還未見從設(shè)計(jì)免耕播種機(jī)角度對(duì)大豆莖稈進(jìn)行力學(xué)特性研究的報(bào)道。本文對(duì)大豆品種綏農(nóng)14成熟期莖稈的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)和研究。分別研究了慣性矩I、彈性模量E和抗彎剛度EI沿節(jié)間的變化以及莖稈的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試樣選自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地田種植的大豆品種綏農(nóng)14。要求沒有蟲害，平均株高為100 cm，含水率為73.16%，成熟一致，于大豆成熟期（2010年9月1日）采集試樣。從田間隨機(jī)選取株高及主莖均勻的大豆植株30～40株進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)天采集當(dāng)天試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)備

試驗(yàn)是在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室由濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠制造的微機(jī)控制電子式萬能試驗(yàn)機(jī)WDW－5上進(jìn)行，選用精度達(dá)0.5%的500 N傳感器。在實(shí)驗(yàn)室選取9株做剪切試驗(yàn)，分別對(duì)所選樣品進(jìn)行編號(hào)，各節(jié)間的編號(hào)是從底部依次向上取值，量取原始幾何參數(shù)，放入密封袋中保存。選取5株大豆莖稈進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試樣從莖稈底部第三節(jié)起依次向上取（底部第一節(jié)和第二節(jié)由于節(jié)間長度值太小沒有量取），取兩節(jié)為一個(gè)單元。由于大豆莖稈是不規(guī)則圓柱形，節(jié)間處直徑較大而中部較小，因此測(cè)量直徑時(shí)，應(yīng)分別測(cè)量每個(gè)單元的最大直徑和最小直徑，并求其平均值作為該單元的直徑（d）。

2 大豆莖稈剪切力學(xué)特性

在播種冬小麥時(shí)，正值大豆的成熟期，田間難免存在倒伏的大豆莖稈，為防止莖稈纏繞免耕播種機(jī)，造成機(jī)器的擁堵，必須設(shè)計(jì)合理的切割器。

不同位置的剪切力與時(shí)間的曲線如圖1所示，莖稈底部所需的剪切力遠(yuǎn)大于其它兩個(gè)部位，其原因是一方面大豆莖稈底部比較粗壯，直徑較大；另一方面莖稈底部開始出現(xiàn)了木質(zhì)化，莖稈的強(qiáng)度增大，在剪切過程中大豆莖稈突然斷裂。

圖1 不同位置的剪切力Fig.1 Shear force of different internode

從大豆莖稈的中部曲線可以看出，剪切力出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，第一個(gè)峰值說明刀片切入莖稈的位置已經(jīng)超過半徑，此時(shí)莖稈已破壞，因此這個(gè)剪切力就是破壞力；第二個(gè)峰值是由于在繼續(xù)切割過程中刀片、支撐架與莖稈之間產(chǎn)生了摩擦力所引起的。因此取第一個(gè)峰值Fmax來計(jì)算最大切應(yīng)力。

由材料力學(xué)公式：

式中，τ－切應(yīng)力，F(xiàn)s－剪切截面上的剪切力，F(xiàn)s=Fmax，A－剪切面的面積；

大豆莖稈不同節(jié)間的直徑見圖2，從表中可見，莖稈底部與中部的直徑并無明顯差別，但大豆莖稈底部與另外兩個(gè)部位的剪切力差別較大，因此由公式（1）計(jì)算出的不同節(jié)間的切應(yīng)力差別較大。切應(yīng)力與節(jié)間位置的關(guān)系如圖3所示，從圖中可見，切應(yīng)力在莖稈中部是顯著降低的。

圖2 大豆莖稈不同節(jié)間的直徑Fig.2 Soybean stem different internode diameter

圖3 切應(yīng)力與節(jié)間曲線Fig.3 Curve of shearing stress and internode

3 大豆莖稈彎曲力學(xué)特性

成熟期的大豆莖稈有一定的彈性和脆性。播種機(jī)在莖稈上經(jīng)過時(shí)，會(huì)使莖稈彎曲，如果莖稈彈性較好，會(huì)恢復(fù)原來狀態(tài)；如果莖稈較脆，會(huì)使莖稈折斷，影響大豆產(chǎn)量。因而必須合理設(shè)計(jì)播種機(jī)機(jī)架高度。如果機(jī)架過高，導(dǎo)致機(jī)器不穩(wěn)定；過低，則導(dǎo)致莖稈折斷。因此，需要研究大豆莖稈慣性矩、彈性模量和抗彎剛度。

3.1 測(cè)定原理

莖稈的彈性模量E用三點(diǎn)彎曲方法測(cè)定，測(cè)試如圖4所示。

圖4 三點(diǎn)彎曲Fig.4 Three-point bending

由公式（2）、（3）可知：

式中，F(xiàn)－加載的載荷，l－標(biāo)矩，即兩支點(diǎn)間距離，y－試件中點(diǎn)的彎曲撓度，I－截面對(duì)中性軸的慣性矩，d－莖稈直徑。

3.2 慣性矩I

由公式（3）求得慣性矩I。莖稈的慣性矩與節(jié)間的關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，大豆莖稈的慣性矩由底部向頂部逐漸遞減，在莖稈底部到中下部慣性矩緩慢變化，在中上部到頂部其慣性矩迅速降低。

圖5 不同節(jié)間的慣性矩Fig.5 Inertia moment of different internode

3.3 彈性模量E

在萬能試驗(yàn)機(jī)上做莖稈彎曲試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)通過應(yīng)力傳感器來采集數(shù)據(jù)，并繪出莖稈彎曲的實(shí)時(shí)載荷撓度曲線，通過觀察曲線，當(dāng)載荷迅速降低，即當(dāng)試樣發(fā)生明顯屈折后停止試驗(yàn)。

對(duì)載荷撓度曲線上的初始直線段通過線性擬合，并利用公式（4）求出大豆莖稈彈性模量E。

彈性模量E與節(jié)間位置關(guān)系曲線如圖6所示，大豆莖稈的彈性模量由底部向上呈現(xiàn)先減小后升高的趨勢(shì)。在莖稈中部彎曲力迅速降低，而此時(shí)莖稈的慣性矩并未明顯減少，因此，彈性模量逐漸降低；在莖稈頂部彎曲力、木質(zhì)化程度都很小，無太大變化，而此時(shí)莖稈的慣性矩明顯降低，因此，彈性模量逐漸升高。

圖6 彈性模量與節(jié)間關(guān)系曲線Fig.6 Curve of internode-elastic modulus curve

3.4 抗彎剛度EI

莖稈的抗彎剛度決定著大豆莖稈在機(jī)器播種時(shí)的抗彎曲能力。

抗彎剛度EI與節(jié)間的變化曲線（見圖7），大豆莖稈從底部至頂部抗彎剛度呈顯著下降趨勢(shì)。莖稈底部抗彎剛度最大，這與底部微觀組織木質(zhì)化嚴(yán)重，莖稈直徑較大是相一致的。隨著莖稈木質(zhì)化程度的減少，抗彎剛度在頂部最小，大約50 MPa。

圖7 抗彎剛度與節(jié)間曲線Fig.7 Curve of bending rigidity and internode

4 大豆莖稈的微觀結(jié)構(gòu)

大豆莖稈力學(xué)性質(zhì)主要由其微觀結(jié)構(gòu)決定的。試驗(yàn)是在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)微生物實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，電鏡型號(hào)為日立H－7650。厚壁機(jī)械組織縱切面的顯微結(jié)構(gòu)如圖8所示。由圖8可知，成熟期大豆莖稈厚壁細(xì)胞較多，且細(xì)胞壁具有不同程度的加厚現(xiàn)象；中間長條狀細(xì)胞為導(dǎo)管分子，其細(xì)胞壁出現(xiàn)了木質(zhì)化，具有一定的支撐作用。莖稈的機(jī)械組織和維管組織主要起承載作用。厚壁組織和維管束組織堅(jiān)硬而富有彈性，構(gòu)成大豆生長過程中重要的機(jī)械支撐部分，是大豆能抵抗剪切、彎曲等各種變形和破壞的內(nèi)在原因。機(jī)械組織纖維層越厚，維管數(shù)量越多，莖稈的強(qiáng)度和剛度越好。因此，大豆莖稈的強(qiáng)度隨機(jī)械組織和維管束數(shù)量的增加而提高。

圖8 大豆莖稈縱切面Fig.8 Longitudinal section of soybean stem

5 結(jié) 論

a.大豆莖稈底部比中部和頂部所需的剪切力較大。

b.在莖稈底部到中下部慣性矩緩慢變化，在中上部到頂部其慣性矩迅速降低。彈性模量E由底部向上呈現(xiàn)先減小后升高的趨勢(shì)，在中部節(jié)間下降到最低，但莖稈底部的彈性模量依然最大。

c.對(duì)大豆莖稈微觀結(jié)構(gòu)的分析，其較發(fā)達(dá)的機(jī)械組織和維管組織表明了大豆莖稈有較高的強(qiáng)度和抗擊打能力。

d.所得到的數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)冬小麥免耕播種機(jī)及其切割器機(jī)架高度等提供了基本參數(shù)。

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