植物莖稈力學特性研究綜述

齊勇落 胡迎春 彭帥星

摘 要：從壓縮、剪切、彎曲等不同力學試驗類型入手，對目前農作物莖稈力學性能研究進程進行探究，在今后研究中，應注重試驗方法的探究，不斷加大對農作物莖稈力學性能研究力度，建立植物莖稈力學模型，注重實現莖稈力學特性測定的標準化。

關鍵詞：農作物；莖稈；力學實驗

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.208

0 引言

隨著科技的發展，農作物機械化生產已經成為一種趨勢，通過力學實驗獲取農作物莖稈的力學參數，為農業機械設備的研制提供理論支撐。李玉道等[1]通過對不同含水率、不同時期內棉花莖稈剪切強度與剪切功的變化規律探進行探究，獲取了棉花莖稈收獲的最佳時期，晏科滿等[2]通過對苧麻莖稈的沖擊斷裂能進行探究，得知沖擊斷裂能在莖稈下部達到最大值，為后期苧麻莖稈分離機械的研制提供理論支撐。陳燕等[3]指出峰值切割力和切割強度與刀片切割速度以及切割角度存在密切關系，凹刃和凸刃的峰值切割力和切割強度都比平刃小。為后期荔枝采摘機器人切割機構的優化設計提供了理論依據。薛忠等[4]通過對木薯莖稈力學性能進行探究，獲取了木薯莖桿軸向以及徑向力學性能的變化規律，為后期設計木薯收獲機械提供理論支撐；X.Mou等[5]采用WDE-500N精密型電子萬能試驗機對甘蔗葉鞘力學性能進行探究。獲取葉鞘最大縱向抗拉強度、最大橫向抗拉強度和最大剪切強度等力學參數，并給出了甘蔗葉鞘破壞準則，提出合理有效的甘蔗葉鞘破壞形式，研制出甘蔗葉鞘剝離機械，剝葉效果良好。

1 力學實驗的研究進展

1.1 壓縮實驗

壓縮實驗對于農作物機械化收割過程中降低作物破損率和研究農作物的抗倒伏性能具有重要意義。目前，在對植物莖稈進行壓縮性能探究時，主要分為不同方向壓縮實驗和不同部位壓縮實驗兩種形式。

1.1.1 不同方向的壓縮實驗

薛忠等[6]和楊望[7]分別對木薯做了軸向和徑向的壓縮實驗，得知莖稈軸向抗壓強度大于徑向；吳良軍等[8]在荔枝樹枝壓縮性能試驗探究中得知，荔枝樹枝順紋抗壓強度明顯高于橫紋抗壓強度。陳燕等[9]通過對荔枝整果壓縮性能進行試驗探究，得出水平方向所能承受的壓力和變形均低于垂直方向。

1.1.2 不同部位壓縮實驗

莖稈不同部位材料的木質化程度、直徑、含水率不同，導致力學性能存在差異。王偉等[10]通過對不同部位木薯莖稈進行壓縮試驗得知：生長部位對木薯軸向壓縮性能有極顯著影響，對木薯莖稈徑向力學性能無顯著影響；何曉麗等[11]研究發現，大豆莖稈的最大承載能力隨著高度的增加而不斷的減少，抗壓強度沿高度變化趨勢總體不大。杜先軍[12]等通過順紋壓縮實驗，得知棉花莖稈底部壓縮功最大。Heidari 等[13]研究發現，百合屬莖稈上部單位壓縮能量和壓縮強度最小，莖稈底部最大。

通過對莖稈軸向和徑向，順紋和橫紋進行壓縮試驗，可為后期莖稈采摘裝置的設計，本構關系建立以及動力學仿真提供依據。而通過對莖稈不同部位力學性能的研究，對于莖稈整體力學性能的探究將起到積極的促進作用。

1.2 剪切試驗

農作物的機械化采摘一般通過莖稈的剪切實現。剪切實驗的建立對于農作物在收割過程中剪切功的降低具有重要的意義，目前雙面剪切和單面剪切是兩種較為常用的剪切實驗形式。

1.2.1 雙面剪切實驗

作物莖稈剪切特性受成熟期、莖稈直徑、品種、含水率和微觀結構等多種因素的影響[14]。李玉道等[1]通過對棉花秸稈剪切實驗發現，含水率是引起棉花秸稈剪切強度變化的重要因素。薛忠等[6]對木薯莖稈不同部位、不同方向的力學性能進行探究，指出木薯莖稈同一部位軸向剪切強度值明顯低于徑向剪切強度值；木薯莖稈同一方向下部剪切強度值高于中部與上部；王軍等[15]在豌豆莖稈力學性能探究中得知莖稈抗剪強度較強的部位為莖稈中部。吳良軍等[16]通過對龍眼樹枝進行切割實驗，得出在切割力最小時，切割速度 、切割間隙 、動刀刃角的具體數值。李小城等[17]通過對不同品種小麥莖稈進行剪切試驗，探究出小麥莖稈受剪切載荷時力值變化趨勢。

1.2.2 單面剪切實驗

Johnson等[18]通過對奇崗莖稈的剪切性能進行研究，發現60°斜角時單位剪切能較低。鄧玲黎等[19]通過自制的圓盤式玉米莖稈切割試驗臺，對影響切割過程的切割角度以及切割速度等參數進行調節，通過單因素和組合設計試驗，探尋了最優的切割組合。趙春花等[20]通過對不同品種豆禾牧草進行砍切、斜切、滑切等探究性試驗，得出切割速度一定時，砍切的切割阻力高于斜切。為后期牧草收獲機械的設計提供了理論支撐。

在對植物莖稈剪切性能的分析量化層面，雙面剪切優于單面剪切，但是通過對植物莖稈進行單面剪切力學試驗，可以根據莖稈實際的受力情況，對現有的切割形式、刀具形式進行優化。

1.3 彎曲試驗

彎曲試驗包含三點彎曲與四點彎曲。三點彎曲有一個加載點，加載方式簡單，但彎矩分布不均勻。四點彎曲實驗與三點彎曲實驗相比，結果較為準確，但是存在兩個加載點，裝夾復雜。

1.3.1 三點彎曲試驗

姚珺等[21]通過對不同品種芒草莖稈彎曲性能進行探究，指出在收割機械研制的進程中，應以湘雜芒 2 號第 1 莖稈部位的最大應力平均值作為設計參數。楊望[7]通過對木薯塊根、莖稈進行彎曲試驗，測定了抗彎強度、彈性模量等力學特性參數；李小城等[22]通過對不同部位小麥莖稈彎曲性能進行探究，指出小麥莖稈抗彎剛度與加載速率、莖稈含水率等因素間存在密切聯系。劉兆朋[23]等通過對苧麻莖稈進行三點彎曲力試驗，獲取了莖稈剪切模量數值。

1.3.2 四點彎曲試驗

Obataya 等[24]通過對楠竹彎曲性能進行探究，獲得楠竹柔韌性是由于內層木質部能允許較大壓縮變形與外層竹纖維能承受拉應力的共同作用。胡婷等[25-26]通過四點彎曲試驗，獲得小麥莖稈彎曲強度等力學參數。羅燕等[27]通過對小麥莖稈力學性能進行探究，指出外徑、壁厚、機械組織厚、維管束等在小麥不同生長時期，對小麥莖稈抗倒伏能力的影響效果不同；孫露露等[28]在玉米莖稈力學試驗中指出，在對不同樣本縱向彈性模量的差異進行分析時，通常采用四點彎曲實驗。

2 結論

（1）目前在對莖稈的力學性能進行研究時，主要仍以工程材料中的力學參數為主，由于莖稈材料自身的特殊性，其自身的材料特性并不能得到良好的反映。

（2）在對莖稈力學性能進行探究時，試驗方法、試樣處理方式等還缺乏有效的參考依據，對實驗數據的準確性造成不利影響。因此后期應注重試驗方法的研究，逐漸實現莖稈力學測定的分類標準化。

（3）目前，莖稈力學實驗的測定仍以基本力學參數測定為主，需進一步對莖稈材料的結構特征進行深入研究，更好的滿足建立莖稈材料力學模型以及仿真量化計算的需要，以便于后期運用仿真技術減少農作物收獲機械研發周期。

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基金項目：國家自然科學基金項目（51565007）；廣西科技大學研究生教育創新計劃項目（GKYC201705）

作者簡介：齊勇落（1992-），男，河南周口人，碩士研究生，研究方向：機械設計制造及其自動化。

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