高粱秸秆自干后的材料力学性质研究

武翠卿，李楠，张帅，武新慧，郭玉明

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)



高粱秸秆自干后的材料力学性质研究

武翠卿，李楠，张帅，武新慧，郭玉明

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

摘要：高粱秸秆直接还田或沤肥是很好的有机肥料，也是生物质能源转化利用的重要资源。在相关应用中需要进行粉碎、切段、压榨等加工，针对加工参数的优化需要研究其力学性质。本文试验研究了越冬后自然干燥的高粱秸秆的弯曲强度、剪切强度、拉伸强度、弹性模量、穿刺强度等力学性质指标，以及茎秆不同节间力学性质的变化等材料力学特性，为相关加工设备设计及工艺参数优化提供了参考依据。

关键词：高粱秸秆;自然干燥;力学性质;材料强度

高粱秸秆的材料结构是由外部强度硬度较高的皮质层包裹着内部弹性较好的胞体蜂窝状内芯材料构成，有着独特的材料力学性质特性。秸秆直接还田或沤肥是较好的有机肥，也是生物质能源转化利用、手工编织产品的基材和环保建材开发等综合利用的重要生物质资源。因此需要专门研究自然干燥后的高粱秸秆及皮质层的力学性质，为相关加工装备设计和加工工艺参数优化提供设计参数和理性参考依据。有关作物秸秆生物力学性质的研究主要集中在生长期，对玉米秸秆力学性质试验和力学性质与抗倒伏及取样条件等因素的影响研究[1~5]，对小麦茎秆生物力学性质及抗倒伏特性的研究[ 6,7]，对小麦、谷子、玉米、高粱、大豆等茎秆作物茎秆材料力学性质的试验研究[8~10]，测试了茎秆作物的形态特性指标和拉伸、剪切、弯曲等基本变形形式下的拉伸强度、剪切强度、弯曲强度、弹性模量等力学性质指标，并研究了它们之间的相关关系和应用生物力学性质指标评价茎秆作物抗倒伏特性。关于高粱秸秆生物力学性质方面的研究较少，且自然干燥后的高粱茎秆在生物质利用中有着广泛的应用，为此本文对其进行了拉伸、弯曲、剪切、穿刺等相关力学性质研究，为实际应用提供了参考。

1试验材料与方法

1.1　试验样本采集及制备

试验用样本选自山西农业大学所在地太谷县北洸农民储存越冬的高粱秸秆，含水率为2.01%，挑选节间、直径粗细匀溜，且没有破损、弯折的整杆，削去根须、顶部，去除叶鞘、包叶等，将处理好的茎秆运回实验室保存，以备试验。

1.2　试验仪器

试验所用仪器为CMT6104型微机控制电子万能试验机，本文进行的茎秆弯曲、拉伸、剪切均由该仪器配套的相应试验夹具完成。其它仪器或工具：3KFG-01电热恒温鼓风干燥箱；精度为0.1 mg的电子分析天平；精度为0.01 mm的电子数显游标卡尺等。

1.3　试验方法

将采集好的高粱茎秆自节间处锯断，从根部茎节向上依次标号，每节取5个以上试样(保证测取5个有效数据)，然后用数显游标卡尺测定试样受力点的外径。由于高粱茎秆横截面近似圆形，弯曲试件取其轴径测量3次平均值作为外径(表1)。茎秆皮质层和内芯材料的试件在不同节间切取，制作成标准试件备用(矩形尺寸见表2)，测取所需原始数据，包括茎秆材料含水率、节间数、原始尺寸等形态特性指标。按材料力学性质测试方法设计出拉伸、弯曲、剪切等不同变形形式对应下的试验方案(参照金属材料性能试验标准GB 228—87等以及文献[11]给出的参考方法)，按方案进行相应试验，由计算机系统自动采集数据点，并自动绘制载荷位移曲线，按材料力学算式计算出相关材料力学性质指标值。

2试验结果与分析

图1　高粱载荷-位移曲线Fig.1　Load-Displacement Curve of sorghum stalk

2.1　高粱茎秆弯曲性质分析

表1　高粱茎秆弯曲力学性质指标

绘制出高粱茎秆不同节间的最大弯曲载荷、抗弯强度和弹性模量的变化图，如图2所示。

图2　高粱茎秆弯曲力学性质Fig.2　Bending mechanical property of sorghum stalk

由图2可知，高粱茎秆的最大弯曲载荷、抗弯强度均随着节间高度的增加呈现很小的下降趋势。取样高度对弹性模量的影响较小，呈现出略微的上升趋势。

2.2　高粱茎秆皮质层拉伸力学性质分析

由图3可知，玉米茎秆皮质层拉伸试验，最大拉力和抗拉强度均随着取样节间位置向上而减少，弹性模量的趋势也大致相同。

表2不同节间高粱茎秆皮质层拉伸力学性质

Table 2Tensile property of different sorghum stalk cortical layer

节间Internode表皮宽度/mmBreadth表皮厚度/mmThickness最大拉伸载荷/NTensile抗拉强度/MPaTensilestrength弹性模量/MPaElasticitymodulus11.01.0190.91190.916536.1821.01.0152.15152.156549.4631.01.0139.65139.656571.62841.01.0116.28116.286532.75151.01.0111.32111.324678.994

高粱茎秆不同节间皮质层拉伸最大载荷、抗拉强度和弹性模量的变化图，如图3所示。

图3　不同节间高粱茎秆皮质层拉伸力学性质Fig.3　Tensile property of different sorghum stalk cortical layer

2.3　玉米茎秆皮质层剪切力学性质分析

表3　高粱茎秆皮质层剪切力学性质指标

高粱茎秆不同节间皮质层剪切最大载荷、剪切强度的变化图，如图4所示。

图4　高粱茎秆皮质层剪切力学性质Fig.4　Shear property of sorghum stalk cortical layer

看出高粱茎秆皮质层的最大剪切力和剪切强度都随节间的增大而减小。

表4　高粱茎秆内芯剪切力学性质指标

高粱茎秆不同节间内芯材料剪切最大载荷、剪切强度的变化图，如图5所示。

图5　高粱茎秆内芯剪切力学性质Fig.5　Shear property of sorghum stalk inner core

由图可知，高粱茎秆内芯的最大剪切力和剪切强度的变化趋势与高粱茎秆表皮的变化趋势一致，即随着取样高度的增加，最大剪切力和剪切强度略减小。

2.4　高粱茎秆皮质层穿刺强度性质分析

利用生物材料物性分析仪，选择横截面积为1 mm2的探头，对高粱茎秆的皮质层进行了穿刺强度试验，得到试验结果如表5所示。

表5　高粱茎秆皮质层穿刺强度

由表5数据作出穿刺强度随节间的变化趋势图如图6，看出高粱茎秆皮质层的穿刺强度随着取样位置的增加而降低。

3结论与讨论

(1)高粱茎秆的最大弯曲载荷、抗弯强度均随着节间高度的增加呈现下降趋势，取样高度对弹性模量的影响较小，反映出整体高粱茎秆的材料性质基本相同，在高粱茎秆整杆利用中可不必考虑部位的选择。

图6　高粱茎秆皮质层穿刺强度随节间变化趋势Fig.6　Relationship of cortical layer puncture strength of sorghum stalk and inner node

(2)高粱茎秆皮质层的拉伸强度和剪切强度、穿刺强度等均随不同节间部位有变化，从根部起往上强度值越小，弹性模量的变化趋势也大致相同。反映出高粱茎秆不同节间的皮质层材料性质有变化，根部的皮质层材料特性较强，在高粱茎秆开发编织产品应用时应选择靠近根部位置取样。

(3)高粱茎秆不同节间的内芯材料剪切强度的变化趋势与上述结论大体一致，但高粱茎秆内芯材料的抗剪强度远小于其茎秆皮质层，反映出其单独承载能力较弱。但内芯与皮质层整体构成的复合材料结构有着优良的生物材料微结构特性[8]，为新材料的开发提供了结构仿生的参考思路。

结论看出，高粱秸秆干燥后力学性质随节间部位的不同有变化，在生物质加工利用、编织基质材料和复合材料加工等实际应用中需考虑其各部位力学性质的变化针对性地进行选择。

参考文献

[1]陈艳军,吴科斌,张俊雄,农克俭,李建生,李伟. 玉米茎秆力学参数与抗倒伏性能关系研究[J].农业机械学报,2011,42(6):89-92.

[2]王春芳,毛明,泮进明,于勇,腾斌. 玉米茎秆取样条件对其弹性模量的影响研究[J].农业工程,2012,2(1):48-53.

[3]于勇,林怡,毛明,王为民,田凤,泮进明,应义斌. 玉米茎秆拉伸特性的试验研究[J].农业工程学报,2012,28(6):70-76.

[4]杨廷文. 玉米茎秆及其打捆力学特性研究[D].山东理工大学,2014.

[5]侯杰. 玉米秸秆力学特性与理化指标及其关联性[D].东北农业大学,2013.

[6]袁红梅，郭玉明，李红波，等.小麦茎秆弯折力学性能的试验研究[J].山西农业大学学报(自然科学版),2005,25(2):173-176.

[7]Sterling M, Baker C J, Berry P M, et al. An experimental investigation of the lodging of wheat[J].Agricultural and Forest Meteorology, 2003, 119: 149- 165.

[8]梁莉，郭玉明.作物茎杆生物力学性质与形态特性相关性研究[J].农业工程学报,2008,24(8):1-6.

[9]郭玉明，袁红梅，阴妍，等.茎秆作物抗倒伏生物力学评价研究及关联分析[J].农业工程学报,2007,23(7):14-18.

[10]马凡钟,刘继展. 农作物茎秆力学试验的研究综述[J].农机化研究,2014(8):5-9.

[11]王习术. 材料力学行为试验与分析[M].北京：清华大学出版社,2007.

Study on mechanical properties of air drying sorghum stalk

Wu Cuiqing, Li Nan, Zhang Shuai, Wu Xinhui，GuoYuming

(CollegeofEngineeringandTechnology,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Abstract:The sorghum stalk direct-application or waterlogged compost was the high quality organic fertilizer, largely increase soil organic matter, and it also was an important resource of biomass energy conversion and mixed feed utilization. Processing such as smashing, rubbing and cutting should be performed in these applications, so we studied its mechanical properties for optimization of process parameters. We tested the bending strength of air drying sorghum stalk after winter, and the shear strength, tensile strength, elasticity modulus, puncture strength of the cortical layer and inner core, and studied regularity of the stress and strain, bending resistance and the mechanical properties regulation of different internodes. The study provides rational reference basis for related processing equipment and optimization of process parameter.

Key words:Sorghum stalk; Air drying; Mechanical properties; Stalk material strength

中图分类号：Q66

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)01-0061-04

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20111403130001)，山西省重点实验室基金项目(2013011066-9)

作者简介：武翠卿(1972-)，女(汉)，山西太谷人，讲师，博士，研究方向：农业工程应用基础

收稿日期：2015-07-21修回日期：2015-10-10