秋伐期桑条力学性能试验

高天浩，闫银发，2，李法德，2，陈超科，李玉道，宋占华，2*

1.山东农业大学机械与电子工程学院学院，山东泰安2710182.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安271018



秋伐期桑条力学性能试验

高天浩1，闫银发1，2，李法德1，2，陈超科1，李玉道1，宋占华1，2*

1.山东农业大学机械与电子工程学院学院，山东泰安271018
2.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安271018

摘要：本文利用万能试验机对秋伐期桑条剪切、压缩、弯曲、拉伸，研究了取样位置、直径、品种对桑条力学特性的影响。结果发现，取样位置对各目标值均有显著影响，除皮的最大拉伸力与抗拉强度随取样位置自下往上增加，其余均随取样位置自下往上减小；品种为湖桑32号的桑条，其单位直径最大剪切力和剪切强度的最大平均值分别为80.65±1.39 N/mm、7.03±0.17 MPa，最大轴向压力和轴向抗压强度的最大平均值分别为3.31±0.15 kN、19.12±0.36 MPa，最大径向压力和径向抗压强度的最大平均值分别为0.96±0.05 kN、8.84±0.15 MPa，最大弯曲力和抗弯强度的最大平均值分别为0.21±0.01 kN、43.93±0.17 MPa，最大拉伸力和抗拉强度的最大平均值分别为1.71±0.12 kN、79.00±3.72 MPa，皮最大拉伸力与皮拉伸强度的最大平均值分别为0.21±0.05 kN、98.35±13.21 MPa；直径仅对剪切强度有影响（0.01＜P＜0.05），最大值出现在直径小于10 mm处，为10.20±1.25 MPa；品种对桑条剪切强度、轴向抗压强度与抗弯强度、抗拉强度有显著影响，最大剪切强度发生在7946下部，为8.47±0.52 MPa，下部轴向抗压强度、抗弯强度、抗拉强度的最大值出现在农桑14号，分别为22.40±0.87 MPa、46.82±1.16 MPa、63.57±5.18 MPa。

关键词：秋伐期；桑条；力学试验

蚕桑产业作为我国传统特色产业，至今已有5500年的历史［1，2］。据统计，2013年全国桑园面积1242.75万亩，年养蚕1649.54万张，蚕茧总产量65.03万吨、占世界的80%左右，是世界第一大蚕茧和生丝生产国与出口国［3，4］。为了降低劳动成本、减少劳动用工、提高生产效率，我国大蚕喂养模式已开始由传统的片叶育（人工直接从桑树上采摘桑叶喂蚕的一种方法）向轻简化省力高效蚕桑生产技术的条桑育（在蚕期直接从桑树上割取带叶枝条喂蚕的一种省力化饲养方法，比片叶育提高2～3倍效率）转变［5，6］。桑条收获是养蚕全年条桑育技术的基础，也是一项季节性强、劳动成本高、劳动强度大的工作。在蚕桑生产的整个过程中，一年中要进行三次（春蚕、夏蚕、秋蚕）桑条收获［7］，对桑树生理有一定的损伤作用［8］，并从土壤中带走大量养分。为了保证下一茬桑条正常生长，增加桑叶产量，应实施桑条收获机械化，缩短收获用时。因此，实现桑条收获机械化，提高桑条生产效率、降低桑条收获劳动强度与劳动成本、加快养蚕全年条桑育技术的实施，对我国现代化蚕桑产业的发展具有重要意义。

桑条在切割过程中，切割刀具附近的桑条切口部位会产生复杂的应力和应变，直接影响桑条收获后的割茬质量。桑条损伤形式主要包括桑条切割部位不整齐、切割部位劈裂、切割部位裂纹、桑皮撕裂破损与桑条切割部位剥皮等5类。而桑条切割部位损伤对桑树的生长带来了一定的影响，会降低桑条潜伏芽萌发率和桑叶产量；破损部位还易引细菌侵入，导致桑树病害［9-13］。开展桑条的力学特性试验研究，获得其剪切强度、弯曲强度等力学特性参数，可为分析桑条切割过程中应力、应变分布状态，确定桑条切割力、桑条切割刀片和切割方式等提供理论依据和基础技术参数，对低能耗、高效率的桑条收获机的设计具有重要的指导意义［14-16］。本文测定秋伐期不同品种、不同直径、不同部位桑条剪切、压缩、弯曲和拉伸的破坏应力和强度，并进行平均值比较和方差分析，进而确定取样位置、直径、品种对桑条力学特性的影响。

1　试验与方法

1.1试验材料

桑条取自山东农业大学桑蚕研究基地，时间为2015年11月1号，下部含水率在40%～45%之间。品种分别为湖桑32号、7946、农桑14号，试样为秋伐期长势良好的桑条。试样要求通直、无虫害、无明显缺陷、没有表皮的损伤或开裂。手工去叶和侧枝，外部擦拭干净。取样位置如图1所示。

图1　桑条试样Fig.1 Mulberry shoot sample

1.2试验设备

该试验用到的试验设备主要包括：微机控制电子式万能试验机（WDW-5E型，济南试金集团有限公司）、电热干燥箱（202-2型，上海第二五金厂）、电子天平（0.001 g，JA5003A型，上海精天电子仪器有限公司）、干燥器、镊子、游标卡尺（0.02 mm）、普通木工锯等。

1.3试验方法

桑条压缩、弯曲、剪切力学性能试验分别参照GB/T 1935、GB/T 1936、GB/T 1937［17-19］规定进行。桑条直径较小，无法制成国标规定的试样尺寸，故对试样作相应调整。根据农作物茎秆力学特性随高度变化的特点［20，21］，试验时从桑条不同高度获得试样。

1.3.1取样位置对桑条力学性能的影响取样位置试验中，所用品种为湖桑32号，均取下部直径为14.5±0.5 mm的桑条进行试验，每组试验重复5次，从中选取试验效果较好的3次进行数据处理，取其目标平均值进行比较，并进行显著性检验。

图2　桑条剪切试验Fig.2 Shearing test on mulberry shoot

1.3.2剪切试验取桑条长度80 mm，剪切取样（图1（a）），将试样置于V型定位块上，在WDW-5E型微机控制电子式万能试验机上以10 mm/min的加载速度对桑条进行剪切试验（图2），微机自动记录相关数据。以单位直径最大剪切力和剪切强度为目标值，研究取样位置对2个目标值的影响关系［22］。

式中：pj—桑条单位直径最大剪切力，N·mm-1；Fjmax—最大剪切力，N；dm—桑条直径，mm。

式中：σj—剪切强度，MPa。

1.3.3压缩试验取桑条长度30 mm，压缩试验取样如图1（b）所示，试样应通直，两端用砂纸打磨平滑，并且两端必须保持平行，将试样置于球面滑动支座中心位置，以2 mm/min速度加载，微机自动记录相关数据［23］。

轴向压缩试验以最大轴向压力和轴向抗压强度为目标值，研究取样位置对2个目标值的影响。

式中：σzy—轴向抗压强度，MPa；Fzymax—最大轴向压力，N。

径向压缩试验以最大径向压力和径向抗压强度为目标值，研究取样位置对2个目标值的影响。

式中：σjy—径向抗压强度，MPa；Fjymax—最大径向压力，N；ljy—桑条径向压缩试样长度，mm；Δdm—桑条沿负载方向的变形量，mm。

1.3.4弯曲试验桑条弯曲试验试样长度为300 mm，两支座间距为240 mm，取样如图1（d）所示。采用3点弯曲法［24］在WDW-5E型微机控制电子式万能试验机上以10 mm/min速度加载，微机自动记录相关数据。以最大弯曲力和抗弯强度为目标值，研究取样位置对2个目标值的影响关系。

式中：σw—抗弯强度，MPa；Fwmax—最大弯曲力，N；lw—制作间距，mm。

1.3.5拉伸试验

图3　拉伸试样Fig.3 Tensile sample

桑条拉伸试验试样初步取样如图1（d）所示，然后，利用专用工具将初步取得的试样加工成为厚2.5 mm，宽度为试样直径的哑铃形试样，如图3所示。两端进行去皮处理，削下大约2 mm，防止拉伸时发生滑移，利用拉伸试验专用夹具将拉伸试样两端各夹持30 mm长，在WDW-5E型微机控制电子式万能试验机上以2 mm/min速度加载，微机自动记录相关数据。用游标卡尺记录断面处的准确尺寸。以最大拉伸力和抗拉强度为目标值，研究取样位置对2个目标值的影响关系。

式中：σl—抗拉强度，MPa；Flmax—最大拉伸力，N；w—桑条拉伸试样宽度，mm；u—桑条拉伸试样厚度，mm。

1.3.6皮拉伸试验将皮从桑条上揭下（如图1（c）），然后，将其加工成为如图3所示的哑铃形试样，但其实验区厚度为0.3 mm，宽度为5 mm。利用拉伸试验专用夹具将皮拉伸试样两端各夹持30 mm长，在WDW-5E型微机控制电子式万能试验机上以2 mm/min速度加载，微机自动记录相关数据。以最大拉伸力和抗拉强度为目标值，研究取样位置对2个目标值的影响关系。公式同6。

1.3.7不同直径对桑条力学性能的影响所用品种为湖桑32号，取不同直径桑条，以下部为研究对象，分别做剪切、压缩、弯曲、拉伸试验，试验要求同1.3.1～1.3.4。每组试验重复5次，从中选取试验效果较好的3次进行数据处理，取其目标平均值进行比较，并进行显著性检验。

1.3.8不同品种对桑条力学性能的影响取品种分别为湖桑32号、7946、农桑14号的桑条，分别做剪切、压缩、弯曲、拉伸试验，试验要求同1.3.1～1.3.4。每组试验重复5次，从中选取试验效果较好的3次进行数据处理，取其目标平均值进行比较，并进行显著性检验。

2　结果与分析

2.1取样位置对桑条力学性能的影响结果

2.1.1剪切试验湖桑32号剪切试验结果（图4），桑条单位直径最大剪切力和剪切强度的最大平均值出现在取样位置为下部（底部）时，分别为80.65±1.39 N/mm、7.03±0.17 MPa；最小平均值出现在取样位置为上部（顶部）时，分别为34.21±5.08 N/mm、4.47±0.60 MPa。从图中可以看出，桑条的单位直径最大剪切力和剪切强度从桑条下部到上部逐渐减少，这一研究结果与有关学者研究的结果相似［25，26］。其中，单位直径最大剪切力下降趋势明显（P＜0.01）；剪切强度从桑条下部到中部下降趋势明显（P＜0.01），而从中部到上部变化幅度不大（P＞0.05）。这是因为，下部桑条的木质化程度高，抗剪能力强，桑条从下部到上部木质化程度减弱，导致抗剪能力下降，但是从中部往上桑条直径减小的程度要小于桑条最大剪切力减小的程度，因此，从中部往上桑条的剪切强度变化幅度不大。

图4　桑条剪切特性与取样位置的关系Fig.4 Relationship between shearing characteristics of mulberry shoot and sampling location

2.1.2压缩试验湖桑32号轴向压缩试验结果如图5所示，桑条下部（底部）的最大轴向压力和轴向抗压强度的平均值最大，分别为3.31±0.15 kN、19.12±0.36 MPa；桑条上部（顶部）的最大轴向压力和轴向抗压强度的平均值最小，分别为0.91±0.01 kN、11.06±1.05 MPa。从图4可以看出，随桑条自下部逐渐上升到上部，桑条的最大轴向压力和轴向抗拉强度呈明显下降的趋势，取样位置对这两个目标值具有显著性影响（P＜0.01）。这主要是因为，桑条从下部到上部木质化程度逐渐减弱的原因，另外，这与桑条直径从下部到上部逐渐变细也有一定的关系。

图5　桑条轴向压缩特性与取样位置的关系Fig.5 Relationship between axial compression characteristics of mulberry shoots and sampling location

湖桑32号径向压缩试验结果如图6所示，从图6中可以看出，桑条下部（底部）的最大径向压力和径向抗压强度的平均值最大，分别为0.96±0.05 kN、8.84±0.15 MPa；桑条上部（顶部）的最大径向压力和径向抗压强度的平均值最小，分别为0.41±0.002 kN、6.21±0.14 MPa。由图还可以看出，桑条从下部上升到中部，最大径向压力和径向抗压强度下降趋势十分明显（P＜0.01）；而从中部往上，最大径向压力和径向抗压强度变化幅度不大（P＞0.05）；总体来说，取样位置对桑条最大径向压力和径向抗压强度具有极显著影响（P＜0.01）。这可能是因为，桑条中部往上木质化程度低导致桑条内部结构变得松软，易于压缩。

图6　桑条径向压缩特性与取样位置的关系Fig.6 Relationship between radial compression characteristics of mulberry shoots and sampling location

2.1.3弯曲试验湖桑32号弯曲试验结果如图7所示，桑条最大弯曲力的最大平均值与最小平均值分别出现在取样位置为下部（底部）和上部（顶部）时，分别为0.21±0.01 kN、0.03±0.001 kN；桑条抗弯强度的最大平均值与最小平均值分别出现在中下部和上部时，为43.93±0.17 MPa、36.95±1.46 MPa。从图7a可以看出，桑条最大弯曲力随取样位置的升高（自下往上）逐渐变小（P＜0.01），与Curtis等研究的棉花秸秆最大弯曲力随棉花秸秆平均半径的增大而增大相似［27］。这主要有两方面的原因：一是桑条的直径从下部到上部逐渐变小；二是桑条木质化程度从下部到上部呈降低的趋势。由图7b可知，棉花秸秆抗弯强度随取样位置的升高先升高后降低，且从中部往上变化幅度不大（P ＞0.05）。这可能是因为，从中部往上桑条直径减小的程度要小于桑条最大弯曲力减小的程度。

图7　桑条弯曲特性与取样位置的关系Fig.7 Relationship between bending characteristics of mulberry shoots and sampling location

2.1.4拉伸试验湖桑32号拉伸试验结果如图8所示。由图可知，桑条最大拉伸力和抗拉强度随取样位置的升高而减低。这可能是因为，桑条内部的纤维素从下部到上部排列越来越稀疏。木质化程度越来越低，导致桑条硬度自下部到上部逐渐减弱。桑条最大拉伸力和抗拉强度的最大平均值出现在桑条的下部，分别为1.71±0.12 kN、79.00±3.72 MPa；最小平均值出现在桑条的上部，分别为0.69±0.03 kN、32.24±11.42 MPa。从图8b可看出，中部往上抗拉强度变化趋势不大（P＞0.05）。

图8　桑条拉伸特性与取样位置的关系Fig.8 Relationship between tensile characteristics of mulberry shoots and sampling location

2.1.5皮拉伸试验由于桑条上部皮不易揭下，故试验中为对上部进行研究。湖桑32号皮拉伸试验结果如图9所示。由图可看出，桑树皮最大拉伸力与皮拉伸强度随取样位置由下往上逐渐增大，其最大平均值出现在桑条中上部，分别为0.21±0.05 kN、98.35±13.21 MPa；最小平均值出现在桑条的下部，分别为0.11±0.01 kN、56.37±13.36 MPa。这可能是因为，桑条皮内部的纤维素从下部到上部排列越来越密。从图9还可以看出，从中上部往上变化幅度不大（P＞0.05）。

图9　桑条皮拉伸特性与取样位置的关系Fig.9 Relationship between tensile characteristics of mulberry shoot's bark and sampling location

2.2不同直径对桑条力学性能的影响

利用湖桑32号进行试验，下部直径共分为四种分别为d1＜10mm，d2=11.5±0.5 mm，d3=15±0.5 mm，d4＞18 mm。分别对下部试样进行剪切、压缩、弯曲、拉伸试验（图10）。由图10a可看出，桑条最大剪切强度出现在10 mm时，为10.20±1.25 MPa，桑条剪切强度随直径增加而减小，直径由10 mm增加到11.5 mm时，剪切强度下降趋势明显（0.01＜P＜0.05）；直径大于11.5 mm时，剪切强度变化幅度不大（P＞0.05）。由图10b可看出，最大径向抗压强度出现在18 mm时，为8.98±0.50 MPa，桑条径向抗压强度随直径增加先减小后增加，而变化幅度不大（P＞0.05）。由图10c可看出，轴向抗压强度出现在11.5 mm处，为21.79±0.08 MPa，桑条轴向抗压强度随直径增加先增加后减小，而变化幅度不大（P＞0.05）。由图10d可看出，抗弯强度出现在10 mm处，为52.43±2.37 MPa，桑条抗弯强度随直径增加先减小后增加，只有在14.5 mm处变化显著（P＜0.01），其他均变化不明显（P＞0.05）。由图10f可看出，抗拉强度出现在11.5 mm处，为51.11±2.13 MPa，抗拉强度随直径增加先增加后减小，而变化幅度不大（P＞0.05）。综上所述，直径对桑条同一部位（下部）力学性能影响不大。

图10　桑条力学性能与直径的关系Fig.10 Relationship between characteristics of mulberry shoot and diameter

2.3不同品种对桑条力学性能的影响

研究品种对桑条力学性能的影响，结果如图11所示，由图11a可看出，7946的剪切强度整体大于湖桑32号，且变化显著（P＜0.01），且7946桑条最大剪切强度发生在下部，为8.47±0.52 MPa；然而农桑14号针对不同取样位置的变化规律明显不同于其它两个品种，这也说明了品种对桑条剪切强度有一定影响。由图11b可看出，径向抗压强度受品种影响不显著，虽然其中7946随取样位置变化有所不同，但总体趋势与其它两个品种相同，即随取样位置自下往上减小。由图11c和11d可看出，轴向抗压强度与抗弯强度受品种影响显著（P＜0.01），且农桑14号平均值＞7946平均值＞湖桑32号平均值；下部最大轴向抗压强度与最大抗弯强度出现在农桑14号，分别为22.40±0.87 MPa、46.82±1.16 MPa。由图11f可看出，抗拉强度受品种影响不显著，但农桑14号下部抗拉强度明显高于其他两个，其值为63.57±5.18 MPa。

图11　桑条力学性能与品种的关系Fig.11 Relationship between characteristics of mulberry shoots and varieties

3　结论

利用万能实验机对桑条力学性能进行了试验，分别研究了不同取样位置、不同直径、不同品种对其目标值得影响。

（1）据试验结果分析可得，取样位置对各目标值均有显著影响，除皮的最大拉伸力与抗拉强度随取样位置自下往上增加，其余均随取样位置自下往上减小；但直径与品种仅对部分目标值有影响。

（2）通过研究取样位置对力学性能影响得到：所用品种为湖桑32号，其单位直径最大剪切力和剪切强度的最大平均值分别为80.65±1.39 N/mm、7.03±0.17 MPa；最大轴向压力和轴向抗压强度的最大平均值分别为3.31±0.15 kN、19.12±0.36 MPa；最大径向压力和径向抗压强度的最大平均值分别为0.96±0.05 kN、8.84±0.15 MPa；最大弯曲力和抗弯强度的最大平均值分别为0.21±0.01 kN、43.93±0.17 MPa；最大拉伸力和抗拉强度的最大平均值分别为1.71±0.12 kN、79.00±3.72 MPa；皮最大拉伸力与皮拉伸强度的最大平均值分别为0.21±0.05 kN、98.35±13.21 MPa。

（3）通过研究直径对桑条力学性能影响得到：剪切强度受直径影响显著（0.01＜P＜0.05），最大值出现在直径小于10 mm处，为10.20±1.25 MPa，而其他目标值受桑条直径影响不显著。

（4）通过研究品种对桑条力学性能的影响得到：品种对桑条剪切强度有一定影响，最大剪切强度发生在7946下部，为8.47±0.52 MPa；径向抗压强度受品种影响不显著；轴向抗压强度与抗弯强度受品种影响显著（P＜0.01），下部最大轴向抗压强度与最大抗弯强度出现在农桑14号，分别为22.40±0.87 MPa、46.82±1.16 MPa；抗拉强度受品种影响不显著，但农桑14号下部抗拉强度明显高于其他两个，其值为63.57±5.18 MPa。

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Mechanical Properties during Cutting Mulberry Shoots in Autumn

GAOTian-hao1，YANYin-fa1，2，LIFa-de1，2，CHENChao-ke1，LIYu-dao1，SONGZhan-hua1，2*

1. College of Mechanical & Electrical Engineering/Shandong Agricultural University，Taian 271018，China
2. Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machineries and Equipments，Taian 271018，China

Abstract：For study the mulberry shoot reaper，in this paper，the universal testing machine is used to study on the shearing，compression，bending and tensile of mulberry shoot during the autumn cutting period and research separately the influence of sampling position，diameter and varieties on the mechanical properties of mulberry shoot. The results showed that the sampling position had notable influence on all target values，what was more，all target values reduced along with the sampling position from bottom to up，except for the bark's maximum tensile and tensile strength，which increased along with the sampling position from bottom to up；Mulberry shoot of the Husang 32，of which the maximum average of unit diameter of maximum shearing force and shearing strength was 80.65±1.39 N/mm and 7.03±0.17 MPa respectively，the maximum average of maximum axial stress and axial compressive strength was 3.31±0.15 kN，19.12±0.36 MPa respectively，the maximum average of maximum radial stress and radial compressive strength was 0.96±0.05 kN，8.84±0.15 MPa respectively，the maximum average of maximum bending force and bending strength was 0.21±0.01 kN，43.93±0.17 MPa respectively，the maximum average of maximum tensile force and tensile sstrength was 1.71±0.12 kN，79.00±3.72 MPa respectively，the maximum average of bark's maximum tensile force and bark's tensile strength was 0.21±0.05 kN，98.35±13.21 MPa respectively. Diameter only had an effect on shearing strength（0.01＜P＜0.05），the maximum value was 10.20±1.25 MPa，appeared in less than 10 mm in diameter；variety had a significant influence on the shearing strength，axial compressive strength，bending strength and tensile strength，the maximum shearing strength was 8.47±0.52 MPa，occured at the bottom of the 7946，the maximum axial compressive strength，bending strength，tensile strength at the bottom were 22.40±0.87 MPa，46.82±1.16 MPa，63.57±5.18 MPa，appeared in the Nongsang 14.

Keywords：Cutting period in Autumn；mulberry shoots；mechanical test

中图法分类号：S225.91

文献标识码：A

文章编号：1000-2324（2016）03-0338-07

收稿日期：2016-01-18修回日期：2016-03-22

基金项目：国家自然科学基金（51505266）；教育部博士点基金（20133702110011）；山东省自然科学基金（ZR2015EL021）；山东省现代农业产业技术体系蚕桑创新团队（鲁农科技字［2014］24号）

作者简介：高天浩（1992-），男，山东聊城人，主要从事现代农业机械化装备研究. E-mail：1091642476@qq.com

*通讯作者：Author for correspondence. E-mail：songzh6688@163.com