玉米苞叶和叶鞘力学性能及对揉碎性能的影响

樊 琦，张 涛，刘 飞，赵满全，杨 铮，闫 鹏

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018 )

0 引言

近几年，我国的畜牧业发展迅猛，畜牧业产值占农业总产值的30%[1]。畜牧业发展迅猛的同时，问题也浮现出来，我国的畜牧业无法摆脱对粮食的过分依赖，所以牲畜饲草问题的解决迫在眉睫[2]。

玉米是我国的第二大粮食作物[3]，种植广泛。我国玉米秸秆资源丰富，但大多的玉米秸秆被废弃或者被焚烧，不仅没有被利用，还会产生严重的空气污染[4]。玉米秸秆是一种非常好的饲草，由于秸秆类粗饲料质地粗硬、咀嚼费力、适口性差、粗蛋白含量低、消化效率低、食入量不高，其代谢能的利用率也较差，需要机械将玉米秸秆加工成适合牲畜食用的饲草[5]。高梦祥[6]等测试了玉米秸秆的茎叶连接力、叶鞘的抗拉特性和冲击特性，发现茎叶连接力为0.7～16N，茎秆抗冲击能量为2.3～42.8J。王宏立等[7]通过对剪切速度、切刀刃型及剪切方式的三因素随机区组剪切性能试验，发现影响剪切力的主要因素是剪切方式。吴子岳等[8]对两端自由支撑条件下玉米秸秆切断速度和切断功耗进行正交试验，发现切割方式对切断速度的影响最大，受切的根数影响切断功耗最显著。李汝莘等[9]对碎玉米秸秆卷压过程的流变规律进行了研究，采用线性黏弹性理论，构建了伯格斯模型，初步判定碎玉米秸秆卷压过程的流变行为偏向于流体。田宜水等[10]通过试验研究华北、东北地区7种农作物秸秆切物料的理化特性，发现不同地区的玉米秸秆含水率、温度等对秸秆力学特性具有不同程度的影响。东北平原地区玉米秸秆与其他地区差异较大，且同一地区的不同农作物秸秆的理化特性也存在显著差异。霍丽丽等[11]为分析秸秆类生物质原料的物理特性，选取自然晾晒后的6种玉米秸秆进行物理特性研究，结果表明：秸秆与金属、橡胶材料的最大静摩擦因数分别在0.45～0.55和0.51～0.62之间，内摩擦因数在0.53～0.73之间。廖娜等[12]应用ANSYS建立了玉米秸秆芯横截面圆柱有限元结构模型，并对其压缩过程和应力松弛过程进行了数值模拟，结果表明：五参量广义麦克斯韦模型能较好描述玉米秸秆芯应力松弛特性。O Dogherty等[13-14]学者对小麦秸秆的力学特性试验研究结果表明：麦秸的拉伸强度为21.2～31.2MPa，剪切强度为4.91～7.62MPa，杨氏模量为4.76～6.58GPa，刚性模量为267～547MPa，并指出小麦秸秆的成熟度、含水率、温度等对其力学特性具有不同程度的影响。在玉米秸秆加工中发现，玉米秸秆中掺杂的玉米苞叶和玉米叶鞘的物理特性与玉米秸秆物理特性有着极大的不同，在揉碎过程中会对揉碎质量有所影响。为了找到玉米叶鞘和玉米苞叶对揉碎过程的影响规律，本文对玉米苞叶和玉米叶鞘的力学特性展开研究。

1 玉米叶鞘苞叶的拉伸力学特性

1.1 试验材料和试验方法

测试玉米苞叶和叶鞘取自内蒙古呼和浩特市赛罕区什兰岱村2016年秋收后的玉米秸秆，品种为呼和浩特市周边地区常种植的欣晟18。

玉米苞叶和玉米叶鞘形状不规则，没有玉米苞叶和叶鞘的拉伸力学国家标准。本研究参考了国家标准GB/T1040.1-2096《塑料 拉伸性能测定 第一部分：总则》、GB/1040.3-2006《塑料 拉伸性能的测定 第三部分：薄膜和薄片的实验条件》、GB/1040.4-2006 《塑料 拉伸性能的测定 第四部分：各向同性和正交各向异性纤维增强复合材料的试验条件》。

试验前，将玉米苞叶和玉米叶鞘用钳工工具加工为哑铃状[15]。试件断裂处宽度5mm，断裂处长度30mm，试件最宽处44mm，试件总长150mm，含水率8.822%。玉米苞叶拉伸试件图如图1所示。

图1 玉米苞叶拉伸试件图

为了防止拉伸试验中试件与夹具产生相对滑动，将试样的加持部分用胶布裹住，夹具内侧粘结材料为牛皮[16]。

用螺旋测微仪测量试件断裂处的厚度，并将试件参数输入到ZD/WDW-20A微机控制电子万能试验机中，分别将拉伸加载速度速度和a值设为变量。试验方案为非金属材料拉伸试验。加载速度分别为5、100、200、300、400、500mm/min，a值分别为5、10、15、20mm。

1.2 拉伸试验分析

以拉伸加载速度为变量时，在低速拉伸过程中由于玉米苞叶玉米叶鞘试件的各向异性，试件会从抗拉强度最低处断裂。试验过程中会发出断裂声，且试验力与时间图像曲线会产生1次波峰，如图2所示。当拉伸速度较大时，试验力时间图像仅会存在1个波峰(见图3)，试件会在很短的时间内直接断裂。

随着拉伸加载速度的的变化，使得玉米苞叶和玉米叶鞘断裂所需要的力并没有像刚体那样保持一个恒定值，而是在某些位置出现峰值。玉米叶鞘会在加载速度为100mm/min时出现一个拉伸断裂力的最大值，最小值则在加载速度为300mm/min时出现，如图4所示。玉米苞叶在加载速度为400mm/min时出现拉伸断裂力的最大值，在加载速度为200mm/min时出现拉伸断裂力的最小值，如图5所示。

图2 低速拉伸玉米苞叶试验力与时间曲线

图3 高速拉伸玉米苞叶试验力与时间曲线

图4 玉米叶鞘拉伸断裂力与加载速度曲线

图5 玉米苞叶拉伸断裂力与加载速度曲线

以a值为变量时，试验得到玉米苞叶的最大拉伸力为82.57N/cm2、玉米叶鞘的最大拉伸力为1 277.2N/cm2。对叶鞘和苞叶的最大拉伸力与相应横截面积做了线性回归，得到数学模型玉米苞叶的数学模型为

y=0.0009x+0.0046

玉米叶鞘的数学模型为

y=0.0126x-0.0018

由数学模型可以看出：玉米苞叶和玉米叶鞘单位面积的拉伸断裂极限基本相同，拉伸断裂力和a值的大小成线性相关。

2 玉米叶鞘苞叶对揉碎机的影响

2.1 试验材料和试验设备

试验选用测试玉米苞叶和叶鞘取自内蒙古呼和浩特市赛罕区什兰岱村2016年秋收后的玉米秸秆，品种为呼和浩特市周边地区常种植的欣晟18。该秸秆处于长期风干状态，含水率为8.822%。

试验用揉碎机为内蒙古农业大学自行研制的9RS-60型揉碎机。9RS-60型揉碎机已自行设计了秸秆揉碎性能试验台，用于测量试验过程中的主轴转速、转矩和功率。本试验加装的转矩转速传感器型号为JN338型数字总线式转矩转速传感器。试验选用精度为0.01g的电子秤来称量各实验组秸秆的质量。

2.2 试验方法

试验目的是检验玉米叶鞘和玉米苞叶在玉米秸秆揉碎过程中对于实验的影响。由于玉米苞叶叶鞘性质相似，所以按照玉米秸秆和玉米苞叶叶鞘的比例将试验划分为6组，即苞叶叶鞘的含量为0、25%、50%、75%、100%和不经处理的对比组。试验前称量每组试验的秸秆总质量为1 000g，秸秆长度为(1 700±50)mm。调整变频器参数使得揉碎机主轴转速1 600r/min，喂入速度0.65m/s[17-18]。

在出料口处对揉碎物取样，取样方法参考国家农业行业标准NY/T509-2015《秸秆揉丝机质量评价技术规范》和国家标准GB/T0788-2006《饲草揉碎机》。在出料口横截面接取样品3次，3次样品均匀混合后即为该次实验样品。3次样品总质量为100g左右，取样后放入密封袋并标记编号，用于试验完成后的筛分和分析揉碎程度。同时，记录秸秆揉碎试验所消耗的电能。

2.3 试验结果分析

本试验结果的计算依据国家农业行业标准NY/T509-2015《秸秆揉丝机质量评价技术规范》[19]。

2.3.1 揉碎物分级

根据国家标准，秸秆丝的定义为：秸秆加工后的成品为几何长度10～180mm、几何宽度不大于5mm的丝状物。《农业机械设计手册》中，秸秆揉碎机加工产品的形态为长度50～180mm，秸秆揉切机加工产品的形态为长度30～100mm。根据《农业机械设计手册》得出，本揉碎性能试验台符合秸秆揉切机的主要工作部件和加工特点，所以定义加工后不合格的产品形态为长度大于100mm或宽度大于5mm，加工后合格秸秆丝为长度小于100mm且宽度小于5mm。

根据国家标准GB/T 20788-2006《饲草揉碎机》[20]破节率计算公式中加工后秸秆破节的定义，未破节的定义为带节的草。本揉碎性能试验中，未破节秸秆定义为长度或宽度不满足要求且带有茎节。

对于饲喂反刍牲畜的秸秆来说并不是越短、越碎、越软越好，需要适宜的长度。对于羊来说，秸秆细碎适宜长度为7mm以上[21]，牛的适宜长度大于羊的适宜长度。所以，本研究定义长度为7mm以下的细碎秸秆为过揉碎。

筛分方法为：将秸秆揉碎物样品从最顶端的筛子倒入，手动晃动筛子，秸秆通过筛孔下落到下一层筛面，测量每层筛面秸秆长度分布范围。分级统计得到：筛孔直径10mm筛面上大于50mm的秸秆丝长度占该筛面秸秆总质量的90%；筛孔直径5mm筛面上大于20mm的秸秆丝长度占该筛面秸秆总质量的90%；筛孔直径3mm下95%的秸秆丝长度小于7mm。所以，选择筛孔直径分别为10、5、3mm的标准筛筛分秸秆揉碎物样品。

长度或宽度不合格的秸秆丝无法利用标准筛分级，通过人工比对的方法进行筛选。将筛孔直径10mm上的秸秆与标准卡(长度100mm、宽度5mm)进行对比，找出未破节的秸秆和不合格的秸秆丝。筛孔直径10mm筛面上秸秆长度基本范围利用精度为0.1g电子天平测量各级秸秆质量，分析揉碎程度试验结果。

图6 筛分分级取样的秸秆丝

试验重复3次，分别称量6种揉碎等级的筛分物，计算3次重复试验平均值，结果如表1所示。

表1 玉米苞叶和叶鞘含量为变化因素的揉碎程度结果

A为3mm圆孔筛下边秸秆质量占总质量的百分比；B、C、D分别为3、5、10mm圆孔筛上边秸秆质量占总质量的百分比；E为秸秆丝长度超过100mm或宽度超过5mm秸秆质量占总质量的百分比；F为未破节秸秆质量占总质量的百分比。

国家农业行业标准NY/T509-2015《秸秆揉丝机质量评价技术规范》规定秸秆丝化率计算公式为

式中S—秸秆丝化率(%)；

m1—样品中秸秆丝的质量(g)；

m2—样品质量(g)。

秸秆丝化率、破节率、过揉碎率如图7～图9所示。国家农业行业标准NY/T509-2015《秸秆揉丝机质量评价技术规范》对揉碎机性能指标规定,玉米秸秆丝化率大于或等于90%。由综合分析可知：当玉米苞叶和玉米叶鞘含量占总质量的50%时，在保证丝化率的同时可以让破节率较大，过揉碎率较小。

图7 丝化率随玉米苞叶和叶鞘含量增加的变化

图8 破节率随玉米苞叶和叶鞘含量增加的变化

图9 过揉碎率随玉米苞叶和叶鞘含量增加的变化

2.3.2 电能消耗分析

主轴电能消耗通过三相四线有功电能表测得，揉碎机性能指标为吨料电耗。行业标准规定，加工干秸秆时揉碎机的吨料电耗小于或等于15kW·h/t。标准规定吨料电耗的计算公式为

式中Q—吨料电耗(kW·h/t)；

G—试验用秸秆质量(g)；

N—耗电量(kW·h)；

Sb—秸秆含水率(%)。

所用秸秆为自然风干的玉米秸秆，含水率经测算为8.822%。分析计算计算后，得到揉碎干玉米秸秆试验过程中吨料电耗性能指标如表2所示，吨料电耗变化情况如图10所示。

表2 吨料电耗试验结果

续表2

图10 吨料电耗变化情况

由图10可以看出：当玉米苞叶和叶鞘的含量为25%时，吨料电耗为最低值；吨料电耗随着玉米苞叶和叶鞘的含量增加而增加。

3 结论

1)试验结果表明：玉米苞叶和玉米叶鞘在拉伸力学性能上体现出了相似性，玉米苞叶的最大拉伸力为82.57N/cm2，玉米叶鞘的最大拉伸力为1 277.2N/cm2。

2)玉米苞叶和玉米叶鞘会在揉碎过程中影响揉碎机的揉碎质量和揉碎机的度电产量。玉米秸秆的丝化率随玉米苞叶和玉米叶鞘含量的增多而减少；玉米秸秆破节率随着玉米苞叶和玉米叶鞘含量的增加而增加；玉米苞叶和玉米叶鞘含量为100%时，破节率也为100%；过揉碎率呈抛物线形式，在玉米苞叶和玉米叶鞘含量为75%时过揉碎率最低。

3)吨料电耗在玉米苞叶和玉米叶鞘含量为25%时取得最小值。

4)综合揉碎质量和玉米秸秆吨料电耗来看：在玉米苞叶和玉米叶鞘含量为50%时，整个试验结果为最优解。