不同龄期柠条茎秆的拉剪强度试验与分析

邱述金，崔清亮，武志明，李晓斌，郭玉明

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

柠条灌木具有很好的生态环境效益和固沙沃土功能[1]，又是优良的饲料与燃料转化利用的生物质资源[2]，目前大面积种植于我国西部沙化地区及晋北黄土高原[3]，其产业化开发及机械化生产近年来被广泛关注。针对柠条收获作业的研究主要集中在作业机械的设计与研制方面，近年来中国农业机械化科学研究院、山西农业大学、山西省农业机械化科学研究院、内蒙古农业大学、宁夏大学等单位研究了切割部件的运动学、动力学特性，设计了切割部件、输送部件、底盘、动力传输系统、控制系统等，研制了相关柠条机械化收获作业装备，制造了一批机具和换代产品，在生产中已经进行了示范和应用[4～15]。虽然对于柠条平茬收获机的研究已经有较多成果，但是针对平茬过程中柠条茎秆的生物力学性质还十分匮乏，在柠条收获机平茬作业时，柠条的生长年龄与平茬位置对作业后柠条复壮效果与柠条收获机的功耗等都有重要影响。通过研究不同生长年龄与不同平茬位置下的柠条茎秆的生物力学性质，可为柠条联合收获机的设计与作业条件的选择提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验设备

本试验在山西农业大学生物力学实验室完成，主要使用了以下设备：

CMT6104型微机控制电子万能试验机及配套拉伸、剪切夹具；

电子游标卡尺，精度0.02 mm；

MP2002型电子天平，精度0.01 g；

DHG—9 055 A型电热恒温鼓风干燥箱。

1.2 试验材料

在山西省定襄县柠条种植试验区，选取3a期与4a期生长柠条的茎秆作为力学性能研究的材料，选取的柠条茎秆生态健康、无病害、无明显损伤，均匀取样。将切割后的柠条茎秆置于恒温冷藏柜密封保存，以供试验使用。挑选外观无机械损伤、无病害、直径分布均匀的柠条茎秆，去除附带棘刺、小叶片，按标准制作拉伸试验试件和剪切试验试件。

柠条平茬作业时，收获机切割部件与柠条茎秆产生作用力的部位为柠条茎秆根部距离地面为5～20 cm之间的平茬区域，在柠条茎秆拉伸试验和剪切试验中，选取平茬作业区域的柠条茎秆根部作为主要拉伸试验对象，在此基础上在选取一定数量的柠条茎秆中上部区域作对比研究。

在柠条茎秆拉伸预试验过程中发现，由于柠条茎秆样本抗拉强度相对较大，且样本表面光滑；又由于柠条茎秆样本抗压性能差，在夹具夹持力过大时会径向压扁，从而导致样本的组织结构在试验前就已经破坏，万能试验机自带夹具很难将标准茎秆试样固定住。因此我们改良了更加易于夹持的柠条拉伸试件(图1)。

柠条茎秆剪切试验试样采自山西省定襄县柠条种植基地，采集处理后制成柠条茎秆剪切样本，规格为直径2.5 mm、长度20 mm的圆柱体。制作的拉伸剪切试件如图2所示。

图2 柠条茎秆拉伸与剪切试件Fig.2 Tensile and share specimens of Caragana stalk

测试完的试件立即装入自封袋中，置于恒温保存箱中保存，待拉伸、剪切试验完成后统一进行试样的含水率测试。

柠条茎秆样本按照木材绝对含水率测量方法[16]进行，按照称重法来测得柠条样本的含水率，如公式(1)所示。

(1)

式中，ω为柠条样本的含水率；m1为湿柠条样本的重量；m2为绝干柠条样本的重量。

在实际操作过程中，将拉伸、剪切试验完的柠条试件，立即使用电子天平进行称重，并记录各重量值。然后置于电热恒温鼓风干燥箱中，在105 ℃下干燥10 h后，每隔0.5 h测量称重，最后2次称量之差小于0.02 g时，即可认为柠条样本已经干燥，再根据公式(1)可算出每个柠条样本的含水率。整个干燥称重过程中操作过程熟练，动作迅速，以减小试验误差。测试结果表明，柠条茎秆的含水率约在30%～40%之间。

1.3 试验方法

为寻找平茬位置、生长年龄对柠条茎秆的拉伸与剪切力学性质影响的规律，对平茬位置x1、生长年龄x2分别进行编码，为考察各因子效应及互作效应，采用完全随机区组设计，具体方案如表1所示。

表1柠条茎秆力学性能试验的因素和水平

Table1 Levels and factors of Caragana stalk mechanical property

水平Level平茬位置Location生长年龄Age-1近根部31中上部4

其中，平茬位置的近根部区域为柠条茎秆地面上方50～200 mm区域，中上部区域为柠条茎秆地面上方500～1 000 mm区域(图3)。

图3 平茬位置水平示意图Fig.3 Diagram of cutting position level

采用完全随机区组设计方法[17]，对柠条茎秆拉伸试样进行拉伸试验，得到试验结果如表2所示。

表2 柠条茎秆试样拉伸断裂强度的试验结果Table 2 The test result of tensile breaking strength of Caragana stalk

采用完全随机区组设计方法，对柠条茎秆剪切试样进行剪切试验，试验结果如表3所示。

2 结果与分析

对获得的拉伸试验数据进行完全随机区组设计试验分析，柠条茎秆拉伸特性方差分析结果如表4所示。

表3 柠条茎秆样本剪切试验结果Fig.3 Shear test results of Caragana stalk sample

表4 柠条茎秆拉伸特性方差分析Table 4 ANOVA of Caragana stalk tensile property

柠条茎秆断裂强度范围检验分析结果如表5所示。

表5 拉伸断裂强度多重比较Table 5 Duncan’s multiple range test of tensile stress

方差分析结果表明，平茬位置和生长年龄对柠条茎秆拉伸断裂强度效应均极显著，显著性检验概率P值分别为0.0005和<0.0001，其中，生长年龄对柠条茎秆拉伸断裂强度的影响高于平茬位置对其的影响，两因子互作的拉伸断裂强度效应不显著。柠条近根部位置的拉伸断裂强度高于中上部，4年生长期的拉伸断裂强度高于3年生长期。影响柠条拉伸断裂强度的主要因子是生长年龄，平茬位置次之。模型的决定系数达0.9692，具有较高的拟合精度。

对剪切试验数据采用完全随机区组设计试验分析，得到柠条茎秆剪切特性方差分析结果(表6)。

表6 柠条茎秆剪切特性方差分析Table 6 ANOVA of Caragana stalk shear property

柠条茎秆剪切强度范围检验分析结果如表7所示。

表7 剪切强度多重比较Table 7 Duncan’s multiple range test of shearing stress

3 讨论与结论

本文通过柠条茎秆的拉伸与剪切试验，研究了平茬位置与生长年限对柠条生物力学性质的影响规律。试验测得柠条茎秆的抗拉强度均值为138 N·mm-2，柠条茎秆的抗剪强度均值为35 N·mm-2。柠条茎秆的拉伸断裂强度与平茬位置和生长年龄都密切相关，且生长年龄对其试验指标的影响大于平茬位置对其的影响。柠条茎秆的抗剪强度与生长年龄密切相关，而与柠条的平茬位置关系不大，因此在设计平茬作业机具时，需考虑平茬柠条的生长年龄。

(1)生长年龄的影响

柠条随着年龄的生长，其茎秆的木质化程度逐年增加，导致其抗拉强度与抗剪强度随之增大。因此，在柠条茎秆木质化程度较低的情况下，更适合平茬作业，同时多年生的柠条由于茎秆木质化过高，不仅平茬复壮效果较差，且其茎秆营养价值也所剩无几。

(2)平茬位置的影响

试验表明，柠条茎秆的拉伸断裂强度随平茬位置的上移而减小，柠条茎秆根部组织结构抗拉性能强于其中上部的组织结构。因此，在保证平茬复壮要求的前提下，柠条收获机的切割锯盘应选取柠条的较高部位进行切割平茬，可降低切割阻力与功耗。柠条茎秆的抗剪强度与平茬位置关系不大，柠条收获机在平茬作业过程中考虑剪切强度影响时，只需确保柠条平茬位置满足次年平茬复壮要求即可。

该结论与研制柠条联合收获机时圆盘锯式切割部件进行响应面试验的优化结果相吻合[13，14]，从柠条联合收获机的关键部件设计与柠条茎秆材料本身的拉伸、剪切特性两个角度获取切割作业时的平茬参数，为柠条平茬收获提供理论参考。