甜叶菊秧苗茎秆拉伸力学特性试验研究

于凤超，李晓英，贝桂芝，郭小立，曹鸣乾，赵晓顺

（1.河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001；2.任丘市农业农村局，河北 任丘 062550；3.任丘市石门桥镇农业综合服务中心，河北 任丘 062550；4.任丘市益泽机械制造有限公司，河北 任丘 062550）

甜叶菊是我国引进的一种新型甜料作物，在我国种植已有30多年历史。从甜叶菊中提取的甜菊糖具有甜度高、热量低的特点，深受消费者喜爱，其产品被广泛应用在食品、医疗等领域[1-3]。我国甜叶菊产量巨大，2018年，我国甜菊种植面积达到1.81×104hm2[4-5]。虽然我国的甜叶菊需求量及产量巨大，但甜叶菊种植机械化水平很低。

甜叶菊主要采用前期育苗，后期对秧苗进行移栽的种植模式，甜叶菊秧苗状态可分为钵苗和裸苗两种。目前，裸苗种植是甜叶菊种植的主要方式，裸苗种植对甜叶菊秧苗的苗龄和苗高有着严格要求[6-7]；由于裸苗种植过程中甜叶菊秧苗与机械或者操作人员直接接触，拉伸破坏为秧苗主要伤苗形式。甜叶菊茎秆的拉伸力学特性是影响甜叶菊机械化作业的重要因素之一[8-10]。本文分别对甜叶菊秧苗茎秆的上部和下部进行了拉伸试验，测定了秧苗茎秆遭到破坏时受到的最大拉力、抗拉强度和最大变形等参数，试验结果可为甜叶菊所需的移栽机构、取苗机构、喂苗机构等结构的设计与优化提供参考和理论依据，对实现甜叶菊机械化种植，促进甜叶菊产业化发展具有重要意义。

1 甜叶菊秧苗力学特性研究

1.1 试验材料与工具

本试验以甜叶菊谱星六号为研究对象。所用样本选用无病无损伤的健康秧苗。首先，对甜叶菊秧苗的密度与含水率进行了测量，测得密度为0.649 g/cm3，含水率为82.51%。

试验仪器采用上海衡翼精密仪器有限公司生产的HY-0580型电子万能材料试验机，见图1。由电脑进行控制，额定负荷5 kN。在试验运行过程中，电脑可以实时动态显示加载力大小和甜叶菊秧苗茎秆变形量曲线，并可以实现试验数据的采集与保存。除万能试验机外，此试验还需直尺、游标卡尺、剪刀等工具。

图1 HY-0580型电子万能材料试验机Fig.1 The HY-0580 electronic universal material testing machine

1.2 试验方法

本次试验在河北农业大学力学性能实验室进行。用直尺测量甜叶菊秧苗长度，如图2（a）所示。将甜叶菊秧苗的中点作为分界点，并用剪刀将甜叶菊秧苗分为上部下部两部分，其中靠近根部的为下部，如图2（b）所示。进行拉伸试验时，将秧苗茎秆上下两端固定于夹具上，探头加载速度设定为10 mm/min，运行万能材料试验机，试验结束后记录数据，共进行10组试验。

图2 甜叶菊秧苗Fig.2 The stevia seedlings

1.3 试验结果

依据10组甜叶菊秧苗拉伸试验，试验结果如表1所示。由表可得甜叶菊秧苗的甜叶菊秧苗下、上两部分的平均抗拉强度分别为11.77 MPa和3.14 MPa。

表1 试验结果Tab.1 The test results

2 结论

甜叶菊秧苗茎秆的的拉伸力学性质对机械作业具有重要的影响。其抗拉强度力学性能指标在很大程度上决定了甜叶菊机械作业的伤苗情况。

抗拉强度的计算公式为：

式中：σ——抗拉强度，MPa；Fb——试样拉断时所承受的最大力，N；S0——试样原始横截面积，mm²。

甜叶菊秧苗下部在遭到破坏时受到最大力、抗拉强度、最大变形量和最大力伸长率都要大于秧苗上部。甜叶菊秧苗茎秆上部茎秆较嫩，茎秆直径更细，相较于下部，更容易发生拉伸破坏，甜叶菊秧苗茎秆下部更靠近根部，茎秆更成熟，更不容易发生拉伸破坏。在甜叶菊种植作业及其实验过程中，操作人员应该尽量手持甜叶菊秧苗下部，以免对秧苗造成损伤。甜叶菊种植机械的设计与优化过程中，应该尽量避免甜叶菊秧苗上部与机构的接触。