谷子秆茎断裂特性与拉伸试验研究

闫 安，赵 军，张海洋

（1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 1637112；2.黑龙江八一农垦大学 农学院，黑龙江 大庆 163711）

谷子学名Setaria italica，属禾本科的一种植物。古称稷、粟，亦称粱，谷子经脱皮后成为小米。谷子作为一年生草本植物，在20世纪的中国仍为主要粮食作物，后因水稻、玉米等作物的大量种植，导致谷子种植面积减少，产量下降[1-4]。

随着人们生活水平的提升，人们越来越注重食品营养，而谷子由于含丰富的蛋白质、脂肪和维生素等营养，受到人们的喜爱。据中央卫生研究院的分析，谷子含蛋白质9.7%，脂肪1.7%，碳水化合物77%，而且在每100 g 小米中，含有胡萝卜素0.12 mg，维生素B10.66 mg 和维生素B20.09 mg 以及烟酸、钙、铁等[5]。由于谷子种植历史以亚洲大陆为主，因此谷子在发达国家（如美国、加拿大、法国、澳大利亚等）仅有少量种植并且主要以饲草形式种植，采用牧草类收获机器进行收割[6-9]。而我国谷子始终作为主要杂粮作物生产。截至20 世纪80年代末期，谷子在全国的播种面积约150×104hm2，成为重要的杂粮作物[10]。谷子的收获虽采用机械化，但收获机械都选用其他收获机的改装机，虽然效果普遍可使谷农满意，但相对于水稻、大豆等仍有差距。

谷子收获的第一步是将谷子通过分禾轮和割台从田间输送到收获机的喂料口，在谷子收获时，往往因谷子自身秆茎过长，造成割台搅龙的缠绕，进而导致谷子无法更好的喂入收获口，因此探寻谷子秆茎的力学性质，为解决谷子秆茎缠绕的问题提供更有利的数据支持。文章采用龙谷31 号为研究对象，对谷子茎节进行拉伸试验，测量谷子秆茎间茎节连接力，并对谷子秆茎的各个部位连接力进行分析，探寻变化规律[11]。

1 材料与方法

1.1 测量材料

试验谷子的品种为龙谷31号，收获于黑龙江八一农垦大学附属的安达县试验田，收获样品时间为2021 年9 月，收获样本采取人工收割打捆运输，并处理成秆茎试验切割样本。谷子秆茎呈现细长条状，且茎节分明，秆茎高度可达800～1 100 mm，秆茎直径3.06～8.58 mm，且随着高度的增加直径减少，秆茎末端连接谷码与谷穗，秆茎底端较粗，谷子底部秆茎含水率为25.7%。

1.2 仪器设备

本试验所需工具及仪器如下：50 分度游标卡尺，量程0～150 mm；水分测定仪，型号MS-100；微机控制电子万能试验机，型号CTM2050，选取力学传感器型号为S9M，量程范围0～50 kg。其中CTM2050型号微机操控电子万能试验机见图1。

图1 CTM2050型微控电子万能试验机Fig.1 The CTM2050 micro controlled electronic universal testing machine

1.3 测量方法

谷子植物秆茎不同位置的茎节直径也各不相同，且直径大小由下到上逐节降低，谷子在成熟后一般长有9～13 节茎节，为更好地测得谷子秆茎的力学性质，将谷子秆茎分为上、中、下3 部分，见图2。使用游标卡尺分别测量各部位茎节直径，测得谷子上端秆茎直径3.06～4.72 mm，中端秆茎直径4.54～5.22 mm，底端秆茎直径5.04～8.58 mm。随机选取10 株谷子茎秆，随后分别取其上、中、下部分各一节茎节作为试验材料，测量茎节拉伸变化时，以每个茎节为试验单位，由公式1分别测得茎节直径。茎节材料处理见图3。

图2 谷子秆茎部位示意图Fig.2 The schematic diagram of millet stem

图3 秆茎拉伸试验材料Fig.3 The stem tensile test material

2 试验研究

2.1 试验过程

试验前，首先调节上下两端夹具，使夹具两端距离适当，取谷子秆茎拉伸试验材料，将其固定于上下两端夹具并夹紧，如图4 所示。开始测试；试验机活动横梁以预设的速度5 mm/min 匀速移动，谷子茎节被缓慢拉扯，在茎节受力拉伸时，系统开始记录S9M 传感器信号数据；谷子秆茎茎节因拉伸断裂分开，拉伸力消失，出现瞬间载荷衰减60%载荷峰值时，系统控制活动横梁运动停止，以此算作一次拉伸试验，测试结束；查看载荷曲线，对所获得的数据进行保存。移动横梁进行复位，回归到初始位置，为下一次拉伸试验做准备，重复试验10 株谷子，每株分上、中、下部，各进行1 次试验。茎节拉伸断裂过程见图5。

图4 茎节夹紧固定Fig.4 The clamping and fixing of stem joint

图5 拉断过程（a装夹b拉断）Fig.5 The breaking process

2.2 试验结果与分析

2.2.1 茎节断裂特性

由于谷子在收获过程中，会受到搅龙和根茎的拉伸，导致茎节在此期间压扁，通过查阅资料可知，谷子茎节拉伸力主要由茎节内部纤维导致，因此茎节形状对拉伸结果没有影响。通过CTM2050试验机对秆茎进行试验测试，得到谷子秆茎间连接力曲线主要呈现形式为：当拉力曲线位置到达某一距离时，谷子秆茎的茎节瞬间断裂。

由断裂曲线可以看出，曲线达到A 点之前趋势平稳可分为以下阶段：拉伸力曲线先小幅度上升，随后呈现平稳曲线，在经过持续平稳上升后曲线达到A 点时，产生瞬间断裂曲线，拉伸力显示大幅度降低，并由于机器载荷消失，设备停止拉伸，此阶段谷子秆茎茎节之间已完全断裂分离，秆茎茎节状态见图6。

图6 拉力曲线Fig.6 The tension curve

2.2.2 茎节位置及直径对断裂所需力的影响

记录拉断曲线峰值，即为谷子秆茎茎节间连接力的值，在不同的谷子秆茎茎节的直径与茎节长度范围下，测得谷子茎节拉力数值，见表1。绘制秆茎连接力与直径和茎节长度范围曲线见图7、图8。

表1 试验测定拉力值Tab.1 The tensile force measured by test N

图7 不同茎节长度下茎节直径对连接力的影响Fig.7 The effect of stem node diameter on connecting force under different stem node length

图8 不同茎节直接下茎节长度对连接力的影响Fig.8 The effect of stem node length on connecting force under different stem node direct

由不同秆茎的茎节长度和茎节直径与连接力曲线图可知，连接力随着茎节直径增大而增大。利用SPSS软件分别对不同长度范围的茎节下曲线做线性回归分析，结果见表2。6组的数据线性回归皆显著，由此可证明在试验秆茎长度范围内，茎节间的连接力与茎节直径均呈现线性关系。对所得的线性回归模型分析，得到分析模型斜率分别为1.697、1.945、2.499、2.468、2.119、2.226，均体现为正相关，且当秆茎茎节长度增加时，斜率也随之增加。这说明，茎节直径越大，茎节间连接力可随着上升，当茎节长度增加时，茎节直径对茎节间连接力的影响也就越大。

表2 茎节长度范围对连接力影响线性回归模型Tab.2 The linear regression model of influence of stem node length range on connecting force

2.2.3 谷子秆茎茎节长度对秆茎间茎节连接力影响

根据不同谷子秆茎的茎节长度的区间范围与谷子秆茎茎节的连接力得到的曲线图可知，连接力随着茎节长度范围增加而增大，利用SPSS软件分别对不同秆茎的茎节直径下的曲线做线性回归分析，结果见表3，5组数据均显著，为此证明秆茎茎节的长度与茎节直径呈线性关系。分析线性模型的回归关系，模型斜率的结果为1.643、1.833、2.170、2.107、1.915、1.920，均为正相关，且随着茎节的直径增加斜率也随之增加，这也证明了当茎节长度增加时，茎节间的连接力也随之改变，其力的数值也越大。

表3 茎节直径对连接力影响线性回归模型Tab.3 The linear regression model of influence of stem node diameter on connecting force

2.2.4 试验结果分析

根据上述可知，秆茎茎节长度与秆茎直径对秆茎茎节存在影响，且当茎节长度与茎节直径增加时，秆茎茎节间的连接力也随之增大，伴随着茎节的直径越大茎节长度对连接力影响效果也越显著，同理，茎节长度越高，秆茎茎节直径对茎节间连接力的影响效果也越显著。谷子秆茎由下向上生长，因此秆茎下端茎节生长时间长，直径相对于中、上端要粗，因此下端茎节的连接力也较大；而上端部分的茎节生长时间短，为此上端部分茎节直径小、茎节间连接力也较小。鉴于谷子秆茎的结构和生长性质等特点造成的谷子秆茎茎节间连接力从下端部分到上端部分的连接力不断增大，且随着各茎节间茎节长度增大而增大。因此在茎节长度较长的部分，茎节间连接力较为显著增加，将给割台搅龙收获喂入时造成缠绕，为后续收获造成困难，影响收获效率。

3 结论

（1）测量谷子秆茎各部位的茎节直径，得到结论，谷子茎节各部位直径不同，符合谷子植株从底端向上生长的特点，茎节位置越靠上部，直径越小。

（2）通过谷子秆茎茎节拉伸试验得到的茎节拉伸力曲线，显示谷子秆茎茎节在收获过程中瞬间断裂的情况，观察试验得到茎节长度越短，直径越小，瞬间断裂得越快。

（3）探究了谷子秆茎茎节长度、直径与连接力的关系，分别对这因素进行分析，可得知两因素与茎节间连接力线性关系显著。通过分析线性回归方程，可以得出斜率伴随茎节直径和茎节长度增大而上升。为此在割台搅龙进行收获时，需要调整相应力度，以应对因秆茎连接力增大的收获难度。