王東洋，金　鑫，姬江濤，楊傳華，王世光

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽　471003；2.佳木斯大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯　154003；3 .中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京　100083)

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典型農(nóng)業(yè)物料機械特性研究進展

王東洋1，金鑫1，姬江濤1，楊傳華2，王世光3

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，河南 洛陽471003；2.佳木斯大學(xué) 機電工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯154003；3 .中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，北京100083)

摘要：農(nóng)業(yè)物料的機械特性不僅為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)裝備研發(fā)、工藝過程檢測與控制等方面提供理論依據(jù)，而且其在一定程度上決定了農(nóng)業(yè)新技術(shù)的發(fā)展方向。為此，以我國主要糧食作物(水稻、小麥、玉米)和重要經(jīng)濟作物(油菜、棉花)為對象，從生物力學(xué)、理論力學(xué)和材料力學(xué)角度，分析總結(jié)了作物關(guān)鍵部位機械特性的研究進展，并結(jié)合現(xiàn)有研究成果對物料機械特性的研究方向進行了展望。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物料；機械特性；研究進展

0引言

農(nóng)業(yè)物料通常是指與工業(yè)工程直接相關(guān)的動物、植物、微生物等農(nóng)產(chǎn)品及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)直接相關(guān)的一些生產(chǎn)資料(如種子、果實、莖稈等)。農(nóng)業(yè)物料的種類不同，其機械特性也不同。農(nóng)業(yè)物料的機械特性主要包括農(nóng)業(yè)物料的基本物理特性、力學(xué)特性，以及某些特性之間的相互影響[1-2]。近幾年，隨著農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)業(yè)精細(xì)化的不斷發(fā)展，國內(nèi)外的不少專家學(xué)者對農(nóng)作物的機械特性做了大量的研究。本文回顧了小麥、玉米、大豆、油菜和棉花典型農(nóng)作物機械特性的研究進展，總結(jié)了研究中的問題，并對以后的研究方法提出了一些建議和展望。

1小麥機械特性研究

1.1小麥莖稈機械特性

小麥莖稈的彈性模量、剪切強度、彎曲強度極限、和抗拉極限等機械特性對小麥莖稈的抗倒伏性有顯著影響。研究小麥莖稈的這些機械特性可為解決小麥莖稈倒伏和折斷問題提供參考。因此，國內(nèi)外的不少學(xué)者從不同的方面、運用不同的實驗原理和方法對小麥莖稈的機械特性做了大量的研究。

梁莉等[3]運用生物學(xué)理論和研究方法，以不同生長期的小麥莖稈為實驗對象進行拉伸、彎曲和剪切實驗，全面研究了小麥莖稈生物力學(xué)性質(zhì)與形態(tài)、生理指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系，得出了結(jié)論：①小麥莖稈材料的各生物力學(xué)指標(biāo)與小麥莖稈形態(tài)、各生理指標(biāo)有不同的相關(guān)度；不同生長期，不同品種的小麥其生物力學(xué)性質(zhì)有較大的差異。②隨著小麥的生長，莖稈含水率對莖稈各生物力學(xué)性能的影響逐漸減小。該研究為建立實用的生物力學(xué)評價體系奠定基礎(chǔ)。運用生物力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)評價莖稈，可指導(dǎo)農(nóng)藝和發(fā)展農(nóng)業(yè)新技術(shù)。

王秀娥等[4]運用復(fù)合材料力學(xué)理論，從微觀組織結(jié)構(gòu)入手，揭示小麥莖稈宏觀力學(xué)性能與微觀組織之間的內(nèi)在關(guān)系，測定了小麥成熟期莖稈的力學(xué)性能(小麥莖稈的抗拉強度為30.36～52.65MPa，彈性模量為1.14～2.05GPa)，研究了莖稈軸向拉伸和壓縮應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律；試驗觀察了莖稈的微觀組織結(jié)構(gòu)，得到了莖稈掃描電鏡下的解剖構(gòu)造圖像(見圖 1)；分析了小麥莖稈承載能力與微觀組織結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，建立了莖稈橫截面的力學(xué)模型。研究發(fā)現(xiàn)：小麥莖稈是一種典型的多相、篩狀、不連續(xù)、不均勻和各向異性的復(fù)合材料，莖稈具有較高的強度和良好的彈性，其承載能力取決于機械組織的厚度、維管束的數(shù)量及各組織及其細(xì)胞之間的連接形式和連接強度。小麥莖稈力學(xué)性能與微觀組織之間內(nèi)在聯(lián)系為莖稈回收利用及開發(fā)新型天然材料提供了參考。

袁志華等[5]運用三點彎曲試驗方法，研究了小麥莖稈力學(xué)特性與氮、磷、鉀含量之間的關(guān)系，以周麥18號、溫麥6號、矮抗58號、鄭麥9023為材料，在孕穗期，測試了第2、3、4節(jié)間去鞘莖稈的抗彎剛度、彎曲強度、彈性模量、慣性矩等力學(xué)特性，以及氮、磷、鉀含量。運用灰色系統(tǒng)理論和統(tǒng)計學(xué)原理，對力學(xué)特性與氮、磷、鉀含量之間的關(guān)系進行定量分析。研究結(jié)果表明：孕穗期，彈性模量、慣性矩、彎曲強度在品種之間的差異顯著；慣性矩與鉀/氮含量比值的關(guān)聯(lián)度最大；在一定范圍內(nèi)，慣性矩與鉀/氮含量比值成正相關(guān)。這一理論為小麥精準(zhǔn)施肥，增強莖稈抗倒伏性能，提高籽粒產(chǎn)量提供參考依據(jù)。

(a)　橫截面　　　　　　　　(b)　縱截面

趙多佳等[6]對不同節(jié)和不同含水率小麥莖稈的抗拉性能進行對比試驗，分析拉力和應(yīng)力、應(yīng)變之間的力學(xué)特性及應(yīng)力—應(yīng)變的變化規(guī)律(見圖 2和圖 3)。經(jīng)過多次測量，求取了小麥莖稈的彈性模量和強度極限平均值的大致范圍(自然干燥狀態(tài)下分別為3 577.5MPa和78.0MPa,含水率51.3%時分別為1 278.2MPa和64.6MPa)，為增強小麥莖稈的抗倒伏性提供了科學(xué)依據(jù)。

圖2　小麥莖稈應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖3　小麥莖稈負(fù)荷—時間曲線

圖4　小麥莖稈負(fù)荷—變形曲線

胡婷等[7]以京東8號小麥莖稈為研究對象，依據(jù)風(fēng)力學(xué)原理，運用四點彎曲實驗方法對小麥莖稈進行了彎曲實驗，建立了小麥莖稈雙層復(fù)合材料的有限元模型；對傾倒力實驗進行了數(shù)值模擬，研究了幾何和物理參數(shù)對抗倒伏性能的影響并得出了小麥莖稈抗彎綜合系數(shù)α為

(1)

式中D1—第1莖節(jié)直徑；

t1—第1莖節(jié)處的壁厚；

D2—第2莖節(jié)處的直徑；

t2—第2莖節(jié)處的壁厚；

L1—第1莖節(jié)莖長；

L2—第2莖節(jié)莖長。

1.2小麥根系機械特性

小麥的根系在生長的過程中主要受到兩個方面的外力：一是在鋤草、施肥、澆水和收割等田間管理過程中，由于人工或機械原因，必然會引起土壤狀態(tài)的變化，根系可能受到擠壓、剪切或彎曲；二是根系自身在發(fā)育伸長過程中，會受到土壤在各個方向的阻力。這些外力，對小麥生長和產(chǎn)量形成過程具有重要影響。因此，許多學(xué)者就小麥的根系特性等方面進行了研究。

郭維俊等[8]以成熟期小麥根系為研究對象，運用材料力學(xué)原理對小麥同一根系、不同部位的初生根和次生根進行了拉伸對比實驗。通過實驗得到了根的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律(見圖5),測得小麥初生根和次生根的強度極限分別為21.21～57.25MPa和3.08～13.07MPa，并依據(jù)微觀組織結(jié)構(gòu)建立了小麥根的橫截面的力學(xué)模型。通過觀察和實驗，發(fā)現(xiàn)小麥根是一種典型的多相、篩狀、不連續(xù)、不均勻、各向異性的符合材料，根具有一定的強度和良好的彈性，其承載能力取決于機械組織厚度、維管束數(shù)量及各組織及其細(xì)胞之間的連接形式和連接強度。該研究提供了進一步認(rèn)識小麥特定生長期根系與土壤相互作用力學(xué)原理的依據(jù)。

圖5　小麥根拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

胡軍成等[9]以小麥不同類型根系在植株不同節(jié)位的拓?fù)潢P(guān)系和不同類型根系幾何結(jié)構(gòu)隨生物進程的動態(tài)變化為研究目的，基于小麥根系實驗，研究不同結(jié)構(gòu)單元小麥根系的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系及形態(tài)結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化規(guī)律，建立了根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及形態(tài)的模型和根系伸長過程線性方程式(2)和根系總長度方程式(3)，對模型的敏感性進行了驗證性實驗分析。通過分析發(fā)現(xiàn)：不同生育時期小麥總根長和根系數(shù)量的均方差與相對誤差分別為370.68cm和1.27個，相對誤差分別為0.27和0.16，模擬值和實驗觀測值之間具有較好的一致性和符合度。根系生長形態(tài)模型的建立對提高小麥水分和養(yǎng)分的吸收利用率和耕生長期小麥的耕作管理方式提供參考。則在

(2)

(3)

其中，GDD(growing degree-day)表示生長度日(℃·d)；RLGDDm×n×o×p(root length at GDD)表示第m分蘗第n節(jié)位第o條1次分枝上第p條2次分枝在GDD時的長度(cm);RLMAXk表示k次分枝根的最大長度(cm)；RPAm×n×o×p(relative physiological age at GDD)表示第m分蘗第n節(jié)位第o條1次分枝上第P條2次分枝在GDD時的相對生理年齡(℃·d);GDDFLRk(growing degree-day reaching final root length)表示為k次分枝根類定長時所經(jīng)歷的生長度日(℃·d)；TRLGDD(total root length at GDD)根系總長度(cm)；k表示分枝級數(shù)。

2玉米機械特性研究

2.1玉米秸稈的機械特性

玉米秸稈的主要力學(xué)性能指標(biāo)包括：抗剪、抗彎、抗壓、彈性模量及強度極限等，運用材料力學(xué)和工程力學(xué)等其它的基本理論和基本方法，研究玉米秸稈的抗剪、抗拉和抗壓的機械特性問題，為玉米秸稈材料的工業(yè)利用開發(fā)提供必要的實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，并可為玉米收獲及其秸稈的加工機械的研發(fā)與設(shè)計提供有價值的參考。

高夢祥等[10]以自然條件下未受雨淋、通風(fēng)堆放的玉米秸稈為試驗材料，以莖葉含水率、葉鞘含水率、莖稈直徑、莖稈含水率，以及葉鞘所處莖稈的部位為試驗因素進行了正交試驗。對玉米莖稈的莖葉連接力、葉鞘的抗拉特性和莖稈、葉鞘的沖擊特性進行了測試，試驗測得莖葉連接力為0.7～16N，莖稈的葉鞘抗拉力為3～12N，葉鞘的抗沖擊能量為0.5～3.8J，莖稈抗沖擊能量為2.3～42.8J。通過分析試驗數(shù)據(jù)得出結(jié)論：①莖葉連接力與葉鞘所處莖稈部位、莖葉含水率密切相關(guān)；②葉鞘不同方向上抗拉力不同，橫向抗拉力為0.6～5.5N，縱向是橫向的2～4倍，并與葉鞘的含水率密切相關(guān)；③葉鞘與莖稈的抗沖擊能量與葉鞘含水率、莖稈含水率、莖稈直徑及莖稈的保存方式密切相關(guān)。該實驗結(jié)論可為研究玉米莖葉分離設(shè)備的研究提供參考。

陳艷軍等[11]以簡支梁和懸臂梁為理論依據(jù)，設(shè)計了玉米莖稈彎曲強度和彈性模量測定儀，以抗倒伏性為評價指標(biāo)，對5種不同玉米品種的秸稈進行了力學(xué)性能測試。結(jié)果表明：①對于不同品種的玉米莖稈，當(dāng)彎曲強度減小時，其抗倒伏性能降低；②玉米莖稈的抗倒伏性隨著莖稈的彈性模量的降低而降低；③不同玉米品種的抗倒伏能力與其彎曲強度和彈性模量均呈正相關(guān)關(guān)系。

于勇等[12]以玉米秸稈不同部位的含水率為研究對象，以最大拉伸力為試驗參數(shù)，通過把整株玉米莖稈分成5段，對含水率不同的不同段的莖稈進行了拉伸特性試驗。試驗結(jié)果表明：①玉米莖稈同一部位的最大拉伸力隨著含水率的提高而下降；②在相同的含水率下，不同部位的玉米莖稈的最大拉伸力值存在較大差異，越接近根部，最大拉伸力值越大；③玉米莖稈不同部位對其最大拉伸力的影響，大于含水率的影響。這一研究對指導(dǎo)玉米的種植管理和玉米莖稈回收利用的設(shè)備的研發(fā)具有指導(dǎo)意義。

吳之岳等[13]利用當(dāng)年自然風(fēng)干的玉米莖稈為試驗材料在自制的秸稈切碎試驗臺上對兩端自由支撐的玉米秸稈的切斷功耗和切斷速度進行了三因素(切割方式、受切根數(shù)、含水率)兩水平(切割速度、切割功耗)正交試驗，對各種因素進行了定量分析。分析表明：切割方式對切割速度的影響最大，受切根數(shù)影響切斷功耗最顯著。針對秸稈、根茬切碎機的設(shè)計要求和實際切割條件，對受切根數(shù)進行了單因素試驗，分析了切斷速度和切斷功耗的變化趨勢，試驗測得了在兩端自由支撐條件下保持13.6mm/s的切割速度，完全能切斷雙根玉米秸稈。研究為玉米的收獲和秸稈粉碎機械的設(shè)計提供了理論的參考。

袁志華等[14]從力學(xué)角度利用勢能駐值原理研究了玉米秸稈的抗倒伏特性，建立了玉米植株的簡化力學(xué)模型(見圖 6)，得到了整株玉米抗倒伏性狀的參數(shù)關(guān)系式，根據(jù)式(4)可得出結(jié)論：①莖粗系數(shù)(莖粗/莖高)值越大，莖稈越不易倒伏；穗高系數(shù)(穗高/莖高)值越小，莖稈越不易倒伏；增大莖粗系數(shù)，減小莖高系數(shù)可以提高玉米植株的抗倒伏性。②莖稈的截面慣性矩越大，越不易倒伏；在截面積相同的情況下，空心稈比實心稈的截面慣性矩大，培育出空心稈的玉米，可進一步增強玉米的抗倒伏能力。研究為培育抗倒伏玉米新品種和玉米的田間管理方法的發(fā)展提供了新的理論基礎(chǔ)。式(4)為

(4)

(a)　玉米植株的簡化　　　　　(b)　玉米植株倒伏的臨界

曹玉等[15]以秸稈切割功耗、秸稈切割力為評價標(biāo)準(zhǔn)，以切割速度、切刀與秸稈相對位置和定刀形式為影響因素進行了玉米秸稈切割過程的正交試驗。研究發(fā)現(xiàn)：①切割速度越大，峰值切割力和切割功耗越??；②定刀形式對玉米植株的切割功耗和切割力的影響很大；③在同樣的切割速度下，單定刀片所需的切割功耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙定刀片；④當(dāng)切割速度一定，削切角在20°左右時，峰值切割力和切割功耗比橫斷切和其它削切角度時都小，且切割性能較優(yōu)。這一研究，為確定秸稈切割裝置的設(shè)計提供了參考。

李耀明等[16]為了探究切割角、切割速度、切割位置、莖稈外皮和節(jié)點等因素對切割力及功耗的影響，利用自制擺切式莖稈切割試驗臺，采用懸臂梁稱重傳感器、高頻數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件組成的測試系統(tǒng)對玉米莖稈進行了切割力學(xué)性能影響因素實驗。實驗結(jié)果表明：①峰值切割力和切割功耗隨著切割速度的增大和切割位置的增高而減??；切割速度為1.7和2.2m/s時，峰值切割力和切割功耗比切割速度為1.1m/s時降低了24.1%和39.3%。②當(dāng)切割速度一定時，切割角為20°左右時，切割性能較好。③峰值切割力和切割功耗隨著在節(jié)點處比在節(jié)間增加56%，外皮所需切割力占63%～83%。該研究對降低功耗及機器磨損，提高收割機的作業(yè)效率具有重要意義。

陳爭光等[17]以玉米莖稈皮的拉伸和剪切特性為目標(biāo)，以抗拉強度和剪切強度分別作為拉伸和剪切實驗的評價指標(biāo)，以含水率和取樣高度為抗拉強度的實驗因素，含水率、取樣高度和剪切速度為莖稈抗剪強度試驗因素進行了二次回歸正交旋轉(zhuǎn)實驗。實驗結(jié)果表明：①含水率對玉米莖稈皮的抗拉強度影響顯著，玉米莖稈皮的抗拉強度隨著取樣高度的增加而減小，在含水率為30%、玉米莖稈下部稍偏上的位置的莖稈皮的抗拉強度最大，達(dá)到67.2MPa。②取樣高度對玉米莖稈皮的剪切強度的影響不顯著，含水率和剪切速度對玉米莖稈皮的剪切強度影響較顯著。當(dāng)含水率較高時，玉米莖稈皮的剪切強度隨剪切速度的提高而提高，最高值可達(dá)18MPa。該研究為玉米秸稈皮穣葉分離機械的設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化提供有價值的理論參考。

2.2玉米根系的機械特性

玉米根系的力學(xué)特性和形狀等機械特性影響著玉米植株地上部分的生長發(fā)育狀況。因此，研究玉米根系對提高玉米產(chǎn)量和抗倒伏意義重大。

鄭朝元等[18]從植物根系原位固土機理入手，采用自制的剪切箱和錨桿拉力機對玉米根系在10cm和20cm兩個深度和空地樣方的固土能力進行了原始測定比較。測定結(jié)果表明：施加相同載荷時，兩種深度空地樣方位移大于有根玉米樣方；20cm深度樣方位移為4個樣方中最小，即作物扎根越深，達(dá)到剪切分離樣方特征點所需的載荷越大。該方法直接量化測定玉米根系的固土能力，為農(nóng)業(yè)水土保持領(lǐng)域開展水土保持評價提供了有效的理論依據(jù)。

袁志華等[19]以材料的拉伸力學(xué)特性為依據(jù)，對玉米根系的拉伸特性進行了測試，測取了豫單5766和浚單18兩個玉米品種不同直徑根系的最大拉力及抗拉強度，分析了玉米根系的拉伸特性。測試數(shù)據(jù)表明：在根系受拉后的初始階段，拉力變形線為直線，外皮破裂后，拉力變形線為曲線，其變形屬于非線性變形；玉米根系的抗拉強度不僅與品種有關(guān)，還與根的直徑的大小有關(guān)；不同品種的抗拉強度不同；同一品種，直徑越大，抗拉強度越小。這一研究為玉米育種和玉米根茬破碎機械設(shè)計提供了理論的支持。

3水稻莖稈機械特性

水稻莖稈的機械特性一直是眾多學(xué)者的研究對象。目前，國內(nèi)外是許多專家對水稻秸稈的機械特性進行了深入的研究。

H．Tavakoli等[20]利用伊朗廣泛種植的兩個水稻品種的秸稈進行了水稻秸稈力學(xué)的研究，并對兩個品種水稻力學(xué)特性進行了分析對比。對比發(fā)現(xiàn)：兩個品種的水稻在力學(xué)特性上有顯著差異；同一品種水稻，其剪切強度和彈性模量都隨著取樣高度的增加而減小。這一研究成果對水稻的收獲、脫粒和加工機械的設(shè)計提供了理論參考。

姜元華等[21]以雜交秈粳稻為研究對象，選用雜交粳稻、常規(guī)粳稻和雜交秈稻為對比參照對象在機插條件下進行了不同品種水稻莖稈的力學(xué)特性對比實驗；運用質(zhì)構(gòu)特性分析方法測定了莖稈的載荷-時間，穿刺-時間特征。根據(jù)測得數(shù)據(jù)評價了4種類型水稻品種的抗倒性差異，抗倒伏性：秈粳雜交稻﹥雜交粳稻﹥常規(guī)粳稻﹥雜交秈稻。同時，從理化角度對其差異的形成機理進行了初步的探索，明確了機插條件下秈粳雜交稻具有較強的抗倒性能。研究結(jié)果為機械化抗倒栽培提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

向波等[22]從力學(xué)角度出發(fā)，選取5個田間表現(xiàn)抗倒性較強的品種，測量了早晚稻稈節(jié)間的彈性模量和拉伸強度極限，以及不同時期干物質(zhì)量，并做了顯著性測驗和多重比較，同時做了相關(guān)性狀的相關(guān)分析。結(jié)果表明：不同品種莖稈同一節(jié)間的彈性模量和拉伸極限強度存在差異，差異顯著性受品種的遺傳特性、節(jié)間位置和發(fā)育時期影響；節(jié)間橫實截面積、節(jié)間莖粗、節(jié)間莖壁厚與節(jié)間拉伸強度極限、彈性模量存在負(fù)相關(guān)。這一研究對提高水稻莖稈力學(xué)性質(zhì)有重要的意義。

段傳人等[23]從材料力學(xué)方面入手，通過比較高、中、矮和雜交典型水稻品種莖稈的細(xì)觀機構(gòu)，測定了水稻莖稈的拉伸強度極限和彈性模量，分析其細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的關(guān)系，認(rèn)為水稻莖稈是典型的生物復(fù)合材料，有著優(yōu)良的力學(xué)性能，能起到支撐和抗倒伏的作用。研究結(jié)果表明：中稈類型水稻莖稈的結(jié)構(gòu)更為合理，拉伸強度極限和彈性模量最大；其大、小維管束目最多，莖粗、莖壁厚中等，抗倒伏能力最強。研究結(jié)果為高產(chǎn)抗倒伏水稻品種的育種提供了參考。

袁志華等[24]利用力學(xué)理論和方法，建立了水稻莖稈的力學(xué)模型，根據(jù)建立的模型，分析了典型風(fēng)載荷對水稻莖稈的影響。綜合風(fēng)、雨、土壤、莖稈性狀等各種因素，給出了水稻莖稈抗倒伏的各種性質(zhì)參數(shù)的關(guān)系式(抗倒伏力矩M*，風(fēng)和莖稈自重產(chǎn)生的力矩M)，此關(guān)系式可對水稻莖稈的抗倒伏能力進行綜合評價和預(yù)測，為水稻作物的田間管理提供理論依據(jù)。

(5)

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其中，m為稻穗的質(zhì)量；m*為莖稈單位長度質(zhì)量；L為稻穗長度；L1為水稻莖稈土上部分長度；μ為土壤的摩擦因數(shù)；γ為土壤容重；h為莖稈在土中的深度，θ為根須與莖稈根部的夾角；α為根須長；P0為風(fēng)力載荷；E為莖稈彈性模量；I為截面慣性矩。

楊惠杰等[25]從生物力學(xué)和分子角度研究了水稻莖稈性狀與抗倒性的關(guān)系，以16個超高產(chǎn)水稻品種為對象進行了正交試驗，并給出彎曲力矩和倒伏指數(shù)計算公式：彎曲力矩=節(jié)間基部至穗頂長度(cm)×該節(jié)間基部至穗頂鮮重(g),倒伏指數(shù)=彎曲力矩÷抗折力×100%。試驗結(jié)果表明：莖稈較粗可孕育較大穗子；莖稈貯藏物質(zhì)對籽粒發(fā)育有積極作用；莖稈的抗折力與莖稈貯藏的干物質(zhì)量和稈壁厚度呈顯著相關(guān)；倒伏指數(shù)與株高、彎曲力矩呈顯著正相關(guān)，與稈壁厚度和抗折力呈負(fù)相關(guān)。

4棉花莖稈機械特性

棉花莖稈機械特性研究可為解決我國目前使用的棉稈收獲機械存在收獲效率較低，漏拔率和拔斷率較高，不能實現(xiàn)收獲、集堆和捆扎聯(lián)合作業(yè)等問題提供理論支撐。

沈茂等[26]依據(jù)生物力學(xué)理論，利用RGM-3005微機控制全數(shù)字化電子萬能材料試驗機對收獲期含水率為25%的棉稈底部不同段位莖稈進行了拉伸、壓縮和彎曲試驗，測得最大抗拉強度為59MPa，最大抗壓強度為18MPa，最大抗彎強度為50MPa。實驗數(shù)據(jù)所得到的拉伸載荷-位移曲線、壓縮載荷-位移曲線和彎曲載荷-位移曲線及其變化規(guī)律可以為棉稈收獲機械的起拔方式和起拔機構(gòu)的設(shè)計提供理論依據(jù)和技術(shù)參數(shù)。

王艷云等[27]選用不同節(jié)間、不同含水率為影響棉稈軸向彈性模量和抗壓強度的主要因素，利用電子萬能試驗機對棉稈進行了軸向壓縮實驗研究。實驗結(jié)果表明：棉稈在相同加載速率、不同節(jié)間、不同含水率條件下，其軸向彈性模量與抗壓強度不同；棉稈的節(jié)間位置、含水率對彈性模量和抗壓強度的影響顯著；干棉稈的彈性模量與軸向抗壓強度明顯高于濕棉稈，而彈性模量與軸向抗壓強度受節(jié)間影響。

李怡等[28]探討了土壤、棉稈直徑、起拔角度等因素對棉稈起拔阻力的影響，基于虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計了一套棉稈田間起拔力實時測量系統(tǒng)，并以土壤含水率、棉稈根部直徑、起拔角度、起拔線速度為影響因素，進行了棉稈起拔阻力測量單因素實驗。實驗結(jié)果表明：土壤含水率對棉稈起拔力存在顯著影響，棉稈起拔力隨棉稈根部直徑增大而增大。對起拔角度和起拔線速度的回歸分析表明：起拔角度對棉稈起拔力存在顯著影響，起拔線速度對棉稈起拔力的影響受土壤條件差異影響；在土壤含水率較低時，起拔線速度對起拔力影響顯著。采集的數(shù)據(jù)可為棉稈收獲機械提供參考，合理選擇棉稈收獲機械起拔角度，有利于減少動力消耗、提高生產(chǎn)效率。

沈曉陽等[29]根據(jù)制漿造紙雙螺旋磨漿機優(yōu)化設(shè)計需要，利用電子萬能試驗機對棉稈莖稈進行了順紋壓縮、橫紋壓縮和橫紋剪切實驗。通過實驗獲得棉稈莖稈應(yīng)力-應(yīng)變的有關(guān)規(guī)律(見圖 7)和強度極限。

棉稈順紋壓縮在彈性階段應(yīng)力應(yīng)變呈線性關(guān)系，平均強度極限為21.26MPa，彈性模量為2 082.65MPa；橫紋壓縮的強度極限僅為順紋壓縮的12.70%，兩者的比例與木材接近；橫壓彈性模量為124.0MPa；棉稈橫紋剪切的強度極限約為順紋壓縮的76.55%。此實驗數(shù)據(jù)可為棉稈收獲機械提供參考。

圖7　棉稈莖稈順紋壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

5油菜機械特性

5.1油菜莖稈機械特性

目前，實現(xiàn)油菜生產(chǎn)機械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于機械化播種和收割。切割是油菜收割的主要工序，油菜植株下部莖稈粗壯且堅韌，不易割斷，切割過程中，切割器對油菜莖稈沖擊作用引起莖稈振動導(dǎo)致角果炸裂損失嚴(yán)重，因而油菜收割機的割臺損失在總損失中占很大比例[30]。為此研究油菜莖稈的機械特性，具有重要意義。國內(nèi)外對油菜莖稈機械特性的研究較多。

吳明亮等[31]以莖稈力學(xué)特性參數(shù)和切割力的主要影響因素為研究對象，選擇切割方式、莖稈切割位置、切割速度和切割刀片形式為主要影響因素在自制切割試驗臺上進行了單因素和多因素，切割力測試試驗。單因素試驗結(jié)果表明；切割方式以滑切最為省力；切割速度和切割位置對切割力影響最大，切割速度越大，切割位置離地面越高，切割力越?。讳忼X形刀的切割力比光刀的切割力要小。多因素試驗結(jié)果表明：切割位置離地400mm、切割速度為200mm/s，采用鋸齒形刀滑切的方式，切割力最小。研究結(jié)果為設(shè)計工作效率高、性能可靠的切割結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

羅海峰等[32]為了提高油菜分廂收獲的適應(yīng)性，從油菜莖稈物料特性出發(fā)，研究油菜在分廂收獲過程中受到側(cè)向擠壓是所表現(xiàn)出的抗擠壓物理特性。為了獲取合理的擠壓位置、擠壓角度和擠壓力大小等工作參數(shù)，選取偏移量和擠壓力大小為測試指標(biāo)，對油菜莖稈直徑大小、擠壓部位離地高度、擠壓偏角及油菜成熟度等進行了單因素試驗。試驗結(jié)果表明：莖稈直徑、擠壓部位離地高度、擠壓偏角、成熟度等對擠壓力和偏移量影響顯著。以回彈比和單位擠壓力為評價指標(biāo)，對擠壓部位離地高度、擠壓偏角、油菜成熟度等進行正交試驗。結(jié)果表明：擠壓偏角為30°、離地高度為600mm， 中等成熟階段的莖稈擠壓效果好， 回彈比小于20%，單位擠壓力低于0.25N/mm。研究為油菜分廂成行作業(yè)機械提供了設(shè)計依據(jù)。

劉兆朋等[33]采用經(jīng)典力學(xué)測試方法，以“湘雜油743”成熟期莖稈為試驗材料，分別測定了其彈性模量、剪切彈性模量及剪切力。實驗測得：成熟期油菜莖稈彈性模量為160MPa，剪切彈性模量為11kPa，第1分支處的最大剪切力為115N。同時，得到了彈性模量、剪切彈性模量和剪切力隨含水率變化的趨勢(見圖8～圖10)，最大剪切力隨含水率的減小，先增大后減小，最后穩(wěn)定在115N左右；彈性模量和剪切彈性模量隨莖稈含水率的減小而增大。研究為設(shè)計高效、低耗油菜聯(lián)合收割機切割裝置提供理論依據(jù)。

圖8　最大切割力隨含水率變化曲線

圖9　彈性模量隨含水率變化曲線

圖10　剪切彈性模量隨含水率變化曲線

田保明等[34]從力學(xué)角度研究了油菜莖稈的抗倒伏性，建立了油菜植株的力學(xué)模型(見圖11、圖12)，給出了油菜莖稈抗倒伏的參數(shù)關(guān)系式，如式(7)和式(8)所示，并對油菜的抗倒伏能力進行了綜合分析和評價。分析表明：對于同一油菜品種，油菜莖稈系數(shù)小、彈性模量大，且抗倒伏能力強。則有

(7)

(8)

5.2油菜角果抗裂角性

油菜收獲時的裂果現(xiàn)象容易給生產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。所以，油菜角果的抗裂角力研究對多選育耐裂品種，增強油菜品種的抗落粒性，提高生產(chǎn)效率具有重要意義。

文雁成等[35]利用隨機碰撞測試方法，對甘藍(lán)型油菜品種進行了抗裂角指數(shù)測定。結(jié)果表明：油菜角果抗裂角性主要由品種的遺傳特性決定，但受環(huán)境條件影響；分析顯示，抗裂角指數(shù)與角果密度呈顯著負(fù)相關(guān)，與角皮厚度、角果長度、角果寬度、角粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，但系數(shù)較小。研究為油菜的育種提供了理論參考。

圖 11　油菜莖稈簡化模型

圖12　油菜倒伏的臨界平衡狀態(tài)

朱俊奇[36]通過懸空壓裂油菜角果的方法在WDW-300型萬能實驗機上對不同品種的油菜角果進行了抗裂角性的試驗，測得28個油菜品種的角果抗裂角力范圍為0.898～3.035N。同時，分析了油菜品種、角果大小、角果含水率等因素對油菜角果抗裂角力的影響：油菜品種、角果尺寸、成熟度、含水率均對角果抗裂角力產(chǎn)生影響，角果尺寸大時其抗裂角力大，成熟度越高含水率越低的油菜角果，其抗裂角力較小，越容易破裂。

譚小力等[37]采用拉裂法定量測定了油菜角果的開裂力。結(jié)果表明：甘藍(lán)型油菜角果的開裂力在0.77～3.7N之間，裂角性存在很大的遺傳變異。研究結(jié)果證實了在甘藍(lán)型油菜中選育適宜于機械化收獲的耐裂角油菜品種是可行的。

6結(jié)語

農(nóng)作物物料機械特性研究對新農(nóng)藝的推廣、農(nóng)業(yè)機械裝備開發(fā)與研究，以及推動我國農(nóng)業(yè)機械化具有重要意義。

近幾年來，國內(nèi)外的學(xué)者從生物力學(xué)、材料力學(xué)、理論力學(xué)和微觀組織學(xué)等方面對小麥、玉米、水稻、油菜和棉花的根系和莖稈的機械性能的研究，目前的研究多是從單一理論方面進行研究，鮮有把多種理論和方法結(jié)合起來進行的研究。

未來對農(nóng)作機械特性的研究應(yīng)把生物力學(xué)、組織結(jié)構(gòu)學(xué)、宏觀力學(xué)、材料學(xué)及微觀力學(xué)結(jié)合起來，運用系統(tǒng)研究理論和先進儀器技術(shù)(如高速攝影成像技術(shù)與數(shù)值模擬技術(shù))對農(nóng)作物機械特性進行研究。

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Abstract ID:1003-188X(2016)07-0001-EA

Review of the Research on Typical Agricultural Crops’Mechanical Properties

Wang Dongyang1， Jin Xin1， Ji Jiangtao，Yang Chuanhua2， Wang Shiguang3

(1.College of Agricultural Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471003, China; 2.College of Mechanical Engineering， Jiamusi University， Jiamusi 154003,China;3.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 100083, China)

Abstract：Mechanical properties of agricultural crops can not only provide theoretical foundation for agricultural production, development of agricultural equipment, process inspection and control, but can determine direction of developing agricultural new technology to a certain degree.This paper makes our nation’s main food crops (rice, wheat, maize) and cash crops (oilseed rape, cotton) as the object, summarizes the progress of research on the key parts’ mechanical properties of the crop, and makes some prospection on the direction of the research on the crop’s mechanical properties.

Key words：agricultural crops； mechanical property； research progress； review

文章編號：1003-188X(2016)07-0001-08

中圖分類號：S-1

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：王東洋(1990-)，男，河南周口人，碩士研究生，(E-mail)hkd_wdy@163.com。通訊作者：姬江濤(1965-)，男，河南偃師人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)jjt0907@163.com。

基金項目：國家863計劃項目(2012AA10A501)；河南省產(chǎn)學(xué)研合作項目(132107000051)；河南科技大學(xué)青年科學(xué)基金項目(2015QN004)

收稿日期：2015-06- 06