劉磊，石磊，孔凡婷，吳騰，陳長林，孫勇飛

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014)

0 引言

蓖麻屬大乾科草本植物，在我國大部分地區(qū)均有種植，是重要的新能源戰(zhàn)略資源[1-2]。蓖麻含油量極高，因?yàn)槠淇稍偕?，蓖麻油更是被譽(yù)為“土地里種出的石油”[3]。目前我國蓖麻的收獲仍然依靠人工完成，機(jī)械化程度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，制約著蓖麻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4-5]。蓖麻收獲機(jī)相關(guān)的研究稀少，尚處于研發(fā)試驗(yàn)階段，由于作業(yè)效果較差，均未投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，原因主要是缺乏蓖麻植株相關(guān)基礎(chǔ)研究的指導(dǎo)，未結(jié)合蓖麻特有的物理力學(xué)特性和農(nóng)藝技術(shù)，收獲過程中存在漏摘率、破損率、含雜率過高等問題，影響作業(yè)質(zhì)量[6-9]。開展蓖麻物理力學(xué)特性試驗(yàn)研究能為蓖麻機(jī)械化收獲提供理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)依據(jù)，對提高蓖麻收獲質(zhì)量具有重要意義。

目前蓖麻相關(guān)物理特性研究主要是針對蓖麻脫殼機(jī)，集中于蓖麻蒴果抗壓力學(xué)特性的研究，如侯俊銘[10]、曹玉華[11-12]、劉汝寬[13]均采用有限元分析法建立了蓖麻蒴果有限元模型，并通過壓縮特性試驗(yàn)分析不同品種、含水率和加載方式對蒴果破殼力的影響，但沒有進(jìn)行蓖麻收獲中的采摘力學(xué)特性的研究。機(jī)械采收作業(yè)過程中需對植株各組成部分相互間的分離力加以考慮，散鋆龍等[14]研究了杏果實(shí)的可溶性固形物含量、果實(shí)表面紅綠色差和果實(shí)表面硬度等成熟度特性參數(shù)與果柄分離力之間的關(guān)系，結(jié)果表明果柄分離力隨著成熟度的提高逐漸減小。李紅波等[15]進(jìn)行了谷子莖稈、葉鞘、葉片、葉環(huán)等不同部位進(jìn)行了拉伸力學(xué)測試，分析得到葉環(huán)處的抗拉力和抗拉強(qiáng)度最低。為確定玉米摘穗的力學(xué)條件，孫超等[16]研究了玉米果穗根部和穗柄部位的抗拉強(qiáng)度，證明在摘穗過程中玉米果穗在其根部位置更易發(fā)生分離。楊然兵等[17]分別對花生的秧蔓與果柄接點(diǎn)、果柄與花生莢果接點(diǎn)和果殼自身的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試，研究果、秧、柄機(jī)械力學(xué)特性對花生摘果效果的影響。蓖麻采摘時(shí)蒴果與莖稈的分離主要發(fā)生在蒴果與果柄連接處或是果柄與莖稈連接處，而在采收過程中莖稈與采摘部件接觸容易受到破壞，因此本文主要對蓖麻果—柄接點(diǎn)、莖—柄接點(diǎn)和莖稈自身的抗拉特性和抗彎特性進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)研究，以明確蓖麻采收作業(yè)完成的力學(xué)條件，給蓖麻機(jī)械化采收提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料選取與測量

試驗(yàn)采用的蓖麻品種為以色列凱豐5號，該系列為矮稈品種，產(chǎn)量高，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化收獲，樣本取自內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市土默特左旗耳林岱村，種植時(shí)間為2020年4月中旬，采用4行氣吸式播種機(jī)進(jìn)行播種，灌溉方式為滴管，一年一季種植，蓖麻植株行距為700 mm，株距為550 mm，產(chǎn)量為3 187.5 kg/hm2。采集時(shí)間為2020年10月29日。采樣時(shí)選取生長良好、無病蟲害且未被損傷及折彎的植株，從根部切斷后立即密封保存，盡量維持其原本狀態(tài)。蓖麻蒴果通過果柄與莖稈連接，如圖1所示。連結(jié)力主要包括蒴果與果柄間的連結(jié)力、果柄與莖稈間的連結(jié)力和莖稈內(nèi)部連結(jié)力，通過對蓖麻植株各部分力學(xué)特性的測定，有助于分析蓖麻機(jī)械化采摘的工作機(jī)理。

在試驗(yàn)前先測定蓖麻蒴果和莖稈的含水率，保證試驗(yàn)所用試樣的含水率接近，按式(1)計(jì)算含水率。

(1)

式中：M——含水率，%；

m0——試樣干燥前質(zhì)量，g；

m1——試樣干燥后質(zhì)量，g。

經(jīng)測試，得到蓖麻蒴果的含水率為8.2%～9.3%，蓖麻莖稈的含水率為12.5%～20.8%。

圖1 蓖麻植株

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

蓖麻莖稈力學(xué)特性試驗(yàn)在南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，該試驗(yàn)設(shè)備采用的是WDW-10微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，其測試量程為1 kN，力傳感器和位移傳感器的精度都在±0.1%之內(nèi)，該機(jī)可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示負(fù)荷值、位移值、變形值、試驗(yàn)速度和試驗(yàn)曲線，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。使用夾具為試驗(yàn)機(jī)配套夾具，可進(jìn)行拉伸、彎曲、剪切等試驗(yàn)，由微機(jī)控制自動(dòng)完成加載、卸載及數(shù)據(jù)采集與分析。其他儀器包括測試夾具、游標(biāo)卡尺、剪刀、膠水、紗布、密封袋等。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 果—柄拉伸試驗(yàn)方法

果—柄連接力是影響蓖麻機(jī)械化收獲的一個(gè)重要參數(shù)，果—柄連接力的大小與蒴果成熟度有關(guān)，同一穗上的蓖麻蒴果成熟度也會略有不同，蒴果的成熟度主要表現(xiàn)在顏色的差異[18]，成熟期的蓖麻蒴果呈綠色，收獲期的蓖麻蒴果呈褐色。分別取不同顏色的帶有果柄的蓖麻蒴果進(jìn)行拉伸測試，研究蒴果成熟度對果—柄連接力的影響。測試時(shí)，先將果柄垂直夾持在試驗(yàn)機(jī)的上端夾具上，將蒴果夾持在試驗(yàn)機(jī)的下端夾具上，并調(diào)整蒴果在臺鉗上的夾持位置，使果柄和蒴果夾持點(diǎn)在同一垂直線上。以10 mm/min的加載速度進(jìn)行拉伸直至蒴果與果柄分離，如圖2所示。

圖2 果—柄拉伸試驗(yàn)

選取初始彈性變形段內(nèi)的直線段計(jì)算材料的彈性模量，彈性模量計(jì)算如式(2)所示。

(2)

式中：E——彈性模量，MPa；

F——拉力，N；

l——試樣標(biāo)距，mm；

Δl——試樣變形量，mm；

A——試樣初始橫截面積，mm2。

抗拉強(qiáng)度按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：σb——抗拉強(qiáng)度，MPa；

Fmax——最大抗拉力，N。

1.3.2 莖—柄拉伸試驗(yàn)方法

去除掉蒴果，只保留果柄和小段莖稈，將莖稈一端固定在試驗(yàn)機(jī)的下端夾具上，并使果柄垂直夾持在試驗(yàn)機(jī)的上端夾具上，以10 mm/min的加載速度進(jìn)行拉伸直至果柄斷裂，如圖3所示。

圖3 莖—柄拉伸試驗(yàn)

1.3.3 莖稈拉伸試驗(yàn)方法

蓖麻莖稈的拉伸特性對蓖麻收獲有重要影響，為研究不同拉伸部位對莖稈拉伸特性的影響，根據(jù)樣本普遍的形態(tài)結(jié)構(gòu)將莖稈部位劃分為三個(gè)水平：下部(距地表0～400 mm)、中部(距地表400～800 mm)、上部(距地表800～1 200 mm)，分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。在蓖麻莖稈的整稈拉伸試驗(yàn)中，莖稈的夾持過程出現(xiàn)打滑和莖稈破裂的問題，且由于莖稈皮在拉伸過程中承受絕大部分的載荷，因此進(jìn)行蓖麻莖稈皮的拉伸試驗(yàn)，備制拉伸試樣時(shí)用小刀將莖稈破開并在中間位置寬度削為2 mm，以10 mm/min的加載速度進(jìn)行拉伸直至莖稈皮斷裂，如圖4所示。

圖4 莖稈拉伸試驗(yàn)

1.3.4 莖稈彎曲試驗(yàn)方法

按同樣方式將蓖麻莖稈分為上、中、下三種不同部位進(jìn)行莖稈彎曲試驗(yàn)，每次試驗(yàn)截取長度為160 mm的莖稈作為彎曲試樣，試驗(yàn)采取三點(diǎn)彎曲法進(jìn)行，如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)，將莖稈式樣水平放置在試驗(yàn)機(jī)自帶的壓頭及支座之間，支座跨距為80 mm，試驗(yàn)過程中確保試驗(yàn)機(jī)壓頭位于試樣的中點(diǎn)，加載速度為10 mm/min。

圖5 莖稈彎曲試驗(yàn)

蓖麻莖稈的橫截面近似圓環(huán)形狀，其慣性矩

(4)

式中：D——為蓖麻莖稈外徑，mm；

d——蓖麻莖稈內(nèi)徑，mm。

彎曲過程中最大彎矩

(5)

式中：Fmax′——最大抗彎力，N。

彎曲截面模量

(6)

抗彎強(qiáng)度

(7)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 果—柄拉伸試驗(yàn)

圖6為果—柄拉伸試驗(yàn)時(shí)的位移載荷曲線圖。由圖6可以看出，在拉伸過程的前半段拉力隨著位移量的增加呈線性增長，但是當(dāng)拉力到達(dá)峰值后并沒有直接降低，而是先出現(xiàn)了一個(gè)波動(dòng)的階段，再瞬間減小。這是由于蓖麻特有的生長特性，其果柄在與蒴果連結(jié)的位置是處于彎曲狀態(tài)的，試驗(yàn)中當(dāng)拉力到達(dá)最大值后果柄才被拉直，最后在根部發(fā)生斷裂。

圖6 果—柄拉伸曲線

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，處于成熟期時(shí)(蒴果為綠色)果—柄抗拉力為3.31～6.74 N，平均值為5.16 N，標(biāo)準(zhǔn)差為0.99 N，變異系數(shù)為19.3%；抗拉強(qiáng)度為3.48～8.31 MPa，平均值為6.61 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為1.20 MPa，變異系數(shù)為18.2%。處于收獲期時(shí)(蒴果為褐色)果—柄抗拉力為1.90～4.15 N，平均值為2.94 N，標(biāo)準(zhǔn)差為0.87 N，變異系數(shù)為29.6%；抗拉強(qiáng)度為2.42～5.28 MPa，平均值為3.58 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.94 MPa，變異系數(shù)為26.2%。

表1 果—柄拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Tensile test results of capsule-peduncle node

由表1分析可知，蓖麻成熟度對抗拉力有顯著影響，成熟度越高時(shí)，含水率越低，其蒴果與果柄間的連結(jié)力和連接強(qiáng)度越小，蓖麻采摘所需要的功耗越小，但是蓖麻過于成熟后，蓖麻蒴果容易自動(dòng)脫落以造成損失，故蓖麻采收工作應(yīng)把握好采收的時(shí)機(jī)。

2.2 莖—柄拉伸試驗(yàn)

圖7為莖—柄拉伸試驗(yàn)時(shí)的位移載荷曲線圖。莖—柄拉伸試驗(yàn)的初始階段，載荷與位移幾乎呈線性變化，當(dāng)達(dá)到強(qiáng)度極限后隨即從果柄中間斷裂，未發(fā)生塑性變形，說明果柄為脆性材料。

由表2分析計(jì)算出，莖稈與果柄間的最小抗拉力為15.78 N，最大抗拉力為37.07 N，平均值為24.23 N，標(biāo)準(zhǔn)差為6.06 N，變異系數(shù)為25.0%；抗拉強(qiáng)度最小為19.70 MPa，最大為34.66 MPa，平均值為25.80 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為4.88 MPa，變異系數(shù)為18.9%?？梢钥闯銮o稈與果柄間的抗拉力和抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于蒴果與果柄間的抗拉力和抗拉強(qiáng)度，因此當(dāng)蓖麻受到梳刷、打擊、振動(dòng)等方式采摘作用時(shí)通常會首先從蒴果與果柄連接處分離，而果柄仍與莖稈相連。

圖7 莖—柄拉伸曲線

表2 莖—柄拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Tensile test results of stem-peduncle node

2.3 莖稈拉伸試驗(yàn)

不同部位的莖稈拉伸特性曲線如圖8所示。以其中一次中部蓖麻莖稈拉伸試驗(yàn)為例分析拉伸過程：拉伸過程的前半段拉力隨著位移的增加呈線性增長，當(dāng)位移達(dá)到1.22 mm的時(shí)候拉力達(dá)到最大值94.81 N，此時(shí)的試樣伴隨著一聲脆響而斷裂；在峰值過后，拉力瞬間減小至零，試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)停止。

圖8 莖稈拉伸曲線

上、中、下3個(gè)位置處的莖稈拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可以看出不同部位莖稈的拉伸特性有較大差異，越接近根部的莖稈抗拉力和抗拉強(qiáng)度越大，這是因?yàn)樵浇咏浚o稈木質(zhì)化程度越高，試樣被拉斷發(fā)生破壞時(shí)的載荷越大，抵抗破壞的能力越強(qiáng)。彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的重要參數(shù)，試驗(yàn)測得莖稈上部和下部的平均彈性模量大于莖稈中部位置，說明的莖稈上、下部位較中部位置的抵抗變形能力強(qiáng)。對拉伸部位和拉伸特性進(jìn)行相關(guān)性方差分析，如表4所示，方差結(jié)果表明，給定顯著水平α=0.01下，莖稈拉伸部位對彈性模量的變化無顯著影響(P>0.05)，對抗拉力和抗拉強(qiáng)度的變化有極顯著影響(P<0.01)。

表3 莖稈拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab. 3 Tensile test results of stem

表4 莖稈拉伸試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab. 4 Analysis of variation of tensile test results of stem

2.4 莖稈彎曲試驗(yàn)

由圖9分析可以得出蓖麻秸稈試樣彎曲試驗(yàn)大致過程：在初始階段，載荷位移曲線近似呈線性關(guān)系，符合胡克定律；當(dāng)達(dá)到屈服載荷時(shí)，蓖麻秸稈開始屈服，并且維持一定時(shí)間；隨著位移繼續(xù)增加，載荷逐漸減小，最終在某一定值范圍內(nèi)波動(dòng)。試驗(yàn)達(dá)到屈服階段時(shí)，載荷大小有所波動(dòng)，這是因?yàn)楸吐榍o稈此時(shí)含水率較低，具有一定的脆性，試驗(yàn)過程中莖稈被逐漸劈裂，裂紋由壓頭正下方向兩端擴(kuò)展。

圖9 莖稈彎曲曲線

莖稈彎曲試驗(yàn)結(jié)果及方差分析如表5和表6所示，可以看出彎曲部位對莖稈的抗彎力和彎曲截面模量有極顯著影響(P<0.01)，且平均抗彎力和彎曲截面模量都是自上而下逐漸增加，原因是越靠近根部，其莖稈直徑及橫截面積越大，則抗彎曲能力越強(qiáng)。彎曲部位對抗彎強(qiáng)度無顯著影響(P>0.05)，但莖稈中部的平均抗彎強(qiáng)度要低于莖稈上部和下部，說明受到彎曲作用時(shí)莖稈中部更容易產(chǎn)生斷裂。

表5 莖稈彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab. 5 Bending test results of stem

表6 拉伸部位對抗彎力的方差分析Tab. 6 Analysis of variation of tensile test results

3 結(jié)論

蓖麻莖稈的力學(xué)特性是蓖麻機(jī)械化采收的重要參數(shù)，采用試驗(yàn)手段，研究了蓖麻果—柄拉伸特性、莖—柄拉伸特性、莖稈拉伸以及彎曲特性，通過分析其力學(xué)特性，主要得到4點(diǎn)結(jié)論。

1) 成熟期果—柄抗拉力和抗拉強(qiáng)度范圍分別是3.31～6.74 N、3.48～8.31 MPa，收獲期果—柄抗拉力和抗拉強(qiáng)度范圍分別是1.90～4.15 N、2.42～5.28 MPa，莖—柄抗拉力和抗拉強(qiáng)度范圍分別是15.78～37.07 N、19.70～34.66 MPa。果—柄間的連接強(qiáng)度要小于莖—柄間的連結(jié)強(qiáng)度，且隨蓖麻成熟度的提高而減小。

2) 各部位莖稈的抗拉力、彈性模量和抗拉強(qiáng)度范圍分別是56.99～130.42 N、160.99～203.80 MPa、28.50～65.21 MPa。越接近根部莖稈木質(zhì)化程度越高，莖稈的抗拉力和抗拉強(qiáng)度越大，而莖稈中部的彈性模量較莖稈上部和下部更低。

3) 各部位莖稈的抗彎力、彎曲截面模量和抗彎強(qiáng)度范圍分別是15.20～91.04 N、31.53～173.07 MPa、19.27～21.04 MPa?？箯澚蛷澢孛婺Ａ孔韵露暇蔬f減趨勢，莖稈中部的抗彎強(qiáng)度較莖稈上部和下部更低。

4) 對蓖麻植株不同部位的力學(xué)測試結(jié)果表明，果—柄間的連結(jié)力與柄—莖間的連結(jié)力、莖稈拉伸力及彎曲力之間存在顯著性差異，證明在采摘過程中蓖麻蒴果與果柄的連接部位更容易分離，其次是果柄與莖稈的連接處，莖稈不同高度位置的拉伸和彎曲特性也有較大差異。蓖麻特有力學(xué)特性可為蓖麻收獲機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，通過合理設(shè)計(jì)工作部件結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)只采收蓖麻蒴果，而較少破壞蓖麻莖稈，為研究如何提高收獲過程中的采凈率、降低損失率和含雜率提供理論參考。