劉天宏,王強(qiáng),楊慶璐,3,田富洋,3,隋海濤,李法德,3,董世平,聶言順,宋占華,3*

收獲期雜交構(gòu)樹(shù)力學(xué)特性研究

劉天宏1,王強(qiáng)2,楊慶璐1,3,田富洋1,3,隋海濤1,李法德1,3,董世平4,聶言順5,宋占華1,3*

1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院, 山東 泰安 271018 2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000 3. 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械裝備國(guó)家工程研究中心, 山東 泰安 271018 4. 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司, 北京 100000 5. 山東豐唐生態(tài)農(nóng)業(yè)科技有限公司, 山東 泰安 271018

針對(duì)雜交構(gòu)樹(shù)收割過(guò)程中的損傷問(wèn)題及雜交構(gòu)樹(shù)收獲機(jī)的研制，本文以科構(gòu)101號(hào)為研究對(duì)象，利用快速水分測(cè)定儀測(cè)量雜交構(gòu)樹(shù)不同取樣部位上的含水率，并利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和生物力學(xué)檢測(cè)儀對(duì)不同取樣部位上的韌皮部和木質(zhì)部進(jìn)行了剪切、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和撕裂力學(xué)特性試驗(yàn)?？茦?gòu)101號(hào)不同取樣部位上的韌皮部的含水率，剪切、撕裂力學(xué)特性參數(shù)有顯著差異（<0.05）；木質(zhì)部的含水率，剪切、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)力學(xué)特性參數(shù)（除彎曲彈性模量）有顯著差異（<0.05）。該研究結(jié)果可為雜交構(gòu)樹(shù)收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參數(shù)依據(jù)。

構(gòu)樹(shù); 木材的力學(xué)性質(zhì); 植物生理

雜交構(gòu)樹(shù)作為一種具有高蛋白和營(yíng)養(yǎng)均衡特征的優(yōu)質(zhì)木本植物，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性、土壤改良性能，能提供安全、健康、營(yíng)養(yǎng)豐富的飼料，可緩解粗蛋白飼料的短缺，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)解決“人畜爭(zhēng)地”的矛盾、擴(kuò)大耕地面積、防風(fēng)固沙、抗干旱、釋氧固碳等多重生態(tài)功能，替代一部分糧食作物，降低養(yǎng)殖成本，實(shí)現(xiàn)生態(tài)保護(hù)與發(fā)展養(yǎng)殖業(yè)聯(lián)系的統(tǒng)一，成為畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的一種營(yíng)養(yǎng)豐富、消化利用率高的新型蛋白質(zhì)飼料[1,4]。目前由于缺乏關(guān)于雜交構(gòu)樹(shù)力學(xué)性質(zhì)的數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致在收割過(guò)程中易造成雜交構(gòu)樹(shù)韌皮部撕裂和木質(zhì)部破損，影響其正常生長(zhǎng)，因此需要獲取有關(guān)損傷參數(shù)，以降低雜交構(gòu)樹(shù)割茬的損害程度。

秸稈類植物力學(xué)特性試驗(yàn)主要包括剪切、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)等[5,12]。李紅波等[13]對(duì)不同節(jié)間的谷物莖稈、葉梢、葉片和葉環(huán)各部位進(jìn)行拉伸力學(xué)特性測(cè)試，分析了不同部位拉伸力學(xué)特性的變化規(guī)律。尹政等[14]對(duì)紅麻的莖稈力學(xué)特性進(jìn)行了研究，測(cè)定紅麻莖稈各組分的彈性參數(shù)，為紅麻莖稈收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。Igathinathane C等[15]利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)研究了不同割刀傾角對(duì)玉米秸稈的切割力學(xué)特性的影響，為玉米切割器的設(shè)計(jì)提供了參考。

選取科構(gòu)101號(hào)雜交構(gòu)樹(shù)主干的上部、中部和下部為研究對(duì)象，對(duì)雜交構(gòu)樹(shù)不同部位的含水率進(jìn)行了測(cè)量；對(duì)雜交構(gòu)樹(shù)不同部位韌皮部的剪切、撕裂力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)；對(duì)雜交構(gòu)樹(shù)不同部位木質(zhì)部的剪切、壓縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)。力學(xué)試驗(yàn)測(cè)得韌皮部、木質(zhì)部不同部位的力學(xué)特性參數(shù)及變化規(guī)律，可以為雜交構(gòu)樹(shù)收獲機(jī)等機(jī)械裝備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的參數(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取科構(gòu)101號(hào)為研究對(duì)象。雜交構(gòu)樹(shù)取自山東省泰安市寧陽(yáng)縣。取樣時(shí)間為2022年7月18號(hào)，雜交構(gòu)樹(shù)高度為1.3 m左右。

選取無(wú)病蟲害，長(zhǎng)勢(shì)良好，沒(méi)有明顯的損傷的雜交構(gòu)樹(shù)主干作為試驗(yàn)材料，將雜交構(gòu)樹(shù)主枝干分為三部分（上部、中部、下部）制作試樣。雜交構(gòu)樹(shù)條取回后，用保鮮膜包裹后放入冰箱（4 ℃）內(nèi)保存。保證試驗(yàn)期間數(shù)據(jù)的一致性。

圖1 試樣選取部位

1.2 試驗(yàn)方法

由于雜交構(gòu)樹(shù)髓部較軟且較多部分枝條內(nèi)無(wú)髓部，與木質(zhì)部相比，其剪切力、剪切強(qiáng)度、抗壓力、抗壓強(qiáng)度、壓縮彈性模量、剪切模量、抗扭強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和彎曲彈性模量等力學(xué)特性參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于木質(zhì)部。所以，對(duì)去皮雜交構(gòu)樹(shù)條的力學(xué)特性試驗(yàn)可看成對(duì)木質(zhì)部的力學(xué)特性試驗(yàn)，可通過(guò)木質(zhì)部面積，計(jì)算木質(zhì)部的剪切力、剪切強(qiáng)度、抗壓力、抗壓強(qiáng)度、壓縮彈性模量、剪切模量、抗扭強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和彎曲彈性模量等力學(xué)特性。

1.2.1 雜交構(gòu)樹(shù)含水率測(cè)定雜交構(gòu)樹(shù)力學(xué)特性試驗(yàn)前需先測(cè)量每組試樣（10組）的含水率。將韌皮部和木質(zhì)部分別用剪刀剪碎，分別利用鹵素快速水分測(cè)定儀（ZTXY-101型，上海準(zhǔn)權(quán)儀器設(shè)備有限公司）在設(shè)定溫度為105 ℃的條件下對(duì)其進(jìn)行含水率的檢測(cè)。

1.2.2 雜交構(gòu)樹(shù)韌皮部剪切試驗(yàn)將上部、中部和下部韌皮部試樣放到V型剪切夾具（底座V形口角度為90°，刀具V形口角度為60°）中，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（WDW-5E型，濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司）以30 mm/min的加載速率進(jìn)行剪切試驗(yàn)，共三組，一組10次。試驗(yàn)前利用游標(biāo)卡尺（Mitutoyo500-153，日本三豐）測(cè)量韌皮部的厚度。試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算韌皮部的剪切強(qiáng)度，計(jì)算公式如下[16,17]：

式中：1—剪切強(qiáng)度，MPa；1max—最大剪切力，N；1—橫截面積，mm2。

1.2.3 雜交構(gòu)樹(shù)韌皮部撕裂試驗(yàn)從上部、中部和下部樣品中截取20×30 mm韌皮部撕裂試樣，試驗(yàn)前利用游標(biāo)卡尺測(cè)量韌皮部的厚度，利用生物力學(xué)檢測(cè)儀（EZ-SX型，日本島津）以10 mm/min對(duì)其沿垂直纖維方向進(jìn)行撕裂試驗(yàn)，直至試樣被撕裂，共3組，一組10次。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算其撕裂強(qiáng)度。撕裂強(qiáng)度計(jì)算公式如下所示[18]：

式中：2—撕裂強(qiáng)度，MPa；2max—最大撕裂力，N；2—撕裂處橫截面積，mm2。

1.2.4 雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部剪切試驗(yàn)將上部、中部和下部木質(zhì)部試樣放到V型剪切夾具（底座V形口角度為90°，刀具V形口角度為60°）中，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以30 mm/min的加載速率進(jìn)行剪切試驗(yàn)，共3組，一組10次。試驗(yàn)前利用游標(biāo)卡尺測(cè)量木質(zhì)部的內(nèi)外徑。根據(jù)公式（1）計(jì)算木質(zhì)部的剪切強(qiáng)度。

1.2.5 雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部壓縮試驗(yàn)從上部、中部和下部樣品中截取20 mm木質(zhì)部壓縮試樣，利用砂紙將試樣兩端磨平放置在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓縮夾具的中心部位，以2 mm/min的速度加載，沿試樣軸向壓縮，直至試樣被壓潰，共3組，一組10次。試驗(yàn)前用游標(biāo)卡尺測(cè)量木質(zhì)部?jī)?nèi)外徑。試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算木質(zhì)部軸向抗壓強(qiáng)度，并根據(jù)木質(zhì)部彈性階段數(shù)據(jù)計(jì)算其軸向壓縮彈性模量。根據(jù)式2和式3計(jì)算其軸向抗壓強(qiáng)度和軸向壓縮彈性模量。從上部、中部和下部樣品中截取20 mm木質(zhì)部壓縮試樣，放置在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓縮夾具的中心部位，以2 mm/min的速度加載，沿試樣徑向壓縮，直至試樣被壓潰。試驗(yàn)前用游標(biāo)卡尺測(cè)量木質(zhì)部?jī)?nèi)外徑。其徑向壓縮彈性模量的計(jì)算公式如下所示[19]：

式中：c—徑向壓縮彈性模量，MPa；c—壓應(yīng)力，MPa；c—木質(zhì)部試樣的應(yīng)變；c—?jiǎng)傂云桨鍓嚎s木質(zhì)部的等效寬度，mm；—?jiǎng)傂云桨鍓嚎s木質(zhì)部的壓縮位移，mm；S—木質(zhì)部試樣長(zhǎng)度，mm。

1.2.6 雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部彎曲試驗(yàn)將上部、中部和下部木質(zhì)部試樣放到彎曲試驗(yàn)臺(tái)上（彎曲試驗(yàn)臺(tái)支座之間距離為70 mm），利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，下壓速度設(shè)為5 mm/min，共3組，一組10次。試驗(yàn)前利用游標(biāo)卡尺測(cè)量木質(zhì)部?jī)?nèi)外徑，試樣的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量的計(jì)算公式如下所示[20]：

式中：σ—抗彎強(qiáng)度，MPa；Fmax—最大彎曲力，N；E—彎曲彈性模量，MPa；l—木質(zhì)部彎曲長(zhǎng)度，mm；D—木質(zhì)部外徑，mm；d—木質(zhì)部?jī)?nèi)孔徑，mm；ΔF—彎曲力-撓度曲線上線性段的彎曲力變化量，MPa；Δ—彎曲力-撓度曲線上線性段的撓度變化量。

1.2.7 雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)從上部、中部和下部樣品中截取80 mm扭轉(zhuǎn)試樣，試驗(yàn)前利用游標(biāo)卡尺測(cè)量其內(nèi)外徑，利用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)（KN-100PLW型）以15 °/min對(duì)其進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，共三組，一組10次。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算其抗扭強(qiáng)度和剪切模量?？古?qiáng)度和剪切模量計(jì)算公式如下所示[21,22]：

式中：τ—抗扭強(qiáng)度，MPa；T—最大扭矩，N·mm；—截面系數(shù)，mm3；—剪切模量，MPa；L—標(biāo)距，mm；I—極慣性矩，mm4；—扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線上線性段的扭矩變化量，N·mm；Δ—扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線上線性段的扭轉(zhuǎn)角變化量，°。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

含水率每種試樣測(cè)量20組，力學(xué)特性試驗(yàn)每組重復(fù)10組，利用 Excel 2016（Microsoft Office 2016，微軟公司）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和預(yù)處理；利用SAS 9.2（STATISTICAL ANALYSIS SYSTEM，SAS INSTITUTE INC）軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，在=0.05的水平上進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜交構(gòu)樹(shù)含水率結(jié)果分析

試驗(yàn)前對(duì)每組試樣進(jìn)行含水率的測(cè)量：韌皮部上部、中部和下部試樣三部分的含水率分別為65.98%±3.40%、66.00%±2.47%和71.86%±2.11%；木質(zhì)部上部、中部和下部試樣三部分的含水率分別為64.84%±2.69%、64.91%±3.25%和57.09%±3.43%。韌皮部的含水率從上往下呈遞增趨勢(shì)，木質(zhì)部的含水率從上往下呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。

2.2 雜交構(gòu)樹(shù)韌皮部試驗(yàn)分析

2.2.1 雜交構(gòu)樹(shù)韌皮部剪切試驗(yàn)分析

圖2 韌皮部剪切力學(xué)特性與取樣部位的關(guān)系

注：雜交構(gòu)樹(shù)試樣分為上部、中部和下部三部分：表中數(shù)據(jù)采用的是算數(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的形式（=10），不同小寫字母表示不同部位在0.05水平差異顯著，下同。

Note: The hybrid tree sample is divided into three parts: upper, middle and lower: the data in the table are in the form of arithmetic mean ± standard deviation (=10), and different lowercase letters indicate that different parts have significant differences at the level of 0.05, the same below.

韌皮部剪切時(shí)上部的平均厚度為0.57 mm，平均單位厚度最大剪切力為158.57 N/mm，平均剪切強(qiáng)度為15.51 MPa，平均單位面積剪切功耗為0.0638 J/mm2；中部的平均厚度為0.72 mm，平均單位厚度最大剪切力為150.05 N/mm，平均剪切強(qiáng)度為13.88 MPa，平均單位面積剪切功耗為0.1122 J/mm2；下部的平均厚度為0.93 mm，平均單位厚度最大剪切力為131.34 N/mm，平均剪切強(qiáng)度為15.99 MPa，平均單位面積剪切功耗為0.959 J/mm2。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)韌皮部的單位厚度最大剪切力有顯著差異（＜0.05），單位厚度最大剪切力由大到小部位分別為上部、中部和下部。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)韌皮部的剪切強(qiáng)度有顯著差異（＜0.05），剪切強(qiáng)度由大到小部位分別為下部、上部和中部。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)韌皮部的單位面積剪切功耗有顯著差異（＜0.05），單位面積剪切功耗由大到小部位分別為中部、下部和上部。由于下部韌皮部木質(zhì)化程度略高，故剪切強(qiáng)度略高。

2.2.2 韌皮部撕裂試驗(yàn)分析韌皮部撕裂時(shí)的上部的平均厚度為0.55 mm，平均單位厚度最大撕裂力為15.32 N/mm，平均撕裂強(qiáng)度為0.53 MPa，平均單位面積撕裂功耗為0.00085 J/mm2；中部的平均厚度為0.67 mm，平均單位厚度最大撕裂力為16.72 N/mm,平均撕裂強(qiáng)度為0.59 MPa，平均單位面積撕裂功耗為0.0013 J/mm2；下部的平均厚度為0.76 mm，平均單位厚度最大撕裂力為23.91 N/mm，平均撕裂強(qiáng)度為0.81 MPa，平均單位面積撕裂功耗為0.0016 J/mm2。不同取樣部位的韌皮部的單位厚度最大撕裂力有顯著差異（＜0.05），單位厚度最大撕裂力由大到小的部位分別為下部、中部和上部。不同取樣部位的韌皮部的撕裂強(qiáng)度有顯著差異（＜0.05），撕裂強(qiáng)度由大到小的部位分別為下部、中部和上部。不同取樣部位的韌皮部的單位面積撕裂功耗有顯著差異（＜0.05），單位面積撕裂功耗由大到小的部位分別為下部、中部和上部。橫向撕裂時(shí)垂直于纖維方向，而沿著纖維方向的抗拉能力基本一致，所以單位厚度最大撕裂力和撕裂強(qiáng)度呈相同趨勢(shì)。

圖3 韌皮部撕裂力學(xué)特性與取樣部位的關(guān)系

2.3 雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部試驗(yàn)分析

2.3.1 雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部剪切試驗(yàn)分析木質(zhì)部剪切時(shí)的上部的平均內(nèi)徑為0.91 mm，平均外徑為6.64 mm，平均單位直徑最大剪切力為10.29 N/mm，平均剪切強(qiáng)度為4.41 MPa，平均單位面積剪切功耗為0.028 J/mm2；中部的平均內(nèi)徑為1.98 mm，平均外徑為9.02 mm，平均單位直徑最大剪切力為20.20 N/mm，平均剪切強(qiáng)度為4.20 MPa，平均單位面積剪切功耗為0.028 J/mm2；下部的平均內(nèi)徑為3.13 mm，平均外徑為10.72 mm，平均單位直徑最大剪切力為35.02 N/mm，平均剪切強(qiáng)度為4.98 MPa，平均單位面積剪切功耗為0.043 J/mm2。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部的單位直徑最大剪切力有顯著差異（＜0.05），單位直徑最大剪切力由大到小部位分別為下部、中部和上部。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部的剪切強(qiáng)度有顯著差異（＜0.05），剪切強(qiáng)度由大到小部位分別為下部、上部和中部。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部的單位面積剪切功耗有顯著差異（＜0.05），單位面積剪切功耗由大到小部位分別為下部、中部和上部。由于下部木質(zhì)化程度最高，故下部木質(zhì)部的單位直徑最大剪切力，剪切強(qiáng)度和單位面積剪切功耗略高。

圖4 木質(zhì)部剪切力學(xué)特性與取樣部位的關(guān)系

2.3.2 木質(zhì)部軸向壓縮試驗(yàn)分析木質(zhì)部軸向壓縮時(shí)的上部的平均內(nèi)徑為1.57 mm，平均外徑為6.52 mm，平均單位直徑最大軸向壓縮力為26.58 N/mm，平均軸向抗壓強(qiáng)度為5.64 MPa，平均軸向彈性模量為53.2 MPa，平均單位面積軸向壓縮功耗為0.011 J/mm2；中部的平均內(nèi)徑為1.82 mm，平均外徑為8.47 mm，平均單位直徑最大軸向壓縮力為54.45 N/mm，平均軸向抗壓強(qiáng)度為8.66 MPa，平均軸向彈性模量為111.21 MPa，平均單位面積軸向壓縮功耗為0.035 J/mm2；下部的平均內(nèi)徑為3.54 mm，平均外徑為9.94 mm，平均單位直徑最大軸向壓縮力為62.51 N/mm，平均軸向抗壓強(qiáng)度為9.38 MPa，平均軸向彈性模量為59.73 MPa，平均單位面積軸向壓縮功耗為0.043 J/mm2。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部的單位直徑最大軸向壓縮力有顯著差異（＜0.05），單位直徑最大軸向壓縮力由大到小部位分別為下部、中部和上部。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部的軸向抗壓強(qiáng)度有顯著差異（＜0.05），抗壓強(qiáng)度由大到小部位分別為下部、中部和上部。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部的軸向壓縮彈性模量有顯著差異（＜0.05），軸向壓縮彈性模量由大到小部位分別為中部、上部和下部。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部的單位面積軸向壓縮功耗有顯著差異（＜0.05），單位面積軸向壓縮功耗由大到小的部位分別為下部、中部和上部。由于木質(zhì)化程度不同，下部的最大壓縮力和抗壓強(qiáng)度均最大；中部的軸向壓縮彈性模量最大的原因可能為中部還有部分髓部，而下部無(wú)髓。

圖5 木質(zhì)部軸向壓縮力學(xué)特性與取樣部位的關(guān)系

2.3.3 木質(zhì)部徑向壓縮試驗(yàn)分析木質(zhì)部徑向壓縮時(shí)的上部的平均內(nèi)徑為1.33 mm，平均外徑為7.29 mm，平均單位直徑最大徑向壓縮力為5.57 N/mm，平均徑向彈性模量為4.48 MPa，平均單位面積徑向壓縮功耗為0.00036 J/mm2；中部的平均內(nèi)徑為2.62 mm，平均外徑為10.22 mm，平均單位直徑最大徑向壓縮力為6.21 N/mm，平均徑向彈性模量為6.02 MPa，平均單位面積徑向壓縮功耗為0.00036 J/mm2；下部的平均內(nèi)徑為4.37 mm，平均外徑為12.90 mm，平均單位直徑最大徑向壓縮力為10.43 N/mm，平均徑向彈性模量為8.16 MPa，平均單位面積徑向壓縮功耗為0.00096 J/mm2。

圖6 木質(zhì)部徑向壓縮力學(xué)特性與取樣部位的關(guān)系

不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部的單位直徑最大徑向壓縮力有顯著差異（＜0.05），單位直徑最大徑向壓縮力由大到小部位分別為下部、中部和上部。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部的徑向壓縮彈性模量有顯著差異（＜0.05），徑向壓縮彈性模量由大到小部位分別為下部、中部和上部。不同取樣部位的雜交構(gòu)樹(shù)木質(zhì)部的單位面積徑向壓縮功耗有顯著差異（＜0.05），單位面積徑向壓縮功耗由大到小的部位分別為下部、上部和中部。木質(zhì)部的木質(zhì)化自上而下呈遞增趨勢(shì)，隨著木質(zhì)化的增加，單位直徑最大徑向壓縮力、徑向壓縮彈性模量和單位面積徑向壓縮功耗呈遞增趨勢(shì)。

2.3.4 木質(zhì)部彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析木質(zhì)部彎曲時(shí)的上部的平均內(nèi)徑為1.72 mm，平均外徑為6.06 mm，平均單位直徑最大彎曲力為2.41 N/mm，平均抗彎強(qiáng)度為11.71 MPa，平均彎曲彈性模量為497.7 MPa，平均彎曲功耗為0.011 J；中部的平均內(nèi)徑為1.68 mm，平均外徑為7.58 mm，平均單位直徑最大彎曲力為4.72 N/mm，平均抗彎強(qiáng)度為16.36 MPa，平均彎曲彈性模量為506.4 MPa，平均彎曲功耗為0.44 J；下部的平均內(nèi)徑為2.66 mm，平均外徑為8.86 mm，平均單位直徑最大彎曲力為9.76 N/mm，平均抗彎強(qiáng)度為21.68 MPa，平均彎曲彈性模量為515.1 MPa，平均彎曲功耗為0.8 J。不同取樣部位的木質(zhì)部的抗彎強(qiáng)度有顯著差異（＜0.05），抗彎強(qiáng)度由大到小的部位分別為下部、中部和上部。不同取樣部位的木質(zhì)部的彎曲彈性模量沒(méi)有顯著差異（＞0.05），彎曲彈性模量由大到小的部位分別為中部、下部和上部。不同取樣部位的木質(zhì)部的彎曲功耗有顯著差異（＜0.05），彎曲功耗由大到小的部位分別為下部、中部和上部。結(jié)果表明各部位的木質(zhì)部抗彎曲能力大致相同，但由于木質(zhì)部自上而下呈現(xiàn)木質(zhì)化遞增的趨勢(shì)，所以單位直徑最大彎曲力、抗彎強(qiáng)度和彎曲功耗自上而下呈遞增趨勢(shì)。

圖7 木質(zhì)部彎曲力學(xué)特性與取樣部位的關(guān)系

2.3.5 木質(zhì)部扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果分析木質(zhì)部扭轉(zhuǎn)時(shí)的上部的平均內(nèi)徑為1.22 mm，平均外徑為7.76 mm，平均單位直徑最大扭矩為32.09 J，平均抗扭強(qiáng)度為3.99 MPa，平均剪切模量為2 MPa；中部的平均內(nèi)徑為1.92 mm，平均外徑為9.44 mm，平均單位直徑最大扭矩為60.16 J，平均抗扭強(qiáng)度為4.01 MPa，平均剪切模量為3.42 MPa；下部的平均內(nèi)徑為3.00 mm，平均外徑為10.64 mm，平均單位直徑最大扭矩為122.70 J，平均抗扭強(qiáng)度為5.92 MPa，平均剪切模量為4.42 MPa。不同取樣部位的木質(zhì)部的單位直徑最大扭矩有顯著差異（＜0.05），單位直徑最大扭矩由大到小部位分別為下部、中部和上部。不同取樣部位的木質(zhì)部的抗扭強(qiáng)度有顯著差異（＜0.05），抗扭強(qiáng)度由大到小部位分別為下部、中部和上部。不同取樣部位的木質(zhì)部的剪切模量有顯著差異（＜0.05），剪切模量由大到小部位分別為下部、中部和上部。由于木質(zhì)部自上而下呈現(xiàn)木質(zhì)化遞增的趨勢(shì)，所以單位直徑最大扭矩、抗扭強(qiáng)度和剪切模量自上而下呈遞增趨勢(shì)。

圖8 木質(zhì)部扭轉(zhuǎn)力學(xué)特性與取樣部位的關(guān)系

3 結(jié)論

對(duì)不同部位的木質(zhì)部、韌皮部進(jìn)行剪切、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)和撕裂力學(xué)特性試驗(yàn)，得到結(jié)論如下：

1）科構(gòu)101號(hào)收獲時(shí)韌皮部的含水率為65.98%～71.86%，木質(zhì)部的含水率為57.09%～64.91%。除木質(zhì)部呈現(xiàn)中部含水率最高，下部含水率最低的規(guī)律以外，韌皮部的含水率從上往下呈遞增趨勢(shì)。

2）對(duì)韌皮部的剪切強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度及相對(duì)應(yīng)功耗進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，韌皮部的剪切強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度及相對(duì)應(yīng)功耗自上而下均呈遞增規(guī)律；

3）對(duì)木質(zhì)部的力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明，徑向壓縮彈性模量、抗扭強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、剪切模量、剪切功耗、軸向壓縮功耗、徑向壓縮功耗、扭轉(zhuǎn)功耗、彎曲功耗自上而下均呈遞增規(guī)律；剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)為下部最高，中部最低；軸向抗壓強(qiáng)度和彎曲彈性模量呈現(xiàn)為中部最高，上部最低；軸向壓縮彈性模量呈現(xiàn)為中部最高，下部最低；

4）雜交構(gòu)樹(shù)的大部分力學(xué)特性自上而下呈遞增趨勢(shì)，因此可以在收獲時(shí)適當(dāng)提高切割位置以減少切割功耗。這種特性適用于收獲機(jī)切割器的設(shè)計(jì)，也可作為輸送裝置的參考依據(jù)；

5）雜交構(gòu)樹(shù)一年收獲多次，不同季次的收獲期雜交構(gòu)樹(shù)的力學(xué)特性是否存在顯著差異有待進(jìn)一步研究。

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Study on Mechanical Characteristics of Hybridduring Harvest Period

LIU Tian-hong1, WANG Qiang2, YANG Qing-lu1,3, TIAN Fu-yang1,3, SUI Hai-tao1,LI Fa-de1,3, DOng Shi-ping4, NIE Yan-shun5, SONG Zhan-hua1,3*

1.271018,2.010000,3.271018,4.100000,5.271018,

In view of the damage problem in the harvesting process of hybridand the development of theharvester, this paper takes Kegu 101 as the research object, uses a rapid moisture tester to measure the moisture content of different sampling parts of the hybrid, and uses a universal testing machine and a biomechanical detector to carry out shear, compression, tension, torsion, tear, puncture and bending mechanical properties tests on the phloem, xylem and leaves of different sampling parts. There were significant differences in the moisture content, shear, tensile and tear mechanical properties of phloem at different sampling positions of Kegu 101 (<0.05); The moisture content of xylem, shear, compression, bending and torsion mechanical characteristic parameters ( except bending elastic modulus ) have significant differences (<0.05); There were significant differences in water content and tear strength ofleaves (<0.05), but there were no significant differences in shear strength, tensile strength, tensile modulus of elasticity and puncture strength (>0.05). The research results can provide parameter basis for the design and optimization ofharvester.

;woody mechanical properties; plant biology

S781.2

A

1000-2324(2023)04-0595-10

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.04.016

2023-02-28

2023-03-14

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題:雜交構(gòu)樹(shù)根系低擾動(dòng)平茬切割機(jī)理研究(2021YFD1000103-1);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題:構(gòu)樹(shù)高效低損收獲關(guān)鍵技術(shù)研究(2022YFD2001905-03)

劉天宏(1999-),男,碩士研究生,專業(yè)方向:智能農(nóng)機(jī)化裝備. E-mail:1832992502@qq.com

通訊作者:Author for correspondence. E-mail:songzh@sdau.edu.cn