成熟期大豆茎秆力学特性研究

闫以勋，赵淑红，杨悦乾，田佰亮

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

为保证黑龙江省冬小麦顺利越冬，必须在每年8月底～9月初进行播种。因这一时节大豆、玉米等作物没有成熟，而玉米茎秆高大，只能在大豆的垄间进行冬小麦播种。为了能够最大限度地降低对大豆茎秆的打击，减少播种期间所造成大豆的倒伏以及所造成的损失，需要研制一种在大豆收获前，垄沟两侧进行播种的冬小麦免耕播种机。因此需要掌握成熟期大豆茎秆的力学特性。目前研究者都是从农作物抗倒伏特性方向上去研究茎秆力学特性。李红波等对冬小麦茎秆做了弯折试验，发现抗倒伏特性在不同生长期会发生变化[1－2]，袁志华通过理论分析了作物倒伏的临界力[3]，刘庆庭从材料科学的观点研究农作物茎秆的结构与功能特点[4]，梁莉对作物生物力学性质与形态特性的关系进行了研究[5]，郭维俊研究了冬小麦茎秆微观结构[6]。目前还未见从设计免耕播种机角度对大豆茎秆进行力学特性研究的报道。本文对大豆品种绥农14成熟期茎秆的力学特性进行了试验和研究。分别研究了惯性矩I、弹性模量E和抗弯刚度EI沿节间的变化以及茎秆的微观结构与力学特性的关系。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试样选自东北农业大学香坊实验实习基地田种植的大豆品种绥农14。要求没有虫害，平均株高为100 cm，含水率为73.16%，成熟一致，于大豆成熟期（2010年9月1日）采集试样。从田间随机选取株高及主茎均匀的大豆植株30～40株进行试验。当天采集当天试验。

1.2 试验方法与设备

试验是在东北农业大学力学实验室由济南试验机厂制造的微机控制电子式万能试验机WDW－5上进行，选用精度达0.5%的500 N传感器。在实验室选取9株做剪切试验，分别对所选样品进行编号，各节间的编号是从底部依次向上取值，量取原始几何参数，放入密封袋中保存。选取5株大豆茎秆进行三点弯曲试验，试样从茎秆底部第三节起依次向上取（底部第一节和第二节由于节间长度值太小没有量取），取两节为一个单元。由于大豆茎秆是不规则圆柱形，节间处直径较大而中部较小，因此测量直径时，应分别测量每个单元的最大直径和最小直径，并求其平均值作为该单元的直径（d）。

2 大豆茎秆剪切力学特性

在播种冬小麦时，正值大豆的成熟期，田间难免存在倒伏的大豆茎秆，为防止茎秆缠绕免耕播种机，造成机器的拥堵，必须设计合理的切割器。

不同位置的剪切力与时间的曲线如图1所示，茎秆底部所需的剪切力远大于其它两个部位，其原因是一方面大豆茎秆底部比较粗壮，直径较大；另一方面茎秆底部开始出现了木质化，茎秆的强度增大，在剪切过程中大豆茎秆突然断裂。

图1 不同位置的剪切力Fig.1 Shear force of different internode

从大豆茎秆的中部曲线可以看出，剪切力出现了两个峰值，第一个峰值说明刀片切入茎秆的位置已经超过半径，此时茎秆已破坏，因此这个剪切力就是破坏力；第二个峰值是由于在继续切割过程中刀片、支撑架与茎秆之间产生了摩擦力所引起的。因此取第一个峰值Fmax来计算最大切应力。

由材料力学公式：

式中，τ－切应力，Fs－剪切截面上的剪切力，Fs=Fmax，A－剪切面的面积；

大豆茎秆不同节间的直径见图2，从表中可见，茎秆底部与中部的直径并无明显差别，但大豆茎秆底部与另外两个部位的剪切力差别较大，因此由公式（1）计算出的不同节间的切应力差别较大。切应力与节间位置的关系如图3所示，从图中可见，切应力在茎秆中部是显著降低的。

图2 大豆茎秆不同节间的直径Fig.2 Soybean stem different internode diameter

图3 切应力与节间曲线Fig.3 Curve of shearing stress and internode

3 大豆茎秆弯曲力学特性

成熟期的大豆茎秆有一定的弹性和脆性。播种机在茎秆上经过时，会使茎秆弯曲，如果茎秆弹性较好，会恢复原来状态；如果茎秆较脆，会使茎秆折断，影响大豆产量。因而必须合理设计播种机机架高度。如果机架过高，导致机器不稳定；过低，则导致茎秆折断。因此，需要研究大豆茎秆惯性矩、弹性模量和抗弯刚度。

3.1 测定原理

茎秆的弹性模量E用三点弯曲方法测定，测试如图4所示。

图4 三点弯曲Fig.4 Three-point bending

由公式（2）、（3）可知：

式中，F－加载的载荷，l－标矩，即两支点间距离，y－试件中点的弯曲挠度，I－截面对中性轴的惯性矩，d－茎秆直径。

3.2 惯性矩I

由公式（3）求得惯性矩I。茎秆的惯性矩与节间的关系如图5所示。由图5可知，大豆茎秆的惯性矩由底部向顶部逐渐递减，在茎秆底部到中下部惯性矩缓慢变化，在中上部到顶部其惯性矩迅速降低。

图5 不同节间的惯性矩Fig.5 Inertia moment of different internode

3.3 弹性模量E

在万能试验机上做茎秆弯曲试验。计算机通过应力传感器来采集数据，并绘出茎秆弯曲的实时载荷挠度曲线，通过观察曲线，当载荷迅速降低，即当试样发生明显屈折后停止试验。

对载荷挠度曲线上的初始直线段通过线性拟合，并利用公式（4）求出大豆茎秆弹性模量E。

弹性模量E与节间位置关系曲线如图6所示，大豆茎秆的弹性模量由底部向上呈现先减小后升高的趋势。在茎秆中部弯曲力迅速降低，而此时茎秆的惯性矩并未明显减少，因此，弹性模量逐渐降低；在茎秆顶部弯曲力、木质化程度都很小，无太大变化，而此时茎秆的惯性矩明显降低，因此，弹性模量逐渐升高。

图6 弹性模量与节间关系曲线Fig.6 Curve of internode-elastic modulus curve

3.4 抗弯刚度EI

茎秆的抗弯刚度决定着大豆茎秆在机器播种时的抗弯曲能力。

抗弯刚度EI与节间的变化曲线（见图7），大豆茎秆从底部至顶部抗弯刚度呈显著下降趋势。茎秆底部抗弯刚度最大，这与底部微观组织木质化严重，茎秆直径较大是相一致的。随着茎秆木质化程度的减少，抗弯刚度在顶部最小，大约50 MPa。

图7 抗弯刚度与节间曲线Fig.7 Curve of bending rigidity and internode

4 大豆茎秆的微观结构

大豆茎秆力学性质主要由其微观结构决定的。试验是在东北农业大学微生物实验室进行的，电镜型号为日立H－7650。厚壁机械组织纵切面的显微结构如图8所示。由图8可知，成熟期大豆茎秆厚壁细胞较多，且细胞壁具有不同程度的加厚现象；中间长条状细胞为导管分子，其细胞壁出现了木质化，具有一定的支撑作用。茎秆的机械组织和维管组织主要起承载作用。厚壁组织和维管束组织坚硬而富有弹性，构成大豆生长过程中重要的机械支撑部分，是大豆能抵抗剪切、弯曲等各种变形和破坏的内在原因。机械组织纤维层越厚，维管数量越多，茎秆的强度和刚度越好。因此，大豆茎秆的强度随机械组织和维管束数量的增加而提高。

图8 大豆茎秆纵切面Fig.8 Longitudinal section of soybean stem

5 结 论

a.大豆茎秆底部比中部和顶部所需的剪切力较大。

b.在茎秆底部到中下部惯性矩缓慢变化，在中上部到顶部其惯性矩迅速降低。弹性模量E由底部向上呈现先减小后升高的趋势，在中部节间下降到最低，但茎秆底部的弹性模量依然最大。

c.对大豆茎秆微观结构的分析，其较发达的机械组织和维管组织表明了大豆茎秆有较高的强度和抗击打能力。

d.所得到的数据为设计冬小麦免耕播种机及其切割器机架高度等提供了基本参数。

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