玉米秸秆自干后的材料力学性质研究

武翠卿，李　楠，张　帅，郭玉明

(山西农业大学 工学院，山西 太谷　030801)



玉米秸秆自干后的材料力学性质研究

武翠卿，李楠，张帅，郭玉明

(山西农业大学 工学院，山西 太谷030801)

摘要：玉米秸秆直接还田或沤肥是大量增加土壤有机质的优质有机肥，也是生物质能源转化及混合饲料利用的重要资源。目前，在这几方面的应用中均需进行粉碎、揉丝、切段等加工，针对加工参数的优化需要研究其力学性质。为此，试验研究了越冬后自然干燥的玉米秸秆的弯曲强度、皮质层和内芯的剪切强度、拉伸强度、弹性模量及穿刺强度等力学性质指标，以及应力应变规律、抗弯折特性、茎秆不同节间的力学性质变化等材料力学特性，为相关加工设备及工艺参数优化提供了理性参考依据。

关键词：玉米秸秆;自然干燥;力学性质;茎秆材料强度

0引言

玉米秸秆的材料结构是由外部硬度较高的皮质层包裹着内部弹性较好的胞体蜂窝状材料构成，有着独特的材料力学性质特性。秸秆直接还田或沤肥是大量增加土壤有机质的优质有机肥，也是生物质能源转化及混合饲料利用的重要资源。目前，在这几方面的应用中均需进行粉碎、揉丝、切段等加工，还有就是秸秆作为生物质资源进行成型燃料加工转化利用时一般已储藏越冬自然干燥。因此，需要专门研究自然干燥后的玉米高粱秸秆的力学性质，为相关加工装备设计和加工工艺参数优化提供设计参数和理论参考依据。有关作物秸秆生物力学性质的研究主要集中在生长期，包括对玉米秸秆力学性质试验和力学性质与抗倒伏及取样条件等因素的影响研究[1-5]、对小麦茎秆生物力学性质及抗倒伏特性的研究[ 6-7 ]，以及对小麦、谷子、玉米、高粱、大豆等茎秆作物茎秆材料力学性质的试验研究[ 8-10 ]。因此，测试了茎秆作物的形态特性指标和拉伸、剪切、弯曲等基本变形形式下的拉伸强度、剪切强度、弯曲强度、弹性模量等力学性质指标，并研究了它们之间的相关关系和应用生物力学性质指标，评价茎秆作物抗倒伏特性，创建力学评价体系及评价方法。

1试验材料与方法

1.1　试验样本采集及制备

试验用样本选自山西农大所在地太谷县北洸农民储存越冬的玉米秸秆，含水率为1.454%；挑选节间、直径粗细均匀，且没有破损、弯折的整秆，削去根须、顶部，去除叶鞘、包叶等，将处理好的茎秆运回实验室保存，以备试验。

1.2　试验仪器

试验所用仪器为CMT6104型微机控制电子万能试验机，本文进行的茎秆弯曲、拉伸、剪切均由其配套的相应夹具完成。其它仪器或工具：3KFG-01电热恒温鼓风干燥箱；精度为0.1 mg的电子分析天平；精度为0.01mm的电子数显游标卡尺等。

1.3　试验方法

将采集好的茎秆自节间处锯断，从根部节向上依次标号，然后用数显游标卡尺测定试样受力点的外径。由于玉米茎秆横截面是椭圆形，弯曲试件取其长短轴测量3次平均值作为外径。茎秆皮质层和内芯材料的试件在不同节间切取，制作成标准试件备用，测取所需原始数据。按材料力学性质测试方法设计出不同变形形式对应下的试验方案，按方案进行相应试验；由计算机系统自动采集数据点，并自动绘制载荷位移曲线，按材料力学算式计算出相关材料力学性质指标值。

2试验结果与分析

2.1　试验结果

2.1.1玉米茎秆弯曲试验

图1为玉米茎秆弯曲时的载荷位移曲线。由图1可以看出：当载荷达到预加载荷后，计算机系统开始采集数据点并绘制载荷位移曲线；在试验初始阶段，载荷位移曲线近似呈线性；当达到强度极限后,茎秆出现撕裂现象，达到最大载荷时试验停止。

图1　玉米弯曲载荷位移曲线

2.1.2茎秆皮质层材料拉伸试验

图2为计算机自动采集数据并绘制出的拉伸载荷位移曲线。当载荷达到玉米茎秆皮质层最大承载能力时，试样被拉断并伴有清脆断裂声，试验结束。

图2　玉米茎秆表皮拉伸载荷位移曲线

2.1.3玉米茎秆皮质层和内芯材料剪切试验

图3和图4分别是玉米茎秆皮质层和内芯剪切载荷位移曲线。

图3　玉米茎秆皮质层剪切载荷位移曲线

图4　玉米茎秆内芯剪切载荷位移曲线

2.2　试验结果处理与分析

2.2.1玉米茎秆弯曲力学性质分析

表1　玉米茎秆弯曲力学性质指标

F为最大弯折载荷，σ为抗弯强度，E为弹性模量。

绘制出玉米茎秆不同节间的最大弯曲载荷、抗弯强度和弹性模量的变化图，如图5～图7所示。

图5　玉米茎秆最大弯曲载荷的变化趋势

图6　玉米茎秆抗弯强度的变化趋势

图7　玉米茎秆弹性模量的变化趋势

由图7可知：玉米茎秆的最大弯曲载荷随着节间高度的增加呈现下降趋势，即取样的高度越高，茎秆最大弯曲载荷越小；抗弯强度与最大弯曲载荷的变化趋势一致，也是随着取样高度增加，抗弯强度呈现下降趋势；取样高度对弹性模量的影响较小，呈现出略微的上升趋势。

2.2.2茎秆皮质层拉伸力学性质分析

对试验数据进行处理，得到不同节间玉米茎秆皮质层的拉伸最大载荷，抗拉强度σ=F/A，弹性模量E=σ/ε，如表2所示。

玉米茎秆不同节间皮质层拉伸最大载荷、抗拉强度和弹性模量的变化图，如图8～图10所示。

表2　不同节间玉米茎秆皮质层的拉伸力学性质指标

F为最大拉伸载荷，σ为抗拉强度，E为弹性模量。

图8　玉米最大拉力随节间的变化趋势

图9　抗拉强度随节间的变化趋

图10　弹性模量随节间的变化趋势

由图8～图10可知：玉米茎秆皮质层拉伸试验，最大拉力和抗拉强度均随着取样节间位置向上而减小，弹性模量的趋势也大致相同。

2.2.3玉米茎秆皮质层剪切力学性质分析

对试验数据进行处理,得到不同节间玉米茎秆皮质层剪切最大载荷，剪切强度τ=F/A，如表3所示。

表3　玉米茎秆皮质层剪切数据

F为最大剪切载荷，τ为抗剪强度。

玉米茎秆不同节间皮质层剪切最大载荷、剪切强度的变化图，如图11和图12所示。

图11　玉米茎秆皮质层最大剪切力随节间的变化趋势

图12　玉米茎秆皮质层剪切强度随节间的变化趋势

由图11和图12可知：玉米茎秆皮质层的最大剪切力和剪切强度都随节间的增大而减小。

2.2.4玉米茎秆内芯剪切力学性质分析

对数据进行处理,得到不同节间玉米茎秆内芯剪切最大载荷、剪切强度，如表4所示。

表4　玉米茎秆内芯剪切力学性质

F为最大剪切载荷，τ为抗剪强度。

玉米茎秆不同节间内芯剪切最大载荷、剪切强度的变化图，如图13和图14所示。

图13　玉米茎秆内芯最大剪切力随节间的变化趋势

图14　玉米茎秆内芯剪切强度随节间的变化趋势

由图13和图14可知：玉米茎秆内芯的最大剪切力和剪切强度的变化趋势与玉米茎秆表皮的变化趋势一致，即随着取样高度的增加，最大剪切力和剪切强度减小。

2.2.5玉米茎秆皮质层穿刺强度性质分析

利用生物材料物性分析仪，选择横截面积为1mm2的探头，对玉米茎秆的皮质层进行了穿刺强度试验，得到试验结果如表5所示。

由表5可知:玉米茎秆皮质层的穿刺强度随着取样高度的增加而降低,如图15所示。

表5　玉米茎秆皮质层穿刺强度

图15　玉米茎秆皮质层穿刺强度随节间的变化趋势

3结论与讨论

1) 玉米茎秆的最大弯曲载荷和抗弯强度随着茎秆节间部位的不同而变化，从根部起越往上弯曲强度越小；而不同节间的弹性模量变化不大。这反映出整体玉米茎秆的材料性质基本相同；根部节间抗弯强度大，表明其抗倒伏能力强，符合生物遗传的优良形态特征。

2) 玉米茎秆皮质层的拉伸强度和剪切强度均随不同节间部位有变化，趋势也为从根部起越往上越小，弹性模量的变化趋势也大致相同。这反映出玉米茎秆不同节间的皮质层材料性质有变化，根部的皮质层材料特性要强。

3) 茎秆不同节间的内芯材料剪切强度的变化趋

势与上述结论大体一致，但玉米茎秆内芯材料的抗剪强度远小于其茎秆皮质层。这反映出其单独承载能力较弱，但与皮质层构成的复合材料结构有着优良的生物材料微结构特性。

4)茎秆的穿刺强度随不同节间部位有变化，趋势为从根部起越往上越小。这反映出玉米茎秆不同节间的皮质层材料性质不同，根部的皮质层材料特性要强。

由此看出：玉米秸秆干燥后力学性质随节间部位的不同有变化，在生物质加工和利用目标不同时应有针对性地进行选择。

参考文献：

[1]陈艳军,吴科斌,张俊雄,等.玉米茎秆力学参数与抗倒伏性能关系研究[J].农业机械学报,2011(6):89-92.

[2]王春芳,毛明,泮进明,等.玉米茎秆取样条件对其弹性模量的影响研究[J]. 农业工程,2012(1):48-53.

[3]于勇,林怡,毛明,等.玉米茎秆拉伸特性的试验研究[J].农业工程学报,2012(6):70-76.

[4]杨廷文. 玉米茎秆及其打捆力学特性研究[D].淄博：山东理工大学,2014.

[5]侯杰.玉米秸秆力学特性与理化指标及其关联性[D].哈尔滨：东北农业大学,2013.

[6]袁红梅，郭玉明， 李红波，等.小麦茎秆弯折力学性能的试验研究[J].山西农业大学学报:自然科学版,2005,25(2):173-176.

[7]Sterling M, Baker C J,Berry P M,et al. An experimental investigation of the lodging of wheat[J].Agricultural and Forest Meteorology, 2003,119:149- 165.

[8]梁莉，郭玉明.作物茎杆生物力学性质与形态特性相关性研究[J].农业工程学报,2008,24(8):1-6.

[9]郭玉明，袁红梅，阴妍，等.茎秆作物抗倒伏生物力学评价研究及关联分析[J].农业工程学报,2007,23(7):14-18.

[10]马凡钟,刘继展. 农作物茎秆力学试验的研究综述[J]. 农机化研究,2014，36(8):5-9.

Study on Mechanical Properties of Air Drying Corn Stalk

Wu Cuiqing, Li Nan, Zhang Shuai, Guo Yuming

(College of Engineering and Technology, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China)

Abstract：The corn stalk direct-application or waterlogged compost was the high quality organic fertilizer, largely increase soil organic matter, and it also was an important resource of biomass energy conversion and mixed feed utilization. Processing such as smashing, rubbing and cutting should be performed in these applications, so we studied its mechanical properties for optimization of process parameters.We tested the bending strength of air drying corn stalk after winter,and the shear strength,tensile strength, elasticity modulus,puncture strength of the cortical layer and inner core, and studied regularity of the stress and strain, bending resistance and the mechanical properties regulation of different internodes. The study provides rational reference basis for related processing equipment and optimization of process parameter.

Key words：corn stalk; air drying; mechanical properties; stalk material strength

中图分类号：S121；S216.2

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0146-05

作者简介：武翠卿(1972-)，女，山西太谷人，讲师，博士， (E-mail)gcywcq@163.com。

基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金项目(20111403130001)；山西省重点实验室基金项目(2013011066-9)

收稿日期：2015-08-11