豆禾牧草刈割期茎秆抗弯特性试验研究

豆禾牧草刈割期茎秆抗弯特性试验研究 豆禾牧草刈割期茎秆抗弯特性试验研究 2OGRASSLANDANDTURF(2010)Vo1.3ONo.1 豆禾牧草刈割期茎秆抗弯特性试验研究 赵春花,曹致中 (1.甘肃农业大学草业学院,草业生态系统教育部重点实验室,中一美草地畜牧业可持续研究中心, 甘肃兰州730070;2.甘肃农业大学工学院,甘肃兰州730070) 摘要:以北方多年生豆科牧草甘农3号,匍匐型小冠花,直立型小冠花和禾本科牧草无芒雀麦,扁穗 冰草刈割期茎秆为研究对象,利用微机控制电子万能材料试验机对刈割期的豆禾牧草底部茎秆进行弯 曲试验,获得最大抗弯强度,弹性模量等机械物理特性参数,并且, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 牧草茎秆弯曲过程中应力一应 变分布规律.t结果表明:刈割期茎秆的弯曲弹性模量平均值分别为57.914,2O.550,25.612,31.474, 6O.880MPa,牧草的形态学性状与其抗弯特性紧密相关.此研究为牧草的机械化收获选择切割方式和 切割刀具提供理论依据和技术参数,同时对牧草优种筛选和选育具有重要的指导意义. 关键词:豆禾牧草茎秆;弯曲试验;弹性模量;应力一应变曲线 中图分类号:S157.2文献标识码:A文章编号:1009—5500(2010)01—0020—04 研究植物茎秆的生物力学,并以此作为评价指标 对植物进行优种特性评价已引起农业工程领域和农学 家的广泛注意,研究成果主要集中在生物力学抗倒伏 评价以及植物形态特性指标与倒伏相关性研究等方 面[1].应用生物力学性质指标对茎秆作物进行评 价,在作物优种筛选和选育中起指导作用.近年来,随 着畜牧业的快速发展,对牧草资源的开发利用在国内 外引起高度重视,各种加工机具,配套工艺和牧草产品 应运而生;对牧草物料加工特性的研究也有了较快的 发展,为进一步 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 开发新机具,新工艺提供了理论依 据[4I5].研究牧草茎秆生物力学特性的意义为:(1)农 业机械设计阶段考虑牧草的特性有利于确定机器的工 作情况,减少研发成本与缩短研发周期[6;(2)牧草的 收稿日期:2009-I1-28 基金项目:省科技支撑 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(O8O4GKcAO51);国家自 然科学基金项目(50965001);国家"十一五"科 技攻关重大专项子项(2006BAD04A04—1—9);草 业生态系统教育部省部共建重点实验室项目 (Cy-GG-2006—17)资助 作者简介:赵春花(1972一),女,甘肃武威人,博士,副教授, 主要从事草业机械方面教学与研究.E-mail: zhaoch@gsau.edu.cn 曹致中为通讯作者. 机械处理如切断,压缩打捆,制草颗粒,草产品等有重 大的经济价值,但有关牧草物理机械特性方面的研究 却很少;(3)随着遗传工程的发展,人为培育优质高产, 抗逆的牧草,牧草茎秆的力学研究为遗传工程改变牧 草内部结构与机械性能指出了明确的目标.国内外学 者对小麦,水稻,玉米等主要粮食作物的抗倒伏和副产 品的开发利用进行了大量的研究工作E8-lO].但这些研 究中,对牧草茎秆的力学性能,尤其是抗弯特性的研究 还未见报道.研究选用多年生豆科牧草甘农3号苜 蓿,匍匐型小冠花,直立型小冠花(新育品系)和禾本科 无芒雀麦,扁穗冰草5种牧草刈割期底部茎秆为研究 材料,对其抗弯特性进行了测定和研究,为设计,合理 选择多功能豆禾牧草收割机n技术参数提供理论支 持,也为进一步培育优良品种,开发草产品深加工技术 提供一定的参考依据. 1材料和方法 1.1试验材料 试验材料在甘肃景泰县兰化302农场(试验区)生 长多年的初花期甘农3号紫花苜蓿(Medicagosativa CV.GannongNo.3),匍匐型小冠花(creepingtype crownvetch),直立型小冠花(Erectcrownvetchstrain) 和禾本科玛格纳无芒雀麦(Bromusinermisev.Mag— 第3O卷第1期草原与草坪2010年21 na),A.C帕克兰德扁穗冰草(Agropyroncristatum CV.AcParkland)5种豆禾牧草,在2009年6月18日 刈割期对茎秆进行随机采样,选取生长良好,无病虫害 的新鲜植株,并尽量避免对茎秆的机械损伤,截取豆禾 牧草底部(地表3O,150ram)的茎秆为试验样本,选取 测定的不同直径样本要保证其形态一致性,长度约8O mm.试样采回后立刻送实验室在4?保存,各种牧 草选100株,按茎秆直径大小分5组,每组由样本直径 相近的植株2O株组成,标距为50mm. 1.2试验方法 试验在甘肃农业大学材料力学实验室进行,用设 备为深圳SANS公司制造的CMT2502型微机控制电 子万能试验机,该机最大试验力500N,加载速率为1O mm/min;感量为0.O1g的电子天平;游标卡尺.在如 下力学性质指标简化计算分析基础上采用常规材料力 学性能测试方法进行3点弯曲试验,测取弯折极限载 荷及应力一变形关系对应的数.试验过程中,为防止 牧草茎秆在弯曲夹具上滑移,选择与茎秆空腔直径相 适应的长为50mm的螺纹杆,将两根螺杆分别从两端 穿人茎秆空腔25mm,用细线顺螺纹方向紧紧缠绕茎 秆,并涂一层504胶.此时,茎秆,螺杆和细线构成试 件夹持部分,0.5h后将试件装在试验机夹具内. 1.3力学性质指标计算依据 由于牧草茎秆的材料组织结构差异很大,生物力 学性质指标在试验测定值基础上运用何种力学模型计 算需要针对性地选择,为此从宏观力学层面进行分 .首先分析弹性模量试验和计算的依据.该常 析[1引 数反映了材料在弹性范围内的固有特性,是表达材料 受力时应力与应变关系的重要参量.对于茎秆材料来 说,若采用复合材料力学模型进行强度分析,则3点弯 曲对应的弯曲强度6----E1+4(/-~)-], 式中P一弯折极限载;弯曲挠度;b,^一分别为 矩形试件的宽度和高度. 弹性模量为E一/Xpl2(1+), 式中?p一弯曲载荷增量;?产弯曲挠度增量;一 ,为剪切修正系数,其中G..一主方向1,3相交 平面上的剪切模量;L一标距. 试验需要制作标准矩形梁试件,且针对纤维层增 强型复合材料来构造较为合理.研究针对的牧草茎秆 虽属于复合材料(表皮呈木质纤维,中间为多孔泡沫状 材料),但整体受力时材料常数可处理为当量弹性模 量,因此在豆禾牧草弹性模量计算时应用了较简单的 表15种豆禾牧草收获期茎秆抗弯试验结果 Table1BendingtestsresultsofStemsoflegumeforageandgrassesstemsatharvestingperiod 广, ,L \, "&颤蚺 /.| /., , , /_ /, /L—一2 &方_Bi橐_ 厂,, / 图15种豆禾牧草茎秆弯曲试验应力一应变曲线 Fig.1Curveofbendingtestsstress-strainoflegumesforageandgrassesstems 扁穗冰草弯 22GRASSLANDANDTURF(2010)Vo1.3ON0.1 关系E一.pt-,其中,I一茎秆截面惯性矩. 2结果与分析 弯曲强度,抗弯刚度是评价作物抗倒伏优种特性 的两个重要指标口引.牧草茎秆的力学特性影响牧草收 获和加工过程中的切割力,切割功耗,切割器的结构 等,在设计收割机切割器时,应考虑茎秆弹性模量对夹 持力的影响,饲料作物切割时需要剪切强度,弯曲强 度,密度和摩擦等,其结构形态参数有长度,外径和壁 厚口.试验以i0mm/min的试验速度对试样进行3 点弯曲试验,研究了刈割期茎秆力学指标与刈割直径 的变化情况,测得供试豆禾牧草茎秆的最大载荷,最大 抗弯强度(弯曲破坏应力),抗弯刚度,弹性模量等力学 性能指标.测得5种牧草甘农3号,匍匐型小冠花,直 立型小冠花和禾本科牧草无芒雀麦,扁穗冰草刈割期 茎秆(表1)平均直径分别为:3.848?0.85mm,3.120 ?0.82mm,4.500?0.87mm,1.790?0.59mm, 1.544士0.12mm;最大抗弯强度(弯曲破坏应力)平均 值分别为1.442?0.54MPa,1.128?0.58MPa, 1.168?0.55MPa,1.O14?0.23MPa,4.706?7.95 MPa;弯曲弹性模量平均值分别为57.914?5.38 MPa,20.550?12.25MPa,25.612?10.83MPa, 31.474土4.99MPa,60.880?22.78MPa. 图1为5种牧草500株试件刈割区茎秆弯曲试验 结果最佳的应力一应变曲线图,其外径依次为4.0 mm,2.7mm,5.6mm,1.74mm和1.68mm的刈割区 茎秆弯曲试验最佳,由图可见,茎秆在整个弯曲过程 中,大致经历了3个阶段:?近似线弹性阶段.载荷从 零缓慢增加到ap附近,应力与应变近似呈线性关系, 材料服从虎克定律.?非线弹性阶段.当继续加载, 薄壁圆管弯曲变成椭圆,发生Brazier效应『1引,Brazier 屈曲能使薄壁管状植物结构产生倒伏的重要原因.? 变形断裂阶段.弯曲应力超过最大抗弯强度后牧草茎 秆断裂,应力下降,茎秆瞬间被破坏,断口发生在茎秆 的横截面内. 图1和表1表明,豆科牧草茎秆直立型小冠花与 甘农三号弯曲应力一应变曲线图相似,甘农三号外径 4.0mm时,最大应力为1.39MPa,最大负荷应变区问 3.O6,5.19,直立型小冠花外径5.6mm时,最大 应力为1.51MPa,最大负荷应变区间1.66, l1.8,即这两种豆科牧草茎秆的柔韧性直立型小冠 花大于甘农三号;而匍匐型小冠花与直立型小冠花应 力一应变曲线图差异大,匍匐型小冠花弹性阶段较长, 材料粘弹性,柔韧性最强,结合其形态学性状农艺性状 (匍匐缠绕,茎秆纵横交错),机械化收获较难,符合生 产实际情况;禾本科牧草弯曲应力一应变曲线差异大, 扁穗冰草当外径1.68mm时,最大应力达4.2MPa, 即扁穗冰草抗弯曲能力最强,不易倒伏,切割性能好. 3结论 (1)多年生豆科和禾本科牧草茎秆具有良好的弹 性,是粘弹性材料;5种牧草试件的弯曲应力一应变曲 线均显现出?近似线弹性阶段;?非线弹性阶段;?变 形断裂3个阶段. (2)试验结果表明:同科牧草刈割期茎杆外径差异 不大,但豆科牧草茎秆外径是禾本科牧草的2,3倍; 禾本科牧草茎秆最大抗弯强度是豆禾牧草的3,4倍; 豆科牧草最大抗弯强度变化相差不大(1.128MPa--- 1.784MPa),而弹性模量差异较大(20.55,57.914 MPa),禾本科牧草茎秆抗弯强度,弹性模量变化相差 很大,表明,不同牧草或同科不同品种牧草茎秆力学性 质差异很大,牧草的形态指标(株型,株高,外径等)与 其抗弯强度和弹性模量相关,收获此类牧草(抗弯强度 ib)不宜采用传统的切割方式与切割刀具. (3)豆科和禾本科牧草茎秆的最大抗弯强度,弯曲 弹性模量差异很大,也是影响牧草机械化收获质量的 重要因素,此研究为设计,合理选择多功能豆禾牧草收 割机技术参数提供理论支持,也为指导牧草优种筛选 和选育,田间机械化管理,收获及进一步实现草产品加 工提供理论依据. 参考文献: [13梁莉,郭玉明.作物茎秆生物力学性质与形态特性相关性 研究口].农业工程,2008,24(7):1—6. [2]InceA,UgurluayS,GiizelE,eta1.BendingandShearing characteristicsofSunflowerStalkResidue[J].Biosystems Engineering,2005,92(2):175—181. [3]马洪顺,张忠君,曹龙奎.薇菜类蔬菜生物力学性质试验 研究[J].农业工程,2004,9(5):74—77. [4]高梦祥,郭康权,杨中平.玉米秸秆的力学特性测试研究 [J].农业机械,2003,34(4)47—49. E5-1赵春花,曹致中.手扶牧草收割机输送系统的试验研究 口].草原与草坪,2007(4):80—82. 第30卷第1期草原与草坪2010年23 [6] [7] [8] [9] [10] 刘庆庭,区颖刚,卿上乐.农作物茎秆的力学特性研究进 展口].农业机械,2007(7):l72—176. 苏工兵,刘俭英,王树才,等.苎麻茎秆木质部力学性能试 验[J].农业机械,2007,38(5):62—65. 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Experimentonbendingprop ^1?forageandgrassesat 尸rn口f"Z,"7^nZCollege ofEducation,China-U. ertiesofstemsoflegume harvestingperiod ZhAOChun—hua.CAOZhi—zhong ,GansuAgriculturalUniversity,KeyLaboratoryofGrasslandEcosystemMinistry S.CentersforGrazinglandEcosystemS乱s口nn6z,;2.Engineeringcollege, GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070,China) Abstract:Fivekindsofstemsinharvestingperiodofperenniallegumesforageandgrassessuc hasMedicago sativaGannongNo.3,creepingtypecrownvetch,Erectcrownvetchstrain,BromusinermisL eyssandAgropyron cristatuml,werechosentoperformtheexperimentsofbendingtestbymeansofelectronicuni versaltestingma— chine.Themaximumofbendingstrengthandelasticmodulusofforagestemsweredetermined,andthecurveof bendingtestsstress— strainofforagestemshadbeenanalyzed.Theresultsshowedthatinthefivespeciesoffor— agestems,theaverageelasticmodulusofbendingstrengthwere57.914Mpa,2O.550Mpa,25.612Mpa,31.474 Mpaand60.880MParespectively.Themorphologicalcharactersofforagestemsarerelatedtothebending properties.Theconclusionsprovidethetheoreticalfoundationandtechnicalparametertostudysuitablecutting waysandcuttingtoolsforforagemechanizationharvesting,andprovideguidanceforbreedingfinevarietiesas wel1. Keywords:stemsoflegumeforageandgrasses;bending"tests;flexibilitymodulus;curveofstress-strain