收獲期雜交構樹力學特性研究

劉天宏,王強,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*

收獲期雜交構樹力學特性研究

劉天宏1,王強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. 山東農業大學機械與電子工程學院, 山東 泰安 271018 2. 中國農業機械化科學研究院呼和浩特分院有限公司, 內蒙古 呼和浩特 010000 3. 農業生產機械裝備國家工程研究中心, 山東 泰安 271018 4. 中國農業機械化科學研究院集團有限公司, 北京 100000 5. 山東豐唐生態農業科技有限公司, 山東 泰安 271018

針對雜交構樹收割過程中的損傷問題及雜交構樹收獲機的研制，本文以科構101號為研究對象，利用快速水分測定儀測量雜交構樹不同取樣部位上的含水率，并利用萬能試驗機和生物力學檢測儀對不同取樣部位上的韌皮部和木質部進行了剪切、壓縮、彎曲、扭轉和撕裂力學特性試驗?？茦?01號不同取樣部位上的韌皮部的含水率，剪切、撕裂力學特性參數有顯著差異（<0.05）；木質部的含水率，剪切、壓縮、彎曲和扭轉力學特性參數（除彎曲彈性模量）有顯著差異（<0.05）。該研究結果可為雜交構樹收獲機的設計與優化提供參數依據。

構樹; 木材的力學性質; 植物生理

雜交構樹作為一種具有高蛋白和營養均衡特征的優質木本植物，具有較強的適應性、土壤改良性能，能提供安全、健康、營養豐富的飼料，可緩解粗蛋白飼料的短缺，同時還可以實現解決“人畜爭地”的矛盾、擴大耕地面積、防風固沙、抗干旱、釋氧固碳等多重生態功能，替代一部分糧食作物，降低養殖成本，實現生態保護與發展養殖業聯系的統一，成為畜牧業可持續發展領域的一種營養豐富、消化利用率高的新型蛋白質飼料[1,4]。目前由于缺乏關于雜交構樹力學性質的數據，會導致在收割過程中易造成雜交構樹韌皮部撕裂和木質部破損，影響其正常生長，因此需要獲取有關損傷參數，以降低雜交構樹割茬的損害程度。

秸稈類植物力學特性試驗主要包括剪切、壓縮、彎曲、扭轉等[5,12]。李紅波等[13]對不同節間的谷物莖稈、葉梢、葉片和葉環各部位進行拉伸力學特性測試，分析了不同部位拉伸力學特性的變化規律。尹政等[14]對紅麻的莖稈力學特性進行了研究，測定紅麻莖稈各組分的彈性參數，為紅麻莖稈收獲機械的設計提供理論基礎。Igathinathane C等[15]利用萬能試驗機研究了不同割刀傾角對玉米秸稈的切割力學特性的影響，為玉米切割器的設計提供了參考。

選取科構101號雜交構樹主干的上部、中部和下部為研究對象，對雜交構樹不同部位的含水率進行了測量；對雜交構樹不同部位韌皮部的剪切、撕裂力學特性進行了試驗；對雜交構樹不同部位木質部的剪切、壓縮、彎曲和扭轉力學特性進行了試驗。力學試驗測得韌皮部、木質部不同部位的力學特性參數及變化規律，可以為雜交構樹收獲機等機械裝備的設計和優化提供一定的參數依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取科構101號為研究對象。雜交構樹取自山東省泰安市寧陽縣。取樣時間為2022年7月18號，雜交構樹高度為1.3 m左右。

選取無病蟲害，長勢良好，沒有明顯的損傷的雜交構樹主干作為試驗材料，將雜交構樹主枝干分為三部分（上部、中部、下部）制作試樣。雜交構樹條取回后，用保鮮膜包裹后放入冰箱（4 ℃）內保存。保證試驗期間數據的一致性。

圖1 試樣選取部位

1.2 試驗方法

由于雜交構樹髓部較軟且較多部分枝條內無髓部，與木質部相比，其剪切力、剪切強度、抗壓力、抗壓強度、壓縮彈性模量、剪切模量、抗扭強度、抗彎強度和彎曲彈性模量等力學特性參數遠遠小于木質部。所以，對去皮雜交構樹條的力學特性試驗可看成對木質部的力學特性試驗，可通過木質部面積，計算木質部的剪切力、剪切強度、抗壓力、抗壓強度、壓縮彈性模量、剪切模量、抗扭強度、抗彎強度和彎曲彈性模量等力學特性。

1.2.1 雜交構樹含水率測定雜交構樹力學特性試驗前需先測量每組試樣（10組）的含水率。將韌皮部和木質部分別用剪刀剪碎，分別利用鹵素快速水分測定儀（ZTXY-101型，上海準權儀器設備有限公司）在設定溫度為105 ℃的條件下對其進行含水率的檢測。

1.2.2 雜交構樹韌皮部剪切試驗將上部、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，萬能試驗機（WDW-5E型，濟南試金集團有限公司）以30 mm/min的加載速率進行剪切試驗，共三組，一組10次。試驗前利用游標卡尺（Mitutoyo500-153，日本三豐）測量韌皮部的厚度。試驗結束后計算韌皮部的剪切強度，計算公式如下[16,17]：

式中：1—剪切強度，MPa；1max—最大剪切力，N；1—橫截面積，mm2。

1.2.3 雜交構樹韌皮部撕裂試驗從上部、中部和下部樣品中截取20×30 mm韌皮部撕裂試樣，試驗前利用游標卡尺測量韌皮部的厚度，利用生物力學檢測儀（EZ-SX型，日本島津）以10 mm/min對其沿垂直纖維方向進行撕裂試驗，直至試樣被撕裂，共3組，一組10次。根據試驗結果計算其撕裂強度。撕裂強度計算公式如下所示[18]：

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

1.2.4 雜交構樹木質部剪切試驗將上部、中部和下部木質部試樣放到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，萬能試驗機以30 mm/min的加載速率進行剪切試驗，共3組，一組10次。試驗前利用游標卡尺測量木質部的內外徑。根據公式（1）計算木質部的剪切強度。

1.2.5 雜交構樹木質部壓縮試驗從上部、中部和下部樣品中截取20 mm木質部壓縮試樣，利用砂紙將試樣兩端磨平放置在萬能試驗機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。試驗前用游標卡尺測量木質部內外徑。試驗后，根據試驗數據計算木質部軸向抗壓強度，并根據木質部彈性階段數據計算其軸向壓縮彈性模量。根據式2和式3計算其軸向抗壓強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木質部壓縮試樣，放置在萬能試驗機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。試驗前用游標卡尺測量木質部內外徑。其徑向壓縮彈性模量的計算公式如下所示[19]：

式中：c—徑向壓縮彈性模量，MPa；c—壓應力，MPa；c—木質部試樣的應變；c—剛性平板壓縮木質部的等效寬度，mm；—剛性平板壓縮木質部的壓縮位移，mm；S—木質部試樣長度，mm。

1.2.6 雜交構樹木質部彎曲試驗將上部、中部和下部木質部試樣放到彎曲試驗臺上（彎曲試驗臺支座之間距離為70 mm），利用萬能試驗機對其進行彎曲試驗，下壓速度設為5 mm/min，共3組，一組10次。試驗前利用游標卡尺測量木質部內外徑，試樣的彎曲強度和彎曲彈性模量的計算公式如下所示[20]：

式中：σ—抗彎強度，MPa；Fmax—最大彎曲力，N；E—彎曲彈性模量，MPa；l—木質部彎曲長度，mm；D—木質部外徑，mm；d—木質部內孔徑，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 雜交構樹木質部扭轉試驗從上部、中部和下部樣品中截取80 mm扭轉試樣，試驗前利用游標卡尺測量其內外徑，利用扭轉試驗機（KN-100PLW型）以15 °/min對其進行扭轉試驗，共三組，一組10次。根據試驗結果計算其抗扭強度和剪切模量?？古姸群图羟心Ａ坑嬎愎饺缦滤綶21,22]：

式中：τ—抗扭強度，MPa；T—最大扭矩，N·mm；—截面系數，mm3；—剪切模量，MPa；L—標距，mm；I—極慣性矩，mm4；—扭矩-扭轉角曲線上線性段的扭矩變化量，N·mm；Δ—扭矩-扭轉角曲線上線性段的扭轉角變化量，°。

1.3 數據處理方法

含水率每種試樣測量20組，力學特性試驗每組重復10組，利用 Excel 2016（Microsoft Office 2016，微軟公司）對試驗數據進行整理和預處理；利用SAS 9.2（STATISTICAL ANALYSIS SYSTEM，SAS INSTITUTE INC）軟件對試驗數據進行方差分析，在=0.05的水平上進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 雜交構樹含水率結果分析

試驗前對每組試樣進行含水率的測量：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，木質部的含水率從上往下呈現先增后減的趨勢。

2.2 雜交構樹韌皮部試驗分析

2.2.1 雜交構樹韌皮部剪切試驗分析

圖2 韌皮部剪切力學特性與取樣部位的關系

注：雜交構樹試樣分為上部、中部和下部三部分：表中數據采用的是算數平均值±標準差的形式（=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樹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樹韌皮部的剪切強度有顯著差異（＜0.05），剪切強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樹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化程度略高，故剪切強度略高。

2.2.2 韌皮部撕裂試驗分析韌皮部撕裂時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度有顯著差異（＜0.05），撕裂強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度呈相同趨勢。

圖3 韌皮部撕裂力學特性與取樣部位的關系

2.3 雜交構樹木質部試驗分析

2.3.1 雜交構樹木質部剪切試驗分析木質部剪切時的上部的平均內徑為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樹木質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樹木質部的剪切強度有顯著差異（＜0.05），剪切強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樹木質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。由于下部木質化程度最高，故下部木質部的單位直徑最大剪切力，剪切強度和單位面積剪切功耗略高。

圖4 木質部剪切力學特性與取樣部位的關系

2.3.2 木質部軸向壓縮試驗分析木質部軸向壓縮時的上部的平均內徑為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樹木質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樹木質部的軸向抗壓強度有顯著差異（＜0.05），抗壓強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樹木質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樹木質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。由于木質化程度不同，下部的最大壓縮力和抗壓強度均最大；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，而下部無髓。

圖5 木質部軸向壓縮力學特性與取樣部位的關系

2.3.3 木質部徑向壓縮試驗分析木質部徑向壓縮時的上部的平均內徑為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 木質部徑向壓縮力學特性與取樣部位的關系

不同取樣部位的雜交構樹木質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樹木質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樹木質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。木質部的木質化自上而下呈遞增趨勢，隨著木質化的增加，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。

2.3.4 木質部彎曲試驗結果分析木質部彎曲時的上部的平均內徑為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部的抗彎強度有顯著差異（＜0.05），抗彎強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部的彎曲彈性模量沒有顯著差異（＞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。結果表明各部位的木質部抗彎曲能力大致相同，但由于木質部自上而下呈現木質化遞增的趨勢，所以單位直徑最大彎曲力、抗彎強度和彎曲功耗自上而下呈遞增趨勢。

圖7 木質部彎曲力學特性與取樣部位的關系

2.3.5 木質部扭轉試驗結果分析木質部扭轉時的上部的平均內徑為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，平均抗扭強度為3.99 MPa，平均剪切模量為2 MPa；中部的平均內徑為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，平均抗扭強度為4.01 MPa，平均剪切模量為3.42 MPa；下部的平均內徑為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，平均抗扭強度為5.92 MPa，平均剪切模量為4.42 MPa。不同取樣部位的木質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部的抗扭強度有顯著差異（＜0.05），抗扭強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。由于木質部自上而下呈現木質化遞增的趨勢，所以單位直徑最大扭矩、抗扭強度和剪切模量自上而下呈遞增趨勢。

圖8 木質部扭轉力學特性與取樣部位的關系

3 結論

對不同部位的木質部、韌皮部進行剪切、壓縮、彎曲、扭轉和撕裂力學特性試驗，得到結論如下：

1）科構101號收獲時韌皮部的含水率為65.98%～71.86%，木質部的含水率為57.09%～64.91%。除木質部呈現中部含水率最高，下部含水率最低的規律以外，韌皮部的含水率從上往下呈遞增趨勢。

2）對韌皮部的剪切強度、撕裂強度及相對應功耗進行測定。結果表明，韌皮部的剪切強度、撕裂強度及相對應功耗自上而下均呈遞增規律；

3）對木質部的力學特性參數進行測定。結果表明，徑向壓縮彈性模量、抗扭強度、抗彎強度、剪切模量、剪切功耗、軸向壓縮功耗、徑向壓縮功耗、扭轉功耗、彎曲功耗自上而下均呈遞增規律；剪切強度呈現為下部最高，中部最低；軸向抗壓強度和彎曲彈性模量呈現為中部最高，上部最低；軸向壓縮彈性模量呈現為中部最高，下部最低；

4）雜交構樹的大部分力學特性自上而下呈遞增趨勢，因此可以在收獲時適當提高切割位置以減少切割功耗。這種特性適用于收獲機切割器的設計，也可作為輸送裝置的參考依據；

5）雜交構樹一年收獲多次，不同季次的收獲期雜交構樹的力學特性是否存在顯著差異有待進一步研究。

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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

國家重點研發計劃子課題:雜交構樹根系低擾動平茬切割機理研究(2021YFD1000103-1);國家重點研發計劃子課題:構樹高效低損收獲關鍵技術研究(2022YFD2001905-03)

劉天宏(1999-),男,碩士研究生,專業方向:智能農機化裝備. E-mail:1832992502@qq.com

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