劉曉東，郭文斌，王春光，杜曉雪，靳 敏，王鵬鵬，趙方超

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引言

秸稈類物料是指水稻、小麥、玉米及高粱等禾本科農(nóng)作物成熟脫粒后剩余的莖葉部分。查閱以往數(shù)據(jù)可以看出：我國(guó)是農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量大國(guó)，持續(xù)關(guān)注著農(nóng)作物秸稈問(wèn)題，因其不管是從經(jīng)濟(jì)方面還是環(huán)境方面，都對(duì)我國(guó)的發(fā)展起著重要的作用[1-2]。秸稈松散、堆積密度低、存儲(chǔ)困難及運(yùn)輸成本高等特點(diǎn)一直是制約其高效利用的原因之一[3-5]。秸稈力學(xué)性能的研究可以作為相關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)、探索新的秸稈加工方法提供理論依據(jù)和設(shè)計(jì)參數(shù)指導(dǎo),從而提高加工處理質(zhì)量、降低運(yùn)輸成本、解決儲(chǔ)運(yùn)困難等問(wèn)題，并且減少其在收獲、加工、儲(chǔ)運(yùn)中由于機(jī)械損傷導(dǎo)致的養(yǎng)分損失[6]。本文對(duì)秸稈類物料壓縮、剪切等力學(xué)特性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析。

1 秸稈類物料力學(xué)特性研究進(jìn)展

1.1 秸稈壓縮特性

1.1.1 秸稈碎料的壓縮特性

秸稈碎料壓縮力學(xué)特性的研究對(duì)壓縮工藝的優(yōu)化、壓捆及壓塊設(shè)備的研制等均有重要的指導(dǎo)意義，一些學(xué)者在這些方面已經(jīng)取得了相當(dāng)喜人的成果。楊明韶、李旭英[7](1996)等利用高密度壓捆機(jī)對(duì)麥稈進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，指出了壓縮存在“松散”和“壓緊”兩個(gè)過(guò)程，影響物料壓縮過(guò)程的兩個(gè)重要因素是物料的種類和喂入量(初始密度)。王波[8](2005)認(rèn)為，秸稈在密閉容器內(nèi)壓縮會(huì)經(jīng)歷3個(gè)過(guò)程，分別是松散、過(guò)渡和壓緊；隨后為了驗(yàn)證結(jié)論的正確性，對(duì)揉切后的玉米秸稈進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：不同階段內(nèi)壓力與壓縮密度的關(guān)系可以用不同的數(shù)學(xué)模型表示。范林、王春光[9](2008)等通過(guò)對(duì)揉碎后的玉米秸稈進(jìn)行壓縮試驗(yàn)， 結(jié)果表明：揉碎的玉米秸稈的可壓縮性與喂入量、含水率、初始密度和壓縮速度有關(guān)，且當(dāng)壓縮密度超過(guò)臨近界值230 kg/m3時(shí)，其可壓縮性會(huì)隨著壓縮密度的增大而逐漸變差。 PhaniAdapa、Lope Tabil[10](2009)等對(duì)大麥、小麥秸稈等樣品進(jìn)行壓實(shí)處理， 確定了秸稈樣品壓實(shí)密度、總比能量的最佳預(yù)測(cè)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)誤差的最佳預(yù)測(cè)方程。趙何、楊若玲[11](2011)對(duì)碎玉米秸稈進(jìn)行了卷壓試驗(yàn)研究 ， 發(fā)現(xiàn)了影響秸稈卷壓成捆的主要因素：含水率、喂入量和擠草輥轉(zhuǎn)速。 李汝莘[12](2012)等通過(guò)碎玉米秸稈的卷壓及應(yīng)力松弛試驗(yàn)，建立了伯格斯模型，得到了應(yīng)力松弛模型及其相關(guān)參數(shù)。黃文城、王光輝[13](2012)等通過(guò)秸稈二次壓縮中的比能耗試驗(yàn)證明：不同的壓縮方向?qū)嚎s比的能耗沒(méi)有太大影響，而且秸稈還存在一個(gè)最合適的初始?jí)嚎s密度，使壓縮比能耗達(dá)到最小。Kenny D. Nona1、BartLenaerts[14](2014)等對(duì)麥秸和干草進(jìn)行壓縮性研究，指出皮格斯模型可以恰當(dāng)?shù)孛枋龀鲛r(nóng)作物壓縮密度在145 kg/m3、干物質(zhì)(R2>0.8)時(shí)的物料特性。馬彥華、宣傳忠[15](2016)等對(duì)玉米秸稈進(jìn)行了振動(dòng)壓縮過(guò)程的應(yīng)力松弛試驗(yàn)，結(jié)果表明：壓縮過(guò)程的疊加振動(dòng)能夠提升應(yīng)力松弛速率、減少成型塊的殘余應(yīng)力，進(jìn)而使二次壓縮的壓縮阻力減小。 MirkoMaraldia、LuisaMolari[16](2017)等對(duì)稻草進(jìn)行單一壓縮試驗(yàn)得到： 力和位移曲線確定了草捆力學(xué)性能與其幾何形狀和密度的關(guān)系。上述學(xué)者在機(jī)器的結(jié)構(gòu)和工藝方面提出了優(yōu)化的措施，并為提高其作業(yè)效率提供了一定的理論基礎(chǔ)，對(duì)我國(guó)壓捆機(jī)、卷捆機(jī)的研制與發(fā)展有著促進(jìn)作用。

1.1.2 秸稈整桿的壓縮特性

秸稈整桿壓縮力學(xué)特性的研究可以為其收獲及生產(chǎn)加工方式方法、設(shè)備的優(yōu)化提供理論依據(jù)和必要的參數(shù)。孫占峰、蔣恩臣[17](2007)對(duì)稻桿進(jìn)行擠壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：徑向壓縮和軸向壓縮時(shí)，彈性模量、破壞應(yīng)力等均隨含水率的增加而發(fā)生不同的改變，徑向是增大，軸向是減小。由此可知：含水率對(duì)秸稈類物料的壓縮特性有一定的影響[18-21]。王芬娥、黃高寶[22](2009)等人測(cè)定了小麥成熟期莖稈的力學(xué)性能，結(jié)果表明：小麥莖稈的強(qiáng)度較高，且莖稈的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于抗壓強(qiáng)度。陳聲顯[23](2011)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行了壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)，分析得到影響玉米秸稈壓縮性能的因素是秸稈髓和秸稈皮，其中秸稈皮影響最大，秸稈髓幾乎沒(méi)有影響。高欣[24](2012)通過(guò)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行壓縮試驗(yàn)得出玉米秸稈壓縮過(guò)程變化規(guī)律，玉米秸稈的軸向與徑向壓縮并不完全相同：軸向壓縮時(shí)，載荷隨著位移變化會(huì)出現(xiàn)一定明顯的波動(dòng)，而徑向壓縮無(wú)明顯波動(dòng)。李強(qiáng)[25](2014)通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)：玉米秸稈的抗壓強(qiáng)度、抗壓彈性模隨著含水率的增大而增大。朱振偉、張開(kāi)飛[26](2017)等通過(guò)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行壓縮試驗(yàn)得出：當(dāng)在玉米秸稈的根部、中部、上部施加相同的加載速度時(shí)，秸稈根部所需要的壓縮力最大；在同一部位,加載速度越大，壓縮載荷也就越大，兩者成正比例增長(zhǎng)。上述研究可以看出相關(guān)學(xué)者在秸稈整桿力學(xué)特性和構(gòu)成方面做了大量研究，研究結(jié)果有利于深入了解秸稈類物料的物性特點(diǎn)，優(yōu)化收獲、加工設(shè)備的工作參數(shù)，改善設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)效果，減少研發(fā)成本與縮短研發(fā)周期。

1.2 秸稈的剪切力學(xué)特性的研究

傳統(tǒng)秸稈類物料的收獲大部分采用手工收割，存在收割勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低、收割刀刀片磨損嚴(yán)重更換頻繁等問(wèn)題。到了成熟季節(jié)，為保持良好的植物營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，必須在短時(shí)間內(nèi)將秸稈收割完。隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，收割效率及效果成為收獲的關(guān)鍵，研究秸稈類物料的剪切力學(xué)特性可以為切割器乃至收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)、制造和優(yōu)化提供理論依據(jù)和有效的參數(shù)，從而提高收獲效率，降低設(shè)備能耗。國(guó)內(nèi)外對(duì)作物莖稈剪切力學(xué)特性的研究較多，大多數(shù)集中在針對(duì)玉米、小麥等作物莖稈剪切力學(xué)特性參數(shù)的測(cè)定研究上。O’Dogherty(1995)[27]對(duì)小麥秸稈進(jìn)行了一系列的物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量其物理性能，結(jié)果表明：抗拉強(qiáng)度范圍為21～31.2MPa；剪切強(qiáng)度范圍為4.91～7.26MPa。吳子岳、高煥文[28](2001)等通過(guò)研究玉米秸稈切速度與切斷功耗的關(guān)系，得出切斷根數(shù)與切斷功耗成線性增長(zhǎng)。向家偉[29](2007)等人對(duì)甘蔗收獲機(jī)切割器的切割參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到切割損失和切割功耗均較小的最佳切割參數(shù)組合。A. Esehagbeygi[30](2009)等通過(guò)對(duì)小麥秸稈的試驗(yàn)研究，得出小麥秸稈的含水率、剪切高度與剪切應(yīng)力、彎曲應(yīng)力之間的關(guān)系，繼而發(fā)現(xiàn)玉米秸稈皮的剪切強(qiáng)度與取樣高度有很大的關(guān)系。Gathinathane(2009-2011)等國(guó)外學(xué)者研究對(duì)新鮮玉米秸稈進(jìn)行了剪切應(yīng)力試驗(yàn)研究，得到了新鮮玉米秸稈的剪切能耗模[31-33]。侯加林、蔣韜[34](2011)等人設(shè)計(jì)了往復(fù)式切割試驗(yàn)臺(tái)，從切割位置、切割速度、刀片間隙和切割傾角等幾方面對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了優(yōu)化，并且得到了較優(yōu)的切割性能組合。劉偉峰、趙滿全[35](2011)等人根據(jù)研究分析得出割刀相對(duì)莖稈的位置對(duì)切割阻力和功耗有一定影響，并驗(yàn)證了斜切的效果，有利于減少切割阻力，改善切割性能[36-38]。陳爭(zhēng)光、王德福[39](2012)等進(jìn)行了含水率、取樣高度和切割速度與秸稈皮剪切特性關(guān)系的研究，認(rèn)為玉米秸稈皮的剪切強(qiáng)度會(huì)受到割刀的剪切速度和含水率的影響。上述研究說(shuō)明：目前對(duì)莖稈物料的剪切力學(xué)特性研究主要集中在切割速度、切割刀具、切割力大小、切割角度、刀的間隙及含水率等對(duì)切割的影響上，研究結(jié)果可以為秸稈類物料的機(jī)械化收割提供試驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)支持。

1.3 秸稈拉伸和彎曲的力學(xué)特性研究

1.3.1 秸稈拉伸力學(xué)特性研究

秸稈拉伸力學(xué)特性的研究可以為收獲、加工時(shí)物料的定位、支撐及夾持方式提供參考，對(duì)開(kāi)辟秸稈物料收獲、加工的新方法有著重要意義。譚露露、王春耀[40](2003)等對(duì)棉花秸稈進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得出了棉花秸稈的抗拉強(qiáng)與含水率和秸稈直徑之間的關(guān)系：棉花秸稈的抗拉強(qiáng)度隨著含水率和秸稈直徑的增大而增大，秸稈直徑越大破壞時(shí)所需的最大彎曲力越小。趙春花[41](2009)等對(duì)牧草莖稈進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明：豆禾牧草的莖稈直徑越大，其所呈現(xiàn)出來(lái)的抗拉強(qiáng)度就越小。研究發(fā)現(xiàn)：相同大小尺寸的莖稈，豆禾牧草的抗拉強(qiáng)度要強(qiáng)于禾本科牧草。

尹秋、王濤[42](2013)等對(duì)香蕉秸稈進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，結(jié)果表明：影響秸稈拉斷力的因素主要有含水率、加載速度及加載部位。已有研究表明：學(xué)者們對(duì)秸稈拉伸力學(xué)特性的研究取得了一定的成果，然而相比較秸稈類物料其它力學(xué)特性研究而言，秸稈類物料拉伸特性的研究仍然較少。

1.3.2 秸稈彎曲的力學(xué)特性研究

倒伏對(duì)秸稈的產(chǎn)量有著重要的影響，而秸稈的彎曲特性與抗倒伏有著一定關(guān)系，因此秸稈物料彎曲力學(xué)特性的研究對(duì)提高秸稈抗倒伏能力有著重要意義。李曉東[43](2011)等對(duì)玉米秸稈進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明：隨著秸稈含水率的增大，秸稈彎曲載荷先減小后基本不變；隨著位移增大，彎曲載荷呈線性快速增加，達(dá)到最大值后緩慢減小。張開(kāi)飛、李赫[44](2016)等對(duì)大豆秸稈進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明：在相同的加載速度下，大豆秸稈根部需要較大的力才能使秸稈彎曲，而中部和頂部需要的力較??；當(dāng)加載不同的速度時(shí)，速度越大，需要的剪切力就越小，則彎曲力就會(huì)增大。陳超科、李法德等[45](2016)利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)高粱秸稈進(jìn)行彎曲試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明：有節(jié)處的彎曲功是1.50～2.44N·m，無(wú)節(jié)處的彎曲功是0.69～1.25N·m。上述研究對(duì)秸稈彎曲特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析并取得了一定成果，對(duì)提高秸稈物料的抗倒伏能力有一定的積極作用，然而彎曲力學(xué)特性參數(shù)對(duì)秸稈實(shí)際生產(chǎn)收獲與加工的其它方面的影響仍有待進(jìn)一步深入探索。

2 稈類物料力學(xué)特性研究展望與探討

不同作物秸稈之間的形態(tài)有一定的差異，壓縮力學(xué)特性也有所不同，目前已有研究針對(duì)的物料多為玉米秸稈。隨著生物質(zhì)物料多元化的發(fā)展，未來(lái)秸稈類物料力學(xué)特性的研究勢(shì)必由玉米秸稈逐漸擴(kuò)展到其它作物秸稈，如高粱、水稻、小麥等。而對(duì)秸稈整桿壓縮力學(xué)特性的研究，也將逐步與秸稈含糖量、含水率等物理特性聯(lián)系起來(lái)，進(jìn)行綜合分析，為實(shí)際收獲、生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)及加工服務(wù)。

已有的秸稈剪切試驗(yàn)研究為了解物料的剪切特性、設(shè)計(jì)相關(guān)收獲機(jī)械提供了重要參考，但試驗(yàn)中的剪切速度低，達(dá)不到實(shí)際作業(yè)速度，一直是制約剪切特性研究的主要問(wèn)題。因此，未來(lái)通過(guò)設(shè)計(jì)制作能夠達(dá)到實(shí)際速度要求的剪切試驗(yàn)臺(tái)，完成剪切力學(xué)特性試驗(yàn)研究，改進(jìn)試驗(yàn)效果將成為發(fā)展趨勢(shì)。此外，秸稈的拉伸與彎曲特性作為秸稈力學(xué)特性的一部分，由于目前相關(guān)研究較少，其與實(shí)際生產(chǎn)和加工之間的聯(lián)系有待進(jìn)一步深入研究，研究結(jié)果將為秸稈的收獲、加工及相關(guān)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供新的思路與參考。

秸稈類物料的壓縮、剪切、拉伸、彎曲等力學(xué)特性的研究對(duì)相關(guān)收獲及加工機(jī)械的設(shè)計(jì)有著重要的參考意義。未來(lái)如果將上述各種力學(xué)特性參數(shù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析，互為補(bǔ)充，其結(jié)果勢(shì)必事半功倍，既可以為新型機(jī)械的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供精確的參數(shù)，還可以為已有機(jī)器的進(jìn)一步優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)與數(shù)據(jù)。