蓖麻植株力学特性试验研究*

刘磊，石磊，孔凡婷，吴腾，陈长林，孙勇飞

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014)

蓖麻属大乾科草本植物，在我国大部分地区均有种植，是重要的新能源战略资源[1-2]。蓖麻含油量极高，因为其可再生性，蓖麻油更是被誉为“土地里种出的石油”[3]。目前我国蓖麻的收获仍然依靠人工完成，机械化程度低，劳动强度大，制约着蓖麻产业的发展[4-5]。蓖麻收获机相关的研究稀少，尚处于研发试验阶段，由于作业效果较差，均未投入实际生产应用，原因主要是缺乏蓖麻植株相关基础研究的指导，未结合蓖麻特有的物理力学特性和农艺技术，收获过程中存在漏摘率、破损率、含杂率过高等问题，影响作业质量[6-9]。开展蓖麻物理力学特性试验研究能为蓖麻机械化收获提供理论基础和设计依据，对提高蓖麻收获质量具有重要意义。

目前蓖麻相关物理特性研究主要是针对蓖麻脱壳机，集中于蓖麻蒴果抗压力学特性的研究，如侯俊铭[10]、曹玉华[11-12]、刘汝宽[13]均采用有限元分析法建立了蓖麻蒴果有限元模型，并通过压缩特性试验分析不同品种、含水率和加载方式对蒴果破壳力的影响，但没有进行蓖麻收获中的采摘力学特性的研究。机械采收作业过程中需对植株各组成部分相互间的分离力加以考虑，散鋆龙等[14]研究了杏果实的可溶性固形物含量、果实表面红绿色差和果实表面硬度等成熟度特性参数与果柄分离力之间的关系，结果表明果柄分离力随着成熟度的提高逐渐减小。李红波等[15]进行了谷子茎秆、叶鞘、叶片、叶环等不同部位进行了拉伸力学测试，分析得到叶环处的抗拉力和抗拉强度最低。为确定玉米摘穗的力学条件，孙超等[16]研究了玉米果穗根部和穗柄部位的抗拉强度，证明在摘穗过程中玉米果穗在其根部位置更易发生分离。杨然兵等[17]分别对花生的秧蔓与果柄接点、果柄与花生荚果接点和果壳自身的抗拉强度进行测试，研究果、秧、柄机械力学特性对花生摘果效果的影响。蓖麻采摘时蒴果与茎秆的分离主要发生在蒴果与果柄连接处或是果柄与茎秆连接处，而在采收过程中茎秆与采摘部件接触容易受到破坏，因此本文主要对蓖麻果—柄接点、茎—柄接点和茎秆自身的抗拉特性和抗弯特性进行力学试验研究，以明确蓖麻采收作业完成的力学条件，给蓖麻机械化采收提供理论依据。

1.1 试验材料选取与测量

试验采用的蓖麻品种为以色列凯丰5号，该系列为矮秆品种，产量高，有利于实现机械化收获，样本取自内蒙古自治区呼和浩特市土默特左旗耳林岱村，种植时间为2020年4月中旬，采用4行气吸式播种机进行播种，灌溉方式为滴管，一年一季种植，蓖麻植株行距为700 mm，株距为550 mm，产量为3 187.5 kg/hm2。采集时间为2020年10月29日。采样时选取生长良好、无病虫害且未被损伤及折弯的植株，从根部切断后立即密封保存，尽量维持其原本状态。蓖麻蒴果通过果柄与茎秆连接，如图1所示。连结力主要包括蒴果与果柄间的连结力、果柄与茎秆间的连结力和茎秆内部连结力，通过对蓖麻植株各部分力学特性的测定，有助于分析蓖麻机械化采摘的工作机理。

在试验前先测定蓖麻蒴果和茎秆的含水率，保证试验所用试样的含水率接近，按式(1)计算含水率。

(1)

式中：M——含水率，%；

m0——试样干燥前质量，g；

m1——试样干燥后质量，g。

经测试，得到蓖麻蒴果的含水率为8.2%～9.3%，蓖麻茎秆的含水率为12.5%～20.8%。

图1 蓖麻植株

1.2 试验设备与仪器

蓖麻茎秆力学特性试验在南京农业机械化研究所实验室进行，该试验设备采用的是WDW-10微机控制电子万能试验机，其测试量程为1 kN，力传感器和位移传感器的精度都在±0.1%之内，该机可实时动态显示负荷值、位移值、变形值、试验速度和试验曲线，并进行数据处理分析。使用夹具为试验机配套夹具，可进行拉伸、弯曲、剪切等试验，由微机控制自动完成加载、卸载及数据采集与分析。其他仪器包括测试夹具、游标卡尺、剪刀、胶水、纱布、密封袋等。

1.3 试验方法

1.3.1 果—柄拉伸试验方法

果—柄连接力是影响蓖麻机械化收获的一个重要参数，果—柄连接力的大小与蒴果成熟度有关，同一穗上的蓖麻蒴果成熟度也会略有不同，蒴果的成熟度主要表现在颜色的差异[18]，成熟期的蓖麻蒴果呈绿色，收获期的蓖麻蒴果呈褐色。分别取不同颜色的带有果柄的蓖麻蒴果进行拉伸测试，研究蒴果成熟度对果—柄连接力的影响。测试时，先将果柄垂直夹持在试验机的上端夹具上，将蒴果夹持在试验机的下端夹具上，并调整蒴果在台钳上的夹持位置，使果柄和蒴果夹持点在同一垂直线上。以10 mm/min的加载速度进行拉伸直至蒴果与果柄分离，如图2所示。

图2 果—柄拉伸试验

选取初始弹性变形段内的直线段计算材料的弹性模量，弹性模量计算如式(2)所示。

(2)

式中：E——弹性模量，MPa；

F——拉力，N；

l——试样标距，mm；

Δl——试样变形量，mm；

A——试样初始横截面积，mm2。

抗拉强度按式(3)计算。

(3)

式中：σb——抗拉强度，MPa；

Fmax——最大抗拉力，N。

1.3.2 茎—柄拉伸试验方法

去除掉蒴果，只保留果柄和小段茎秆，将茎秆一端固定在试验机的下端夹具上，并使果柄垂直夹持在试验机的上端夹具上，以10 mm/min的加载速度进行拉伸直至果柄断裂，如图3所示。

图3 茎—柄拉伸试验

1.3.3 茎秆拉伸试验方法

蓖麻茎秆的拉伸特性对蓖麻收获有重要影响，为研究不同拉伸部位对茎秆拉伸特性的影响，根据样本普遍的形态结构将茎秆部位划分为三个水平：下部(距地表0～400 mm)、中部(距地表400～800 mm)、上部(距地表800～1 200 mm)，分别进行拉伸试验。在蓖麻茎秆的整秆拉伸试验中，茎秆的夹持过程出现打滑和茎秆破裂的问题，且由于茎秆皮在拉伸过程中承受绝大部分的载荷，因此进行蓖麻茎秆皮的拉伸试验，备制拉伸试样时用小刀将茎秆破开并在中间位置宽度削为2 mm，以10 mm/min的加载速度进行拉伸直至茎秆皮断裂，如图4所示。

图4 茎秆拉伸试验

1.3.4 茎秆弯曲试验方法

按同样方式将蓖麻茎秆分为上、中、下三种不同部位进行茎秆弯曲试验，每次试验截取长度为160 mm的茎秆作为弯曲试样，试验采取三点弯曲法进行，如图5所示。试验时，将茎秆式样水平放置在试验机自带的压头及支座之间，支座跨距为80 mm，试验过程中确保试验机压头位于试样的中点，加载速度为10 mm/min。

图5 茎秆弯曲试验

蓖麻茎秆的横截面近似圆环形状，其惯性矩

(4)

式中：D——为蓖麻茎秆外径，mm；

d——蓖麻茎秆内径，mm。

弯曲过程中最大弯矩

(5)

式中：Fmax′——最大抗弯力，N。

弯曲截面模量

(6)

抗弯强度

(7)

2.1 果—柄拉伸试验

图6为果—柄拉伸试验时的位移载荷曲线图。由图6可以看出，在拉伸过程的前半段拉力随着位移量的增加呈线性增长，但是当拉力到达峰值后并没有直接降低，而是先出现了一个波动的阶段，再瞬间减小。这是由于蓖麻特有的生长特性，其果柄在与蒴果连结的位置是处于弯曲状态的，试验中当拉力到达最大值后果柄才被拉直，最后在根部发生断裂。

图6 果—柄拉伸曲线

试验结果如表1所示，处于成熟期时(蒴果为绿色)果—柄抗拉力为3.31～6.74 N，平均值为5.16 N，标准差为0.99 N，变异系数为19.3%；
抗拉强度为3.48～8.31 MPa，平均值为6.61 MPa，标准差为1.20 MPa，变异系数为18.2%。处于收获期时(蒴果为褐色)果—柄抗拉力为1.90～4.15 N，平均值为2.94 N，标准差为0.87 N，变异系数为29.6%；
抗拉强度为2.42～5.28 MPa，平均值为3.58 MPa，标准差为0.94 MPa，变异系数为26.2%。

表1 果—柄拉伸试验结果Tab. 1 Tensile test results of capsule-peduncle node

由表1分析可知，蓖麻成熟度对抗拉力有显著影响，成熟度越高时，含水率越低，其蒴果与果柄间的连结力和连接强度越小，蓖麻采摘所需要的功耗越小，但是蓖麻过于成熟后，蓖麻蒴果容易自动脱落以造成损失，故蓖麻采收工作应把握好采收的时机。

2.2 茎—柄拉伸试验

图7为茎—柄拉伸试验时的位移载荷曲线图。茎—柄拉伸试验的初始阶段，载荷与位移几乎呈线性变化，当达到强度极限后随即从果柄中间断裂，未发生塑性变形，说明果柄为脆性材料。

由表2分析计算出，茎秆与果柄间的最小抗拉力为15.78 N，最大抗拉力为37.07 N，平均值为24.23 N，标准差为6.06 N，变异系数为25.0%；
抗拉强度最小为19.70 MPa，最大为34.66 MPa，平均值为25.80 MPa，标准差为4.88 MPa，变异系数为18.9%。可以看出茎秆与果柄间的抗拉力和抗拉强度要远大于蒴果与果柄间的抗拉力和抗拉强度，因此当蓖麻受到梳刷、打击、振动等方式采摘作用时通常会首先从蒴果与果柄连接处分离，而果柄仍与茎秆相连。

图7 茎—柄拉伸曲线

表2 茎—柄拉伸试验结果Tab. 2 Tensile test results of stem-peduncle node

2.3 茎秆拉伸试验

不同部位的茎秆拉伸特性曲线如图8所示。以其中一次中部蓖麻茎秆拉伸试验为例分析拉伸过程：拉伸过程的前半段拉力随着位移的增加呈线性增长，当位移达到1.22 mm的时候拉力达到最大值94.81 N，此时的试样伴随着一声脆响而断裂；
在峰值过后，拉力瞬间减小至零，试验机自动停止。

图8 茎秆拉伸曲线

上、中、下3个位置处的茎秆拉伸试验结果如表3所示，可以看出不同部位茎秆的拉伸特性有较大差异，越接近根部的茎秆抗拉力和抗拉强度越大，这是因为越接近根部，茎秆木质化程度越高，试样被拉断发生破坏时的载荷越大，抵抗破坏的能力越强。弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的重要参数，试验测得茎秆上部和下部的平均弹性模量大于茎秆中部位置，说明的茎秆上、下部位较中部位置的抵抗变形能力强。对拉伸部位和拉伸特性进行相关性方差分析，如表4所示，方差结果表明，给定显著水平α=0.01下，茎秆拉伸部位对弹性模量的变化无显著影响(P>0.05)，对抗拉力和抗拉强度的变化有极显著影响(P<0.01)。

表3 茎秆拉伸试验结果Tab. 3 Tensile test results of stem

表4 茎秆拉伸试验结果方差分析Tab. 4 Analysis of variation of tensile test results of stem

2.4 茎秆弯曲试验

由图9分析可以得出蓖麻秸秆试样弯曲试验大致过程：在初始阶段，载荷位移曲线近似呈线性关系，符合胡克定律；
当达到屈服载荷时，蓖麻秸秆开始屈服，并且维持一定时间；
随着位移继续增加，载荷逐渐减小，最终在某一定值范围内波动。试验达到屈服阶段时，载荷大小有所波动，这是因为蓖麻茎秆此时含水率较低，具有一定的脆性，试验过程中茎秆被逐渐劈裂，裂纹由压头正下方向两端扩展。

图9 茎秆弯曲曲线

茎秆弯曲试验结果及方差分析如表5和表6所示，可以看出弯曲部位对茎秆的抗弯力和弯曲截面模量有极显著影响(P<0.01)，且平均抗弯力和弯曲截面模量都是自上而下逐渐增加，原因是越靠近根部，其茎秆直径及横截面积越大，则抗弯曲能力越强。弯曲部位对抗弯强度无显著影响(P>0.05)，但茎秆中部的平均抗弯强度要低于茎秆上部和下部，说明受到弯曲作用时茎秆中部更容易产生断裂。

表5 茎秆弯曲试验结果Tab. 5 Bending test results of stem

表6 拉伸部位对抗弯力的方差分析Tab. 6 Analysis of variation of tensile test results

蓖麻茎秆的力学特性是蓖麻机械化采收的重要参数，采用试验手段，研究了蓖麻果—柄拉伸特性、茎—柄拉伸特性、茎秆拉伸以及弯曲特性，通过分析其力学特性，主要得到4点结论。

1) 成熟期果—柄抗拉力和抗拉强度范围分别是3.31～6.74 N、3.48～8.31 MPa，收获期果—柄抗拉力和抗拉强度范围分别是1.90～4.15 N、2.42～5.28 MPa，茎—柄抗拉力和抗拉强度范围分别是15.78～37.07 N、19.70～34.66 MPa。果—柄间的连接强度要小于茎—柄间的连结强度，且随蓖麻成熟度的提高而减小。

2) 各部位茎秆的抗拉力、弹性模量和抗拉强度范围分别是56.99～130.42 N、160.99～203.80 MPa、28.50～65.21 MPa。越接近根部茎秆木质化程度越高，茎秆的抗拉力和抗拉强度越大，而茎秆中部的弹性模量较茎秆上部和下部更低。

3) 各部位茎秆的抗弯力、弯曲截面模量和抗弯强度范围分别是15.20～91.04 N、31.53～173.07 MPa、19.27～21.04 MPa。抗弯力和弯曲截面模量自下而上均呈递减趋势，茎秆中部的抗弯强度较茎秆上部和下部更低。

4) 对蓖麻植株不同部位的力学测试结果表明，果—柄间的连结力与柄—茎间的连结力、茎秆拉伸力及弯曲力之间存在显著性差异，证明在采摘过程中蓖麻蒴果与果柄的连接部位更容易分离，其次是果柄与茎秆的连接处，茎秆不同高度位置的拉伸和弯曲特性也有较大差异。蓖麻特有力学特性可为蓖麻收获机的设计提供依据，通过合理设计工作部件结构和运动参数，可以实现只采收蓖麻蒴果，而较少破坏蓖麻茎秆，为研究如何提高收获过程中的采净率、降低损失率和含杂率提供理论参考。