摘要:隨著農業工程學科的發展，深入研究秸稈類物料的力學特性越發重要，因為秸稈類物料的這一特性能夠為農業收獲機械、加工機械等提供必要的設計參數和理論依據。為此，從秸稈類物料壓縮、剪切、拉伸和壓縮力學特性的影響因素入手，介紹了秸稈類物料力學試驗的國內外研究現狀，提出了將秸稈類物料多種力學特性結合起來進行綜合分析的理念，探究它們之間相關聯處，并對其發展趨勢進行了分析。

　　關鍵詞:秸稈,力學特性,剪切,壓縮,拉伸,彎曲

　　秸稈類物料是指水稻、小麥、玉米及高粱等禾本科農作物成熟脫粒后剩余的莖葉部分。查閱以往數據可以看出:我國是農作物秸稈年產量大國，持續關注著農作物秸稈問題，因其不管是從經濟方面還是環境方面，都對我國的發展起著重要的作用[1-2]。秸稈松散、堆積密度低、存儲困難及運輸成本高等特點一直是制約其高效利用的原因之一[3-5]。

　　秸稈力學性能的研究可以作為相關機械設計、探索新的秸稈加工方法提供理論依據和設計參數指導，從而提高加工處理質量、降低運輸成本、解決儲運困難等問題，并且減少其在收獲、加工、儲運中由于機械損傷導致的養分損失[6]。本文對秸稈類物料壓縮、剪切等力學特性的研究現狀進行了綜述，并對其發展趨勢進行了分析。

　　1秸稈類物料力學特性研究進展

　　1.1秸稈壓縮特性

　　1.1.1秸稈碎料的壓縮特性

　　秸稈碎料壓縮力學特性的研究對壓縮工藝的優化、壓捆及壓塊設備的研制等均有重要的指導意義，一些學者在這些方面已經取得了相當喜人的成果。楊明韶、李旭英[7](1996)等利用高密度壓捆機對麥稈進行了壓縮試驗，指出了壓縮存在“松散”和“壓緊”兩個過程，影響物料壓縮過程的兩個重要因素是物料的種類和喂入量(初始密度)。

　　王波[8](2005)認為，秸稈在密閉容器內壓縮會經歷3個過程，分別是松散、過渡和壓緊;隨后為了驗證結論的正確性，對揉切后的玉米秸稈進行壓縮試驗，試驗表明:不同階段內壓力與壓縮密度的關系可以用不同的數學模型表示。范林、王春光[9](2008)等通過對揉碎后的玉米秸稈進行壓縮試驗，結果表明: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，且當壓縮密度超過臨近界值230kg/m3時，其可壓縮性會隨著壓縮密度的增大而逐漸變差。

　　PhaniAdapa、LopeTabil[10](2009)等對大麥、小麥秸稈等樣品進行壓實處理，確定了秸稈樣品壓實密度、總比能量的最佳預測系數和標準誤差的最佳預測方程。趙何、楊若玲[11](2011)對碎玉米秸稈進行了卷壓試驗研究，發現了影響秸稈卷壓成捆的主要因素:含水率、喂入量和擠草輥轉速。李汝莘[12](2012)等通過碎玉米秸稈的卷壓及應力松弛試驗，建立了伯格斯模型，得到了應力松弛模型及其相關參數。

　　黃文城、王光輝[13](2012)等通過秸稈二次壓縮中的比能耗試驗證明:不同的壓縮方向對壓縮比的能耗沒有太大影響，而且秸稈還存在一個最合適的初始壓縮密度，使壓縮比能耗達到最小。KennyD.Nona1、BartLenaerts[14](2014)等對麥秸和干草進行壓縮性研究，指出皮格斯模型可以恰當地描述出農作物壓縮密度在145kg/m3、干物質(R2>0.8)時的物料特性。

　　馬彥華、宣傳忠[15](2016)等對玉米秸稈進行了振動壓縮過程的應力松弛試驗，結果表明:壓縮過程的疊加振動能夠提升應力松弛速率、減少成型塊的殘余應力，進而使二次壓縮的壓縮阻力減小。MirkoMaraldia、LuisaMolari[16](2017)等對稻草進行單一壓縮試驗得到:力和位移曲線確定了草捆力學性能與其幾何形狀和密度的關系。上述學者在機器的結構和工藝方面提出了優化的措施，并為提高其作業效率提供了一定的理論基礎，對我國壓捆機、卷捆機的研制與發展有著促進作用。

　　1.1.2秸稈整桿的壓縮特性

　　秸稈整桿壓縮力學特性的研究可以為其收獲及生產加工方式方法、設備的優化提供理論依據和必要的參數。孫占峰、蔣恩臣[17](2007)對稻桿進行擠壓試驗，結果表明:徑向壓縮和軸向壓縮時，彈性模量、破壞應力等均隨含水率的增加而發生不同的改變，徑向是增大，軸向是減小。由此可知:含水率對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)等人測定了小麥成熟期莖稈的力學性能，結果表明:小麥莖稈的強度較高，且莖稈的抗拉強度遠遠大于抗壓強度。陳聲顯[23](2011)對玉米秸稈進行了壓縮力學性能試驗，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，秸稈髓幾乎沒有影響。

　　高欣[24](2012)通過對玉米秸稈進行壓縮試驗得出玉米秸稈壓縮過程變化規律，玉米秸稈的軸向與徑向壓縮并不完全相同:軸向壓縮時，載荷隨著位移變化會出現一定明顯的波動，而徑向壓縮無明顯波動。李強[25](2014)通過實驗數據的橫向對比發現:玉米秸稈的抗壓強度、抗壓彈性模隨著含水率的增大而增大。

　　朱振偉、張開飛[26](2017)等通過對玉米秸稈進行壓縮試驗得出:當在玉米秸稈的根部、中部、上部施加相同的加載速度時，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。上述研究可以看出相關學者在秸稈整桿力學特性和構成方面做了大量研究，研究結果有利于深入了解秸稈類物料的物性特點，優化收獲、加工設備的工作參數，改善設備生產作業效果，減少研發成本與縮短研發周期。

　　1.2秸稈的剪切力學特性的研究

　　傳統秸稈類物料的收獲大部分采用手工收割，存在收割勞動強度大、生產率低、收割刀刀片磨損嚴重更換頻繁等問題。到了成熟季節，為保持良好的植物營養價值，必須在短時間內將秸稈收割完。隨著生產規模的擴大，收割效率及效果成為收獲的關鍵，研究秸稈類物料的剪切力學特性可以為切割器乃至收獲機械的設計、制造和優化提供理論依據和有效的參數，從而提高收獲效率，降低設備能耗。國內外對作物莖稈剪切力學特性的研究較多，大多數集中在針對玉米、小麥等作物莖稈剪切力學特性參數的測定研究上。

　　O’Dogherty(1995)[27]對小麥秸稈進行了一系列的物理實驗測量其物理性能，結果表明:抗拉強度范圍為21～31.2MPa;剪切強度范圍為4.91～7.26MPa。吳子岳、高煥文[28](2001)等通過研究玉米秸稈切速度與切斷功耗的關系，得出切斷根數與切斷功耗成線性增長。向家偉[29](2007)等人對甘蔗收獲機切割器的切割參數進行優化，得到切割損失和切割功耗均較小的最佳切割參數組合。A.Esehagbeygi[30](2009)等通過對小麥秸稈的試驗研究，得出小麥秸稈的含水率、剪切高度與剪切應力、彎曲應力之間的關系，繼而發現玉米秸稈皮的剪切強度與取樣高度有很大的關系。

　　Gathinathane(2009-2011)等國外學者研究對新鮮玉米秸稈進行了剪切應力試驗研究，得到了新鮮玉米秸稈的剪切能耗模[31-33]。侯加林、蔣韜[34](2011)等人設計了往復式切割試驗臺，從切割位置、切割速度、刀片間隙和切割傾角等幾方面對試驗臺進行了優化，并且得到了較優的切割性能組合。

　　劉偉峰、趙滿全[35](2011)等人根據研究分析得出割刀相對莖稈的位置對切割阻力和功耗有一定影響，并驗證了斜切的效果，有利于減少切割阻力，改善切割性能[36-38]。陳爭光、王德福[39](2012)等進行了含水率、取樣高度和切割速度與秸稈皮剪切特性關系的研究，認為玉米秸稈皮的剪切強度會受到割刀的剪切速度和含水率的影響。上述研究說明:目前對莖稈物料的剪切力學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切割的影響上，研究結果可以為秸稈類物料的機械化收割提供試驗依據和技術支持。

　　1.3秸稈拉伸和彎曲的力學特性研究

　　1.3.1秸稈拉伸力學特性研究

　　秸稈拉伸力學特性的研究可以為收獲、加工時物料的定位、支撐及夾持方式提供參考，對開辟秸稈物料收獲、加工的新方法有著重要意義。譚露露、王春耀[40](2003)等對棉花秸稈進行拉伸試驗，得出了棉花秸稈的抗拉強與含水率和秸稈直徑之間的關系:棉花秸稈的抗拉強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所需的最大彎曲力越小。

　　趙春花[41](2009)等對牧草莖稈進行拉伸試驗，結果表明:豆禾牧草的莖稈直徑越大，其所呈現出來的抗拉強度就越小。研究發現:相同大小尺寸的莖稈，豆禾牧草的抗拉強度要強于禾本科牧草。尹秋、王濤[42](2013)等對香蕉秸稈進行了拉伸試驗，結果表明: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:學者們對秸稈拉伸力學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秸稈彎曲的力學特性研究

　　倒伏對秸稈的產量有著重要的影響，而秸稈的彎曲特性與抗倒伏有著一定關系，因此秸稈物料彎曲力學特性的研究對提高秸稈抗倒伏能力有著重要意義。李曉東[43](2011)等對玉米秸稈進行了彎曲試驗，結果表明: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，達到最大值后緩慢減小。

　　張開飛、李赫[44](2016)等對大豆秸稈進行彎曲試驗，結果表明: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小;當加載不同的速度時，速度越大，需要的剪切力就越小，則彎曲力就會增大。

　　陳超科、李法德等[45](2016)利用萬能試驗機對高粱秸稈進行彎曲試驗測試，結果表明:有節處的彎曲功是1.50～2.44N·m，無節處的彎曲功是0.69～1.25N·m。上述研究對秸稈彎曲特性進行了試驗分析并取得了一定成果，對提高秸稈物料的抗倒伏能力有一定的積極作用，然而彎曲力學特性參數對秸稈實際生產收獲與加工的其它方面的影響仍有待進一步深入探索。

　　2稈類物料力學特性研究展望與探討

　　不同作物秸稈之間的形態有一定的差異，壓縮力學特性也有所不同，目前已有研究針對的物料多為玉米秸稈。隨著生物質物料多元化的發展，未來秸稈類物料力學特性的研究勢必由玉米秸稈逐漸擴展到其它作物秸稈，如高粱、水稻、小麥等。而對秸稈整桿壓縮力學特性的研究，也將逐步與秸稈含糖量、含水率等物理特性聯系起來，進行綜合分析，為實際收獲、生產、儲運及加工服務。

　　已有的秸稈剪切試驗研究為了解物料的剪切特性、設計相關收獲機械提供了重要參考，但試驗中的剪切速度低，達不到實際作業速度，一直是制約剪切特性研究的主要問題。因此，未來通過設計制作能夠達到實際速度要求的剪切試驗臺，完成剪切力學特性試驗研究，改進試驗效果將成為發展趨勢。此外，秸稈的拉伸與彎曲特性作為秸稈力學特性的一部分，由于目前相關研究較少，其與實際生產和加工之間的聯系有待進一步深入研究，研究結果將為秸稈的收獲、加工及相關機械的設計提供新的思路與參考。

　　秸稈類物料的壓縮、剪切、拉伸、彎曲等力學特性的研究對相關收獲及加工機械的設計有著重要的參考意義。未來如果將上述各種力學特性參數結合起來進行分析，互為補充，其結果勢必事半功倍，既可以為新型機械的設計與開發提供精確的參數，還可以為已有機器的進一步優化提供理論基礎與數據。

　　參考文獻:

　　[1]韓魯佳，閆巧娟，劉向陽，等.中國農作物秸稈資源及其利用現狀[J].農業工程學報，2002，18(3):87-91.

　　[2]劉婭.農作物秸稈治理與綜合利用[J].遼寧農業科學，2003(1):18-23

　　[3]李耀明，秦同娣，陳進，等.玉米莖稈往復切割力學特性試驗與分析[J].農業工程學報，2011，27(1):160-164.

　　[4]KronbergsE.Mechanicalstrengthtestingofstalkmateria-lsandcompactingenergyevaluation[J].IndustrialCropsandProducts，2000(11):211-216.

　　[5]王琪，史宇亮，李濟寧，等.玉米秸稈板加工工藝優化[J].農業機械學報，2007，38(8):199-201.

　　[6]HiraiY，InoveE，MoriK，etal.Investigationofmechanicalinteractionbetweenacombineharvesterreelandcropstalk[J].BiosystemsEngineering，2002，83(3):307-317.

　　[7]楊明韶，李旭英.牧草壓縮過程的研究[J].農業工程學報，1996，12(1):60-64.

　　[8]王波.揉切后玉米秸稈的壓縮試驗研究[D].泰安:山東農業大學，2005.

　　農業類刊物推薦：《農業工程學報》是由中國科學技術協會主管，中國農業工程學會主辦的全國性學術期刊。國際刊號ISSN：1002-6819;國內刊號CN：11-2047/S，郵發代號：18-57。讀者對象為農業工程學科及相關領域的科研、教學及生產科技人員、技術管理及推廣人員和大院校師生。