摘  要：苧麻是一種優(yōu)良的植物蛋白飼料原料，其莖稈基部力學(xué)特性對機(jī)械化收獲具有重要影響。為獲得苧麻飼用時莖稈力學(xué)特性，采用微機(jī)控制萬能試驗機(jī)測定苧麻基部莖稈彎曲力，分析7個苧麻品種抗彎強(qiáng)度的關(guān)系，明確莖稈橫截面積、重量、抗彎強(qiáng)度之間的關(guān)系。結(jié)果表明，莖稈橫截面積與重量具有相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)是0.938；7個苧麻品種飼用時的抗彎強(qiáng)度差異極顯著，苧麻四川DB的抗彎強(qiáng)度最大，為1.529MPa，苧麻G59的抗彎強(qiáng)度最小，為0.350MPa。研究結(jié)果可為苧麻飼用收獲機(jī)械的研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：飼用苧麻；莖稈；彎曲；抗彎強(qiáng)度

 

苧麻是蕁麻科(Urticaces)苧麻屬（Boehmeria Jacq.）多年生植物，是中國傳統(tǒng)的特色經(jīng)濟(jì)作物，具有悠久的歷史文化底蘊，俗稱“中國草”。苧麻除了作為傳統(tǒng)的紡織纖維原料外，其嫩莖葉還富含蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，與苜蓿相近，是很好的植物蛋白飼料原料^[1-3]。苧麻作飼料用或培育的飼用苧麻新品種(以下簡稱飼用苧麻)，一般一年可收割8～10次，其嫩莖葉全年生物產(chǎn)量可達(dá)19t/hm²(干物質(zhì))，飼用品質(zhì)優(yōu)良^[4-6]。南方畜牧業(yè)特別是反芻動物需要蛋白含量高的草料，以提高肉的品質(zhì)和保證家畜的健康。我國南方養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展受到草料供給不足的制約^[7]，每年均需從國外進(jìn)口或從我國東北等北方地區(qū)調(diào)運，長途運輸成本較高。我國南方蛋白牧草缺乏，不利于“節(jié)糧型”畜牧業(yè)的發(fā)展。全國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃《2016－2020》在第(一)條品種結(jié)構(gòu)調(diào)整重點第6點飼草作物調(diào)整中指出：“南方地區(qū)重點發(fā)展黑麥草、三葉草、狼尾草、飼用油菜、飼用苧麻、飼用桑葉等”。因此，飼用苧麻是我國南方地區(qū)未來重點發(fā)展的飼料作物之一^[8-9]。國內(nèi)蘇工兵^[10]、黃海東^[11]、沈成^[12]、晏科滿^[13]、徐鑫^[14]等分別對纖維用苧麻莖稈的力學(xué)特性進(jìn)行了力學(xué)試驗和相關(guān)研究。雖然纖用苧麻莖稈力學(xué)的研究可以為飼用苧麻的研究提供借鑒，但纖用苧麻和飼用苧麻生長期以及培育目標(biāo)等不同，導(dǎo)致二者之間有一定的力學(xué)特性差異，不便于采用傳統(tǒng)的纖維用機(jī)械收獲，而針對飼用苧麻莖稈的力學(xué)特性研究有待豐富。研究飼用苧麻基部莖稈的力學(xué)特性，探明不同品種飼用苧麻的彎曲特性差異，找出莖稈直徑、重量等因素與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系，可為飼用苧麻專用收獲加工機(jī)械的研發(fā)提供設(shè)計參數(shù)，亦可為飼用苧麻的品種選育提供參考^[15]。

1材料與方法

1.1試驗材料

選用國家種質(zhì)長沙苧麻圃種植的7個苧麻品種(品系)(見表1)為試驗材料，在飼用收獲期收獲，進(jìn)行苧麻基部力學(xué)彎曲試驗，每個品種取10株。莖稈基部10cm處平均直徑為13.42mm，采用105℃烘干法(GB/T5497—1985)測定鮮莖稈含水率，平均含水率為77.35%。采樣日期為2020年10月3日，試驗日期是當(dāng)天。苧麻取回后去葉，緊靠基部地上莖，整齊切割150mm的一段。三點彎曲法測定苧麻莖稈的彎曲應(yīng)力，試樣跨距為100mm，兩段外延長度為25mm。

表1 7個苧麻品種莖稈性狀表

 

1.2試驗設(shè)備與方法

采用微機(jī)控制電子萬能材料試驗機(jī)(上海拓豐儀器有限公司生產(chǎn))，型號TFW－508，選用5KN的傳感器，力傳感器以及位移傳感器的精度都在±0.1%內(nèi)。試驗參數(shù)設(shè)定為加載速度5.0mm/min，跨距100mm。判斷停機(jī)條件為力值下降超過峰值力的80%。采用三點彎曲的方法，如圖1所示。點擊開始試驗按鈕進(jìn)行試驗，試驗數(shù)據(jù)由萬能材料試驗機(jī)系統(tǒng)軟件自動采集，得到試驗的力－位移曲線。試驗7個品種分為7組，每組取樣10株。使用游標(biāo)卡尺測量各個試樣的幾何參數(shù)(外徑d、重量G)，并記錄。莖稈彎曲力學(xué)性能試驗參照GB/T1937規(guī)定進(jìn)行。其他儀器：精度為0.1mg的電子秤、精度為0.01mm的電子數(shù)顯游標(biāo)卡尺、砂輪磨光機(jī)等。

 

圖1 飼用苧麻莖稈彎曲試驗

 

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel2013進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。根據(jù)彈性力學(xué)理論分析，對于橫截面高度(試樣直徑d_m)遠(yuǎn)小于跨距l(xiāng)_w的細(xì)長苧麻莖稈(類似于細(xì)長梁)，橫截面上的附加正應(yīng)力和縱向纖維間的正應(yīng)力都非常微小，采用純彎曲時梁橫截面上的正應(yīng)力材料力學(xué)公式^［16］(式1)來計算每組試驗數(shù)據(jù)的彎曲應(yīng)力，與苧麻莖稈內(nèi)的真實壓力相比，不會產(chǎn)生很大誤差，能夠滿足工程問題所要求的精度。

                                      （1）

式中： σ_w —彎曲應(yīng)力即抗彎強(qiáng)度，MPa；

F_wmax —最大彎曲力，N；

d_m —試樣外圓截面直徑，mm；

l_w —試樣跨距，mm。

 

2結(jié)果與分析

2.1不同品種苧麻間彎曲應(yīng)力的差異

飼用苧麻基部彎曲載荷與位移關(guān)系曲線如圖2所示，不同品種苧麻莖稈基部彎曲載荷與位移的關(guān)系類似。莖稈在載荷的作用下，先進(jìn)入近似線性的彈性變形階段，當(dāng)載荷值增大到極限值后，試件開始產(chǎn)生局部微觀破壞，曲線下降。

 

圖2 彎曲載荷與位移關(guān)系曲線

 

從圖3可以看出，不同品種苧麻的莖稈抗彎強(qiáng)度有明顯的差異，同一個品種，莖稈的抗彎強(qiáng)度差異亦明顯。飼用苧麻G59的整體抗彎強(qiáng)度小于其他6個品種，飼用苧麻品種TG5的平均抗彎強(qiáng)度大于其他6個品種的。7個苧麻品種基部莖稈彎曲應(yīng)力平均為0.988MPa。

 

圖3 彎曲應(yīng)力與品種的關(guān)系

 

根據(jù)實踐經(jīng)驗，各飼用苧麻品種的抗彎強(qiáng)度近似服從正態(tài)分布。不同品種的抗彎強(qiáng)度方差分析見表2，顯著性檢驗結(jié)果，P－value=2.36E－13＜0.01，F_0.05=2.2464，F_0.01=FINV(0.01，6，60)=3.12，F=20.9857＞F_0.01，表明上述7個苧麻品種飼用時的抗彎強(qiáng)度差異極顯著。

表2 不同品種的抗彎強(qiáng)度方差分析

 

2.2 不同品種苧麻莖稈橫截面積和重量對抗彎強(qiáng)度的影響

中苧1號基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖4所示，線性相關(guān)系數(shù)為0.596，可見該品種基部橫截面積和重量的變化趨勢相同，有一定的線性正相關(guān)關(guān)系。該品種的抗彎強(qiáng)度與橫截面積之間是非線性關(guān)系，抗彎強(qiáng)度與重量之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系，如圖5所示。

 

 

圖4 中苧1號基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系

 

 

圖5 中苧1號基部莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

 

中苧3號基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖6所示，相關(guān)系數(shù)為0.967，該品種基部橫截面積和重量之間具有線性正相關(guān)性。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖7所示。該苧麻品種的莖稈橫截面積抗彎強(qiáng)度之間是非線性關(guān)系，其重量與抗彎強(qiáng)度之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。

 

圖6 中苧3號基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系

 

 

圖7 中苧3號基部莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

 

苧麻0501基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖8所示，可見該品種基部橫截面積和重量之間具有線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.895。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖9所示，其抗彎強(qiáng)度與莖稈橫截面積之間是非線性關(guān)系，與重量之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。

 

圖8 苧麻0501莖稈橫截面積和重量的關(guān)系

 

 

圖9 苧麻0501莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的

 

苧麻G59基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖10所示，可見該品種基部橫截面積和重量之間具有線性正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.972。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖11所示，其抗彎強(qiáng)度與莖稈橫截面積之間是非線性關(guān)系，與重量之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。苧麻TG5基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖12所示，決定系數(shù)為0.950，可見該品種基部莖稈橫截面積和重量之間擬合度高，相關(guān)系數(shù)為0.975，具有很強(qiáng)的線性相關(guān)性，呈正相關(guān)。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖13所示，其橫截面積與抗彎強(qiáng)度之間是非線性關(guān)系，其重量與抗彎強(qiáng)度之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。苧麻TG6基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖14所示，可見該品種基部橫截面積和重量之間的變化趨勢相同，相關(guān)系數(shù)為0.852，呈線性正相關(guān)。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖15所示，該品種的抗彎強(qiáng)度與莖稈橫截面積是非線性關(guān)系，與重量之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。苧麻四川DB基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系如圖16所示，可見該品種基部橫截面積與重量之間具有較高的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.901。該品種莖稈的橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系如圖17所示，苧麻四川DB的莖稈的抗彎強(qiáng)度與該段橫截面積之間是非線性關(guān)系，與該段重量之間不存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。

 

圖10 苧麻G59莖稈橫截面積和重量的關(guān)系

 

 

圖11 苧麻G59莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

 

 

圖12 TG5基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系

 

 

圖13 TG5基部莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

 

 

圖14 苧麻TG6莖稈橫截面積和重量的關(guān)系

 

 

圖15 苧麻TG6莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

 

 

圖16 苧麻四川DB基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系

 

 

圖17 苧麻四川DB基部莖稈橫截面積和重量與抗彎強(qiáng)度的關(guān)系

 

2.3 7個品種基部莖稈橫截面積與重量的關(guān)系

7個苧麻品種基部莖稈橫截面積與重量的關(guān)系如圖18所示，其基部莖稈橫截面積與重量之間具有較高的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.938。

 

圖18 苧麻基部莖稈橫截面積和重量的關(guān)系

3結(jié)論與討論

(1)飼用苧麻飼用價值較高，是一種新型的優(yōu)質(zhì)蛋白飼料，從物理機(jī)械特性角度出發(fā)，采用萬能材料試驗機(jī)，測定了收獲期7個品種飼用苧麻莖稈的最大抗彎力，計算出其基部莖稈抗彎強(qiáng)度，不同飼用苧麻品種抗彎強(qiáng)度差異達(dá)極顯著水平，最大抗彎強(qiáng)度為1.529MPa。中飼苧1號的抗彎強(qiáng)度從0.699Mpa到0.867MPa；中飼苧3號的抗彎強(qiáng)度范圍是0.859MPa到1.266MPa；飼用苧麻0501的抗彎強(qiáng)度從0.532MPa到1.154MPa；飼用苧麻G9抗彎強(qiáng)度從0.350MPa到0.781MPa；飼用苧麻TG5的抗彎強(qiáng)度從1.062MPa到1.670MPa；飼用苧麻四川DB的抗彎強(qiáng)度從0.879MPa到1.529MPa；飼用苧麻TG6的抗彎強(qiáng)度從0.823MPa到1.523MPa。飼用苧麻莖稈基部彎曲特性的測定為設(shè)計與此相適應(yīng)的收獲機(jī)械及加工機(jī)械提供依據(jù)，亦可為飼料用苧麻品種選育提供參考。

(2)收獲期，同一苧麻品種的基部莖稈抗彎強(qiáng)度與橫截面積之間沒有線性關(guān)系，從公式(1)可以看出，它們是冪函數(shù)關(guān)系；同一品種莖稈抗彎強(qiáng)度與重量之間不存在顯著性相關(guān)關(guān)系，但7個苧麻品種的基部莖稈橫截面積與重量之間具有線性正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)是0.938，其中飼用苧麻TG5基部莖稈橫截面積和重量之間擬合度高，相關(guān)系數(shù)為0.975；中飼苧1號底部莖稈橫截面積和重量之間的線性相關(guān)系數(shù)為0.596。苧麻基部莖稈橫截面積與重量的關(guān)系式，可為建立苧麻莖稈的仿真模型提供參考。

(3)飼用苧麻的抗彎強(qiáng)度與纖用苧麻的抗彎強(qiáng)度差異較大，原因可能是品種培育差別、生長期不同。雖然飼用苧麻的抗彎強(qiáng)度小于纖用苧麻，纖用苧麻的收割機(jī)械可以收割飼用苧麻，但是存在動力浪費，噪音大等問題，不利于苧麻產(chǎn)業(yè)綠色低碳發(fā)展。

(4)飼用苧麻一年收獲多次，不同季次的收獲期飼用苧麻力學(xué)性能是否存在顯著差異有待進(jìn)一步研究，以便為飼用苧麻專用收獲加工機(jī)械設(shè)計提供依據(jù)。

 

參考文獻(xiàn)

［1］熊和平.苧麻飼用價值和方法的評介［J］.飼料研究，1989(4)：19－21.

［2］喻春明，陳建榮，王延周，等.苧麻分子育種與飼料用苧麻研究進(jìn)展［J］.中國麻業(yè)科學(xué)，2007(S2)：389－392.

［3］熊和平，喻春明，王延周，等.飼料用苧麻新品種中飼苧1號的選育研究［J］.中國麻業(yè)，2005，27(1)：2－5.

［4］朱濤濤，朱愛國，余永廷，等.苧麻飼料化的研究［J］.草業(yè)科學(xué)，2016，33(2)：338－347.

［5］劉佳杰，馬蘭，周韋，等.飼用苧麻機(jī)械化收獲發(fā)展現(xiàn)狀問題對策建議［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45(18)：173－175.

［6］LIU L，LAO C，ZHANG N，et al. The effect of newcontinuous harvest technology of ramie(Boehmeria nivea L.Gaud.) on fiber yield and quality［J］.Industrial Crop sand Products，2013，44(2)：677－683.

［7］唐守偉，劉凱，戴求仲，等.飼用苧麻機(jī)械化收獲與農(nóng)藝融合技術(shù)研究［J］.中國麻業(yè)科學(xué)，2018，40(5)：226－233.

［8］鄭霞，侯振平，戴求仲，等.飼用苧麻與飼用玉米不同比例混合青貯的研究［J］.中國農(nóng)學(xué)通報，2019，35(33)：137－140.

［9］劉佳杰，龍超海，馬蘭，等.我國飼用苧麻青貯加工技術(shù)與加工機(jī)械研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.飼料工業(yè)，2016，37(21)：18－21.

［10］蘇工兵.苧麻莖稈力學(xué)建模及有限元模擬分析研究［D］.武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

［11］黃海東，李繼波，廖慶喜.收割期苧麻底部莖稈剪切的機(jī)械物理特性與參數(shù)［J］.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008(3)：453－455.

［12］沈成，李顯旺，田昆鵬，等.苧麻莖稈力學(xué)模型的試驗分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(20)：26－33.

［13］晏科滿，鄒舒暢，唐令波，等.苧麻莖稈沖擊斷裂韌性試驗與分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(21)：308－315.

［14］徐鑫，郭克君，譚新建，等.苧麻莖稈的力學(xué)性能研究［J］.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2018，44(4)：447－452.

［15］陳平，馬蘭，朱愛國，等.不同苧麻品種(系)莖稈抗折力和植株性狀的差異及其相關(guān)性［J］.中國麻業(yè)科學(xué)，2019，41(3)：109－113+121.

［16］孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2002：8

 

文章摘自：馬蘭,劉佳杰,向偉,顏波,呂江南,文慶華.飼用苧麻基部莖稈彎曲特性測試[J].中國麻業(yè)科學(xué),2022,44(02)：80-87.