不同玉米果穗位姿与含水率对穗柄断裂特性的影(2)

然而，欲确定上述摘穗机构的结构与运动参数，须首先确定玉米穗柄在果穗不同位姿下断裂的受力、变形等边界条件。本试验以不同含水率下的收获期玉米为研究对象，通过预先将玉米果穗以不同偏转角度进行固定，使穗柄产生不同的弯曲变形量，再对不同位姿下的玉米果穗进行穗柄的拉伸断裂试验，以获取拉伸茎秆时穗柄的“载荷-位移”数据及苞叶残留量，探究穗柄的断裂规律。

2 材料与方法

2.1 试验材料与设备

试验所用玉米品种为飞天358。其主要性状为：株高301 cm左右，穗位123 cm左右，成株叶片20～21片；穗柄平均直径为20 mm左右（含苞叶）；果穗为筒形，穗长17.7 cm左右，穗行数16~18 行；籽粒为黄色，马齿形，百粒质量40.1 g左右。该品种与东北地区广泛种植的穗收型玉米品种性状相近，以该品种为试验对象，具有较强的代表性。试验所用带茎秆的果穗为2018年9月28日至10月21日间分批次采集于吉林大学农业试验基地。选取穗柄及茎秆无虫蛀、无病害，果穗大小均匀、茎秆粗细一致的果穗进行采集。采集方式为人工用镰刀在玉米结穗处将上部和下部茎秆砍断，仅保留约300 mm左右的茎秆，从而便于试验时夹持。为使试验材料尽可能接近田间生长状态，采集前，测量玉米果穗的籽粒含水率，在籽粒含水率略高于控制含水率时，将玉米果穗采下备用。采集后，经自然晾晒至籽粒含水率达到控制含水率，再进行各含水率下的玉米穗柄断裂试验，同时测量果穗其他各部位的含水率。

根据东北地区玉米收获期的籽粒含水率要求[24]，按照35%、30%、25%和20%的标准对籽粒含水率进行控制，允许籽粒含水率在标准上下浮动0.3%。经测量，试验时籽粒及果穗的其他部位含水率变化如图3所示。果穗各部位在收获期内的含水率均随时间推移而降低，但变化率并不一致。当籽粒含水率分别为34.8%、30.2%、25.1%和20.3%时，穗柄含水率为81.8%、80.2%、78.3%和60.7%，苞叶含水率为57.3%、42.9%、27.5%和18.1%。以籽粒含水率作为试验因素能够较客观地体现果穗各部位的综合含水率，试验结果能够反映出玉米穗柄在不同成熟状态下的力学特性。

图3 果穗各部位含水率随时间变化图Fig.3 Diagram of moisture content in different part of corn ear vary with date

试验的主要设备为DNS系列电子万能试验机，用于测量玉米果穗穗柄的拉断力和拉断时的变形量；LDS-1G型谷物水分测定仪，用于快速测量玉米果穗在采摘前的籽粒含水率；DZF-6050型电热恒温真空烘干箱用于采用烘干法测量玉米籽粒、苞叶和穗柄的含水率。DNS系列电子万能试验机的示值误差?，负荷传感器量程为10 kN，精度为0.5%。LDS-1G型谷物水分测定仪的测量误差范围?。

2.2 试验方法

试验前，将玉米果穗及茎秆分别固定在电子万能试验机的夹具上，玉米果穗及茎秆的夹持如图4所示。玉米果穗通过定位座和U形螺栓固定在角度板上，角度板通过连接板夹持在上夹具上；玉米茎秆固定在茎秆固定板上，并夹持在下夹具上；上夹具与万能试验机上横梁连接，下夹具通过载荷传感器与万能试验机活动横梁连接。试验中通过更换不同的角度板实现玉米果穗偏转角度的变化，以模拟玉米果穗在割台上受到侧向力之后的位姿变化。果穗的偏转方向与其自然生长方向一致，试验中果穗偏转角度是果穗生长角度与果穗变形角度之和。由于果穗底部苞叶较松弛，其自由伸缩量可避免苞叶对本试验中对穗柄的拉伸断裂性能产生影响。

1. 万能试验机上横梁2. 上夹具3. 连接板4. 下夹具5. 茎秆固定板6. 载荷传感器7. 万能试验机活动横梁8. 茎秆9. 果穗10. U形螺栓11. 角度板12. 螺母13.定位座1. Upper beam of universal testing machine 2. Upper fixture 3. Connecting plate 4. Nether fixture 5. Stalk fixing plate 6. Load sensor 7. Moving beam of universal testing machine 8. Stalk 9. Corn ear 10. U bolt 11. Angle adjusting plate 12. Screw 13. Position seat图4 玉米果穗及茎秆夹持示意图Fig.4 Fixing diagram of corn ear and stalk

由于果穗和茎秆分别固定在万能试验机的上横梁和活动横梁上，试验时，通过控制万能试验机活动横梁向下移动来实现玉米穗柄的拉伸，以模拟拉茎辊对茎秆的下拉作用。万能试验机活动横梁以2 mm/min的速度向下运动，当玉米果穗穗柄被拉断时，会发出较大声响，同时显示器上的拉力曲线会突然出现剧烈的向下变化，此时，试验停止，保存相应的载荷及位移数据。将玉米果穗和茎秆连同角度板一同取下，观察玉米穗柄断裂的位置，并分别测量留在玉米茎秆上和果穗上的苞叶质量。每个因素水平进行10次试验，求取各试验指标的平均值。

文章来源：《力学季刊》 网址: http://www.lxjkzz.cn/qikandaodu/2021/0412/475.html