不同玉米果穗位姿与含水率对穗柄断裂特性的影(6)

图12 果穗偏转角度为60°时穗柄的载荷-位移曲线Fig.12 Tensile load-displacement curve of peduncle when corn ear deflected at 60°

3.3.3 2种断裂方式下的力学比较

由上述分析可知，在以拉伸为主的断裂方式下，穗柄在裂纹萌生后短时间内断裂，穗柄断裂时的载荷与裂纹萌生时的载荷相比，变化较小。而在以弯曲为主要形式的断裂方式下，穗柄在裂纹萌生后持续出现锯齿状的波动，并产生较大的拉伸变形，由于存在应力集中等原因，这一阶段，载荷与拉伸时相比，并未产生显著增加，穗柄断裂拉伸的最大载荷与裂纹萌生时的载荷差值较小。因此，在2种断裂方式中，穗柄的断裂行为均始于表面裂纹的萌生，裂纹萌生时穗柄所受的拉力，能够在数值上客观反应穗柄断裂力。

由玉米穗柄的微观结构可知，其表层主要结构为纤维束[29]。穗柄表面裂纹的萌生，是拉力超过纤维束极限载荷而断裂的宏观表现。将穗柄横截面视为圆形，由材料力学知识可知，在拉伸情况下，材料的断裂条件为[30]

（4）

式中σT为材料的拉伸极限应力，MPa；FT为果穗偏转角度小于临界角度时的拉伸载荷，N；S为穗柄的横截面积，mm2；r为穗柄半径，mm。

在弯曲情况下，穗柄表面裂纹萌生的诱因是弯曲正应力超过材料的极限应力，即

（5）

式中σB为材料的极限弯曲正应力，MPa；Mmax为最大弯矩，N·mm；W为抗弯截面系数，mm3；FB为果穗偏转角度大于临界角度时的拉伸载荷，N；a为茎秆与裂纹产生处的水平距离，mm。

由于玉米穗柄在拉伸与弯曲形式下的极限应力，均为穗柄表面纤维束均受到拉力作用而断裂的极限应力，故σT=σB。则由式（4）和式（5）可得拉伸断裂与弯曲断裂条件下拉伸载荷的关系为：

（6）

因此，在弯曲载荷与拉伸载荷共同作用下，当玉米果穗偏转角度达到临界角度，穗柄由拉伸断裂突变为弯曲断裂，其根本原因为穗柄表面裂纹萌生的诱因发生突变，裂纹的扩展方式也随之改变。而在仿人工双手摘穗机构中，欲达到降低拉茎辊载荷及苞叶残留量的目的，则施加的横向作用力，须使玉米果穗的偏转角度达到上述临界角度。

4 结 论

1）玉米果穗位姿的变化显著影响穗柄的拉伸断裂行为：随着果穗偏转角度增大，穗柄拉断力、断裂拉伸量及苞叶残留率会在一临界角度产生突变；在籽粒含水率分别为34.8%、30.2%、25.1%和20.3%时，临界角度分别为50°～55°、50°～55°、45°～50°和45°～50°，达到临界角度后，玉米穗柄的拉伸断裂力分别降低了80%、86%、84%和80%，穗柄拉伸量分别增加了72%、70%、93%和84%，苞叶去除率分别增加了41%、34%、32%和36%。

2）随着果穗偏转角度的增大，穗柄的断裂机理发生改变：偏转角度小于临界角度时，裂纹萌生诱因是拉应力超过材料极限应力，穗柄为拉伸断裂，穗柄在裂纹产生后迅速断裂；偏转角度达到临界角度后，裂纹萌生是由于弯曲正应力超过材料的极限应力，穗柄为弯曲断裂，穗柄在较长时间的裂纹扩展后发生断裂。

付乾坤，付 君，陈 志，张立波，任露泉.不同玉米果穗位姿与含水率对穗柄断裂特性的影响[J]. 农业工程学报，2019，35(16)：60－69. doi：10./

Fu Qiankun, Fu Jun, Chen Zhi, Zhang Libo, Ren of different corn ear position and orientation and water content on fracture mechanics of corn peduncle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(16):60－69. (in Chinese with English abstract) doi：10./

0 引 言

玉米是中国种植面积最大、产量最高的的粮食作物[1]。实现玉米高效、低损的机械化生产，对于中国粮食安全具有重要的现实意义。摘穗是玉米收获的首要步骤，摘穗割台是玉米机械化收获的主要工作部件[2]。国家标准对割台作业的适用含水率及果穗损失率、籽粒损失率及籽粒破碎率等性能指标做了明确规定[3]，但在实际生产中，摘穗割台并未完全满足以上技术指标，果穗与割台的高速直线撞击引发果穗啃伤、籽粒飞溅及破碎等问题[4-5]，此外，拉伸摘穗作业功耗较大，摘穗后苞叶残留较多，增加籽粒直收型玉米收获机的剥皮、清选难度[6-7]。

针对割台损失，张海勇等[8]分析了影响割台籽粒损失的因素，认为果穗与摘穗部件的接触方式是主因；陈美舟等[9]运用高速摄像试验发现，果穗被摘下时受到的摩擦和碰撞，及在摘穗部件上弹跳，造成了籽粒损失和损伤；耿爱军等[10]建立了摘穗时果穗受力数学模型，发现果穗被摘下时受到的摩擦和获得的加速度，是籽粒损失损伤的主因；贺俊林等[11]用5种摘穗辊型做了3种作业速度下的组合试验，发现摘穗凸棱和拉茎段参数是影响籽粒损失损伤的主要因素。为避免碰撞与摩擦造成的损失，张道林等[12-15]设计了立棍式摘穗机构，并对辊型和运动参数进行优化，试验效果较好；张智龙等[16]设计了梳齿式摘穗机构，采用向上梳脱的方式将果穗摘下；美国DRAGO公司开发了具有缓冲弹簧的摘穗板来降低果穗碰撞造成的籽粒损失[17]；JOHN DEERE公司的700C系列割台，配置了液压式摘穗板，可根据茎秆和果穗尺寸调节工作参数[18]；OXBO 3000系列割台采用锥形刀辊，以降低果穗与摘穗板的冲击加速度，降低籽粒损失[19]。

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