不同玉米果穗位姿与含水率对穗柄断裂特性的影(7)

根据仿生学原理，张莉等[20-22]分别根据人工单手摘穗原理，设计了由上向下施力的摘穗机构，可有效降低载荷，减少摘穗损失；但摘穗部件行程大，运动复杂，果穗苞叶残留较多。而在人工双手摘穗时，以一手支撑、另一手施加弯矩掰穗，可避免损失损伤、高能耗和苞叶残留等问题，但目前对双手摘穗中支撑手的作用缺乏研究，对穗柄在弯曲变形断裂的认识不足。

综上，本研究将以人工双手摘穗时穗柄受力为原型，构建玉米穗柄的受力断裂模型，对该模型下的穗柄断裂行为进行分析，探究不同含水率、不同果穗位姿下玉米穗柄的断裂规律，以确定基于果穗位姿变化的仿生摘穗机构的结构与运动参数，为新型玉米摘穗装置的设计与优化提供理论依据和数据支撑。

1 玉米穗柄受力模型研究

目前应用范围较广的摘穗辊式割台和拉茎辊-摘穗板组合式割台上，玉米果穗穗柄的断裂方式为单一拉伸断裂，且茎秆的拉伸方向为垂直向下。而在人工双手摘穗时，同时对玉米穗柄施加弯曲载荷和拉伸载荷，相较于单一的拉伸方式，玉米穗柄更容易断裂，且摘穗后苞叶残留量显著降低。与当前采用的摘穗割台相比，人工双手摘穗的主要特点在于，施力手施加的弯矩引起果穗的位姿变化，导致了穗柄的断裂行为产生变化。

人工双手掰穗的原理如图1a所示。作业中以支撑手握住穗柄及茎秆，对玉米果穗的穗柄下部形成固定作用；以施力手在果穗顶端向下压，对果穗施加绕支撑手旋转的力矩。由于断裂点位于穗柄中上部，因此在果穗被摘下时，大部分苞叶会与未摘下的穗柄一起遗留在玉米茎秆上，使果穗上附带的苞叶层数显著减少，从而降低了后续的剥皮、脱粒作业的工作量。

玉米果穗被摘下瞬间，穗柄的受力如图1b所示。施力手对果穗上部施加压力时，支撑手对果穗下部形成支撑作用，在支撑手的杠杆作用下，果穗对底部穗柄施加向上的拉力T。穗柄下端生长在玉米茎秆上，茎秆对穗柄产生向下的拉力P。同时，施力手驱动果穗弯曲时，通过果穗对穗柄施加弯矩M’。

实际生产中，欲通过机械部件握持穗柄并对果穗施加弯矩完成摘穗，存在较大设计难度。按照仿生设计中目标功能有效实现的准则，将模本功能的实现作为设计的首要目标[23]。通过改变玉米果穗受力时的位置姿态，使其发生一定角度的偏转，对茎秆施加向下的拉力，穗柄即受到拉力和弯矩的共同作用。其与手工摘穗的不同点在于：手工摘穗时，穗柄受力以弯矩为主，拉力次之；而在不同玉米位姿下对茎秆施加拉力，穗柄受力以拉力为主，弯矩次之。若能通过改变果穗位姿，通过对茎秆施加拉力，实现穗柄在较小拉力下的断裂，则模本的核心功能即得到了有效实现。在现有拉茎辊-摘穗板式玉米割台基础上，参照人工双手摘穗时穗柄的受力模型，按照上述仿生模本目标功能实现的准则，设计出预先改变果穗位姿的玉米摘穗机构，如图2所示。该摘穗机构在玉米果穗接触割台时，对果穗底部施加侧向力，引起果穗的位姿变化，使其偏转一个角度，同时使穗柄产生弯曲变形，然后在拉茎辊的拉力下完成玉米果穗的摘取。该摘穗机构的设计目标是减小穗柄拉断力，降低割台功耗，减少剥皮机作业量，降低脱粒机脱出物的含杂率，提高玉米机械化收获的效率和质量。

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。

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