全 文 ：黄瓜藤秸秆力学特性与显微结构研究!
张西良1a，孙晓佳1a，徐云峰1b，李萍萍2，郭 茜1a，张世庆1a
(1 ． 江苏大学 a ． 机械工程学院;b． 农业工程研究院 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室 /江苏省重
点实验室，江苏 镇江 212013;2 ． 南京林业大学 森林资源与环境学院，南京 210037)
摘 要: 为了找到园艺秸秆高效切割粉碎处理的内素，研究了黄瓜藤秸秆的力学特性与纤维结构。通过对比黄
瓜藤秸秆根部、中部和头部拉伸应力 － 应变曲线发现，秸秆中部呈现塑性材料特性，头部和根部表现出脆性材料
特点。黄瓜藤秸秆根部平均弹性模量是 280． 58MPa，远大于中部和头部的平均弹性模量 198． 81MPa 和 137． 22MPa。
通过对黄瓜藤秸秆的显微结构的进一步研究发现，黄瓜藤秸秆均是由表皮、机械组织、维管束和薄壁组织组成
的，是一种多孔、筛状、不均匀的复合材料。这些都为研制切割机械、选择切割参数提供了设计依据。
关键词:黄瓜藤秸秆;力学特性;弹性模量;抗拉强度;微观结构
中图分类号:S63;Q947． 6 文献标识码:A 文章编号:1003 －188X(2014)04 －0156 －04
0 引言
2010 年我国生产秸秆达 7． 26 亿 t，占全世界秸秆
总量的 30%以上，而秸秆综合利用率仅达 30%左右。
利用率低的主要原因是处理粗放、利用值不高、经济
上得不偿失。对于藤茎蔓类高秆园艺秸秆，还田破碎
和腐熟处理困难，作业机械在设施园艺上难以展开，
因此提出园艺秸秆就近造肥或者基质化处理利用方
法。其解决的关键问题也是秸秆综合利用方法面临
的共性问题—如何实现低成本、高效秸秆切割粉碎处
理，首要问题是掌握园艺秸秆力学特性。
早在 1965 年，张惠文利用显微镜对秸秆准静态
切割观察发现:切割速度越大，在切割点物料传递变
形的时间越少，所需要的能量和力就越小［1］。近年
来，我国学者对农作物秸秆力学特性做了大量研究，
其中一部分学者侧重于秸秆的拉伸、压缩、弯曲、剪切
等力学性能影响因素的研究［2 － 6］;也有一部分学者通
过比较微观结构来分析力学性能，但其主要研究对象
是水稻、小麦等粮食作物秸秆［7 － 10］。国外学者对农作
物秸秆力学特性也做了大量研究［11 － 13］。其中，较为
典型的如下:德国学者 O Dogherty 等(1995)试验研
究得出:小麦秸秆拉伸强度 2 112 ～ 3 112MPa，剪切强
收稿日期:2013 － 04 － 08
基金项目:国家自然科学基金项目(51175230) ;江苏大学高级专业人
才科研启动基金项目(08JDG048) ;江苏省普通高校研究
生科研创新计划项目(CXLX12_0625)
作者简介:张西良(1964 －) ，男，江苏丹阳人，教授，博士生导师，博
士，(E － mail)190337373@ qq． com。
通讯作者:孙晓佳(1988 －) ，男，江苏常州人，硕士研究生，(E － mail)
sunxiaojia_1221@ 163． com。
度 4 191 ～ 7 126 MPa，杨氏模量 4 176 ～ 6 158GPa，刚性
模量 267 ～ 547 MPa，秸秆成熟度、含水率等对以上参
数都有影响［14］;Md． Majibur Ｒahman Khan 等(2010)
通过对 Alyssa 和 Petera 两个大麻品种压缩性能进行比
较，得出了两个品种之间不同的抗压性能［15］。但是，
针对藤蔓类园艺秸秆并将力学特性和显微结构联系
在一起的研究成果还不多见。因此，有必要研究园艺
秸秆理化特性和切割力学特性。
本文以黄瓜藤秸秆为研究对象，针对黄瓜藤头
部、中部和根部 3 个不同部位，进行拉伸试验，结合复
合材料力学进行分析，揭示了黄瓜藤秸秆显微结构和
力学特性之间的内在联系，为开发和改进秸秆切割机
械提供理论支持。
1 材料和试验方法
1． 1 力学性能试验
1． 1． 1 试验材料与试样制备
试验材料来源于江苏大学温室大棚的成熟期黄
瓜藤，采样日期是 2011 年 11 月，收获后 7 天进行试
验，用干燥法测得根部、中部和头部的平均含水率分
别为 22%，25%和 40%。对温室大棚中收获期的黄
瓜藤秸秆进行随机采样，选取无机械损伤、生长良好、
无病虫害的植株。利用解剖刀分别截取黄瓜藤主茎
杆中离根部端点 120mm、距顶端端点 120mm 作为根
部和头部的试样，将剩余部分作为中部，同样按
120mm为一段截取为试样，其中试样两端各有 10mm
用于夹持。对每个试样进行编号，用游标卡尺测量并
记录其横截面的长和宽。
1． 1． 2 试验方法与设备
试验使用长春科新试验仪器有限公司生产的
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WDW30005 型微机控制试验机，其最大试验力为
500 N，测量准确度为 ± 0 ． 5 % N，位移分辨率为
0． 001mm。为防止秸秆从夹具里滑脱，该试验使用内
表面粘有橡胶垫的卡头，将试样两端装夹于试验机上
下夹具之间，适度夹紧。用游标卡尺测量试样的宽和
厚，准确至 0． 1mm，并将数据录入计算机中。试验过
程中加载速度不能过大，否则将会导致试验失败。本
试验中选取 2mm /min 的加载速度来施加拉力，直至
秸秆被破坏。随着载荷的增加，若断裂处不在上下夹
具处时，则认为拉伸试验成功。计算机可以通过描点
方式记录下载荷 F －位移 ε 图，各点的坐标均可保存
为电子表格文件。
1． 2 显微结构试验
秸秆的宏观力学特性和与其显微结构紧密相关，
为进一步探讨黄瓜藤秸秆的力学特性，进行了黄瓜藤
秸秆的显微结构试验。
1． 2． 1 试样制备
首先将黄瓜藤秸秆洗净，使用解剖刀将黄瓜藤横
向或纵向切成 20μm 左右的薄片，将黄瓜藤薄片放置
于载玻片上，用滴管滴 2 ～ 3 滴去离子水，使黄瓜藤薄
片完全浸入去离子水中，盖上洁净的盖玻片。
1． 2． 2 试验方法与设备
将制备好的黄瓜藤薄片试样置于带有成像设备
的电子扫描显微镜下，通过计算机观察黄瓜藤的组织
结构，并拍摄、保存照片。运用统计学原理，研究比较
黄瓜藤秸秆不同部位的显微结构差异，并分析显微结
构和力学性能之间的内在关系。
2 结果与分析
2． 1 力学性能
对同一品种的黄瓜藤秸秆试样进行拉伸试验，共
采试样 200 个，对拉伸试验曲线中近似线性部分的离
散数据进行一元线性回归，得出黄瓜藤不同部位的应
力 σ －应变 ε关系，如图 1 所示。
图 1(a) ，(b)和(c)分别为横截面积 4． 49mm2的
根部、17． 63mm2的中部和 14． 16mm2的头部的黄瓜藤
秸秆轴向拉伸应力 －应变曲线，随着拉力的逐渐增大
直至破坏极限。在此过程中，头部和根部除开始预紧
阶段有小部分滑移外，其余曲线近似成线性关系，符
合脆性材料的特点，如图 1(a)和(c)所示;而中部试
样一般经历弹性、屈服、强化和断裂 4 个阶段，符合塑
性材料的特点，如图 1(b)所示。
图 1 黄瓜藤根部应力 －应变曲线图
Fig． 1 Stress － strain curve of Cucumber roots
根据胡克定律，有
E = σ /ε (1)
式中 E—杨氏模量(MPa) ;
σ—应力(MPa) ;
ε—应变。
抗拉强度的计算式为
σmax = Fmax /A (2)
式中 σmax —抗拉强度(MPa) ;
Fmax —试验中的最大载荷(N) ;
A—试样的横截面积(mm2)。
由此得出黄瓜藤的杨氏模量 E。将试验计算结果
用 SPSS13． 0 数据分析软件进行统计分析，统计结果
表明:
1)黄瓜藤秸秆根部、中部和头部的平均抗拉强度
分别为 7． 35，6． 30，4． 68MPa，平均弹性模量分别是
280． 58，198． 81，137． 22MPa。这说明，黄瓜藤秸秆具
有较高的强度和良好的弹性，从根部到头部，其抵抗
变形能力逐渐降低。
2)对黄瓜藤根部和头部、根部和中部、头部和中
部的抗拉强度进行独立样本 t 检验结果表明，试样抗
拉强度 F 值的相伴概率值 p≤0． 05，拒绝方差相等的
零假设;t 统计量的相伴概率值 p (分别为 0 ． 006，
0． 000 1 和 0． 003)≤0． 05，拒绝 t 检验的零假设，可以
认为黄瓜藤秸秆不同部位的抗拉强度有显著性差异。
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3)黄瓜藤秸秆不同部位的抗拉强度和杨氏模量
均方差都很大，表明不同茎秆个体之间的差异很大。
由于不同部位与不同横截面积的黄瓜藤秸秆的
抗拉强度不同，故将横截面积与抗拉强度进行曲线拟
合、回归分析，结果表明:幂函数模型具有较好的拟合
优度，头部、中部和根部拟合方程的复回归系数 Ｒ 分
别为 0． 89，0． 91 和 0． 90。黄瓜藤秸秆抗拉强度与横
截面积的关系如图 2 所示。图 2 表明:黄瓜藤秸秆不
同部位的抗拉强度随着横截面积的增大而以幂函数
递减，但是其递减函数不相同。这为秸秆切割机械选
取切割力、切割速比等技术参数提供理论依据。
图 2 黄瓜藤秸秆抗拉强度和横截面积的关系
Fig． 2 The relationship about tensile strength and cross － sectional area
of cucumber vine stalks
为了进一步探讨秸秆不同部位的抗拉强度、杨氏
模量不同的原因，对黄瓜藤秸秆进行了显微结构试验。
2． 2 黄瓜藤显微结构
图 3(a) ，(b) ，(c)是截面积分别为 4． 49mm2的根
部、17． 63mm2的中部和 14． 16mm2的头部的横截面显微
结构图。
图 3 黄瓜藤秸秆显微结构
Fig． 3 The microstructure of Cucumber vines straw
从图 3 可以看出:黄瓜藤秸秆由表皮、机械组织、
维管束和薄壁组织组成，是一种多孔、筛状、不均匀的
复合材料。茎秆的强度主要由表皮、机械组织和维管
束承担，薄壁组织起连接和传递载荷的作用。图 3 中
3 个不同部位的表皮、机械组织和维管束占总面积的
27． 99%，21． 76%，16． 14%，而相对应的秸秆抗拉强
度分别为 8． 48，6． 79，4． 13MPa。
统计数据表明:秸秆的机械组织越发达，表皮越
厚，维管束越多，叶片抵抗外载荷的能力越强。黄瓜
藤秸秆根部的抗拉强度比头部和中部大，其原因就是
根部比头部和中部的机械组织发达，维管束多。
3 结论
1)黄瓜藤秸秆不同部位的抗拉强度相互之间有
显著性差异，这跟不同部位的木质素含量、纤维素含
量、机械结构及其排列方式等密切相关。黄瓜藤秸秆
不同部位的抗拉强度和杨氏模量均方差都很大，反映
出了不同茎秆个体之间的差异很大。
2)黄瓜藤秸秆显微结构基本相同，均是由表皮、
机械组织、维管束和薄壁组织组成，是一种多孔、筛
状、不均匀的复合材料。但是不同部位的秸秆组分，
各种组分的含量、连接方式均不相同，导致秸秆不同
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部位呈现不同的特性，其中中部呈现塑性材料的特
性，头部和根部表现出脆性材料的特点。
3)黄瓜藤秸秆根部平均弹性模量是 280． 58MPa，
远大于中部和头部的平均弹性模量 198． 81MPa 和
137． 22MPa。弹性模量越大，刚性越大，变形越小，不
易被破坏，因此黄瓜藤秸秆根部不适宜切割、粉碎，在
设计切割、粉碎机械时应考虑针对根部区别对待，或
在切割粉碎前对秸秆进行区分。
本研究结论为设计切割机械、选择切割参数提供
了理论。但是，影响秸秆抗拉强度等力学性能的因素
很多，比如秸秆的成分、各成分之间的结构和排列方
式等。更重要的是，对于设计秸秆切割、粉碎机械来
说，还需对外载荷作用下秸秆微观结构的变化进行深
入探讨。
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Mechanical Characteristics and Microstructure of Cucumber Vine Straw
Zhang Xiliang1a，Sun Xiaojia1a，Xu Yunfeng1b，Li Pingping2，Guo Qian1a，Zhang Shiqing1a
(1． Jiangsu University a． School of Mechanical Engineering;b． Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and
Technology，Ministry of Education and Jiangsu Province，Institute of Agricultural Engineering，Zhenjiang 212013，China;
2． College of Forest Ｒesource and Environment ，Nanjing Forestry University ，Nanjing 210037，China)
Abstract:In order to find the internal factors of efficient cutting and grinding process of the gardening straw，mechanical
properties and the microstructure of the cucumber vine straw were tested in the laboratory． Ｒesults showed that root of
cumber vine presented characteristics of plastic material，while middle and head showed the characteristics of brittle ma-
terial． Average elastic modulus of cucumber vine stalk root is 280． 58MPa，which is much greater than the middle and
head with average elastic modulus of 198． 81 and 137． 22MPa respectively． Further，cucumber vine straw is composed of
epidermis，mechanical tissue，vascular bundle，parenchyma and can be considered a kind of porous ，cribriform ，uneven
composite． Both of these conclusions can provide the basis of cutting machinery developing and cutting parameters selec-
tion．
Key words:cucumber vine straw;mechanical characteristics;elastic modulus;tensile strength;microstructure
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2014 年 4 月 农 机 化 研 究 第 4 期